动压影响硐室底鼓控制综合加固技术

王 杰

(晋煤集团 古书院矿，山西 晋城 048000)

盘区准备巷道群是矿井的关键部位，其主要特点是巷道断面大，服务时间长。而受矿井地质条件和生产条件的限制，盘区准备巷道群布置区域往往较小，造成各巷道间距较小，施工时出现相互扰动，造成巷道群发生持续强烈的变形与破坏，影响矿井的正常生产［1］。

晋煤集团古书院矿15 号煤西二盘区变电所服务于西二盘区回采全过程，其顶板为石灰岩，致密坚硬，底板为泥岩，岩性软弱，遇水易膨胀。西二盘区变电所平行布置于西二盘区回风巷与胶带巷之间，巷间煤柱宽度为16.4m (中对中)，巷道布置密度较大，形成近距离巷道群，受扰动后巷道极易发生变形破坏。临近的152307 工作面回采造成西二盘区变电所发生不同程度变形，底鼓严重，影响正常使用。

针对上述问题，在进行巷道群围岩地质力学测试与生产条件调查的基础上，分析硐室变形破坏的机理，并提出有效的支护加固方法，将支护加固方案应用于井下，通过矿压监测来评价控制效果。

1 试验点生产地质条件

1.1 试验点巷道群布置

西二盘区变电所与西二盘区回风巷、胶带巷之间的煤柱宽度为16.4m (中对中)，平行布置在两条大巷中间，与两条大巷分别通过进风通路和回风通路相连。

巷道布置如图1 所示。

图1 西二盘区变电所巷道布置

1.2 地质力学参数测定

为更好地了解试验地点的地质力学情况，在试验点进行了3 个测点的地应力测试，3 个测点分别布置在盘区轨道巷、进风行人巷和东西翼联络巷中，3 个测点中，σH最大为9.45MPa，最小为7.11MPa，最大水平主应力方向分别为N33.1°E，N10.9°E 和N77.5°E，所测测站应力方向大致为北偏东方向。西二盘区变电所方位为北偏东，与最大水平主应力方向平行。3 个测站侧压系数σH/σV分别为1.69，1.21，1.65，侧压系数均大于1，以水平应力为主，属于构造应力场类型。

西二盘区变电所直接顶板为石灰岩，厚度平均为9.00m，深灰色，致密坚硬，抗压强度101.6MPa，抗 拉 强 度 4.0MPa，抗 剪 强 度13.2MPa，属坚硬型顶板。另外，零星分布有泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩伪顶，一般厚度0.50～2.00m。

直接底板为泥岩，平均厚度2.75m，下部为铝土泥岩，平均厚度4.25m，为软弱岩层。抗压强度28.3 MPa，抗拉强度1.4MPa，抗剪强度4.2MPa，吸水率2.3%，膨胀率0.68%，软化系数平均0.59。底板岩性软弱，底板本身并不含水，但遇水具有膨胀和软化性，对底板维护不利。

1.3 试验点硐室变形情况

西二盘区变电所沿煤层顶板并破底掘进，采用高强锚网索喷浆支护，临近的152307 工作面回采导致变电所两帮喷层脱落，底鼓量达到500mm 以上，严重影响了变电所和变电所内电器设备的使用安全，并且巷道变形有进一步加剧的迹象，如不采取加固措施，变电所将无法正常使用。

2 动压影响硐室围岩变形机理与控制分析

西二盘区变电所变形破坏是由多种因素共同作用的结果，其变形破坏原因主要是:

(1) 巷道群密集，支承压力相互叠加 西二盘区变电所与回风巷、胶带巷平行密集布置，对变电所稳定性造成不良影响，主要是硐室周边多重应力叠加，使硐室承受了复杂的支承压力，加之临近工作面的回采影响，造成支承压力相互叠加，增加了硐室的影响范围，使硐室处于易发生扰动变形的极限状态内。

(2) 顶底板岩性差异大 西二盘区变电所顶板为坚硬的石灰岩，而底板为软弱的泥岩，顶底板岩性差异大。巷道开掘后应力重新分布，根据围岩应力的“集硬效应”，围岩应力在顶板和两帮形成集中，在两帮岩柱的压膜效应和远场地应力的作用下，底板软弱岩层挤压流动到巷道内而发生底鼓，属挤压流动性底鼓。

(3) 岩性与构造应力影响 底板岩性为泥岩，具吸水膨胀软化特性，顶板淋水和施工用水通过裂隙渗入底板中，导致底板泥岩强度大幅下降。试验点为构造应力控制区域，水平应力对巷道顶底板产生破坏作用，试验点底板在较大水平应力作用下更容易发生破坏。

(4) 开挖扰动与支护因素 变电所为沿顶板并破底掘进，底板完整性在巷道掘进期间即发生人为破坏，底板岩层受开挖扰动，整体性降低，且破底在底板中形成了二次应力重分布，进一步加重了底板的不稳定性。原支护重点控制顶板和两帮，而底板未采取任何支护措施，巷道围岩应力通过顶板和两帮传递到底板，而底板作为临空面无法承担采动引起的应力集中，只能通过自由面释放压力，从而引起底鼓。对动压影响、软弱底板的底鼓治理有多种方法。应用较多的有底板泄压法、底板加固法和加固两帮及顶板控制底鼓法［2－6］等。针对西二盘区变电所的特点，其顶板及两帮岩性强度较高，完整性好，采用加固两帮及顶板控制底鼓的方法效果不好，而在底板开掘泄压岩巷的方式无法实施，而在盘区准备巷道群中进行底板爆破泄压也难以实施，因此底板加固法是最为可行的底鼓治理方法。

底板加固可以采用锚杆(索)支护、锚注支护和反底拱支护等。反底拱施工复杂、造价昂贵，不宜用于准备巷道底鼓治理，单纯的锚杆(索)支护强度较低，难以控制严重的底鼓。

锚注治理底鼓是常用的且非常有效的底鼓治理方法，该技术是将锚固与注浆加固有机结合。注浆浆液通过压入、渗透进入破碎的底板岩层中，将底板裂隙填充、固结，使破碎底板重新胶结成整体，改善围岩的物理力学性质，增加了围岩的强度，恢复了围岩的完整性，提高了围岩的自承能力;锚固提高了底板岩层的内摩擦角和黏聚力，在底板中形成骨架;锚注结合有效增加底板的稳定性，控制底鼓的发展［7］。

3 工程应用

3.1 锚注加固方案

根据西二盘区变电所的变形破坏特征，确定加固区域为变电所底板和两帮，采用深浅孔注浆配合锚索加固方案:底板采用注浆锚索;两帮先浅孔注浆，再深孔注浆，最后进行注浆锚索加固。

浅孔注浆的目的是将浅部围岩塑性区的破碎软岩充填、粘结，恢复围岩的完整性，提高围岩的强度;后期进行的深孔高压注浆将较深部围岩的裂隙充填，同时通过渗入将深浅部围岩粘结成整体，提供后期锚索支护的可锚基础，提高锚固力;此外，注浆也可以保证锚索预紧力和工作阻力能有效扩散到围岩中，提高支护的效果。

注浆锚索兼具注浆和锚索加固的优势，可以采用同一钻孔实现注浆与锚索支护，提高工作效率。

3.2 锚注加固材料选择

注浆材料一般可分为水泥基材料和高分子材料［8］，因试验点变形破坏较为严重，确定采用性价比较高的水泥基材料。水泥浆采用42.5 普通硅酸盐水泥配合XPM 纳米注浆剂制成的素水泥浆，局部裂隙开度大的区域采用水泥—水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为0.6 ∶1，XPM 纳米注浆剂添加量为水泥用量的8%～10%。

锚索采用高强度低松弛钢绞线，公称直径17.8mm，极限破断力350kN，延伸率4%;采用拱形高强度锚索托盘300mm×300mm×16mm。

3.3 底板注浆锚索加固方案

锚 索 长 度 8300mm，间 距 1800mm，排 距2000mm，采用直径56mm 钻头钻孔，孔深(8000 ±30)mm。锚索施工后先用水泥浆锚固约4.5m，7d后，底板铺设钢筋托梁，并在锚索孔内插入铝塑注浆管，采用棉纱封孔，张拉锚索至150kN 后进行高压注浆，注浆压力为2～4MPa，注浆锚索布置如图2 所示。

图2 西二盘区变电所底板注浆锚索布置

3.4 两帮加固方案

两帮加固顺序为先进行两帮浅部注浆加固，再进行深部注浆加固，最后进行注浆锚索加固。

两帮浅部注浆孔沿巷道断面帮顶成排布置，相邻两排注浆钻孔五花眼布置，排距3000mm，间距1100mm，两帮底角钻孔直径56mm，其余钻孔42mm，孔深3000mm，注浆压力1～2MPa。

两帮深部注浆沿巷道断面帮顶成排布置，与浅部注浆孔交叉，相邻两排注浆钻孔五花眼布置，排距3000mm，间距1100mm，两帮底角钻孔直径56mm，其余钻孔42mm，孔深8000mm，注浆压力4～6MPa。注浆布置如图3 所示。

图3 注浆钻孔布置

两帮注浆锚索直径17.8mm，长度5300mm，间距1000mm，排距2000mm，每排3 根锚索。采用直径56mm 钻头开孔，孔深3000mm，然后采用直径30mm 钻孔钻进2000mm。锚索施工后先用树脂锚固剂锚固，锚固长度为1406mm;而后在锚索孔内插入铝塑注浆管，采用棉纱封孔，张拉锚索至150kN 后进行高压注浆，注浆压力为2～4MPa，两帮注浆锚索布置如图4 所示。

图4 两帮注浆锚索布置

4 加固效果矿压监测

为监测验证变电所加固效果，在变电所内布置测站进行监测，主要监测巷道变形情况，巷道表面位移监测如图5 所示。

图5 变电所表面位移监测曲线

从表面位移监测曲线可以看出，变电所在加固后变形速度较快，与相邻工作面的开采影响还未结束有关，待少量变形发生后，巷道变形趋于稳定，期间底鼓量最大为15.8mm，两帮移近量最大为9.7mm。总体来说，巷道变形量很小，有效控制了硐室的变形。

5 结论

(1)采用深浅孔组合注浆配合注浆锚索加固比较适合破碎、松散岩层加固。注浆可以充填裂隙，通过渗透将深浅部围岩粘结在一起，重塑围岩完整结构，为锚索加固提供锚固基础，便于锚索预紧力与工作阻力有效扩散;注浆锚索结合了注浆与锚索支护的优点，在围岩中形成骨架，更好地控制围岩变形破坏。

(2)锚注加固技术有效控制了动压影响下松软破碎底板的底鼓和两帮变形，保证了硐室的长期稳定，为矿井安全生产创造了良好条件。

［1］康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2007.

［2］张连福，谢文兵.深井大断面软岩硐室高强稳定型支护技术研究［J］.山东科技大学学报 (自然科学版)，2010，29(5):32－38.

［3］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，2008，25 (3):281－285.

［4］彭 刚，王卫军，李树清.松散破碎硐室锚注修复加固技术应用研究［J］.湖南科技大学学报 (自然科学版)，2008，23 (1):6－9.

［5］李学华，黄志增，杨宏敏，等.高应力硐室底鼓控制的应力转移技术［J］.中国矿业大学学报，2006，35 (3).

［6］谢文兵，陆士良，殷少举.软岩硐室围岩注浆加固作用与浆液扩散规律［J］.中国矿业大学学报，1998，27 (4).

［7］康红普，林 健，杨景贺，等.松软破碎硐室群围岩应力分布及综合加固技术［J］.岩土工程学报，2011，33 (5).

［8］冯志强.极破碎煤岩体化学注浆加固材料开发及渗透扩散特性研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2007.