極破碎圍巖淋水泵房巷道支護技術的應用研究

賈沖濤

（冀中能源股份有限公司章村礦，河北 邢臺 054100）

1 概述

1.1 研究的背景與意義

井工煤礦主要排水泵房巷道（包括泵房、壁龕、小井、配水巷、水倉等）一般設計布置在圍巖穩定的巖層內，采用錨網噴支護即可滿足使用要求，即使有一部分泵房巷道處于圍巖相對不穩定巖層或埋深較深的，采取注漿加固的方式也可以解決問題。而對于位于極破碎圍巖內、穿過煤層、淋水較大的泵房巷道支護并無較完善的解決方案，本文則致力于研究解決遇到的上述問題，建立數學力學模型，提出合理的支護方案，保證泵房巷道支護強度和施工安全，進一步提高圍巖加固效果，改善軟巖巷道控制面貌，滿足泵房巷道使用期限要求，給其它井工煤礦遇到相同或相似條件時提供一些參考意見或建議，具有較好的應用前景[1]。

1.2 工程地質條件

章村礦是一個百年老礦，開采水平不斷延伸，正在施工的26 采區下部區域作為上一采區的接替采區，承擔著礦井未來持續發展的重任。26 采區下部區域可采煤層為2#煤和2 下#煤，兩組煤的層間距在準備巷道下半段最小僅為4m，且兩組煤中間巖層多為砂質泥巖及少量的粉砂巖和細砂巖，布置在2#煤層的巷道，極易產生巷道底鼓現象；2#煤直接頂為復合頂板，夾有多層煤線，軟硬互層，穿越巖層主要巖性為砂質泥巖及粉細砂巖，層理極為發育，分層厚度為0.1m～1.0m，且巖石結構松軟，煤層頂板張性裂隙發育，巖石較破碎。2#煤頂板砂巖含水，巷道有淋水現象，對巷道施工產生較大影響。

掘進回采巷道前，必須將26 采區下部區域泵房巷道施工完成。由于26 采區下部區域兩條準備下山巷道設計布置于2#煤層中，在末段40m 范圍破2#煤頂板巖層掘進，而與之相連的泵房巷道開口位置設計布置在2#煤層頂板中，標高-442.86m～-447.86m，埋藏深度為620m，埋藏較深，壓力較大，且受煤層傾角和泵房巷道設計標高的起伏，巷道掘進過程中，2#煤逐漸從底板顯現進入巷道中，并逐步上升到巷道頂板中，使得泵房巷道大部分處于圍巖破碎的條件下。2#煤頂板砂巖水在泵房巷道內淋水量最大達到50m3/h，且水沿圍巖裂隙不斷滲透，給巷道施工支護帶來很大的困難[2]。

1.3 研究方法

結合以往巷道掘進經驗，根據巷道圍巖變化情況、淋水情況，制定可靠的支護方案，主要采取加密錨桿（索）支護、縮短噴噴漿滯后距離、注漿加固、U 型鋼及特殊U 型鋼支護及聯合支護等方法，對不同巷道進行最優支護選擇，并通過長期觀測結果以驗證支護的效果。

2 支護方案

泵房巷道各設計支護參數為：泵房主要巷道及水倉半圓拱斷面規格為寬×高=4.7×4.4m，壁龕半圓拱斷面規格為寬×高=2.4×2.3m，配水巷半圓拱斷面規格為寬×高=2.2×2.4m，吸水井寬×深=2.2×5.6m，以上巷道均采用錨網噴聯合支護。經過力學計算，錨桿選取Ф22mm 左旋螺紋鋼錨桿，長度2.4m，間排距0.8m，錨索選取Ф21.8mm 錨索，長度8.3m，間排距1.2×1.3m，樹脂藥卷選取CK2335、Z2360 配合使用，鋼帶梁采用Ф14 圓鋼制作。

2.1 錨桿（索）加密支護

泵房巷道按照以上支護參數進行支護后，圍巖相對穩定段巷道可滿足支護強度要求，但當2#煤層逐漸從巷道底板顯現后，頂板及兩幫一周內在錨桿中間開始出現明顯的位移，并出現網兜。為保證支護強度，將錨桿間排距縮小為0.7×0.7m，在巷道兩幫順巷補打一道幫錨索。在壁龕及吸水井施工中，除加密錨桿索外，還將鋼帶梁組合為“十”字交叉狀使用。通過該措施的落實，頂板及兩幫位移得到有效控制。

2.2 縮短噴漿滯后距離

噴漿即噴射混凝土，其作用是可以填補巷道表面的空隙、坑洼等，在表面形成一層整體的致密的漿體，進一步增強了巷道支護的強度，還可起到防止錨網支護遇水或在潮濕空氣環境中腐蝕損壞的作用，對錨網支護是一個很有效的補充，噴漿體同時還具有一定的可塑性，允許巷道一定的變形量而自身不開裂，與錨網支護可實現長期共同作用。根據以往長期噴漿的經驗，要起到上述作用，達到經濟實用的效果，巷道噴層總厚度確定為100mm。設計中噴漿工作要求在整個泵房巷道施工完后再作業，而根據實際圍巖的變化情況，施工時要求噴漿滯后迎頭距離不超過30m，以盡快完成噴漿支護作業，減少巷道變形量[3]。

2.3 注化學漿加固及堵水

配水巷從第一個吸水井開始施工，此時2#煤層（厚度1.5m）上端大致處在配水巷頂板位置，當配水巷掘進至第三個吸水井處時，煤層下端已進入配水巷頂板上約0.5m 的位置，且煤層底板巖性為砂質泥巖，各吸水井之間的壁厚也僅有4m，導致錨桿、錨索多數失效，補強的工字鋼支護在兩天時間內也變形失效。通過對現場情況分析，錨桿（索）工字鋼聯合支護，已不能滿足需求，故決定對壁龕、吸水井、配水巷圍巖先采取注化學漿加固。

2.3.1 注漿工藝及鉆孔布置

注漿材料為煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料，規格型號為JGPU，A、B 組分均為成品，按1:1 的體積比進行混合后注入煤巖體中。注漿泵為ZZQ-0.36/12 型氣動注漿泵。注漿管采用4 分鐵管制作，每節1.0m，兩端車扣，使用接頭相互連接。

工藝順序：標孔-鉆孔-安裝注漿管-封孔-準備漿液-開泵注漿-凝固-檢查注漿質量-驗收。

鉆孔按照每1.6m 布置7 個注漿孔，頂板3 個，兩幫各2 個，頂板孔仰角45°，兩幫孔水平斜向前偏移45°，孔深3.5m～4m?，F場注漿時，技術人員對注漿孔布置、孔深、角度以及封孔長度可適當調整。注漿范圍要大于巷道變形區域，同時涵蓋錨桿錨固端長度。

2.3.2 注化學漿施工要求

注漿施工前，觀察圍巖結構確定最佳注漿層位；對局部注漿漿液滲透效果較差區域，必須補打注漿孔補充注漿，堅持多打孔少注漿為原則。實行限壓、限量注漿。注漿孔注漿終壓控制在2MPa 之內原則上單孔注漿量不超過15 組。注漿時，注漿眼及頂幫端面出現漿液時立即停止注漿；頂幫端面出現掉渣及片幫等異常情況時立即停止注漿，在觀測無異常確保安全的前提下方可再注漿。注漿施工出現少量跑漏漿時，減緩注漿速度，用棉紗或封孔器等封堵通道口，并進行慢速間歇注漿。在施工中要確保漿液混合的均勻性，確保兩種液體壓送比例為1：1。

2.3.3 注漿效果

注漿后巷道頂板圍巖較為穩定，巖體在漿料作用下已被填充、粘結成為一體，改善了巖體力學性能，即提高裂隙的粘結力和內摩擦角，增大巖體內部塊間相對位移的阻力，圍巖強度相比注漿前有了很大提高。同時由于注漿料填充了圍巖裂隙，頂板淋水得到有效治理，水量由15m3/h 減少為3m3/h，并集中引至指定地點，將頂板砂巖水對泵房巷道的影響減小到最少。

2.4 配水巷U 型鋼加強支護及特殊U 型鋼支護

2.4.1 U 型鋼加強支護

配水巷每1.5m 注化學漿后，按照每0.5m 打一排錨桿，每1.0m 施工3 根點錨索，每0.5m 下一架U 型鋼逐排進行施工。經研究分析，采用三心拱36U 型鋼支架，其具有以下優點：一是斷面形狀合理、斷面有效利用率高。三心拱形U 型鋼支架結構設計較為平緩，與巷道本身半圓拱斷面切合度高，通過少量的棚木可達到良好的承載條件。其斷面合理，可滿足機軌合一巷道、管路電纜敷設等斷面需求，斷面有效利用率高。二是支架既有剛性又有一定的可塑性。當巷道變形支架承壓后，起到了阻止巷道進一步變形或減緩變形的作用；支架連接件卡纜布置在支架曲率半徑大的弧線上，承壓壓力達到極限后，可以滑動一定行程，避免支架承壓過大而損壞失效。因此設計采用了36U 型鋼支架。同時各U 型鋼支架間用兩個同型號鋼材制作的連接撐子，連接成一個整體，形成整體承壓的狀態，杜絕了個別U 型鋼因局部壓力而造成支架傾斜傾倒的現象[4]。

2.4.2 特殊U 型鋼支護

配水巷U 型鋼支架按照0.5m 排距支設完成后，在2 號吸水井處，U 型鋼左側部分影響到水泵吸水籠頭的安裝及維護，需將其拆除，為減少對支護強度的影響，經研究分析，制作了特殊U 型鋼進行支護。原理為將原U 型鋼左半部分拆除，在中間位置支設特制的支腿，通過卡纜與原U 型鋼剩余部分相連。工字鋼柱腿長3200mm，下端焊接一400×400×12mm（長×寬×厚）的鋼制托板，上端開月牙口緊密焊接一1000mm 長U 型鋼短梁，U 型鋼短梁弧度與圖中指定位置原U 型鋼頂梁弧度一致，U 型鋼短梁兩端用卡纜與原U 型鋼梁卡牢，順巷卡纜之間用鐵撐子連接，工字鋼柱腿之間用兩道夾板及鐵撐子連接。選擇合適位置施工順巷錨索配14#槽鋼梁，將拆除U 型鋼的剩余部分頂梁、柱腿托住，具體如圖1 所示。

圖1 特殊U 型鋼示意圖

該特制U 型鋼支腿頂端焊接了1.2m 長的U 型鋼，與拆除部分弧度一致，方便與原U 型鋼用卡纜連接成一個整體，可與原U 型鋼共同承受來自頂板的壓力，支腿傾斜一定角度，可承受原U 型鋼傳來的巷幫的壓力，雖不能與完整U 型鋼相比，但仍滿足了支護需求，經長期觀測，特殊U 型鋼未發生明顯變形，巷道也沒有發生明顯的位移。

2.5 注水泥漿加固

為提高26 下部區域泵房巷道圍巖體整體強度和圍巖自身的承載能力，采取注水泥漿對其頂板、兩幫和底板進行加固。

2.5.1 鉆孔布置

頂板、兩幫淺孔孔深3m，深孔孔深8m，排距均為3m，深淺孔交替布置；底板注漿孔孔深3m，排距3m；以上鉆孔均垂直頂底板布置。

2.5.2 注水泥漿施工要求

注漿泵選用ZBQ-15/5 氣動注漿泵，配套供風管口徑為Φ19mm，出漿管口徑為Φ19mm，出漿高壓管20m。注漿孔深度可根據現場圍巖情況進行調整，采用深淺部耦合注漿方式，先施工淺部注漿孔進行淺部巖層注漿，后施工深部注漿孔并注漿。所有注漿孔均通長下注漿管，注漿管外露150mm，下管后對注漿管外壁用堵漏材料封堵嚴密，避免注漿時從孔口跑漿。注漿管均采用內徑不小于?15mm 鐵管制作，兩端車扣，使用接頭相互連接，下管后對注漿管絲扣段進行保護。注漿孔角度誤差不超過5°，間距誤差不超過100mm。注漿原材料采用標號425#水泥，注漿時水泥漿液配比應遵循由稀到濃的原則，壓力穩定后可將水灰比逐漸提高,水灰比應控制在（0.65～0.85）：1。淺部注漿孔注漿終壓2MPa，深孔注漿終壓6MPa。水玻璃濃度一般應控制在10～20Be，水泥漿與水玻璃之比應控制在1：（0.1～0.3）[5]。

2.5.3 注水泥漿效果

深淺孔交替注水泥漿后，其良好地流動性，進一步填充圍巖裂隙，使之形成一個整體。通過長期觀測，注水泥漿后，泵房巷道圍巖無明顯位移。

3 支護效果監測

在泵房巷道內設置圍巖觀測點，間距3m 一組，每天觀測記錄一次。在觀測點處，巷道頂底板最大移近量196mm，最大移近速度為2.2mm/d，兩幫最大移近量為103mm，最大移近速度為2.0mm/d。由此可見，采取加固措施后，巷道穩定性好，有效控制了巷道變形。

4 結論

章村礦26 采區下部區域泵房巷道處于極破碎圍巖大淋水巷道內，采取了加密錨桿（索）、縮短噴漿距離、注化學漿加固堵水、深淺孔交替注水泥漿加固、U 型鋼及特殊U 型鋼加固等措施，主動與被動支護相結合，內外共同控制，提高了泵房巷道圍巖的穩定性，成功控制了變形，延長了泵房巷道的使用年限，保證了整個采區的有序安全生產。多種加固支護方案可為其它礦井面對相同或相似條件時提供參考與幫助。