萬福煤礦泵房軟弱圍巖破壞機理及控制對策

谷艷濤 馬曉寧 馬明月

（兗煤萬福能源有限公司，山東 菏澤 274000）

隨著經濟發展對能源需求量持續擴大，煤炭采深逐年增加，深部礦井的開采在煤炭開采中占著舉足輕重的位置[1]。目前我國中東部煤礦大部分進入深部開采階段[2]。深部高應力環境下大斷面永久支護硐室的開挖與支護是煤礦深部安全、高效開采的一大難題[3-5]。因此，研究深部圍巖破壞特征和穩定性控制對策具有非常重要的研究價值。

為明確深部軟巖大斷面硐室破壞機理并解決其支護難題，本文以萬福煤礦-820 m 水平主排水泵房硐室為背景，采用鉆孔窺視儀、水準儀、布設應變傳感器等現場監測技術對原支護結構下泵房圍巖破壞特征進行監測和分析。同時，針對硐室破壞特點，提出了以注漿充填巖石裂隙和重新砌碹的被動支護相結合的加固措施。硐室圍巖通過注漿充填薄弱區域，再施加砌碹和注漿錨索支護，目前泵房圍巖長期處于穩定狀態，未出現明顯變形。研究結果可為類似圍巖加固工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質

萬福煤礦位于山東省菏澤市，-820 m 水平主排水泵房硐室埋深約865 m。該區段南接井底車場輕車線，東接泵房東西段與-820 m 水平主變電所，應力較為集中。泵房在-820 m 水平井底車場的平面圖如圖1。泵房圍巖主要為泥巖和粉砂巖，其軟化系數為0.21～0.36，巖石抗壓強度小于40 MPa，圍巖等級屬于IV～V 級，屬于軟弱圍巖。泵房圍巖中節理裂隙發育且存在滑面，圍巖較破碎。

圖1 -820 m 泵房平面圖

1.2 現場破壞情況

-820 m 水平主排水泵房原支護措施分為三個階段：錨網噴初次支護、注漿錨桿（索）補強支護和砌碹注漿支護。由于泵房埋深較大，圍巖軟弱，泵房圍巖發生了嚴重破壞，破壞順序：吸水井側底腳壓裂→對面直墻壓裂→吸水井側拱肩壓裂→拱頂產生縱向壓裂→破壞由南端向北延伸→東西向泵房南墻產生縱向裂縫。拱頂、拱肩、拱腳和交叉位置直墻均有破壞。泵房砌碹后至今，南北向破壞區域總變形量達254 mm，泵房內部配水巷施工結束后，圍巖變形趨勢減慢，鄰近泵房的輕車線巷道施工后，圍巖變形趨勢略為增大，但總體較之前穩定。

2 泵房圍巖變形破壞機理分析

2.1 圍巖變形監測分析

由圖2 可知，泵房附屬硐室內水倉及配水巷施工時，泵房的兩幫移近量由70 mm 增加至254 mm，速率為23 mm/月，兩幫變形變化劇烈；鄰近泵房的輕車線巷道施工時，泵房的兩幫移近量由272 mm 增加至285 mm，速率為3 mm/月，兩幫變形較為輕微。由監測數據可知，在泵房施工階段，主泵房施工后，泵房附屬硐室內水倉及配水巷的施工對泵房圍巖影響較大，圍巖急劇變形，在同層位鄰近泵房的輕車線巷道施工時圍巖變形較為緩慢。

圖2 泵房變形監測結果

圖3 碹體受力監測圖

圖4 修復斷平面示意圖

2.2 圍巖鉆孔窺視監測

配水巷施工完成后，在泵房圍巖嚴重破壞區段開展鉆孔窺視監測，分別在左、右直墻和拱頂各布置一個10 m 深探孔。窺視結果顯示：泵房鄰空面3.5～4.8 m 范圍內圍巖破壞較為劇烈，此區域裂隙張開度為10 mm，圍巖應力超過自身承載力，即處于屈服狀態，離層顯著，呈現剝落的狀態；鄰空面4.8～7.5 m 范圍內，裂隙張開度為2 mm，此時圍巖處于峰前狀態，未出現明顯離層現象，呈現較為輕微破壞的狀態；圍巖深部8 m 外，位于原巖應力區，圍巖較為致密，未見明顯裂隙，較為完整。

2.3 砌碹體變形分析

混凝土砌碹后，初始階段主要受混凝土自重影響，各位置混凝土應變均表現為受壓狀態，且由于水化熱與儀器穩定性等原因，監測值極不穩定。在10 d 后，各儀器進入穩定狀態，總體表現為拱頂和右直墻壓應變減小，兩肩和左直墻壓應變增加。25 d 后，拱頂和右直墻表現為拉應變，兩肩和左直墻表現為壓應變，監測值均小于60 με，遠小于混凝土極限拉應變（1000 με）和極限壓應變（3000 με），表明此階段砌碹體仍未充分參與承載。150 d后，泵房受內水倉開挖影響，砌碹體受力開始緩慢增加，拱頂拉應變達到350 με，左右拱肩壓應變均達到375 με，左直墻由壓應力轉變為拉應力，右直墻拉應力持續增長。

分析可知，此階段圍巖應力已作用于砌碹體上，砌碹體不同位置表現出不同的應力狀態。隨著配水巷的掘進，砌碹體受力劇烈增長，左右直墻拉應變均超過極限拉應變，拱頂與左右拱肩壓應變接近極限壓應變，砌碹體出現炸皮開裂、鋼筋外露等破壞現象?；炷翍兦€變化規律與表面位移收斂規律具有一致性（達到穩定狀態的時間基本相同等），由此可以推斷，受周圍硐室施工影響，圍巖流變繼續增長，砌碹體作為最后一道支護防線，在當前的設計強度下難以抵抗圍巖變形。

3 加固支護對策

3.1 注漿充填原支護薄弱區

在建設前期階段，1 號吸水井長期未處理處于支護薄弱區，因此，泵房支護體開始破壞位置從1號吸水井開始，因此將1 號吸水井和南北向泵房東壁龕進行注漿回填以減少原支護體中的薄弱區。

3.2 南北向泵房加固修復

根據南北向泵房破壞嚴重程度及凈斷面使用要求，將南北向泵房分為A、B、C 三個區域（如圖5）。對軌道、電纜溝槽及二、三號泵基礎位置進行調整（向西平移500 mm）。對原起吊梁進行拆除，待該區域砌碹后，再重新安裝起吊梁。對A、B 段重新進行砌碹，混凝土標號、鋼筋、扎絲型號與輕車線砌碹參數相同。

圖5 泵房加固分區示意圖（mm）

1）A 區段修復方案

A 區段全長4.37 m，凈斷面寬4400 mm，高4600 mm，連通泵房與輕車線，應力條件復雜。采用注漿錨索+砌碹封閉的加固方案。

① 全斷面注漿加固。幫、頂部注漿錨索參數：Φ29 mm×10 000 mm 注漿錨索，間排距1600 mm×1600 mm。拱腳施工一排底腳注漿錨桿，排距1600 mm。底拱均布3 根Φ29 mm×8000 mm 注漿錨索。托盤尺寸300 mm×300 mm，厚度15 mm，預緊力不小于150 kN。

開挖反底拱，底拱深度1000 mm，弧度98°，弧長4962 mm。開挖后進行鋪網噴漿，利用注漿錨桿壓緊，注漿錨桿排距1600 mm，每排均布3 根。

② 砌碹封閉。剝離破壞嚴重碹體，全斷面扎雙層鋼筋，橫筋Φ28 mm，縱筋Φ32 mm，支模砌碹，碹體厚度500 mm（自現有凈斷面起）。

2）B 區段破壞嚴重段加固

B 區段破壞嚴重段全長9.93 m，目前已取消該區段泵位，加固方案不受斷面尺寸限制。采用注漿錨索+500 mm 厚鋼筋混凝土砌碹加固。

① 全斷面注漿加固。幫、頂部注漿錨索參數：Φ29 mm×10 000 mm 注漿錨索，間排距1600 mm×1600 mm。拱腳施工一排底腳錨桿，排距1600 mm。底板開挖反底拱，拱深1200 mm（即開挖至原底拱碹體內表面），弧度89°，弧長6532 mm。均布5 根Φ29 mm×8000 mm 注漿錨索。托盤尺寸300 mm×300 mm，厚度15 mm，預緊力不小于150 kN。

② 砌碹封閉。剝離破壞嚴重碹體，全斷面（包括底拱部）扎雙層鋼筋，橫筋Φ28 mm，縱筋Φ32 mm，支模砌碹，碹體厚度500 mm（自現有凈斷面起）。然后采用碎石鋪底+軌面水平澆筑。

3）C 區段加固

C 區段未產生嚴重破壞，該區段全長14.65 m，布置有兩組吸水井。泵房采用注漿錨索+400 mm 厚鋼筋混凝土碹體加固，壁龕內采用注漿錨索+12#工字鋼梁加固。

① 全斷面注漿加固。幫、頂部注漿錨索參數：Φ29 mm×10 000 mm 注漿錨索，間排距1600 mm×1600 mm。注漿后，對于錨索外露超過150 mm 的部分進行截斷或內彎。底板開挖反底拱，拱深1200 mm（即開挖至原底拱碹體內表面），弧度89°，弧長6532 mm。均布5 根Φ29 mm×8000 mm 注漿錨索。托盤尺寸300 mm×300 mm，厚度15 mm，預緊力不小于150 kN。

② 砌碹封閉。剝離破壞嚴重碹體，全斷面扎雙層鋼筋，橫筋Φ28 mm，縱筋Φ32 mm，支模砌碹，碹體厚度400 mm（自現有凈斷面起），然后采用碎石鋪底+軌面水平澆筑。

③ 壁龕內采用錨索+12#工字鋼梁進行加固。三號吸水井拱頂、拱肩施工3 排6 m 長錨索配合4 m 長工字鋼，西幫施工2 根10 000 mm 長錨索配合2 m 長工字鋼；二號吸水井拱頂、拱肩施工1 排6 m 長錨索，配合300 mm×300 mm 托盤，西幫施工3 根錨索梁，每根錨索梁施工2 根10 000 mm 長錨索配合一根2 m 長工字鋼。錨索預緊力200 kN。錨索應考慮防銹處理，如采用注漿錨索或熱鍍鋅錨索。

3.3 東西向泵房加固修復

東西向泵房南墻產生縱向壓裂，主要是由于泵房、馬頭門、管子道間的巖柱承載壓力過大，支護強度不能滿足要求。對東西向泵房全斷面采用高強注漿錨索加固。

注漿錨索參數：自底板往上1.5 m，每排施工3 根Φ29 mm×10 000 mm 注漿錨索，間排距1600 mm×1600 mm。托盤尺寸300 mm×300 mm，厚度15 mm，預緊力不小于150 kN。

3.4 注漿錨索加固

1）注漿錨索施工程序

在一個斷面內應由下而上逐根進行，鉆注漿錨索孔→安裝注漿錨索→施加預應力→注漿加固。不能同時鉆多個孔，安裝注漿錨索后進行注漿。應有明確的專業分工協同作業，鉆孔、安裝、注漿工作均由專人負責，鉆一個孔安裝一根錨索再注漿，一根一根地進行。防止先行注漿的錨索其漿液串到其他孔內發生堵塞，影響注漿加固質量。然后，再隔排施工下一排注漿錨索。

2）單根錨桿施工順序

安裝注漿錨桿：注漿錨桿采用風鉆打眼，鉆頭Φ42 mm，深度2950 mm，并用掃眼器吹進孔內水及煤巖粉，將注漿錨桿插入眼內。注漿錨桿外露50～70 mm，注漿錨桿抗拔力不小100 kN。墻部拱腳處打設一排注漿錨桿，間距1600 mm。

按間排距鉆孔→壓風掃孔→安裝注漿錨桿及止漿塞→安裝球形閥及注漿管→開泵注漿→達到注漿參數時停止注漿→30 min 后卸下球形閥→安裝托盤及螺母。

3）單根錨索施工順序

① 頂、幫注漿錨索采用Φ42 mm 鉆頭，底板注漿錨索采用Φ50 mm 鉆頭，頂部、幫部注漿錨索孔深9700 mm，底板注漿錨索孔深7700 mm，并將孔內的巖粉用水或風清理干凈。

② 頂、幫注漿錨索采用錨固劑錨固，底板注漿錨索采用灌注水泥漿端頭錨固1 m，待水泥漿凝固再進行注漿；將一支MSCKb25100 型錨固劑送入鉆孔中，用錨索鋼絞線慢慢將其推到孔底，用攪拌器將錨索鋼絞線與錨桿鉆機輸出軸連接起來，開動錨桿鉆機邊攪拌邊推進將錨索鋼絞線安裝到孔底，達到樹脂錨固劑產品使用說明書中規定的16～40 s后，停止鉆機旋轉但不落鉆機，等待30～60 s 后再落下鉆機，卸下攪拌連接器，完成錨索的錨固。注漿錨索外露長度150～300 mm，拱部注漿錨索每排5 根，墻部每排3 根，底板每排5 根。

③ 依次在頂板開裂位置掛網（臨時支護）、安裝止漿塞、托盤、錨具，并用張拉機具張拉至設計要求的預緊力100 kN，停止張拉。卸下張拉機具，到此整個安裝過程結束。

④ 用注漿接頭將注漿聯接口和注漿機連接，開動注漿機，漿液注入孔中，直至錨索孔口持續出漿或注漿壓力達到設計值為止。

⑤ 取下注漿接頭，注下一條錨索，直到所有錨索注漿完畢。

4）注漿壓力控制

初始壓力從零開始，緩慢升壓，壓力一般控制在1.0 MPa 左右，只要進漿就不宜升壓太快，最大終壓為2.0 MPa。

5）注漿量控制

正常情況下，每孔注入水泥量100～200 kg 左右，當注入水泥量超過500 kg 注漿壓力仍未達到注漿終壓時，可暫停注漿；待2 h 后再復注，若復注時注入水泥量超過300 kg，壓力仍未達到注漿終壓時，應檢查是否有漏漿、跑漿現象，然后再換孔注漿。

6）注漿漿液

選用強度等級42.5 的普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5。摻入ACZ-Ⅰ型水泥注漿添加劑，摻量為水泥質量的6%。

4 結論

該文通過對萬福煤礦-820 m 主排水泵房現場圍巖鉆孔窺視、圍巖變形、砌碹受力變形特點的監測與分析，總結了泵房圍巖和支護體的破壞特點，得出以下結論：

1）泵房建造過程中，附屬硐室配水巷及內水倉的建設會使泵房圍巖顯著變形，而鄰近泵房輕車線的返修對泵房圍巖的變形影響較??；

2）根據圍巖裂隙窺視結果，泵房鄰空面3.5～4.8 m 范圍內圍巖破壞較為劇烈，鄰空面4.8～7.5 m 范圍內圍巖破壞呈現較為輕微的狀態，圍巖深部8 m外的范圍為原巖應力區；

3）采用注漿加固的方式消除圍巖薄弱區，再通過“注漿錨索和砌碹”全面提高巷道支護體、深部圍巖的承載性能。

通過注漿充填薄弱區域，再施加砌碹和注漿錨索支護，目前泵房圍巖長期處于穩定狀態，未出現明顯變形，硐室圍巖的變形得到了明顯的控制。