底板钻锚注浆技术在高应力软岩回采巷道底臌防治中的应用

杨晓成,刘志蒙

(1.中国矿业大学(北京) 资源学院，北京 101083； 2.阳泉煤业(集团)股份有限公司，山西 阳泉 045000；3.山西省煤炭规划设计院，山西 太原 030001)

巷道底臌是一个极其复杂的物理、力学过程，它与巷道围岩性质、应力状态及维护方式密切相关。底臌是软岩巷道围岩变形和破坏主要方式之一[1-2]。大量的实测资料表明，软岩巷道底臌量可占到巷道顶底板移近量的70%以上。同时，底板的稳定性显著影响着两帮及顶板的变形和破坏。

近年来，随着矿井开采深度的不断增加，巷道围岩应力不断增大，软岩回采巷道的底臌问题日益突出。现场实测结果显示，在高应力作用下，软岩回采巷道底臌量可达1000mm以上[3]，巷道断面收缩率达80%以上，严重影响了工作面的正常安全生产。

长期以来，国内外采矿工作者对巷道底臌的机理与防治技术进行了大量的研究工作[4-5]，提出了多种底臌防治方法，包括底板锚杆[6]、底板注浆[7]、封闭式支架等支护加固法[8]，切缝、打钻孔、爆破、开掘卸压巷等卸压法[9]，以及各种联合支护法。但是，由于高应力软岩回采巷道围岩性质和应力状态的复杂性，很多矿区对巷道底臌原因认识不清，采取的底臌防治措施不当，巷道底臌得不到有效控制，不仅增加了巷道维护费用，而且严重影响了矿井的正常安全生产。因此，深入研究高应力软岩回采巷道底臌防治技术具有重要的理论价值和现实意义。

本文以某矿高应力软岩回采巷道为例，在综合分析巷道底臌形式和原因的基础上，研究了底板钻锚注浆加固技术，并在现场成功试验，为类似条件下巷道底臌防治提供重要的技术借鉴。

1 试验巷道采矿地质条件

1.1 概况

8902工作面开采15#煤层，两侧均已采完，属孤岛工作面。试验巷道8902回风巷沿15#煤层底板掘进，巷道北部为8902工作面实体煤，南部为8903采空区残留煤柱，煤柱宽12m，西部为九采区回风巷。8902回风巷埋深500m，其上方有3#、8#、12#煤的采空区，其中12#煤采空区残留煤柱与巷道间距仅43m。

采用水压致裂法进行地应力测量得：巷道围岩应力大，其自重应力为14.8MPa，最大水平应力为29.6MPa，与巷道轴向垂直，最小水平应力为10.5MPa，与巷道轴向平行。

1.2 煤层与顶底板情况

15#煤层倾角为1°～8°，平均厚度为7.38m，节理比较发育，属复杂结构煤层，含两层夹矸：上层夹矸为八寸石，厚0.21m，下层夹矸为驴石，厚0～0.62m，煤层单向抗压强度为17.5MPa，煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况表

综上所述可知，8902回风巷围岩单向抗压强度低，均小于30MPa，岩石坚固性系数<3，根据普氏岩石分级法，巷道围岩为软岩。

1.3 巷道原支护方式

8902回风巷断面为矩形，宽4.0m，高3.2m，巷道原支护方式如图1所示，采用双锚索+网+钢带支护。

顶帮均挂单层10#铅丝经纬网，顶板支护采用双锚索，即进度锚索和补强锚索，两种锚索均采用Φ17.8mm×7300mm钢绞线，树脂加长锚固。进度锚索间排距为900mm×600mm，靠巷帮的锚索与顶板成15°角，外露端距巷帮0.2m；补强锚索是在顶板中部布置两趟，每隔两排进度锚索打一排补强锚索，间排距为900mm×1200mm。进度锚索与规格为3800mm×220mm×4mm的5眼波纹钢带配合，使用波纹钢托板；补强锚索与长1m的29U型钢配合，使用钢托板。

两帮采用4根Φ20mm×3000mm的普通螺纹钢锚杆配0.5m长14#槽钢托帽维护，间排距为750×600mm，树脂端部锚固，其中上部锚杆距顶板350mm，上仰30°，下部锚杆距底板400mm，下扎30°；另外，在巷道煤柱侧帮中部布置一排帮锚索，锚索采用Φ15.24mm×5300mm钢绞线，排距为1200mm，树脂加长锚固，锚索托梁采用长1m的14#槽钢。

由图1可知，在巷道原支护方式中，巷道底板处于敞开不支护状态，导致巷道底板变形得不到控制，巷道底臌严重。

2 巷道底臌的形式和原因

2.1 巷道底臌的形式

由于采掘引起的作用在8902回风巷顶板和两帮的高应力向巷道底板传递，底板软弱岩体在传递来的高应力作用下发生弯曲、皱折和离层等流变，并沿着滑移面被挤入巷道内，随着底板岩体被挤入巷道内的位移量增大，巷道底臌越来越严重。这种底臌形式为挤压流动性底臌，如图2所示。

图2 巷道底臌形式示意图

2.2 巷道底臌的原因

根据研究，预计可能造成该巷道出现如图2所示底臌形式的原因主要有以下方面。

2.2.1 围岩应力大

围岩应力大是促使巷道强烈底臌的重要原因，围岩应力越大，底臌越严重。造成围岩应力大的原因主要在于以下几方面。

1) 由于8902回风巷埋深大，造成巷道原岩应力大，地应力测试结果显示：8902回风巷自重应力为14.8MPa，最大水平应力为29.6MPa。

2) 由于8902回风巷与8903工作面采空区间所留设的护巷煤柱宽度为12m左右，造成8902回风巷正好布置在护巷煤柱所形成的侧向支承压力峰值区中，巷道围岩所受支承压力大。

3) 由于8902回风巷上方有3#、8#、12#煤的采空区残留煤柱，其中12#煤采空区残留煤柱与8902回风巷间距仅43m，造成8902回风巷位于上方煤柱支承压力向下传递影响范围之内，巷道围岩所受集中应力大。

4) 当8902工作面回采时，受采动影响，现场实测巷道垂直应力可达30～40MPa左右，远高于巷道围岩强度。

2.2.2 底板岩层强度低

底板岩层强度低对巷道底臌起着决定性作用。由于8902回风巷直接底为砂质泥岩，其单向抗压强度低，仅为24.6MPa，普氏岩石坚固性系数<3，为软弱岩层，在顶板与两帮传递的高应力作用下，易发生破碎、弯曲，向上拱起凸出，造成巷道底臌。

2.2.3 支护强度低

支护强度低造成巷道底臌严重。在8902回风巷原支护方式中，巷道支护强度低，巷道底板处于敞开不支护状态，底板软弱岩层的变形得不到控制，造成巷道底臌严重，底臌量大于顶板下沉量。

3 底板钻锚注加固技术

通过上述分析可知，8902回风巷底臌是在高应力作用下，底板软弱岩层的变形得不到控制而造成的。因此，采用底板钻锚注加固技术，及时支护和封闭巷道底板，提高巷道支护强度，控制底板软弱岩层的变形，是防治巷道底臌的根本措施。

3.1 底板钻锚注加固技术机理

底板钻锚注加固技术是底板锚杆加固技术和底板注浆加固技术的有机结合，其实质是利用空心锚杆兼作钻杆和注浆管，进行底板岩层注浆加固。

底板钻锚注加固技术机理如图3所示，利用浆液来充填和固结底板岩层破碎面，改善底板岩层的结构，使底板破碎岩层胶结成连续体加固圈，提高底板岩体的内聚力和摩擦力，从而提高底板岩层强度，并为锚杆提供可靠的着力基础，使锚杆与底板岩层成为整体，形成多层有效组合拱，即锚杆压缩区组合拱、浆液扩散加固拱，提高支护结构的整体性和承载能力，可有效防治巷道底臌。

图3 底板钻锚注加固技术机理图

3.2 底板钻锚注加固技术工艺

底板钻锚注加固技术将钻孔、注浆和锚固功能集于一体，其工艺为：第一步，锚杆用作钻杆，锚杆杆体头部配一钻头，尾部用连接器与钻机连接，进行钻孔作业；第二步，钻杆用作注浆管，用注浆连接套代替钻机连接套，进行注浆作业，将水泥浆注入钻孔中，实施全长锚固。

4 工程实践

4.1 底板钻锚注加固方案

根据8902回风巷采矿地质条件，设计巷道底板钻锚注加固方案如图4所示。巷道底板每排布置5根中空特种钢钻锚注锚杆，杆体外径25mm，内径13mm，长2500mm，极限拉断力150kN，延伸率10%～15%，螺纹规格M25，锚杆间排距为800mm×800mm，靠近巷帮的底板锚杆安设角度为与垂线成20°。采用拱形高强度托板，规格为200mm×200mm×8mm。锚固方式为水泥注浆，水灰比是1∶2.5，并加入水泥添加剂1.5%(与水泥比)。

图4 8902回风巷底板钻锚注加固方案

4.2 矿压监测结果及分析

在8902回风巷内分别距离工作面100m和200m处设立了2个表面位移测站，前一测站位于底板未加固段，后一测站位于底板加固段。

工作面回采期间，对巷道底板变形进行连续观测，得到：底板未加固段巷道底板变形曲线如图5所示，巷道底臌量为1376mm；底板加固段巷道底板变形曲线如图6所示，巷道底臌量为392mm。

图5 8902回风巷未加固段底板变形曲线

图6 8902回风巷锚注加固段底板变形曲线

分析观测结果可知，底板未加固段底臌量是加固段的3.5倍，钻锚注加固显著减小了巷道底臌量，有效控制了巷道底板变形。

5 结论

1) 由于围岩应力大、底板岩层强度低、支护强度低，造成8902回风巷发生挤压流动性底臌。

2) 采用底板钻锚注加固技术，可及时支护和封闭巷道底板，提高巷道支护强度，控制底板软弱岩层的变形，是防治巷道底臌的根本措施。

3) 工业性试验结果表明：钻锚注加固显著减小了巷道底臌量，有效控制了巷道底板变形，保证了巷道的安全使用。

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