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摘要：马头门是井巷工程中的支护难点，马头门设计断面大、受力复杂、应力集中，受冻结法影响更容易出现巷壁或井壁破坏的现象，严重影响建井速度、矿井安全及投资效益等问题。本文以大海则煤矿二号风井为研究对象，分析马头门局部发生巷壁破损原因，提出合理经济的马头门修复加固方案。通过采用锚索加固、补碹、注浆及喷射混凝土的方式对破损区域进行加固，来增强围岩的整体性和稳定性。实践证明，井筒及马头门支护结构稳定，修复效果显著。这对类似马头门破坏后安全有效的修复加固具有参考意义。
关键词：冻结法；马头门；支护；注浆
马头门（井底车场与立井井筒连接处）是矿井提升与运输的咽喉部位[1]，在煤矿生产中起着重要的作用。随着近年来高产高效矿井的发展，井下大型设备越来越多，导致马头门尺寸也不断增大，大断面马头门支护越来越困难，围岩条件差时马头门容易发生变形破坏。近年来马头门变形破坏的案例屡有发生。马头门处于立井与水平车场交叉处，位置特殊，围岩应力分布复杂[2]，马头门修复加固一直是煤矿井巷支护的难点。大海则煤矿二号风井马头门围岩以泥岩为主，强度低，加之井筒淋水较大，围岩遇水泥化，承载能力差，造成马头门发生严重变形。本文针对马头门破损情况，提出了修复加固方案。
1 大海则煤矿二号风井概况
大海则煤矿位于陕西省榆林市榆阳区西北部，行政区划隶属榆阳区补浪河乡所管辖，西部靠近内蒙古自治区，设计生产能力15.0Mt/a。矿井采用立井开拓方式，在副井工业广场布置四个立井，即：主立井、副立井、一号回风立井和二号回风立井，井筒工程均采用全深冻结法施工。二号回风立井井筒净直径为10m，井深659.7m，冻结深度为678m；采用双层井壁支护，外层井壁为单层钢筋混凝土井壁，内壁为双层钢筋混凝土井壁。二号回风立井初期作为回风立井使用，后期装备为副立井使用。
井筒穿过的地层由新到老依次为：第四系[包含全新统风积沙（Q4eol），上更新统萨拉乌苏组（Q3s）]、白垩系下统洛河组（K1l）、侏罗系中统安定组（J2a）、直罗组（J2z）、延安组（J2y）。本区地质构造简单，岩石主要以软弱—较坚硬岩为主，岩体较完整，以块状及层状结构为主，岩体质量一般。井筒总涌水量为不同地层段计算涌水量之和为445.7 m3/h。
二号回风立井马头门考虑预留副立井功能，按副立井马头门装备预留断面，净宽6500mm，净高8100mm，支护形式为锚索网喷+钢筋混凝土，一次支护采用锚索网喷的方式：锚杆直径22mm，长2200mm，间排距700×700mm；锚索为直径Φ21.6mm钢绞线，长7.3m，锚索托盘采用300×300×16mm钢板，配套锁具，一排7根，矩形布置，排距2100mm；钢筋网为直径10mm圆钢，网格100×100mm，喷射100mm厚C25混凝土；第二次采用800mm厚钢筋混凝土，两侧井筒内径至马头门10m内采用C70混凝土，10m外采用C50混凝土。
2 马头门破损情况及原因分析
2.1马头门破损情况
2016年4月北侧马头门左帮原预留的梁窝（梁窝位置井深-623.8m，梁窝深度1100mm、宽度700mm）处开裂并出水。马头门出现横向、纵向裂缝，涌水量不断增加；随着时间推移，马头门钢筋砼段顶部出现纵向破坏（长度10m），钢筋弯曲变形（宽度约300mm），涌水量约160m?/h。
根据目测及现场实测，二号回风立井北侧马头门在巷道西侧共有两处破损：（1）巷道与井筒连接处出现裂缝，宽约10mm，并在裂缝下部有部分涌水；（2）原拱肩出水点，东西纵向10m，横向1～2m，形成较大变形破损，钢筋裸露，裂缝最大处宽约200mm，裂缝从拱肩向直墙逐渐变小。破损情况见图1。北侧马头门巷道东侧完好，南马头门完好。
2.2马头门破损原因分析
根据二号回风立井马头门出水过程及现状分析，原因主要有以下几种可能：
（1）随着冻结井筒的解冻，冻结管与冻结钻孔间隙中有导通通道，将上下含水层贯通，形成较大静水压力，超过了马头门支护强度承受能力，导致马头门破损并出现涌水；涌水过程是静水压力释放过程，进一步造成马头门破损。这是马头门破损的主要原因。
（2）随着冻结井筒的解冻，冻结管与冻结钻孔间隙中有导通通道，将上下含水层贯通，由此使岩层产生较大的融沉力，融沉力表现为一种垂直應力，加剧了马头门破坏。
（3）马头门顶部融解水导通至煤层中，地下水在水平应力的作用下使煤层产生碎胀、滑动，强度降低，进一步导致马头门开裂。
3马头门修复加固方案及措施
如果只考虑通风要求，二号回风立井南侧马头门与回风大巷连接，北侧马头门可以不修复加固，砌墙封闭即可；根据矿井的远期规划，将二号回风立井改造成副立井，并形成井底车场环线，二号回风立井北侧马头门修复加固时需要保留副立井马头门的功能，应保持原断面或保留副立井功能的基础上对原断面稍微调整。
马头门修复方法为一般有：注浆、刷帮、高预应力锚杆索、锚网喷、U型钢支护、混凝土砌碹、壁后注浆及其组合[3-7]。注浆，可以充填和粘结破碎软岩的裂隙，增强深部围岩的整体性和强度，进而保证后续锚索和锚杆支护的锚固力有效扩散到围岩中； 另外，还能在马头门表层围岩形成注浆保护层，阻止水对软岩的弱化作用，结合混凝土砌碹、壁后注浆等多种手段，提高井筒、马头门附近围岩的稳定性。经过现场勘查、方案分析，北侧马头门修复加固方案为局部拆除修复加固，包括五个步骤：（1）悬吊加固，（2）缝茬处理及喷浆封闭或浇筑混凝土，（3）注浆板结，（4）锚索补强，（5）后处理。各步骤具体设计及施工要求如下：
（1）悬吊加固
在马头门顶部及东侧补打锚索，加固碹体；每排布置5根锚索，共5排，总共消耗25根锚索，锚索长度：頂部两根、直墙两根长9m，肩部一根长15m；锚索为直径Φ21.6mm钢绞线，托盘采用300×300×16mm钢板，配套锁具，锚索排距暂定2000mm，根据实际揭露情况调整，每根锚索采用三卷MSZ23/60和一卷MSK23/60型树脂药卷，锚固力不小于200kN。锚索布置见图2。 （2）缝茬处理及喷浆封闭或浇筑混凝土
根据实际揭露情况，分两种情况：①只拆除破碎表皮，采用风镐，能拆除多少拆除多少；②为保证马头门支护体整体稳定性及耐久性，对破损较大的、钢筋已断裂的全部拆除，拆除面积预计13.6m2、体积11m3，拆除顺序为从上到下逐步拆除，边拆除边观察，根据情况确定是否对已拆除部分采用锚索进行加固、挂网喷浆封闭；拆除后，按原设计补充布置钢筋，采用植筋、绑扎或焊接等方式补充钢筋，再浇筑C75混凝土。
（3）注浆板结
经过涌水，涌水可能带出部分砂质，马头门上部岩层强度可能降低，采用注浆方式对岩层进行加固。注浆分三次进行，第一次板结混凝土外围岩1m厚，眼深1.8m，注浆孔间排距2100×2000mm，注浆孔65个；第二次板结范围至混凝土外2.5m，眼深3.3m。注浆孔间排距4200×4000mm，注浆孔35个；第三次板结范围至混凝土外4.5m，眼深5.3m。注浆孔间距4200×4200mm，注浆孔30个。
施工器具：YT-28风动凿岩机、MQT-130C型气动锚杆钻机、2TGZ-60/210型双液调速高压注浆泵、储浆桶、清水桶1个、Ф42mm×600mm无缝钢管。
注浆压力：暂定静水压力的1.5倍。浆液配比：暂定采用P.O.52.5R普通硅酸盐水泥，水灰比0.45，1.5%高效早强减水剂配制注浆液。
（4）锚索补强
对修复后马头门补打锚索以增强马头门整体强度，每排布置位置与悬吊锚索相同，每排布置3根锚索，共5排，总共消耗15根锚索，锚索长度：直墙两根长9m，肩部一根长15m；锚索为直径Φ21.6mm钢绞线，托盘采用300×300×16mm钢板，配套锁具，锚索排距2000mm，根据实际揭露情况调整，每根锚索采用三卷MSZ23/60和一卷MSK23/60型树脂药卷，锚固力不小于200kN。
（5）后处理
①对马头门上部，已开凿的原管子道、设备通道开口采用与井壁等强度混凝土浇筑充填；对预留梁窝采用1000mm长锚杆加等强度混凝土浇筑充填。
②以上程序完成后，再次壁后注浆充填补强，对表面裂缝采用喷射混凝土补强。
4 结论
现场根据以上方案对大海则煤矿二号回风立井北侧马头门进行了加固，经过一年多的检验，马头门无变形，完整性好，加固方案效果良好。大海则煤矿二号回风立井北侧马头门加固方案的成功可以为类似工程提供较好的借鉴。
参考文献
[1] 姜松玉.煤矿井底车场与井筒连接处破坏原因及对策[J].山东科技大学学报，2010，29（ 5） ： 39-43.
[2] 李霄尖，苗艳虾. 锚杆索环形一体化支护技术在马头门修复中的应用[J].煤炭工程，2011，（12）：65-67+70.
[3] 韩春晓. 大埋深高应力井筒马头门修复技术的研究与应用[J]. 煤炭工程，2009，（04）：32-34.
[4] 刘在祥，刘跃俊. 锚索簇支护技术在马头门修复加固中的应用[J].煤炭工程，2016，48（07）：44-46.
[5] 何继发. 深井井筒及马头门修复技术[J]. 江西煤炭科技，2012，（02）：80-82.
[6] 張成庆，于森，张雪龙. 多部加压注浆法在马头门修复工程中的应用[J].煤炭技术，2007，（09）：98-99.
[7] 薛奎才，鮑永聚，董敏琪. 曲江矿井副井马头门修复加固[A]. 中国煤炭学会.矿山建设学术会议论文选集[C].中国煤炭学会，2002：3.
作者简介：
郭光乔（ 1983-） ，男，河北邢台人，毕业于西安科技大学，本科学历，工程师，从事采矿技术方面的设计研究工作。
关键词：冻结法；马头门；支护；注浆
马头门（井底车场与立井井筒连接处）是矿井提升与运输的咽喉部位[1]，在煤矿生产中起着重要的作用。随着近年来高产高效矿井的发展，井下大型设备越来越多，导致马头门尺寸也不断增大，大断面马头门支护越来越困难，围岩条件差时马头门容易发生变形破坏。近年来马头门变形破坏的案例屡有发生。马头门处于立井与水平车场交叉处，位置特殊，围岩应力分布复杂[2]，马头门修复加固一直是煤矿井巷支护的难点。大海则煤矿二号风井马头门围岩以泥岩为主，强度低，加之井筒淋水较大，围岩遇水泥化，承载能力差，造成马头门发生严重变形。本文针对马头门破损情况，提出了修复加固方案。
1 大海则煤矿二号风井概况
大海则煤矿位于陕西省榆林市榆阳区西北部，行政区划隶属榆阳区补浪河乡所管辖，西部靠近内蒙古自治区，设计生产能力15.0Mt/a。矿井采用立井开拓方式，在副井工业广场布置四个立井，即：主立井、副立井、一号回风立井和二号回风立井，井筒工程均采用全深冻结法施工。二号回风立井井筒净直径为10m，井深659.7m，冻结深度为678m；采用双层井壁支护，外层井壁为单层钢筋混凝土井壁，内壁为双层钢筋混凝土井壁。二号回风立井初期作为回风立井使用，后期装备为副立井使用。
井筒穿过的地层由新到老依次为：第四系[包含全新统风积沙（Q4eol），上更新统萨拉乌苏组（Q3s）]、白垩系下统洛河组（K1l）、侏罗系中统安定组（J2a）、直罗组（J2z）、延安组（J2y）。本区地质构造简单，岩石主要以软弱—较坚硬岩为主，岩体较完整，以块状及层状结构为主，岩体质量一般。井筒总涌水量为不同地层段计算涌水量之和为445.7 m3/h。
二号回风立井马头门考虑预留副立井功能，按副立井马头门装备预留断面，净宽6500mm，净高8100mm，支护形式为锚索网喷+钢筋混凝土，一次支护采用锚索网喷的方式：锚杆直径22mm，长2200mm，间排距700×700mm；锚索为直径Φ21.6mm钢绞线，长7.3m，锚索托盘采用300×300×16mm钢板，配套锁具，一排7根，矩形布置，排距2100mm；钢筋网为直径10mm圆钢，网格100×100mm，喷射100mm厚C25混凝土；第二次采用800mm厚钢筋混凝土，两侧井筒内径至马头门10m内采用C70混凝土，10m外采用C50混凝土。
2 马头门破损情况及原因分析
2.1马头门破损情况
2016年4月北侧马头门左帮原预留的梁窝（梁窝位置井深-623.8m，梁窝深度1100mm、宽度700mm）处开裂并出水。马头门出现横向、纵向裂缝，涌水量不断增加；随着时间推移，马头门钢筋砼段顶部出现纵向破坏（长度10m），钢筋弯曲变形（宽度约300mm），涌水量约160m?/h。
根据目测及现场实测，二号回风立井北侧马头门在巷道西侧共有两处破损：（1）巷道与井筒连接处出现裂缝，宽约10mm，并在裂缝下部有部分涌水；（2）原拱肩出水点，东西纵向10m，横向1～2m，形成较大变形破损，钢筋裸露，裂缝最大处宽约200mm，裂缝从拱肩向直墙逐渐变小。破损情况见图1。北侧马头门巷道东侧完好，南马头门完好。
2.2马头门破损原因分析
根据二号回风立井马头门出水过程及现状分析，原因主要有以下几种可能：
（1）随着冻结井筒的解冻，冻结管与冻结钻孔间隙中有导通通道，将上下含水层贯通，形成较大静水压力，超过了马头门支护强度承受能力，导致马头门破损并出现涌水；涌水过程是静水压力释放过程，进一步造成马头门破损。这是马头门破损的主要原因。
（2）随着冻结井筒的解冻，冻结管与冻结钻孔间隙中有导通通道，将上下含水层贯通，由此使岩层产生较大的融沉力，融沉力表现为一种垂直應力，加剧了马头门破坏。
（3）马头门顶部融解水导通至煤层中，地下水在水平应力的作用下使煤层产生碎胀、滑动，强度降低，进一步导致马头门开裂。
3马头门修复加固方案及措施
如果只考虑通风要求，二号回风立井南侧马头门与回风大巷连接，北侧马头门可以不修复加固，砌墙封闭即可；根据矿井的远期规划，将二号回风立井改造成副立井，并形成井底车场环线，二号回风立井北侧马头门修复加固时需要保留副立井马头门的功能，应保持原断面或保留副立井功能的基础上对原断面稍微调整。
马头门修复方法为一般有：注浆、刷帮、高预应力锚杆索、锚网喷、U型钢支护、混凝土砌碹、壁后注浆及其组合[3-7]。注浆，可以充填和粘结破碎软岩的裂隙，增强深部围岩的整体性和强度，进而保证后续锚索和锚杆支护的锚固力有效扩散到围岩中； 另外，还能在马头门表层围岩形成注浆保护层，阻止水对软岩的弱化作用，结合混凝土砌碹、壁后注浆等多种手段，提高井筒、马头门附近围岩的稳定性。经过现场勘查、方案分析，北侧马头门修复加固方案为局部拆除修复加固，包括五个步骤：（1）悬吊加固，（2）缝茬处理及喷浆封闭或浇筑混凝土，（3）注浆板结，（4）锚索补强，（5）后处理。各步骤具体设计及施工要求如下：
（1）悬吊加固
在马头门顶部及东侧补打锚索，加固碹体；每排布置5根锚索，共5排，总共消耗25根锚索，锚索长度：頂部两根、直墙两根长9m，肩部一根长15m；锚索为直径Φ21.6mm钢绞线，托盘采用300×300×16mm钢板，配套锁具，锚索排距暂定2000mm，根据实际揭露情况调整，每根锚索采用三卷MSZ23/60和一卷MSK23/60型树脂药卷，锚固力不小于200kN。锚索布置见图2。 （2）缝茬处理及喷浆封闭或浇筑混凝土
根据实际揭露情况，分两种情况：①只拆除破碎表皮，采用风镐，能拆除多少拆除多少；②为保证马头门支护体整体稳定性及耐久性，对破损较大的、钢筋已断裂的全部拆除，拆除面积预计13.6m2、体积11m3，拆除顺序为从上到下逐步拆除，边拆除边观察，根据情况确定是否对已拆除部分采用锚索进行加固、挂网喷浆封闭；拆除后，按原设计补充布置钢筋，采用植筋、绑扎或焊接等方式补充钢筋，再浇筑C75混凝土。
（3）注浆板结
经过涌水，涌水可能带出部分砂质，马头门上部岩层强度可能降低，采用注浆方式对岩层进行加固。注浆分三次进行，第一次板结混凝土外围岩1m厚，眼深1.8m，注浆孔间排距2100×2000mm，注浆孔65个；第二次板结范围至混凝土外2.5m，眼深3.3m。注浆孔间排距4200×4000mm，注浆孔35个；第三次板结范围至混凝土外4.5m，眼深5.3m。注浆孔间距4200×4200mm，注浆孔30个。
施工器具：YT-28风动凿岩机、MQT-130C型气动锚杆钻机、2TGZ-60/210型双液调速高压注浆泵、储浆桶、清水桶1个、Ф42mm×600mm无缝钢管。
注浆压力：暂定静水压力的1.5倍。浆液配比：暂定采用P.O.52.5R普通硅酸盐水泥，水灰比0.45，1.5%高效早强减水剂配制注浆液。
（4）锚索补强
对修复后马头门补打锚索以增强马头门整体强度，每排布置位置与悬吊锚索相同，每排布置3根锚索，共5排，总共消耗15根锚索，锚索长度：直墙两根长9m，肩部一根长15m；锚索为直径Φ21.6mm钢绞线，托盘采用300×300×16mm钢板，配套锁具，锚索排距2000mm，根据实际揭露情况调整，每根锚索采用三卷MSZ23/60和一卷MSK23/60型树脂药卷，锚固力不小于200kN。
（5）后处理
①对马头门上部，已开凿的原管子道、设备通道开口采用与井壁等强度混凝土浇筑充填；对预留梁窝采用1000mm长锚杆加等强度混凝土浇筑充填。
②以上程序完成后，再次壁后注浆充填补强，对表面裂缝采用喷射混凝土补强。
4 结论
现场根据以上方案对大海则煤矿二号回风立井北侧马头门进行了加固，经过一年多的检验，马头门无变形，完整性好，加固方案效果良好。大海则煤矿二号回风立井北侧马头门加固方案的成功可以为类似工程提供较好的借鉴。
参考文献
[1] 姜松玉.煤矿井底车场与井筒连接处破坏原因及对策[J].山东科技大学学报，2010，29（ 5） ： 39-43.
[2] 李霄尖，苗艳虾. 锚杆索环形一体化支护技术在马头门修复中的应用[J].煤炭工程，2011，（12）：65-67+70.
[3] 韩春晓. 大埋深高应力井筒马头门修复技术的研究与应用[J]. 煤炭工程，2009，（04）：32-34.
[4] 刘在祥，刘跃俊. 锚索簇支护技术在马头门修复加固中的应用[J].煤炭工程，2016，48（07）：44-46.
[5] 何继发. 深井井筒及马头门修复技术[J]. 江西煤炭科技，2012，（02）：80-82.
[6] 張成庆，于森，张雪龙. 多部加压注浆法在马头门修复工程中的应用[J].煤炭技术，2007，（09）：98-99.
[7] 薛奎才，鮑永聚，董敏琪. 曲江矿井副井马头门修复加固[A]. 中国煤炭学会.矿山建设学术会议论文选集[C].中国煤炭学会，2002：3.
作者简介：
郭光乔（ 1983-） ，男，河北邢台人，毕业于西安科技大学，本科学历，工程师，从事采矿技术方面的设计研究工作。