深井软岩马头门加固技术方案的研究与实践

刘 龙

(中煤集团大屯煤电公司安全监察部，江苏 徐州 221600)

图1 马头门平面示意图及剖面示意图

孔庄煤矿位于江苏省沛县与微山县交界处，随着浅部易开采资源日益减少，需进行深部采区开采，近期建设了混合新井，混合井筒地面标高36.5 m，井底车场埋深达-1051.5 m，马头门施工二年多后，顶帮变形量大，底鼓较为严重，喷浆体多处开裂，严重危及矿井正常生产和职工生命。

1 井底车场马头门支护加固特点

千米深部只利用锚网索支护难于满足阻止围岩的变形[1-3]。由于埋藏较深，原始应力高，施工区域地质条件复杂，应力环境难以判断，且井底车场和马头门的断面大，影响多，应力集中，不允许变形量大，预留变形量少。马头门平面示意图及剖面示意图如图1所示。在支护加固中应注意以下特点[4]:

1) 支护材料要具备高强度、高刚度的力学特性；

2) 采用被动抗压与主动加固相结合的技术措施；

3) 应选择适当时机对围岩进行注浆改性，提高围岩的自承能力。

2 加固支护方案

2.1 软岩加固支护特点分析

1) 软岩具有非线性大变形和长期流变性，应分阶段采用适当的加固措施[5]；

2) 软岩具有难锚固性，需改善软岩物理力学特性，以提高自承能力和锚固便于生根；

3) 软岩开挖初期变形大、速度快，应在保证安全的前提下实现弹性能、变形能的适度释放[6]；

4) 必要时可采用架棚临时支护，并及时封闭围岩。

2.2 马头门加固支护原则及方案

1) 加固支护原则。

深部软岩具有长期流变特性，在加固支护方面着重注意围岩性质改善和变形在控条件下的应力释放。本加固方案采用锚杆(索)支护+注浆加固技术，锚杆(索)支护起到控制巷道产生有害变形，注浆改善围岩应力状态及力学特性。

2) 底板加固方案

首先进行卧底工作，整个马头门区域底板刷卧成反弧形，其半径为8300 mm，在进行刷卧井筒马头门区域时，必须对马头门帮部基础进行处理，对墙角开挖后及时浇筑钢筋混凝土。然后进行底板注浆加固，注浆孔深为2400 mm，注浆孔间排距1300×800 mm，注浆压力不大于1.5 MPa，注浆锚杆采用外径22 mm的冷拔无缝钢管。注浆完毕后采用11#工字钢按1.3 m等径间距开五个孔，孔直径32 mm，底板锚杆采用φ20×2200 mm等强锚杆，间排距1300×1600 mm，每断面布置5套锚杆，底板锚索采用φ21.8×6200 mm，间排距1300×1600 mm，每断面布置5套锚索，锚杆、索施工完毕后进行混凝土浇筑，硂等级C20，硂厚度200 mm。

3) 顶帮加固方案

首先剥落已失效的混凝土，对裂缝进行重新喷浆，然后对马头门区域A、B段进行注浆加固。在马头门附近的机电、操作硐室及人行通道内分别布置两排水平注浆孔，距底板分别为0.5 m、2.0 m，采用采用外径22 mm的冷拔无缝钢管作为注浆锚杆，共四节，每节长度为2 m，在尾部加工丝扣进行连接，采用高压注浆，终孔压力为3.5 MPa，封孔长度不少于600 mm。对马头门区域A、B段顶部进行注浆时分别在管子道和安全通道内进行，采用外径22 mm长度为1.8 m的冷拔无缝钢管作为锚杆，其中在安全通道内布置4排注浆锚杆，每排三根，间排距1.0×1.5 m，管子道内布置5排注浆锚杆，每排三根，间排距1.0×1.5 m。

顶板锚索采用φ21.8×6300 mm高强度低松弛应力锚索，采用20#槽钢作锚索梁，走向布置，排距1.2 m，进行顶板锚固，锚索预应力不小于15 t～20 t。

帮部加固采用φ15.24×7500 mm高强度低松弛应力锚索，采用20#槽钢作锚索梁，布置竖向锚索桁架，排距0.8 m，进行帮部加固，锚索预应力不小于12 t。

图2 马头门顶帮支护方案

4) 管子道、安全通道下方井壁加固

管子道及安全通道下方井壁需重新刷帮处理，刷帮完成后重新挂网并加锚杆、锚索、钢带梁进行支护，支护完成后及时喷浆。

3 深部加固效果检验及机理分析

3.1 效果检测

目前混合井马头门加固已完工月10个多月，通过-1050水平矿压观测站对马头门区域锚杆、锚索锚固状态及巷道变形量进行监测，共监测测力锚杆、巷道变形观测及顶板离层监测十余处，其半年内变化量如表1所示。变形曲线如图3所示，支护体受力曲线如图4所示，混凝土应变曲线如图5所示。

由监测数据及变形、受力曲线可知，巷道在施工3个月后支护体受力最大值162 kN、且保持稳定，2个月后顶帮及底板变形量基本保持稳定、且不超过25 mm，喷射混凝土应变量不超过110；各种数据及曲线变化趋势表明，马头门采取加固措施后变形、受力均在3个月内趋于稳定，且变形和受力的绝对值均为超过马头门断面尺寸的10%；说明所采用的加固支护措施合理、可行、效果显著。

表1 各种监测值的最大变化量

图3 马头门变形曲线

图4 支护体受力曲线

图5 混凝土应变曲线

3.2 机理分析

其主要原理第一是通过刷帮扩大断面二次支护的“先让后抗”机理，很好适应变形持续时间长的特点。及时喷射混凝土层能有效地防止围岩的风化，有利于巷道的稳定。

其次是采用锚网加锚杆、锚索、钢带梁锚注后，再对裂隙发育的顶部帮注浆，使巷道松散岩体形成一个再生自然拱，提高围岩的整体性和稳定的结构性，封堵裂隙，阻止水的渗透，有效地防止软岩遇水膨胀及软化，使围岩位移量减小，巷道变形得到了明显控制。

4 结论

本论文基于对深部软岩马头门变形特点、软岩支护技术特征及原则，提出了高强度、高刚度联合支护加固原则，结合现场工程实际，采用了锚杆(索)+锚注联合支护技术方案，经现场实践，得出如下结论：

1) 孔庄矿混合井井底马头门附近进行加固后，底鼓冒顶现象得到了很好的控制，提高了围岩的稳定性；

2) 采用锚注加固及围岩改性措施后，封堵了裂隙，阻止了水的渗透，有效地阻止了软岩遇水膨胀及软化，减少了围岩位移量，巷道变形明显减小；

3) 通过近10个月的实践效果检验，表明分布实施的新奥法联合支护技术措施能有效地释放了初压，适应了软岩巷道变形特点。

4) 本次加固过程安全可靠，保证了矿井安全，为整个矿区类似深井软岩巷道治理提供了宝贵的经验。

[1] 彭苏萍, 凌标灿, 郑高升,等.采场弯曲下沉带内部巷道变形与岩层移动规律研究[J]. 煤炭学报,2002,27(1):21-25.

[2] 潘一山, 吕祥锋, 李忠华. 吸能耦合支护模型在冲击地压巷道中应用研究[J]. 采矿与安全工程学报,2011,28(1):6-10.

[3] 付国彬,姜志方. 深部巷道矿山压力控制[M]. 北京:中国矿业出版社,1996.

[4] 钱鸣高,刘听成. 矿山压力及其控制[M]. 北京:煤炭工业出版社,1996.

[5] 何满潮,吕晓俭,景海河. 深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念[J]. 岩石力学与工程学报, 2002,24(8): 1215-1224.

[6] 何满潮, 孙晓明. 中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南[M]. 北京: 科学出版社, 2004.