萬家莊煤業(yè)深部軟巖巷道錨注一體全斷面圍巖加固技術(shù)應(yīng)用研究

＊劉 峰

（山西焦煤山煤蒲縣萬家莊煤業(yè)有限公司 山西 041200）

1.背景現(xiàn)狀

萬家莊煤業(yè)井田位于山西省蒲縣黑龍關(guān)鎮(zhèn)王峪村—火石洼村一帶，礦井核定生產(chǎn)能力120萬噸/年，礦井井田面積13.8954km2，批準開采2#～10#煤層，現(xiàn)開采2#煤層。煤層頂板多為泥巖，由于泥巖結(jié)構(gòu)松軟，在遇水作用下易發(fā)生軟化，底板也以泥巖為主，經(jīng)測試軟化系數(shù)為0.53，在遇水作用下易發(fā)生軟化產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。同時，受到采動影響，三條大巷850～1450m段巷道有不同程度的噴漿體開裂、底鼓、幫鼓等現(xiàn)象，最大底鼓量達到500mm，單幫最大幫鼓量達到350mm，嚴重影響大巷軌道運輸、膠帶輸送機的正常運行。此外，采區(qū)泵房、變電所、避難硐室等重要場所，硐室頂、幫受采動影響，最大底鼓量達到300mm，單幫最大幫鼓量達到400mm，導(dǎo)致機電設(shè)備發(fā)生傾斜，設(shè)備安全間隙不符合要求，設(shè)備運行的安全系數(shù)大大降低。

2.萬家莊煤業(yè)軟巖巷道變形破壞原因分析

軟巖巷道表現(xiàn)出大變形、難支護的主要影響因素分為兩個方面，即：煤巖本身的自然影響因素和后期開采技術(shù)影響因素。

（1）自然影響因素分析。自然影響因素主要是指巖體本身的物理力學(xué)性質(zhì)、煤層埋藏深度、斷層等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及地下含水層等，巖體力學(xué)性質(zhì)是指巖體在受力狀態(tài)下抵抗變形和破壞的能力。萬家莊井田位于河?xùn)|煤田，煤層傾角 0～8°，2#煤層平均埋藏深度500～600m之間。井田范圍內(nèi)已探明落差大于5m的有16條，斷層帶頂、幫破碎，影響圍巖的穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)為煤埋藏深、煤層頂、底板巖性結(jié)構(gòu)松軟，頂板巖石強度較低，受壓變形后，容易發(fā)生冒頂事故。

（2）開采技術(shù)影響因素。開采技術(shù)因素主要包括工作面設(shè)計、采高、采空區(qū)管理形式及開挖次序等方面。不同的工作面設(shè)計方式對煤巖的完整性和煤柱的支承受能力影響較大，工作面開采后，不同的開采次序引起的應(yīng)力重新分布情況大不相同，礦壓顯現(xiàn)受采高、回采速度影響顯著。

①煤巖完整性、支承能力減弱。萬家莊煤業(yè)礦井大巷東西向布置，回風(fēng)大巷沿煤層頂板掘進。軌道大巷與運輸大巷水平間距為30m，軌道大巷與回風(fēng)大巷水平間距為25m，南北兩翼布置工作面，聯(lián)絡(luò)巷道布置密集，交岔點較多，煤巖完整性遭到嚴重破壞，隨著開采深度增大，巷道上覆巖層重量增大，形成的支撐力較大，煤柱的支承能力減弱，不能有效控制頂板，造成巷道變形嚴重。

②工作面開采應(yīng)力疊加。礦井采取兩翼同時開采，而且回采工作面由東到西順序開采，巷道受工作面采動影響，煤體受壓導(dǎo)致強度和承載能力降低，支承壓力隨工作面不斷向前推進的過程，工作面前方原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)不斷被打破，壓力形成疊加效應(yīng)，直接頂被迫下沉。因此巷道及順槽幫鼓、底鼓顯現(xiàn)較為明顯，是導(dǎo)致巷道變形的重要原因。

3.軟巖巷道圍巖控制對策

(1)交錯式工作面開采順序

萬家莊煤業(yè)開采順序調(diào)整為在北翼綜采工作面由西向東后退式開采，在南翼綜采工作面由東向西前進式開采；即北翼工作面開采順序依次為：20201→20203→20205......，南翼工作面開采順序依次為：20102→20104→20106......，避免兩翼工作面同時回采后應(yīng)力疊加，最大限度減小采區(qū)大巷受采動壓力影響。

(2)工作面末采深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓

作面回采完畢后，其采空區(qū)會在工作面頂板形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中使工作面回采巷道圍巖應(yīng)力增加，受到該臨空動壓的影響，回采工作面超前段巷道變形量大，增加了維護難度。末采結(jié)束后，通過沿撤架通道煤柱側(cè)頂板采取深孔預(yù)裂卸壓，有效阻斷采空區(qū)頂板降低長懸臂巖梁對工作面與采區(qū)大巷煤柱的作用力，大大減弱由于工作面懸臂梁結(jié)構(gòu)而造成的大巷煤柱應(yīng)力集中，從而進一步降低大巷圍巖受力，使其圍巖受力始終處于圍巖流變擾動閾值以下，達到控制巷道圍巖變形量的目標。

切頂卸壓方案：切頂深度為10m，切頂角度為20°，工作面預(yù)裂炮孔間距取0.5m，炮孔組距取為2m，每組三個孔，布滿整條試驗巷道，為方便施工炮孔打設(shè)位置為遠離煤柱側(cè)1m。深孔預(yù)裂爆破炮孔布置設(shè)計如圖1所示。

圖1 深孔預(yù)裂爆破施工設(shè)計圖

(3)變形巷道“錨注一體”全斷面修復(fù)治理

①全斷面錨注加固技術(shù)理論

由于巷道原支護方式特別強調(diào)頂板的加固，而兩幫的支護強度明顯不足，底板是完全放開，造成兩幫、底板弱支護問題，要解決巷道幫鼓、底鼓變形破壞問題，除圍巖自身性質(zhì)對巷道變形有重要影響外，其兩幫和底板弱支護結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致巷道底鼓甚至整體失穩(wěn)的重要原因。在整個支護結(jié)構(gòu)中，巷道兩幫、底板的弱支護是其中的薄弱環(huán)節(jié)，所以必須要對其采取十分有效的支護及加固措施，實現(xiàn)對全斷面的支護加強，采用“高強注漿錨桿+高強抗彎剪錨索+W型鋼帶+鋼筋網(wǎng)+噴漿+注漿”的技術(shù)方案進行全斷面支護，實現(xiàn)巷道整體圍巖形成可靠的聯(lián)合支護體系。

②全斷面錨注加固施工方案

一采區(qū)變電所布置在軌道大巷與回風(fēng)大巷之間，巖（煤）柱距離在8.5m左右，圍巖不穩(wěn)定、裂隙發(fā)育以及受采動等因素的影響，硐室出現(xiàn)底鼓、幫部突出等現(xiàn)象，致使部分設(shè)備傾斜，設(shè)備檢修空間不足。一采區(qū)變電所修復(fù)長度80m，原支護采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護。頂、幫錨桿規(guī)格為：φ20mm×2000mm，間排距900mm×900mm；錨索規(guī)格為：φ17.8mm×6300mm，間排距1800mm×1800mm；鋼筋網(wǎng)φ6mm×1000mm×2000mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格100mm×100mm；噴漿用C20混凝土噴射，厚度100mm；用C15混凝土鋪底，厚度200mm。

結(jié)合現(xiàn)場實際變形破壞情況，考慮采用“高強度錨注一體”方案進行巷道修復(fù)治理，具體支護方案為：巷道全斷面整修后，采用“高強注漿錨桿+高強抗彎剪錨索+W型鋼帶（底板為M型）+鋼筋網(wǎng)+噴漿+注漿”的技術(shù)方案進行支護。

A.頂部支護要求：選用高強螺紋鋼錨桿配合注漿裝置，來實現(xiàn)“錨-注”一體化支護功能。其中，高強體螺紋鋼錨桿選擇規(guī)格為φ22mm×2600mm，注漿裝置規(guī)格為φ28mm×300mm，錨桿間排距750mm×800mm，肩部兩根向兩側(cè)傾角15°。每根錨桿采用1卷K2335和1卷Z2360型樹脂錨固劑加長錨固。錨桿扭矩不小于300N·m，不超過500N·m。

頂錨索選擇高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索（1×19股）配合抗彎剪裝置，來實現(xiàn)抗彎剪功能。頂錨索規(guī)格為φ21.8mm×9300mm，配套的抗剪裝置規(guī)格為φ28mm×2500mm，間距1500mm，排距800mm，每排布置2根。每根錨索采用1卷MSK2335和2卷MSZ2360樹脂藥卷錨固；錨索預(yù)張力不低于200kN。

B.兩幫支護要求：錨桿規(guī)格為φ22mm×2600mm，采用φ8mm×1000mm×2000mm鋼筋點焊而成的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格100mm×100mm，鋼筋網(wǎng)搭接100mm，每100mm一個扎點，三花布置。錨桿間排距800mm×800mm，幫錨桿每排2根。每根錨桿采用1卷K2335和1卷Z2360型樹脂錨固劑加長錨固。錨桿扭矩不小于300N·m，不超過500N·m。注漿裝置規(guī)格為φ28mm×300mm。

幫部錨索規(guī)格為φ21.8mm×6300mm，配套抗剪裝置分別為φ28mm×2000mm。幫部中間錨索垂直于煤壁，靠近頂、底板的兩根錨索分別向頂、底板傾斜45°，錨索預(yù)張力不低于200kN。

C.底板支護要求：底板錨桿規(guī)格同頂板錨桿，注漿裝置規(guī)格為φ28mm×300mm，間排距750mm×800mm，錨桿扭矩不小于300N·m，不超過500N·m。鋪底：鋪底厚度300mm，強度C30。頂、幫、底均頂錨桿、錨索均采用W型鋼帶連接，底板錨桿同樣采用M型鋼帶連接。W型（M型）鋼帶寬度280mm，厚度5mm。支護完成后噴漿封閉，噴漿強度C20，厚度為100mm。

D.注漿施工工藝。a.水泥注漿系統(tǒng)。采用雙液注漿系統(tǒng)，主要設(shè)備有氣動雙液注漿泵、水泥攪漿機等，注漿設(shè)備放在軌道大巷與變電所通道右側(cè)。b.水泥注漿主要工序。(a)制輸漿：最大注漿壓力不超過3.0MPa，一般單孔注漿時間取為3～5min。頂、底板注漿材料采用425#普通硅酸鹽水泥，配合高性能漿液改性劑，煤幫注漿材料采用高分子有機注漿材料，或者采用超微細無機復(fù)合注漿材料+高性能漿液改性劑，漿液水灰比為0.5～0.6，外加劑用量為10%～15%。(b)壓注：根據(jù)注漿情況確定壓注設(shè)備的初始排量，壓注過程中要時刻注意觀察注漿孔周圍的情況，發(fā)現(xiàn)跑漿要及時處理，同時密切注意注漿泵的工作情況，發(fā)現(xiàn)異常立即處理，漿液的濃度控制原則均為先稀后濃，一般情況下，注漿壓力升至設(shè)計注漿壓力并維持5min即可結(jié)束注漿。(c)系統(tǒng)清洗：每次注漿完畢，通過將吸漿管置入清水桶，吸取清水沖洗管路和注漿泵腔，清洗不少于10min。

4.巷道圍巖變形觀測及分析

（1）巷道鉆孔窺視分析。采用鉆孔窺視鏡對已經(jīng)進行幫頂注漿加固的巷道進行鉆孔窺視，檢測注漿效果及松動破壞活動發(fā)展深度。

根據(jù)圖2鉆孔窺視結(jié)果分析，在2.0～2.2m范圍乃至更深部位，孔壁圍巖性狀和原巖的特征類似，而在1.2～1.8m范圍內(nèi)明顯觀測到注漿加固痕跡，1.8m至孔口范圍內(nèi)破碎圍巖重新粘結(jié)作用明顯。

圖2 注漿巷道頂板鉆孔窺視截圖

結(jié)果表明圍巖松動破壞深度大約在1.8～2.0m范圍，而且巷道注漿對破碎巖體的粘合作用效果較好，充分驗證了對巷道頂、幫部位進行注漿加固的必要性。

（2）巷道圍巖變形觀測。采用全斷面錨注加固支護技術(shù)對萬家莊煤業(yè)三條大巷及一采區(qū)變電所等失修巷道進行注漿加固修復(fù)，對巷道圍巖變形進行了監(jiān)測。在錨注加固區(qū)段巷道每隔30m巷道設(shè)計布置2個測站，每個測站設(shè)2個觀測面，測面間距0.8m，采用十字布點法監(jiān)測圍巖表面位移。本次采集觀測周期共分兩個階段，每個階段監(jiān)測時間為一個月，第一階段每周采集一次監(jiān)測數(shù)據(jù)，第二階段每兩周采集一次監(jiān)測數(shù)據(jù)。礦壓觀測期間的巷道圍巖變形量及變形速率如圖3所示。

圖3 巷道變形量、變形速率折線圖

經(jīng)過兩個月的持續(xù)觀測，從圖3中可以看出，巷道在第一周變形量最大，頂板變形量和兩幫移近量分別為16mm和11mm，此時，巷道變形速率超過了2mm/d，達到最大值；在第二、三周，變形速率明顯減小，降幅達到56%；在第五周，圍巖變形趨于穩(wěn)定。由此可見，通過對巷道的頂板、兩幫、底腳以及底板同時加強支護，實現(xiàn)了全斷面的加強支護穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而提升了圍巖整體承載能力，巷道圍巖變形控制效果非常顯著。

5.結(jié)論

通過深入研究分析深部軟巖巷道失穩(wěn)破壞機理，針對性的提出了多種圍巖控制對策，通過充分降低了回采擾動及采空區(qū)懸臂等因素對采區(qū)大巷及主要硐室造成的應(yīng)力集中，同時，研究采用“錨注一體”全斷面支護技術(shù)對變形嚴重巷道進行修復(fù)治理，有效提升圍巖整體完整性及承載能力，有效控制了巷道圍巖變形，保障了巷道使用的安全性。主要結(jié)論有幾下幾點：

（1）分析了軟巖巷道圍巖破壞影響因素，除了自然影響因素外，開采技術(shù)因素是影響控制軟巖巷道變形的重要方面。（2）交錯式工作面開采順序，可避免兩翼相對工作面回采導(dǎo)致的應(yīng)力疊加，進而加劇圍巖松動破壞的擴散，最大限度減小巷道受采動壓力的影響程度。（3）回采后沿撤架通道深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓，可有效阻斷工作面采空區(qū)懸臂支承壓力向大巷煤柱轉(zhuǎn)移，進一步降低了圍巖支護難度。（4）采用全斷面錨注加強支護技術(shù)對變形嚴重巷道進行修復(fù)治理，實現(xiàn)了對巷道全斷面支護效果，強化了弱支護部位，提升了圍巖整體結(jié)構(gòu)性，形成可靠的聯(lián)合支護體，極大提升了巷道圍巖承載能力。