千米深井大断面软岩巷道锚喷—注浆加固技术＊

谢国强 杨军辉 谢生荣 张广超 肖殿才 张兴娜

（1.冀中能源股份有限公司邢东矿，河北省邢台市，054000；2.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

千米深井大断面软岩巷道锚喷—注浆加固技术＊

谢国强1杨军辉1谢生荣2张广超2肖殿才2张兴娜2

（1.冀中能源股份有限公司邢东矿，河北省邢台市，054000；2.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

针对千米深井大断面软岩巷道围岩持续变形的控制难题，在总结附近区域巷道支护经验和分析软岩巷道持续变形失稳原因的基础上，提出采用多层次锚喷及注浆加固技术，即三层喷浆、两层锚杆和一次壁后注浆的综合治理方案。现场实践表明：该方案可有效增强支护结构的整体性和承载能力，解决高应力软岩巷道围岩控制难题。

千米深井 大断面软岩巷道 壁后注浆 锚喷-注浆加固

冀中能源邢东矿-980水平大巷埋深达千米以上，自掘进施工完成后发生持续变形，支护系统损毁，多次扩刷整修，仍未能有效控制巷道大范围变形。邢东矿在总结该区域的巷道支护经验的基础上，提出了采用多层次锚喷及注浆加固技术，即三层喷浆、两层锚杆和一次壁后注浆的综合治理方案，能有效增强支护结构的整体性和承载能力，并在-980水平上部车场进行试验，以期实现深部软岩的有效控制。

1 工程概况

冀中能源邢东矿井田面积14.5113 km2，地层平缓，倾角一般在10～15°之间。采深由600 m到接近1300 m，矿井分为两个开采水平，分别为-760水平和-980水平，是华北地区煤层赋存最深的矿井之一。-980水平上部车场于2006年掘成，埋深达1040 m，巷道所处的煤系地层，多为灰白色、灰色和深灰色，薄层状细粒砂状结构，夹粉砂岩薄层，裂隙发育，含植物化石碎片。煤层直接顶为粉砂岩，上部灰色、深灰色，下部灰白色含植物化石碎片；底板粉砂岩，碳质页岩，富含根化石裂隙发育，遇水变软。

2 高应力大断面软岩巷道破坏原因分析

2.1 巷道原有支护形式及破坏特征

-980水平上部车场为半圆拱形断面，巷道净断面4.5 m×3.5 m （宽×高），原有支护为锚网喷支护，顶板、两帮均采用ø22 mm×2400 mm螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm，金属网规格73 mm×73 mm，喷射C20混凝土，喷厚均为50 mm。

巷道使用过程中表面变形明显，发生严重底臌，混凝土喷层多处开裂，顶板出现多处网兜，锚杆索拉断、槽钢扭曲、金属网撕裂等现象严重。为此进行加强支护，顶帮锚杆改为ø22 mm×3000 mm螺纹钢锚杆，两帮采用ø21.8 mm×6500 mm钢绞线锚索，此种高强支护下巷道变形仍难以控制，多次进行扩修加固，支护效果仍不理想，巷道底臌问题突出，已严重影响运输和矿井正常生产，必须采取措施修复加固。

2.2 巷道围岩变形破坏原因分析

巷道变形破坏是地应力、构造应力、围岩特性、支护形式及参数等多种因素共同作用的结果。综合-980水平上部车场地质生产条件及附近区域巷道破坏特征进行分析，认为造成巷道围岩持续变形的主要因素如下：

（1）高地应力是巷道变形失稳的主要原因。-980水平上部车场埋深达1040 m，地应力高达25 MPa，巷道围岩处于高应力状态，呈现软岩特征，仅靠单纯增加支护强度而不改善围岩状态，很难达到理想的支护效果。

（2）断面大。巷道断面的增大使巷道围岩塑性区范围增加，顶板岩层中的拉应力和剪应力呈平方和立方数级急剧增长，大大降低了顶板稳定性，增加了支护难度。

（3）构造应力复杂。-980水平上部车场为穿层巷道，依次穿过野青灰岩，2＃煤层下部及2＃煤层等多个地质层位中小断层发育，围岩松散破碎，且围岩成分具有膨胀性，构造应力极其复杂。

（4）巷道底板未进行有效支护，成为围岩压力释放的突破口，引起大面积的底臌，破坏了巷道底板稳定性，进而引起巷道两帮及顶板的大变形，导致支护体系承载结构破坏。

（5）支护形式及参数不合理。-980水平上部车场围岩软弱破碎，加之多次修复扰动影响，围岩松动圈增大，锚杆锚固区处于松动圈范围内，锚固力大幅衰减甚至丧失，支护结构与围岩不能形成一个有效整体。

3 锚喷-注浆加固技术机理及加固方案

3.1 锚喷-注浆加固技术机理

巷道锚喷-注浆加固技术是一种联合的主动支护方式，其基本原理是通过锚杆与注浆相结合的方式，实现锚、注一体化，其维护巷道的重点体现在注浆对岩石的影响、注浆对岩体的影响以及浆液与锚杆的相互作用等3个方面。

（1）注浆改变了岩体内部各种物相的比例，使破碎岩块胶结成整体，一方面起到封堵围岩裂隙、隔绝空气的作用，减轻了岩块的风化，防止了岩块被水浸湿而降低围岩本身的强度，提高了围岩的承载能力；另一方面增加了岩块间的粘结力及内摩擦角，改善了岩体弱面的力学性能，使岩体内部各结构面的相对位移阻力增大，提高了破碎围岩的整体稳定性和抵抗外力的能力。

（2）注浆使松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体本身的强度，改善了围岩的状态，弱化了围岩的脆性，能形成适合大变形的承载结构，在一定变形范围内保持注浆加固后围岩强度的稳定，使围岩本身作为支护结构的一部分，充分调动了其自承能力；喷浆与原岩形成一个整体，在动压作用下其振动频率与原岩一致，不易被破坏，且喷层本身形成一定的薄拱状态，在此情况下实现壁后密实充填，保证荷载均匀地作用在喷层和支护物上，避免了应力集中而造成局部破坏继而引起大面积破坏。

（3）围岩的整体胶结状态改善了锚杆锚固区的稳定性，注浆增强了锚杆全长锚固效果，扩大了锚杆的作用范围，将其自身形成的压缩区组合拱、浆液扩散加固拱以及喷层薄拱联成一个整体，共同承载，扩大了支护结构的有效承载范围，减小了拱顶传递到底板的力在底板的载荷集度，降低了底板岩层的应力和塑性变形，从而减轻了底臌，保持了底板的稳定，进而有助于维护两帮及拱顶的稳定性，提高了支护结构的整体性和承载能力。

3.2 锚喷-注浆加固方案

结合邢东矿-980水平上部车场的地质生产条件，以锚注理论为基础，提出采用 “三层喷浆，两层锚杆，一次壁后注浆”的支护方案，以改善围岩条件，提高支护体力学特性与围岩力学特性的耦合程度，达到改善巷道支护状况，保证安全生产的目的。

打锚杆分为两个层次，即初喷后的第一层次锚杆和复喷后的第二层次锚杆，两个层次采用的锚杆规格均为ø22 mm×2400 mm高强锚杆，半圆拱区域间排距为700 mm×700 mm，锚杆外露长度在10～50 mm范围，顶锚杆使用S2360和Z2360树脂锚固剂各一卷锚固，帮锚杆使用2卷Z2850树脂锚固剂锚固，锚固力不小于80 k N，锚杆扭矩不少于300 N·m；底角锚杆和底板锚杆的锚头均低于底板100 mm。如图1所示。

图1 -980水平上部车场支护方案图

在第二层锚杆外再次喷浆成为第三次喷浆，喷浆厚度为60 mm，初喷和复喷厚度分别为80 mm和60 mm；在第三喷层布置注浆管进行壁厚注浆，根据围岩性质，注浆管采用长度为600 mm的2寸黑皮钢管，其间排距为1500 mm×1500 mm，外露长度50 mm，注浆时采取必要措施防止漏浆。遇松动圈较大的地段，可视其具体情况适当加长注浆孔的内部裸孔长度。底角及底板注浆管端部均低于底板100 mm。

4 现场工程实践

4.1 施工工艺

（1）注浆水泥用425＃，水灰比为0.7～1∶1，注浆压力为1.5～2.5 MPa，底角注浆压力不大于3 MPa，每孔用水泥约3～5袋 （变形量过大地段注浆量要求适当加大，一般在8～16袋）；喷浆用425＃水泥，水泥、黄砂、石子比为1∶2∶2；速凝剂的掺入量为水泥用量的5%。现场施工工艺流程为：扩大断面→初喷混凝土 （80 mm）→打第一层次锚杆→挂网→复喷混凝土 （60 mm）→打第二层次锚杆→挂网→再次复喷混凝土 （60 mm）→打注浆锚杆，进行壁后注浆。

（2）喷层要求刷够一排锚杆间距先进行初喷浆，初喷喷层厚度为80 mm，及时封固巷道围岩并作为临时支护，既保证及时封闭围岩，又保证打锚杆、挂绳等后续工作的安全施工。在打好锚杆和挂好绳后进行复喷，厚度为60 mm；再次复喷是在二挂网和二层次锚杆的基础上的喷浆，保证不漏浆。

（3）钢丝绳吊挂纵向长度不得少于8 m，横向应以巷道轮廓长度为准；钢丝绳搭接长度大于400 mm，并且要求插交搭接。两个层次的钢丝绳间距分别为350 mm×350 mm。

4.2 工程效果

在巷道表面布置测站，对巷道表面位移进行长期监测，巷道围岩变形在65 d基本趋于平稳，顶板下沉量达80 mm，两帮变形量达170 mm，底板底臌量达95 mm。在后续两年的持续观测中，巷道围岩最大变形量均小于240 mm。观测结果分析表明，采用锚喷—注浆加固技术后，巷道围岩强度得到改善，巷道支护体系稳定性和完整性得到提高。

5 结论

（1）大埋深巷道围岩的高应力状态使其呈现软岩特性，对于软岩巷道而言，围岩条件差，支护体力学性能与围岩力学性能不匹配是巷道变形失稳的主要原因，软岩巷道变形控制的关键在于改善围岩体力学性能。

（2）锚喷-注浆加固技术利用注浆锚杆将锚注浆液压入浅部围岩，把破碎围岩胶结成整体，既能提高围岩强度，增强围岩 承载能力，又能改善锚杆支护条件，增强锚杆对软弱围岩的锚固作用，增强承载结构的整体性和承载能力。

（3）-980水平上部车场采用三层喷浆、两层锚杆和一次壁后注浆的综合支护方案，有效解决高应力软岩巷道围岩持续变形的控制难题，为深部软岩巷道支护提供了技术依据。

［1］王其胜，李夕兵，李地元.深井软岩巷道围岩变形特征及支护参数的确定 ［J］.煤炭学报，2008（4）

［2］李学华，杨宏敏，刘汉喜等.动压软岩巷道锚注加固机理与应用研究 ［J］.采矿与安全工程学报，2006（2）

［3］彭苏萍，王希良，肖建华等.软岩巷道围岩损伤破坏范围的地震探测研究 ［J］.中国矿业大学学报，2001 （1）

［4］陈启永.高应力大变形巷道锚注支护技术实践［J］.煤炭科学技术，2005（10）

［5］魏树群，张吉雄，张文海等.高应力硐室群锚注联合支护技术 ［J］.采矿与安全工程学报，2008（3）

［6］马红伟，米战，李怀军.平煤十矿深井软岩巷道锚注联合支护技术 ［J］.煤炭科学技术，2004（5）

［7］谢广祥，常聚财.超挖锚注回填控制深部巷道底臌研究 ［J］.煤炭学报，2010（8）

［8］李慎举，王连国，陆银龙等.破碎围岩锚注加固浆液扩散规律研究 ［J］.中国矿业大学学报，2011（6）

［9］刘长武，陆士良.锚注加固对岩体完整性与准岩体强度的影响 ［J］.中国矿业大学学报，1999（3）

［10］万援朝.深水平高应力区巷道锚注支护技术实践［J］.煤炭科学技术，2005（10）

［11］韩立军，陈学伟，李峰.软岩动压巷道锚注支护试验研究 ［J］.煤炭学报，1998（3）

［12］徐磊，桑普天，王凌燕.深部软岩巷道喷、棚、锚、注联合支护技术研究 ［J］.中国煤炭，2011（11）

Bolting-shotcreting ＆grouting reinforcement technology in soft rock roadway with large section in kilometer deep mine

Xie Guoqiang1，Yang Junhui1，Xie Shengrong2，Zhang Guangchao2，Xiao Diancai2，Zhang Xingna2
（1.Xingdong Coal Mine，Jizhong Energy Resources Co.，Ltd.，Xingtai，Hebei 054000，China；2.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining ＆ Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the control problem of surrounding rock continuous deformation in soft rock roadway with large section in kilometer deep mine，based on the roadway support experience in nearby area and the analysis of causes of surrounding rock continuous deformation ＆destabilization，the paper puts forward the multi-layer bolting-shotcreting ＆grouting reinforcement technology，which is an integrated scheme including three layers shotcreting，two layers bolting and one-time backwall grouting.The field application shows that the scheme can effectively strengthen the integrity and bearing capacity of the support structure to solve the surrounding rock control problem in high-stress soft roadway.

kilometer deep mine，soft rock roadway with large section，backwall grouting，bolting-shotcreting ＆grouting reinforcement

TD353

A

国家重点基础研究发展计划（2010CB226800）资助；中央高校基本科研业务费专项资金资助 （2010QZ06）

谢国强 （1977-），男，河北隆尧人，高级工程师，现任冀中能源股份有限公司邢东矿总工程师。

（责任编辑 张毅玲）