高渗透压松散破碎大断面失稳巷道修复技术专题报告

高渗透压松散破碎大断面失稳巷道修复技术摘要：针对淮北矿业集团朱仙庄煤矿水平第二部皮带机大巷的严重失稳问题进行了系统分析，生产实践表明原有的支护方案已经不能适应不断恶化的围岩状况，大巷在底臌出现并进行治理后，帮部出现严重变形跨落。本文在详细分析大巷地质条件、施工状况、水文地质等条件后，提出了巷道失稳的5个重要原因。在地质雷达探测围岩松散破碎圈和钻孔窥视仪系统探测的基础上，提出了治水-探测-复修-监测的高渗透压松散断层破碎带大断面已失稳巷道强化修复控制技术。关键词：高渗透压；断层破碎带；失稳巷道修复；地质雷达探测；大断面；钻孔窥视1 水平第二部皮带机大巷工程概况1.1 地质条件水平第二部皮带机大巷位于矿井南部二水平3采区下部，标高-676.2-683.6m，施工全长1025m。区域内构造复杂断层较发育，共计揭露大小断层八条，落差在1.520.0m间，其中落差5m以上的断层有：F19正断层，落差20.0m；F19-1正断层，落差5.0m；SF22正断层，落差5.0m；F2正断层，落差5.010.0m。巷道施工层位在10煤下和一灰之间，层间距约65m，局部地段受断层错断影响，穿一灰在一灰与二灰之间层位施工。底鼓段巷道向外约40m拐弯处揭露有F19断层(倾角70，落差2035m)，上盘岩层为薄层状层理的灰色细砂岩，下盘岩层主要为1.5m厚的石灰岩，断层面有淋水现象。底鼓段巷道位于一灰和二灰之间，一灰紧贴巷道顶板，二灰距离巷道底板1518m，三灰距离巷道底板40m左右。巷道揭露岩性主要为泥岩、砂质泥岩。图1-1 第二部皮带机大巷与周围巷道关系图1.2 施工概况水平第二部皮带机大巷(北段)设计为近太原群灰岩含水组掘进的巷道，主要在10煤层至一灰间掘进，局部地段揭露一灰或在一灰下施工。该巷设计全长1025m，于2009年2月中旬开始拨门施工，至2010年8月中旬施工完成。巷道采用锚喷全封闭29U型棚+滞后注浆支护，放炮后找顶、初喷50mm，施工支护锚杆，锚杆为GM22/2800-490高强螺纹钢树脂锚杆，每根锚杆用两卷树脂药卷锚固，锚杆拉拔力不小于80kN，锚杆初锚扭矩不小于300Nm，锚杆间、排距8001000mm。架全封闭29U型棚支护，棚距500mm，棚子搭接长度500mm，每处搭接用特制铁板拉钩联接，每处搭接用两副限位卡缆和一副双槽型普通卡缆紧固，卡缆螺母扭矩不小于300Nm，顶、帮采用10mm钢筋笆腰背，底板以下采用10mm钢筋笆和铁背板腰背，喷射混凝土标号为C20，喷厚150 mm。滞后注浆，注浆锚杆采用202000mm钢管加工，间、排距20002000mm。注浆一般滞后迎头150200m。支护工艺流程：初喷打顶锚杆挂顶梁背顶打帮锚杆栽棚腿下底梁腰帮、腰底复喷打注浆锚杆滞后注浆。1.3 底鼓变形水平第二部皮带机大巷(北段)拐终测点前3989m在2010年10月1日中班16：3010月2日早班06：00短时间内发生严重变形，主要表现为严重底鼓，底梁卡缆断裂，喷层大量脱落，10月2日夜班04：30左右伴随底板出水，水量在23m3/h，至10月4日夜班底鼓基本稳定，最大底鼓量1.1m，水量稳定在23m3/h，底鼓段巷道是2009年5月份施工完成的。底鼓段巷道来压情况如下：底鼓段巷道于2009年5月份开窝施工。第1次来压在2009年11月份底鼓200mm左右，底鼓后已进行卧道。第2次在F19断层附近，鸡心道鼓起，进行卧道处理。第3次来压在2010年8月2日，在拐终测点向前1080m，巷道底板出现不同程度的底鼓，造成巷道两帮向内侧挤压造成水沟变形、浆皮开裂掉落。由于底鼓原因造成轨道变形，项目部对该段巷道进行卧底施工，长度70m，平均卧底宽度3m，平均高度200mm。自10年8月中旬后，在拐终测点向前10100m，巷道压力显现比较明显，主要表现为喷层开裂，局部卡缆断裂失效。第4次来压在2010年10月01日下午14：30开始底鼓(拐终点前3989m)，多处底部卡缆断裂失效，至10月4日夜班基本稳定，最大底鼓量1.1m。1.4 水文特征水平第二部皮带机大巷下部灰岩标高大部分在-680m以下，富水性弱，但水压大，二灰目前水位标高为-45m(06-观1孔资料)左右。根据探查F19断层取芯成果显示，底鼓段段一灰厚约3.4m，距10煤法距63m，二灰厚度约1.5m，距离一灰1518m，三灰厚度9.0m，距离二灰16m，四灰厚度0.8m，距离三灰1.5m。太原群灰岩含水层组位于10煤底板下60m左右，含灰岩1112层，各层灰岩间均由一定厚度的泥岩、砂岩隔水层组成，该含水组富水性有明显的垂直分带现象，一般-300m以上，灰岩岩溶较发育，富水性强，q=0.3921.755l/s.m，k=1.143.11m/d；-300m以下岩溶发育较低，富水性弱，q=0.01210.0132l/sm，k=0.0210.059m/d；该含水层组上段一、二灰厚度薄，富水性差；三、四灰厚度大，含水丰富；五灰以下没有抽水资料，富水性不祥。该巷道防治水工程设计依据为：将一灰、二灰作为隔水层，防止三、四灰出水，安全隔水岩柱取40m。委托西安煤炭科学研究院物探所和中国矿业大学分别施工直流电法超前探测和瞬变电磁超前勘探工程，预测巷道前方上下80m范围内岩层的富水性、隔水层的厚度等参数，并根据探测结果施工验证钻孔掩护掘进施工。进入水平第二部皮带机巷后每80m做一次直流电法勘探工程和瞬变电磁勘探工程，并根据探测结果施工验证钻孔，截至2010年10月已施工直流电法勘探11次，瞬变电磁10次，验证钻孔16个。在揭露F19断层前在水平第二部皮带机大巷中间联巷施工了直流电法超前探测，并分别施工了2个探查F19断层的钻孔，其中F19-探2孔47m见三灰，出水量67m3/h；现巷道底鼓段在掘进施工前(09年5月份)已施工直流电法进行了探测，根据探测结果在2#钻场施工了一个超前钻孔和一个底板异常区探查孔，底板钻孔18m见二灰，19.5m出水约67m3/h，水压6.5MPa;后水量逐渐减小，至2010年5月份时无水。2010年10月1日中班发现巷道底鼓后，矿联系安徽惠州地下灾害研究设计院于10月3日夜班施工了高分辨直流电法和震波CT对底鼓段巷道下方富水性及构造情况进行了探测，结果显示底鼓段下方呈高阻，无富水异常现象。已在相邻40m(平距)的水平轨道大巷设计钻孔对底鼓段附近下方岩层富水和构造情况进行探测，目前钻孔正在施工中。1.5 变形原因(1) 围岩性质：二水平第二部皮带机巷变形失稳分段位于断层破碎带内，巷道围岩裂隙较发育，岩性完整性非常差，并且围岩中含有蒙脱石等膨胀软岩，加上灰岩水的影响，围岩局部发生泥化，交叉点周围5m范围内已完全冲空，围岩浸透松散、破碎，围岩自身强度较低，在多种应力作用下，易出现碎胀破坏、软岩流变，同时观测表明巷道顶板与地板层状岩体不均衡性产生的弱化区如含弱面或软弱夹层、帮角岩体破坏区、开放的底板。巷道围岩强度低等成为巷道发生变形破坏的主要因素之一。(2) 渗流水：根据现场实际观测和对已有的水文地质资料进行分析表明，二水平第二部皮带机巷底板岩层下含有灰岩水压，在2#钻场施工的灰岩探查孔起始出水量约67m3/h，水压6.5MPa，水量较小但水压较大，水主要来源二灰岩和三灰岩。根据10月3日安徽惠州地下灾害研究设计院提供的物探结果看，底鼓段下方富水性弱，由于巷道底板所承受水压大，前期底板支护强度低，导致巷道局部范围底鼓严重，后来的卧底处理虽然解决了巷道底鼓问题，但是破坏了巷道两帮整体支撑结构，弱化了围岩整体承载结构，使围岩塑性区进一步向深部发展，松动圈与破碎带范围也比卧底前进一步扩大，同时底鼓问题解决后，高压强的渗流水沿着裂隙向巷道两帮挤入，远远超过了原有两帮设计的支护强度，也是巷道发生变形失稳的主要因素之一。(3) 采动影响：矿井实际生产过程表明1034工作面已回采至距离F19断层180m左右，应力有可能沿断层传递，造成巷道短时间内底鼓。同时，巷道上方70m左右有836岩轨巷，与该巷道相邻40m(平距)的水平轨道大巷等巷道掘进和放炮震动等影响，也可能造成巷道来压底鼓。研究表明二水平第二部皮带机巷受到多次采动的应力扰动，局部破坏了原有巷道的稳定性。巷道多次经历“扰动-稳定-扰动-稳定”的损伤过程，裂隙岩体不断发育，加之渗流对巷道围岩裂隙岩体应力场的力学效应，导致了最终的失稳变形。二水平第二部皮带机巷的失稳问题本质上是采动应力、地应力和地下水渗透力相互影响、相互作用的岩体水力学问题。(4) 构造应力：从巷道优化角度上分析可以发现，该巷道最初设计存在不足，二水平第二部皮带机巷一方面是穿断层布置，且F19断层为正断层，伴随应力释放，巷道除受大构造应力作用外，还受巷道附近正断层的影响，使其同时承受垂直和水平方向构造残余应力。巷道卧底处理后，应力沿巷道薄弱点突破支护可能是造成失稳破坏的原因。同时该分段是中间联巷和皮带机巷的连接地段，从结构力学分析，容易导致应力集中和巷道受力不均衡。该区域构造残余应力对巷道结构的影响也不可忽视。(5) 巷道断面大、支护能力弱：二水平第二部皮带机巷断面达到4800mm3800mm，加上与中间联巷相连接，形成巨大的地下空间，而与之对应的支护能力较弱，巷道原设计对底板的支护能力较弱，导致后期发生底鼓，同时由于底鼓后的卧底处理，破坏了帮部的支撑结构，内部出现大量空洞、裂隙、孔隙，导致帮部支护整体性偏弱，无法形成顶板稳定承载基础。由于巷道高度较大，虽岩体硬度尚可，但是多次扰动加上断层带，未形成整体的巷道围岩支撑结构，强度偏低，使顶板承载结构失去了稳定基础。由于岩体内部破碎带扩大，加上高压水的渗流挤入，没有及时封堵和帮部加强支护，导致帮部失稳，最终出现现在的失稳破坏。总之，该类巷道控制技术为高渗透压松散断层破碎带大断面已失稳巷道扩修施工安全及长期维控强化控制技术难题，巷道失稳变形本质上是围岩渗流场、应力场、损伤场三者相互耦合的结果，对该类巷道进行修复也应该考虑三者的综合治理。2 总体技术思路与技术路线该巷道治理过程中主要围绕以下4方面开展：（1）围岩松散破碎范围的确定；（2）区域性疏水降压；（3）安全扩刷与承载环的构建；（4）补强加固及长期维控。扩刷过程中要考虑化学浆液的保护性固结，然后再进一步实施密集架棚工作，同时采取主动强化方案，构建有效承载环，见图2-1，实现长期维护的目的。图2-1 巷道最小加固范围与承载结构示意图3 地质雷达探测围岩松散破碎圈研究3.1 工程概况朱仙庄水平第二部皮带机大巷底鼓待修复巷段由于受到下覆高水压灰岩水的影响，围岩局部发生泥化，交叉点周围5m范围内已完全冲空，围岩浸透松散、破碎，围岩自身强度较低，在多种应力作用下，出现碎胀破坏、软岩流变，导致巷道一定范围内的围岩体丧失承载能力。因此，通过测定围岩松散破碎圈的大小，可以为确定合理的承载环厚度提供依据，指导后续的注浆加固工作。因此本课题组拟采用探地雷达探测与钻孔窥视相结合的方法，通过在待修复巷段内选取若干个具有代表性的断面进行测试，根据所测得的多组围岩参数，按照经验或概率统计的方法来确定松散破碎圈的大小。中国矿业大学于2012年4月17日应用地质雷达方法对顶板岩层破碎带进行探测。根据探测目的对介质物理属性进行分析，并根据现场条件制定可行性方案，而后组织物探专业队伍进行现场数据采集，经数据处理后形成探测成果报告。3.2 探地雷达的工作原理探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR，又称地质雷达）由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以6090的波束角向地下发射高频电磁波（106109Hz），电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种波显示出来。图3-1 反射雷达探测原理脉冲波旅行时为：当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走时t，由上式求得目标体的深度z。式中x值即收发距，在剖面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据近似计算公式式中：c为光速，为地下介质的相对介电常数。波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。图3-2为波形记录示意图。图中对照一个简单的地质模型，画出了相应的波形记录。在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。图3-2雷达剖面记录示意图反射脉冲波形的明显程度，是对探地雷达图像进行地质解释的重要依据。它决定于发射脉冲波的能量，波在地质界面上的反射特性以及波在地下介质中行进时的衰减情况。反射特性决定于物性界面的波阻抗差异，以反射系数描述。地质雷达探测技术具有分率高、成果解释可靠、应用范围广泛、操作简便和自动化程度高的优点。对浅层(30m以内)地质调查，有着非常广泛的应用前景，如探测采空区、基岩面、覆盖层厚度、查找潜伏断层、破碎带、古溶洞，以及地下掩埋物（管道、电缆、金属目标等），管道沟，涵洞，等特别有用，对于坝基地质调查，地下水位的测定，各种环境地质调查，如污染物及管道泄漏范围的测定，浅部裂缝调查，以及考古调查等都很适用。3.3 施工方法技术及参数选择3.3.1仪器参数本次探测采用从瑞典MALA GEOSCINCE公司引进了世界最先进的探地雷达系统RAMAC/GPR。该系统配置了9套雷达天线，频率范围在1GHz1000Hz之间，其中4套为屏蔽天线，5套为非屏蔽天线，可以满足不同探测深度和精度要求，是国内探地雷达天线最全的单位之一。探地雷达具有以下特点：1） 无损检测；2） 分辨率高；3） 连续测量；4） 可满足不同探测深度和精度需求（通过选择适当频率的天线实现）；5） 可重复进行扫描，原位检测测量结果；6） 资料解释可引用地震勘探中一些成熟的方法和软件；7） 设备轻便，操作简单、迅速，现场实时成像。RAMAC/GPR是目前国际上最先进的探地雷达系统之一，其主要技术参数如下： 1） 动态范围： 150dB2） 脉冲重复频率 100kHz3） A/D转换 16bits4） 采样数 1284096可选5） 实时叠加次数 1327686） 采样频率 300100,000MHz7） 时间窗 203400ns8） 扫描速度 150次/秒9） 温度范围 -20+503.3.2技术保证措施目前的地质雷达利用的是近场球面电磁波，其天线的探测范围是一个形似开口向下的圆锥体，接收信号是地下一定范围内物体的综合反映，在施工过程中，一定要保证激发、接收天线相互平行。3.3.3测线布置本次采用天线频率为50MHz的天线。沿巷道顶板布置两条测线，每条测线测试两次，偏移距0.25m，测点间距0.25m，测线布置简图如下图所示。图3-3 测线布置简图绿色线条是L1测线走向，红色线条是L2测线走向，红色十字交叉点为雷达测试物理点，完成实际测点数78个，有效点76个，其中主巷测点14个（距现场记录，11-14测点位于破碎带附近），左支巷测点7个，右支巷测点17个。测线布置原则：由于矿井下面电磁干扰源众多，为了保证信号的稳定性，每个点处偏移0.25m复测一次，同是为了达到对异常对比分析的目的，每条测线偏离异常处一定距离测试一组正常点。3.4 资料处理及解释雷达图像为了达到地质解释的目的，首先需要进行数据处理。数据处理主要是对雷达波形作处理，包括增强有效信息、抑制随机噪声、压制非目标体的杂乱回波、提高图像的信噪比和分辨率等。其目的是压制随机的和规则的干扰，以尽可能高的分辨率在雷达图像上显示反射波，便于提取反射波的各种有用参数，以利于地质解释。常用的雷达数据处理手段有数字滤波、反滤波、偏移绕射处理和增强处理等。数字滤波利用电磁波的频谱特征来压制各种干扰波，如直达波和多次反射波等；反滤波则是将地下介质理解为一系列的反射界面，由反射波特征求取各个界面的反射系数；偏移绕射处理，即反射波的层析成像技术，是将雷达记录中的每个反射点偏移到其本来位置，从而真实反映地下介质分布的情况；增强处理，有助于增强有效信号，尽可能清晰地反映地下介质的分布情况。图像解释的第一步是识别异常，然后进行地质解释。由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或管线等目标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其传播路径、电磁波场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质异常的埋深与类型。从波形特征分析，地层下各种界面或埋设物的波形特征如下：1、均匀介质下的异常体，电磁波在传播过程中发生绕射，波形特征为粗黑弧形，弧形顶端为异常的顶部位置，埋深（H）由旅行时（T）和电磁波在均匀介质中的传播速度（V）决定。旅行时（T）可以通过时间剖面直接读取，电磁波在介质中的传播速度（V）恒定，如下是常见介质中电磁波传播速度。表3-1 常见介质电磁波传播速度介质类型雷达波速（m/ns）衰减系数（dB/m)空气0.30淡水0.0330.1干砂0.150.01饱和砂0.060.03-0.3石灰岩0.120.4-1泥岩0.091-100粉砂0.071-100粘土0.061-300花岗岩0.130.01-1岩盐0.130.01-1金属0.0171082、混凝土中钢筋的异常特征为，由于钢筋对电磁波的反射强度大，波形表现为双曲线特征，且能量较强。3.5 本次探测成果（1）L1测线异常位置L1测线分为两个部分，名称为L1-1和L1-2，L1-1为主巷-左支巷，包含21个测点，L1-2为主巷-右支巷，包含31个测点。下面是L1测线分为两方向L1-1和L1-2地质雷达时间剖面图。异常位置图3-4 L1-1测线50MHZ非屏蔽天线雷达时间剖面图图3-5 L1-2测线50MHZ非屏蔽天线雷达时间剖面图从时间剖面图分析，该测线两个方向时间剖面初至波清晰，浅部能量较强且均一，往深部能量迅速衰减，只能看到微弱反射波，分析原因是巷道顶板有工字钢支护，且覆盖一层金属锚网，如上表1数据所示，电磁波在石灰岩中的传播速度是0.12m/ns，衰减系数0.4-1（dB/m)，在金属中电磁波传播速度0.017m/ns，但其衰减系数高达108（dB/m)，因此金属体对电磁波具有较强的吸收作用，致使电磁波无法穿透较深岩层。从整个剖面看，本次探测剖面两端有效波信号传播较深，最大延伸时间约200ns，中部信号能量弱且沿线时间段。从L1-1剖面看，11-19道信号100-150范围内发生绕射现象，局部出现了绕射弧，绕射弧顶点位于14道；从L1-2剖面看，同样在11-19道100-150范围内发生绕射现象，绕射弧顶点位于14道；总体分析该测线的两个方向，从异常的分布位置看具有较好的一致性，雷达信号绕射波属同一异常造成。依据雷达信号的解释原则，异常平面位置位于11-19道之间，异常中心位置位于14道，异常深度H由如下公式计算：H=t*v从两剖面看，异常顶部旅行时相对读数为105ns，由于仪器采集时设定了延时，从记录看延时时间为40.5ns，时间剖面显示的是双程旅行时，所以计算深度时单程旅行时应为：H=（105-40.5）/2=32.25ns，本次探测异常位于灰岩中，传播速度参考灰岩中电磁波传播速度0.12m/ns，而上部覆盖有金属体，金属体中电磁波传播速度0.017m/ns，根据介质厚度关系本次对异常体深度计算时统计电磁波传播速度暂定V=0.1m/ns。综上所述，异常深度H=0.1m/ns32.25ns=3.325m。（2）L2测线异常位置L2测线是在L1测线旁边探测，目的首先是对L1测线进行复测，其次是观测异常的重现性。如下两方向的处理成果。异常位置图3-6 L2-1测线50MHZ非屏蔽天线雷达时间剖面图图3-7 L2-2测线50MHZ非屏蔽天线雷达时间剖面图该测线解释异常分布位置与L1测线基本相同，L2-2剖面异常表现特征没L1-2明显，但也有相对趋势，异常深度没变化。4 钻孔窥视仪探测研究4.1 观测方案及观测仪器4.1.1 观测方案顶部采用锚索机钻孔，钻孔直径32mm，钻孔设计深度10m，共施工3个钻孔，钻孔位置分别为顶板中部和左右两拱肩。窥视孔布置如图4-1、图4-2所示。为了保证窥视的深度和效果，现场将钻孔位置选在围岩较稳定且未进行注浆施工的区域；钻孔施工完成后反复用水冲洗钻孔，将岩粉排净，防止岩粉挡住CCD探头。图4-1 巷道窥视孔布置图图4-2 巷道围岩破裂分区测试测点布置平面图4.1.2 观测仪器（1）仪器简介岩层钻孔探测仪主要用来通过在岩层中钻孔探测岩层的构造，具体结构见图4-3；可用来探测、测量、记录裂口、裂缝，也可用来发现填有钻屑的裂缝。观测的图像记录在录像带上；通过与计算机连接，其图像可转换为计算机格式的图形文件并做进一步处理；岩层钻孔探测仪由CCD微型探头、图像转换器、发光体、放大器、信号转换器、稳压电源、数码录像设备等组成；从CCD探头到数码录像设备的信号通过电缆传送；CCD探头由不锈钢支撑圆管逐节连接后插入钻孔内。（2）仪器用途可探测巷道围岩松动圈范围及其变化情况；测试围岩岩层在受力过程中位移变化量；探测煤层及其顶板岩层的岩性、厚度；探测巷道及采煤工作面顶板离层、破裂、破坏情况；探测断层、裂隙等地质构造。（3）使用方法在岩层中钻出32mm的钻孔，并用水冲尽孔内岩石碎块；将卷尺的一端由孔口用不锈钢支撑圆管一直推到孔底，并且固定在孔底；将探测仪的CCD探头、数码录像器通过电缆线连接在一起，将CCD探头安装在支撑圆管上；将CCD探头送到钻孔孔口后，开启系统电源，打开录像器开关。将CCD探头用支撑管匀速推入钻孔内，直至孔底，探测结束。YZT-型岩层钻孔探测仪结构图见图4-3。图4-3 YZT-型岩层钻孔探测仪总体结构图4.2 观测资料4.2.1 钻孔窥视记录在采用钻孔窥视仪观测围岩内部破坏情况时，采用前进式，即一边慢慢推进摄像头，一边记录围岩的破坏情况，当观测到孔内围岩的破坏或裂隙时，记录下围岩破裂的深度和破坏程度，并且记录下视频此时的时间，这样能够将围岩破坏的深度、破坏程度和形式与记录的视频文件对应起来。由于巷道淋水严重，围岩破碎，肩角部位施工的窥视孔塌孔严重，无法进行窥视，仅有三个顶板孔成孔较好，表1表3为顶板钻孔1#、2#、3#的孔内观测记录。表4-1 钻孔1#孔内破坏观测记录序号时间/min:s深度/m围岩破坏程度100:01-00:050-0.2非常破碎200:06-00:270.5-0.65中等破碎300:28-00:400.7-1.0轻度破碎402:42-02:511.0-1.2明显裂缝502:51-03:101.2-2多段离层603:10-03:282-2.5轻度破碎703:28-03:422.5-2.9较完整803:433.0明显裂缝903:44-03:493.1-3.3轻度破碎1003:513.5泥化夹层1103:52-04:203.5-4.4较完整1204:20-04:224.4-4.5泥化夹层1304:22-04:464.5-4.8较完整1404:46-05:184.8-5.7轻度破碎1505:18-05:235.7-6.0较完整1605:34-05:516.0-6.5轻度破碎，径向裂隙发育1705:51-06:586.5-7.6较完整，轴向裂隙发育1806:58-09:287.6-8.4中等破碎1909:28-09:418.4-8.6较完整，轴向裂隙发育2009:428.6明显裂缝2109:42-10:018.6-9.0完整表4-2 钻孔2#孔内破坏观测记录序号时间/min:s深度/m围岩破坏程度100:00-01:220-1.3泥化松散201:22-02:481.3-2.7浆液固结松散岩体302:48-03:052.7-泥化松散表4-3 钻孔3#孔内破坏观测记录序号时间/min:s深度/m围岩破坏程度100:00-00:190-0.30非常破碎200:19-00:450.3-0.9中等破碎300:45-00:580.9-1.1轻度破碎400:58-01:071.1-1.5裂隙发育501:09-01:291.5-1.6轻度破碎601:29-01:421.6-2.0裂隙发育701:42-02:202.0-2.7较完整802:20-02:422.7-3.3裂隙发育903:14-03:413.3-3.6较完整1003:41-04:173.6-4.1轻度破碎1104:17-04:254.1-4.4裂隙发育1204:25-05:014.4-4.9径向裂隙发育1305:01-05:184.9-5.3较完整1405:185.3明显裂缝1505:37-05:505.3-5.7轻度破碎1605:505.8泥化松散4.2.2 钻孔窥视图像为进一步明确说明钻孔窥视的观测成果，对岩层内部结构形成更加直观的认识，提取了部分孔内视频图像，如图4-4所示。 严重破碎 中等破碎 轻微破碎 松散 裂缝 完整围岩图4-4 部分钻孔窥视图像4.3 巷道围岩窥视结果分析钻孔窥视仪主要用来通过在岩层中钻孔探测岩层的构造，可以用来探测、测量、记录裂口、裂缝，也可用来发现有钻屑的裂缝。其主要用途为探测巷道围岩裂隙发育圈范围及其变化情况；测试围岩岩层在受力过程中位移变化量；探测煤层及其顶板岩层的岩性、厚度；探测巷道顶板离层、破裂、破坏情况；探测断层、裂隙等地质构造。朱仙庄矿水平第二部皮带机大巷待修复地段由于受到高压渗流水、断层破碎带的影响，造成巷道围岩泥化，导致巷道一定范围内的围岩体丧失承载能力，因此，通过测定围岩松散破碎圈的大小，可以为确定合理的承载环厚度提供依据，指导后续的注浆工作。现场共施工窥视测站3个，但是部分窥视孔由于孔内岩石泥化破碎严重，钻孔成孔极为困难，而且目前待修复段巷道帮顶淋水严重，导致无法进行正常窥视。现场仅正顶3孔可进行有效窥视，现对3孔实际窥视情况进行分析。1#孔位于交叉点南6m处，实际窥视深度9m，结合表1可以看出，巷道壁后2.5m范围内的围岩破碎、破坏较为严重。2.5m6m范围内围岩较完整，但存在多段弱面夹层，部分泥化，6m8.6m范围内围岩轴向、径向裂隙交错发育，局部段中等破碎，8.6m9m范围内，围岩较完整。2#孔位于交叉点北12m处，实际窥视深度3m，由于该位置渗流水侵害严重，巷道围岩泥化松散，为保障巷道安全修复，故该位置前期已进行超前注化学浆液加固，注浆深度3m，结合表2可以看出，巷道壁后01.3m范围内，围岩泥化松散，1.3m2.7m范围内，可见浆液胶结松散岩体，2.7m以外又见围岩呈泥化松散状，堵塞钻孔，无法进行进一步窥视。3#孔位于交叉点北25m，实际窥视深度5.8m，结合表3可以看出，巷道壁后02m范围内的围岩破碎、破坏较为严重。2m5.3m范围内围岩完整，但可见局部裂隙发育，5.3m5.7m范围内围岩岩性逐渐恶化，5.7m以外围岩出现松散破碎泥化现象，堵塞钻孔。根据对朱仙庄矿水平第二部皮带机大巷巷道围岩窥视情况的分析，可以得出以下结论：1）从监测钻孔内最大破坏深度看，巷道围岩最大破坏深度达到8.6m，随着钻孔深度增加，围岩破坏情况呈现先趋向缓和，后逐渐恶化的特点。由于测站处于渗流水侵害较小地段，由此可以推测渗流水侵害较严重的交叉点位置，破坏深度将更大，而且具有泥化松散特征。2）顶板浅部围岩多表现为区域性的较为严重或非常严重的破坏，顶板深部围岩多为层状破坏，表现为多段离层和泥化夹层。3）巷道帮部钻孔成孔后淋水严重，无法进行窥视，表明帮部围岩裂隙已成为主要导水通道，受渗流水侵害严重，为支护关键部位。4）距交叉点25m处为围岩较稳定地段，对此位置的3#顶板钻孔进行窥视，发现在巷道壁后5.8米处出现泥化松散带，表明巷道疏水降压后，渗流水经裂隙通道导向别处，但围岩破坏特征依然明显，同时说明渗流水对巷道侵害范围很大。5）从距交叉点12m处的2#顶板钻孔的窥视情况看，所窥视的3m范围内均为泥化松散岩体，前期注化学浆加固后，浆液扩散范围有限，注浆效果不佳，无法保证注浆范围内的松散岩体有效胶结。为了保证窥视的深度和效果，现场将钻孔位置选在围岩较稳定区域，但围岩破碎情况仍然非常严重，从窥视情况来看，渗流水依然是导致巷道失稳的主要原因，造成围岩浸透松散、破碎，削弱围岩自身强度，前期巷道维护虽然旨在对巷道围岩提供足够的支护强度，但始终不能抵抗巷道高渗流水压，造成巷道变形失稳加剧，因此，疏水降压成为巷道维控的关键所在。4.4 支护建议1）前期施工的放水孔，疏水效果明显下降，目前仅有一个放水孔出水，导致帮顶淋水严重，对巷道围岩结构损伤加剧，后期应增设疏水降压孔。2）管棚施工应与注浆加固相结合，固结泥化松散围岩，防止在修复期间发生顶板垮冒事故，保障施工安全。3）在上述两支护措施实施的基础上对巷道进行为期13个月的巷道表面位移及顶板、帮部离层观测，根据矿压观测情况确定是否需要采取加强支护措施。5 具体方案及参数5.1 围岩松散破碎圈的确定朱仙庄矿水平第二部皮带机大巷待修复地段由于受到高压渗流水、断层破碎带的影响，造成巷道围岩泥化，导致巷道一定范围内的围岩体丧失承载能力，因此，通过测定围岩松散破碎圈的大小，可以为确定合理的承载环厚度提供依据，指导后续的注浆工作。因此本课题组拟采用探地雷达探测与钻孔窥视相结合的方法，通过在待修复巷段内选取若干个具有代表性的断面进行测试，根据所测得的多组围岩参数，按照经验或概率统计的方法来确定松散破碎圈的大小。5.2 区域性疏水降压地下水的治理设计到多方面的因素，特别考虑到二水平第二部皮带机巷下方二灰岩和三灰岩水具有强压，量少，有补给源的特点，建议先引导水，通过在底板合理布置导水孔，是区域内的水压降至“安全水头”以下，为了避免后期巷道修复过程中灰岩水对巷道围岩的侵蚀弱化作用，防止帮顶部围岩泥化崩解，引起顶板垮冒，造成安全事故，因此在前期底板疏水降压的基础上，待深浅孔注浆完成后，在顶帮预留泄水孔，避免强压水对巷道围岩的扰动破坏。按照当前矿上的治理措施进行治理，重点把前底鼓分段下方的强压水进行引导出该区域，降低该地区水压，为巷道支护提供初步基础。疏水降压孔布置参数如下：1）两孔开孔位置均在距离牛鼻子6m处（见图4-3），12-放1孔开孔位置在巷道远离水沟的一帮；12-放2孔开孔位置在靠近水沟一帮。2）开孔直径150mm，05m下146mm孔口护壁管；015m用133mm钻头扫孔，下127mm止水套管，采用管内注浆，管外返浆固管；孔深15m以下孔径为108mm，全孔下91mm的花管。3）注浆固管48小时后扫孔，扫孔至套管下0.5m左右后，做孔口管耐压试验，试验压力不小于8Mpa，稳定时间不少于10分钟，孔口周围无出水冒浆现象，套管不松动方可继续钻进，否则必须重新注浆。表5-1 钻孔设计参数一览表孔号位置方位俯角终孔12-放1距牛鼻子6m处（见图）238（垂直巷帮）-5841m12-放2距牛鼻子6m处（见图）58（垂直巷帮）-7055m图5-1 F19断层破碎带疏水降压孔平面布置图图5-2 F19断层破碎带疏水降压孔剖面图5.3 安全扩刷与承载环的构建在底板水得到有效治理之后，对巷道进行修复才能真正控制巷道的变形失稳，考虑到巷道经过断层带，加上多次扰动损伤，裂隙较为发育，直接进行锚杆、锚索支护很困难也存在非常大的安全隐患，因此，提出大致的治理思路。1）为保证扩刷施工的安全，通过短距离掩护注浆固结浅部围岩体并及时架设架重型36U型钢棚，初步控制围岩进一步变形失稳，考虑到二水平第二部皮带机巷的复杂条件，初步设计棚距为400mm。2）初喷壁厚充实，一方面提高围岩与金属棚的密实程度，减少不均匀力的产生，提高架棚支护的可靠性和有效性，另一方面是封闭围岩，为下一步注浆封堵围岩体做准备。3）帮顶注浆固结，在浅部围岩用快硬硫铝酸盐水泥（也可采用水泥水玻璃双液浆）或化学浆液注浆控顶，目的在于封堵大型裂隙和浅层破碎围岩体加固，形成具有一定承强度的承载环。深孔采用化学浆液注浆封闭围岩裂隙，阻断渗流水通道，在深部形成封闭阻水圈。5.3.1 短距离掩护注浆由于围岩十分破碎，为保障巷道施工安全，根据顶板稳定性以及淋水等情况如有必要则采取短距离循环掩护注化学浆，在化学浆固结浅部围岩的掩护下进行巷道施工。注浆孔布置：在迎头顶板施工钻孔，钻孔倾角60，钻孔间距为1.2m，共计5个钻孔。超前水平控制范围为3m，注浆后巷道掘进进尺2m，开始下一个循环。注浆锚杆：由于围岩泥化，钻孔后成孔困难，建议使用自进式中空注浆锚杆，公称直径32mm，壁厚6mm。注浆材料：注浆材料采用马丽散；注浆压力：8.010MPa。注浆工艺：为提高注浆效果，减少窜浆现象，施工一个钻孔、注一个孔。图5-3 短距离掩护注浆钻孔布置平面图及剖面图5.3.2 打地坪底拱重型U型棚应该在水的问题解决后，继续在巷道帮部和底板部位注一定量的马丽散进行加强堵水，大巷U型棚设计为马蹄形，共5节，U型棚选用材质为16MnK或20MnK的36U。棚距400mm，U型棚节与节之间搭接长度500mm，每处搭接位置采用限位卡缆固定，卡缆扭矩不小于300Nm。采用钢筋网配合铁背板腰帮过顶，钢筋网采用矿方设计的电弧焊冷拔钢筋网背板。每棚搭接处采一个铁棚撑(底拱处除外)，铁棚撑放在中间一个卡缆处，铁棚撑采用宽100mm、厚10mm的钢板加工，也可用废旧U型棚加工。底拱锁帮、底锚杆：每棚采用4对4根243000mm锚杆配合锁腿卡缆对U型棚的底拱进行锁腿施工。底拱锁腿锚杆向下带扎角45，采用两节Z2550锚固树脂药卷加长锚固，底拱锁腿锚杆距底脚搭接点500mm，安装时对准锁腿卡缆中的预留的孔眼进行施工。安装完成后及时喷浆封底（喷厚150mm），以防止水对底的侵蚀，加强对巷道底鼓控制，尤其加强底拱角处充(喷)实处理。腰帮背顶采用钢笆网，交叉密排，并要求横平竖直。支架顶部及两帮、肩窝应背紧、背严、背牢，及时进行壁后充填密实，不得出现空帮空顶现象。5.3.3 初喷壁后充实架棚完毕后，初喷混凝土，一定要将U型钢壁后喷射均匀和充填密实。初喷混凝土封闭围岩，防止围岩风化潮解，混凝土配比，水泥:黄沙:石子=1:2:2。喷层厚度150mm，确保将U型棚完全封闭，并保证U型棚后有不少于设计喷厚90%的混凝土垫层。5.3.4 帮顶浅孔注浆注浆材料采用硫铝酸盐水泥（也可采用水泥水玻璃双液浆），进行封堵大型裂隙和浅层破碎围岩体加固。按设计要求，将浆液注入到巷道轮廓以外的松散的岩体内，使松散的岩体粘结，形成一个注浆硬壳帷幕，并根据需要控制粘结高度。滞后迎头10m范围内，采用自进式中空注浆锚杆，长度3m，公称直径32mm，壁厚6mm。排距1.6m。要求施工一个孔、注一个孔。注浆孔具体布置参数如图5-4所示。注浆压力一般不超过3.0MPa。注浆采用采用525#快硬硫铝酸盐水泥，水灰比0.851.0。性能特点：1）早强、高强：除具有传统硅酸盐水泥的优良性能外，还具有水化硬化快，早期强度高，硬化时体积收缩小或不收缩等优良的建筑性能强度：1天达到5.0MPa，3天达到12.0MPa，7天达到20MPa，28天达到40MPa，随养护龄期增长强度进一步提高。2）高抗渗性：水泥石结构致密，混凝土抗渗性能是同标号硅酸盐水泥的23倍。3）抗碳化性能好，干缩率低。图5-4 浅孔注浆布置图5.3.5 帮顶深孔注浆在浅孔注浆完成后即实施深孔注浆，初步确定注浆管长度8.0m，孔深10.0m，每断面5孔，排距1.6m，封孔深度为1.02.0m；注浆压力8.010MPa。注浆材料采用马丽散。具体深孔注浆加固范围需结合前期围岩松散破碎范围测定结果合理确定，注浆管具体布置参数如图5-5所示。图5-5 深孔注浆布置图5.4 补强加固及长期维控通过注浆完成对巷道围岩的改性工作，在围岩浅层形成承载环并在深部形成阻水封闭圈的基础上，进行锚网索补强化支护，考虑到强压水对巷道的一帮破坏较为严重，建议在该帮部建立横向锚索桁架结构进行补强，将力传递到稳定围岩区域，具体是否需要采用根据后期监测决定。5.4.1 顶部锚杆、关键部位锚索支护在浅孔充填注浆结束后一个圆班必须采用243000mm锚杆对顶板进行支护。锚杆间距为700mm，排距800mm；在巷道顶区每两排棚距(800mm)布置3套21.88000mm顶部锚索（锚索与锚杆错开布置），锚索间距2000mm，安装锚索时顶锚索每孔使用一卷K2550和三卷Z2550型树脂药卷，顶部锚杆预紧力要求不小于100kN，锚固力不小于200kN；锚杆托盘规格200200mm，厚度10mm。金属网采用GB137886mm冷轧带肋钢筋电弧焊接，规格1.70.9m，网格100100mm，金属网用托盘压实，其余无托盘处间隔200mm用10铁丝链牢，提高锚杆整体作用效果。5.4.2 帮部锚杆及锚索强化支护由于巷道帮部受到强大水平应力的影响，需要进行帮部锚杆支护及帮部锚索加强支护方案。帮部锚杆间距为700mm，排距800mm，具体的布置见图5-6。在巷道帮部布置2套21.88000mm帮部锚索，锚索间距2000mm，安装帮锚索使用一卷K2550和两卷Z2550型树脂药卷，预紧力140kN。考虑到现场围岩破碎，必须对U型棚进行锁腿加强支护，在复喷与深孔注浆前完成。每一架U型棚在1m腰线向下500mm位置进行锁腿（锁腿锚杆与帮部支护锚杆二合一），具体方式如下图所示，在1m腰线向下500mm位置进行锁腿，且每两个锁腿卡缆共用一个眼，即在中间位置进行搭接。锁腿采用243000mm锚杆，锚固方式与上相同。图5-6 第二部皮带机大巷底拱锁腿U型棚支护断面示意图5.4.3 底板打地坪与锚杆、锚索注浆方案在巷道底板打中间1000mm的混凝土底拱，然后布置3套21.88000mm底板注浆锚索，锚索间距2000mm，注浆后预紧力应达到140kN。并且间隔布置242600mm注浆高强度锚杆，具体布置方式见图5-6。5.4.4 复喷混凝土锚杆索及锁腿加强支护安装结束后再进行一次薄喷(厚度50mm)，防止锚杆、锚索暴露空气中锈蚀，并为深孔强化注浆做准备。5.4.5 安装高精度的仪器开展矿压观测观测巷道变形情况，支架受力破坏情况，顶、底板移进量，两帮移进量。采用“十字”布点法监测。施工单位要对巷道所设测站进行观测并认真作好记录，每周定期将观测数据送交矿生产技术科锚拉组。观测要求：观测点布置好后的5天内，每天记录一次巷道围岩位移情况；支护1060天，每周记录一次巷道围岩位移情况；支护2月以上，每月记录一次巷道围岩位移情况。详细记录围岩情况，特殊地点要作专门说明。根据观测资料，确定是否补强支护，发现巷道围岩变化较大时，必须采取补强支护，可采取锚索梁或套棚补强支护。6 主要结论1）对于高渗透压松散断层破碎带大断面已失稳巷道复修强化控制技术难题，巷道失稳变形本质上是围岩渗流场、应力场、损伤场三者相互耦合的结果，对该类巷道进行修复也应该考虑三者的综合治理。2）采用探地雷达探测与钻孔窥视相结合的方法，通过在待修复巷段内选取若干个具有代表性的断面进行测试，根据所测得的多组围岩参数，按照经验或概率统计的方法来确定松散破碎圈的大小，现场反应良好。3）重型U型钢支护结合锚杆、锚索注浆支护技术相结合，可以有效的控制围岩变形，但是高渗透水的治理是所有方案实施的必要条件，后期精密仪器的时时检测反馈也十分重要。参考文献1 何满潮，袁和生，靖洪文，等著中国煤矿锚杆支护理论与实践M北京：科学出版社，20042 侯朝炯，勾攀峰巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究J岩石力学与工程学报，2000，19(3):342-3453 张农，高明仕煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用J中国矿业大学学报，2004，33(5):524-5274 陈庆敏，郭颂，金太锚杆支护的“刚性”梁理论及其应用J矿山压力与顶板管理2000，17(1):1-45 漆太岳，陆士良，高波大变形巷道锚杆的力学特性J