煤矿永久硐室软岩底板注浆加固及反拱槽技术研究与应用

煤矿永久硐室软岩底板注浆加固及反拱槽技术研究与应用

李聪、肖超、刘军

陕西旬邑青岗坪矿业有限公司，陕西省咸阳市 712000

摘要:青岗坪煤矿采区变电所永久硐室布置在一采区中部，硐室底板为泥岩，遇水软化膨胀特性显著。 同时，受采动影响，顶底板均有不同程度的变形，主要表现为巷道拱顶喷层开裂，底鼓量超过1m，影响硐室安全使用，硐室反复维修耗费大量人力物力。采区变电所为永久性硐室，服务周期较长，因此，针对青岗坪煤矿4煤层顶底板特殊的地质围岩条件，开展了煤矿永久硐室软岩底板注浆加固及反拱槽技术研究，在矿井后续的轨道大巷、皮带大巷等巷道底板治理中能够起到前瞻性指导性的效果。

关键词：钻孔窥视；软岩底板；加固设计；注浆工艺

0引言

煤矿巷道软岩底鼓，一直是煤矿支护的的难题，大多数巷道底板没有支护，应力积聚后容易从无支护的底板进行释放，在此过程中对底板造成严重破坏。特别是是永久硐室布置在软弱煤（岩）层中，服务周期较长，若不及时采取有效的加固措施，势必导致硐室围岩变形破坏继续发展，出现需反复翻修却无法有效控制的问题。因此，急需提出科学合理的加固支护方案，一次性解决永久硐室底鼓围岩变形控制难题，保证永久硐室能够长期安全使用。

1 工程概况

青岗坪煤矿采区变电所硐室布置在4-2煤层中，其直接顶和基本顶均为软弱岩层，岩体强度低、不稳定；煤层底板遇水易软化，岩石强度大幅度下降。根据矿井原位地质力学测试结果显示，最大水平主应力最大值为12.82MPa，最小值为9.27MPa；最小水平主应力最大值为7.05MPa，最小值为5.41MPa；垂直应力最大值为11.96MPa，最小值为9.26 MPa。应力场类型以σH >σv> σh为主，水平应力在区域内占主导优势。相关研究结果表明，水平应力作用是造成硐室顶底板破坏的原因之一^[1]。

采区变电所硐室主要为锚网索喷支护，布置在软弱煤岩层中，受围岩力学条件和两侧工作面采动压力影响，巷道出现了严重的变形破坏。巷道变形破坏形式为顶板下沉、两帮内挤和严重底鼓，底板变形严重处底鼓量达到1m以上，从现场观测来看，底板变形仍未稳定，对现场设备安放和巷道安全使用造成严重影响。

2 研究内容

针对采区变电所硐室顶帮变形破坏、底鼓严重问题，确定本项目的主要研究内容为：

(1)围岩结构破坏钻孔窥视

首先对目前巷道围岩的破坏情况进行探测，初步得出破坏范围，为注浆和锚索加固深度提供基础参考。在采区 变电所硐室围岩现场打孔，采用钻孔窥视仪进行围岩结构测试。

(2)围岩成分实验室测试

在硐室取5个试样，对围岩膨胀性和强度进行实验室测试。

(3)注浆加固参数及工艺研究

根据采区变电所硐室变形破坏情况，硐室加固时采用注浆的方法恢复围岩完整性。需要根据硐室围岩地质条件研究注浆加固的参数，即针对注浆孔深度、注浆压力、水灰比等进行研究，在此基础上适用于硐室加固的成套注浆加固工艺。

(4)硐室综合加固设计

根据地质与生产条件，针对采区变电所硐室进行综合加固设计。进行注浆加固参数及工艺研究，提出硐室综合加固初始设计。

(5)注浆及支护材料选择

根据巷道综合加固设计，科学合理确定注浆加固和支护材料，所选材料能够满足硐室支护强度要求。

(6)底板加固施工机具的优选和施工工艺优化

优选合适的施工机具，满足底板施工和巷道加固的要求。并对施工工艺进行优化，找到更加适合底板施工和围岩加固的施工工艺。

(7)井下工业性试验

采区变电所硐室进行围岩综合加固井下试验。适用于青岗坪煤矿永久硐室的以注浆和强力锚杆索支护为核心的围岩综合加固技术，应用该技术对硐室围岩加固后，无需进行返修，保证硐室在服务周期内安全使用。

3 巷道变形的原因分析

利用小孔径全景钻孔窥视仪对巷道围岩破坏深度及裂隙进行了窥视，结论如下：0～0.3m有横向裂隙、完整性差；0.4～0.5m有横向微裂隙；0.5～0.8m有横向裂隙、完整性差；0.9～1.2m有明显横向裂隙；1.6～1.8m有多出横向裂隙；1.9～2.2m有多处横向裂隙；2.2～2.5m有纵向微裂隙；2.6～2.7m微煤线；2.7～3.0m质地松散、完整性差；3.7m处有横向裂隙；3.5～4.2m有多出横向微裂隙；4.4m、5.1m处有横向裂隙；5.5～6.0m有多处横向微裂隙。通过对采区变电所硐室的实地勘察和技术资料的分析，认为巷道变形的主要原因有：

（1）围岩强度较低

巷道处于煤层之中，煤层底板为泥岩，强度较低，同时还受到已回采工作面采空区侧向支撑压力影响。

（2）巷道断面大、底板无支护

采区变电所硐巷道宽度5.5m，设计之初只对两帮和顶板进行了支护，底板只进行了浇筑。受采动及地应力影响，因巷道底板无支护成为最薄弱点，底鼓严重。同时，巷道底板为泥岩，遇水发生膨胀特性，进一步加剧了巷道底板的破坏。

（3）破坏原支护

巷道发生变形后，围岩裂隙发育扩容，大大降低了锚杆锚索的支护作用。必须尽快采取有效措施对变形区域巷道围岩进行加固，并在确保围岩稳定的基础上，控制围岩进一步变形，确保矿井生产系统安全。

4 采区变电所硐室综合加固设计方案

4.1 确定加固方案

对于已发生离层、破坏的巷道破碎围岩，连续的离层开裂，使处于离层缝间的围岩失去约束，在高应力作用下，围岩表层发生扩容破坏的同时，裂缝区域同步发生扩容破坏，此时简单的锚杆锚索补强支护，也往往不能有效控制围岩变形的发展，必须采用与注浆相结合的方法^[2]。

根据一采区变电所硐室现场生产、地质条件调查和围岩结构探查，单一的加固方法不能有效控制此类浅部破碎围岩的长期变形破坏，对此类巷道加固工程应在恢复围岩内部结构完整性基础上，加强对巷道围岩的主动支护。参考原有支护强度，结合大量的工程实践，在确保工程质量并尽量减小工程量的前提下，本工程确定采用高压注浆配合强力锚杆索支护的综合加固方案。

高压注浆的目的是充填遭到破坏的巷道围岩内部裂隙，将破碎围岩进行重新组合，提高破碎围岩的承载能力，同时恢复或构成完整的岩体结构，进而形成连续的结构体，以有利于锚杆锚索加固时力的传递，大幅度提高加固质量和效果。因此，注浆加固是整个加固的基础，也是保证加固质量的基本条件。高压注浆后，破碎围岩基本上恢复连续状态，但承载能力仍较弱，尤其是帮部破坏程度较高，注浆施工后必须加强对围岩的支护。强力锚杆索加固的目的是在围岩恢复连续性后，对其施加强力的边界条件，使注浆后的围岩具有较强的承载能力，阻止围岩再次破坏，确保加固后的巷道围岩稳定^[3]。

4.2综合加固方案设计

根据巷道变形破坏情况，决定先对两帮和顶板进行强力锚索加固，同时将采区变电所硐室起底至设计高度，再对底板采用注浆的方式加固，最后对巷道表面进行喷浆覆盖，并对两帮和顶板锚索孔注浆，加固帮顶。

1.恢复永久硐室初始断面

采区变电所硐室多处顶帮锚喷层破裂，受压变形挤出，先集中对此进行修复，将变形挤出部分打掉，基本恢复初始断面，然后进行锚网支护。

2.顶板加固

补打锚索，锚索按五四逐排交替布置，呈菱形，锚索规格为Φ22×8300mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，树脂加长锚固，利用棉纱和水泥-水玻璃双液浆封孔。喷浆：喷浆材料为C20混凝土，厚度为100mm。

3.底板加固

（1）挖反拱槽

1）将破裂的原混凝土地坪打掉并全断面向下卧底至底脚线下200mm位置。

2）继续向下挖凿，做出一个反拱槽，最深点距底脚线900mm。

（2）深浅分层注浆

1）施工浅层注浆锚杆孔，使用Φ28mm钻头，孔深2000mm，分段（每30m左右为一段）一次性施工完成。

2）注浆锚杆安装及封孔固定：将注浆锚杆插入孔内，利用棉纱、麻绳蘸取伯雷音材料封孔并用锤砸实固定，封孔深度300mm左右。

3）保护注浆锚杆端头，然后顶帮喷浆密封巷道表面，底板做混凝土地坪，厚度皆为100mm，喷浆及做好地坪后，立即清理注浆锚杆端头。

4）安装注浆阀门及管路，对注浆锚杆进行注浆，按由一端依次推进，先底板后顶帮，底板先中间后两边，顶帮由下向上顺序进行注浆，注浆终压3MPa。

5）浅层注浆完成后，按浅层注浆锚杆相似工艺施工深层注浆锚杆，深度4000mm，封孔固定，然后注浆，注浆终压8MPa。

6）深浅两层注浆锚杆注浆完成后再打孔施工底角厚壁长注浆锚杆，使用Φ42mm钻头，孔深7000mm，先按3000mm排距施工一批，一次打装完成，之后自一端依次注浆；然后回到起点，与第一批间隔1500mm再按3000mm排距施工第二批，同样一次打装完成，然后自一端依次注浆；封孔与注浆与深浅层注浆锚杆相同，注浆终压8MPa。

7）注浆锚杆注浆工艺

注浆工艺流程如下图。

注浆锚杆注浆工艺流程示意图

1-巷道壁；2-注浆管；3-泄压阀；4-逆止阀（球阀）；5-压力表；

6-高压软管；7-注浆泵；8-搅拌桶； 9-贮浆桶；10-清水桶

8）注浆工艺流程需注意的事项：

①运料及拌浆：即将专用注浆材料和水按比例（50%质量浓度）拌制成浆液，充分搅拌，并保证注浆过程中不发生堵塞现象。

②注浆泵的控制：根据注浆锚杆注浆情况，及时开、停注浆泵，并注意泵的注浆压力，以免发生堵塞及崩管现象。

③孔口管路连接：应注意注浆点巷道前后方情况，及时发现漏浆、堵管等现象，并掌握好注浆量及注浆压力，及时拆除注浆阀门。

④压力稳定在终孔压力即可停止注浆。如果注浆量大，注浆压力一直不上升时，应改用浓浆注浆；若压力仍不上升时，关闭球阀暂停注浆，改在相邻钻孔中注浆，间隔一定时间后再进行复注。

⑤注浆泵最大压力至少为10MPa，拌浆采用风动或机械方式拌浆。

4.注浆材料

1）水泥浆：正常注浆使用525^#普通硅酸盐水泥制备素水泥浆，大范围漏浆进行注浆堵漏时，压注水泥—水玻璃双液浆。

2）水灰比：水泥浆的水灰比0.6∶1～0.8∶1(根据现场注浆情况在小范围内调整)。

3）水泥—水玻璃配比：使用水泥—水玻璃双液浆时，水泥浆配比不变。水玻璃浓度38～42Be’(根据现场情况进行调整)，模数M=2.8～3.2。水泥浆和水玻璃的体积比1∶0.4～1∶0.6^[4]。

5 治理效果

采区变电所硐室加固施工完成后，采用了“十字观测法”在采区变电所硐室设置了3个观测点，分别位于硐室里部、中部及硐室口，观测周期为1周1次，共计观测了6个月，具体观测数据如下：

观测点平均变化值

6 结论

通过对采区变电所硐室断面观测，断面收缩无明显变化，说明此项技术适用于软岩巷道，应用该技术对硐室围岩加固后，围岩变形量大幅降低，无需进行翻修，能够保证硐室在服务周期内安全使用。在后续的矿井轨道大巷、皮带大巷等巷道底板治理中能够起到前瞻性指导性的效果。

参考文献：

[1]刘昂. 深部特厚泥岩底板巷道底臌机理及治理技术研究[D].中国矿业大学,2016.

[2]李万仕.高应力永久巷道综合加固技术浅析[J].陕西煤炭,2013,32(04):94-95+108.

[3]汪占领.深部动压软岩巷道底鼓控制技术研究[J].煤炭工程,2017,49(07):55-57.

[4]吴晓琛.下沟煤矿西皮带大巷综合加固技术研究[J].内蒙古煤炭经济,2021(17):61-62

作者简介:李聪（1986.09-），男，汉，山东临沂人。本科 ，研究方向：采矿工程 。职称：采矿工程师。

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