大跨度变形巷道复合注浆与锚固联合修复技术

常海雷，郭相平

(1.山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

随着煤炭开采深度的增加，顶板受力条件变得越来越复杂，巷道围岩压力不断增大，巷道维护更加困难。特别是当巷道跨度较大时，极易出现围岩失稳变形，导致巷道控制困难。大跨度易变形巷道的支护是目前亟待解决的一个重要问题。

近年来，我国煤矿锚杆支护技术日趋成熟，但在大跨度、大断面和“三软”煤巷等复杂困难条件下的巷道支护与加固问题仍不能很好解决。为了实现对此类巷道的有效控制，大量科研院所的专家学者和煤矿企业的工程技术人员进行了很多理论的探索和实践，也解决了此类巷道的一些实际问题，取得了很多成功有效的案例[1-4]。本文针对天地王坡煤矿大跨度集中轨道巷的大变形巷道控制难题，提出并采用了复合注浆与锚固联合修复技术，通过联合注浆加固，充填裂隙岩体，并进一步采用注浆锚索实现全长锚固补强巷道的支护体系，实现了巷道的有效加固和控制。

1 试验巷道概况

王坡煤矿位于山西省晋城市，主采3号煤层，地层位于二叠系下统山西组下部，平均采深为450m。3号煤层平均厚度为5.97m，煤体黑色，具金属-玻璃光泽，坚硬，性脆，内生节理裂隙发育，局部煤质松软破碎，局部含有2层夹矸[5]。该煤层的物理力学性质比较特殊，虽然单轴抗压强度较大，但煤体内部弱面极其发育，煤体性脆，导致整体稳定性差。当下位煤体开掘后，上位煤体失去支撑，其自身无法保持平衡，容易导致煤体垮落。王坡煤矿二采区煤层及其顶底板地质和力学条件见表1所示。

表1 王坡煤矿二采区3号煤及其顶底板岩性

二采区集中轨道巷、集中回风巷和集中胶带巷为二采区的主要准备巷道，二采区变电所、水泵房等永久硐室，分别布置在上述主要准备巷道之间，造成局部巷道布置密度高、距离近，形成了近距离高密度巷道群，如图1所示。

图1 集中轨道巷附近巷道硐室布置

二采区集中轨道巷断面尺寸为宽×高=4500mm×3100mm，宽度达到4500mm，形成大跨度巷道。集中轨道巷与集中胶带巷间煤柱为50m(中-中)，集中轨道巷与变电所间煤柱为20m(中-中)，变电所与集中回风巷间煤柱为20m(中-中)，各主要巷道与硐室间煤柱尺寸较小。二采区集中轨道巷沿煤层底板掘进，其顶板为2.9m的煤层、炭质泥岩、砂质泥岩和中砂岩等。原巷道支护设计采用锚杆索、喷浆联合支护技术，顶板采用φ20mm，长度为2.4m螺纹钢锚杆，每排4根，间排距为1000mm×900mm，锚索规格为SKP15.24-1/1860-7300，居中布置，每排2根，间排距为2000mm×1800mm；两帮采用φ20mm，长度为2.0m螺纹钢锚杆，每排3根，间排距1200mm×900mm；巷道表面喷浆处理。但在采区准备初期，集中轨道巷就出现两帮内挤、底板鼓出，帮顶喷层开裂的大变形现象，导致巷道无法正常使用，必须进行修复处理。

2 巷道破坏程度及机理分析

2.1 巷道破坏程度调查

煤矿巷道围岩钻孔窥视技术作为一种对围岩内部变形和裂隙发育特征的直观观测仪器，可以清楚地观测并记录各类巷道在掘进和维护期间的巷道内部变形和裂隙的扩展情况，对于分析巷道围岩内部的破坏规律和预测围岩变形都有较好的参考价值[6]。为准确了解巷道围岩的破坏情况，对二采区集中轨道巷进行围岩结构钻孔窥视，对围岩中的破碎及裂隙发育地段进行拍照，如图2、图3所示。

图2 巷道顶板内部围岩结构

图3 巷道两帮内部围岩结构

从窥视结果中可以看出，集中轨道巷顶板从开口处往顶板深部围岩破碎程度逐渐降低，裂隙开始表现为多而无序，说明围岩破碎严重，随着深度增加，裂隙多表现为水平横向裂隙，裂隙多沿岩层的层理面扩展，破碎范围达到2400mm。随着钻孔深度继续增加，在钻孔深度4000mm以上，横向裂隙逐渐减少，钻孔完整性保持较好，只有少量的竖向小裂隙出现，说明巷道顶板4m深部处围岩基本完好。巷道两帮破坏程度较大，从孔口至钻孔内2800mm围岩呈现松软破碎的状态，说明煤帮0～2800mm范围内已被压酥，围岩自承能力下降。

2.2 巷道破坏机理分析

结合二采区的地质条件和开采技术现状，分析集中轨道巷变形破坏的影响因素：

(1)近距离巷道群相互采动影响 由于采区集中轨道巷周围巷道和硐室分布密集，巷道群间煤柱尺寸小，由巷道掘进导致的动压对巷道群造成相互影响，巷道变形增大。

(2)采动影响 集中轨道巷处于集中大密度巷道群之中，对于采动的影响比较敏感，特别是在临近的3212综采面开采过程中，剧烈的采动影响导致集中轨道巷变形更加严重。

(3)地应力影响 本巷道埋深为450m，埋深较大。根据实测，该区最大主应力为13.86MPa，方向为N67.5E；最小主应力为7.74MPa，方向为N22.5W；中间主应力为垂直应力，大小为11.95MPa。

(4)原有支护不合理 原支护强度和刚度低，支护参数选择不合理，原支护中锚索长度为7.0m，而巷道顶板上部煤层和直接顶厚度大于7.0m，因此锚索并没有锚固到稳定的岩层中，锚固点不可靠，易于发生下沉变形。

3 大跨度变形巷道围岩加固方案与应用

集中轨道巷顶板和两帮破坏深度大，破坏呈现松散破碎状的大尺寸裂隙发育，且巷道服务年限长，后期会受到动压的影响，因此必须恢复围岩的完整性，并通过高预应力锚杆锚索实现主动支护，达到围岩自承的目的。由此确定采用水泥注浆填充围岩裂隙、孔洞，增加围岩强度，并结合化学浆粘结性好、渗透范围大的优点，进行化学浆补充注浆，达到粘结围岩颗粒，充填更小裂隙的目的，最后通过高预应力强力锚索实现主动支护，达到围岩自承的目的[7-8]。

3.1 集中轨道巷帮顶围岩水泥注浆加固

集中轨道巷帮顶围岩水泥注浆钻孔，沿巷道断面成排、五花布置，排距1800mm，布置在两排锚杆之间，间距1200～1600mm，集中轨道巷帮顶注浆孔布置如图4所示。

图4 集中轨道巷帮顶水泥注浆钻孔布置

两帮钻孔直径44mm；两帮底脚钻孔直径56mm；顶板钻孔直径42mm。两帮靠近顶底板的注浆孔上仰或下扎15°，其余钻孔垂直于两帮；顶板靠近两帮的注浆孔，外扎15°和45°，其余钻孔垂直于顶板。集中轨道巷两帮水泥注浆钻孔深度6000mm；顶板水泥注浆钻孔深度4000mm。埋孔口注浆管，孔内下射浆管，全长一次注浆。注浆压力为孔口注浆压力3～5MPa，可根据现场情况进行调整。

3.2 集中轨道巷帮顶围岩化学注浆加固

水泥注浆完成后，帮顶进行“固瑞特201”化学注浆，进一步改善围岩结构完整性。帮顶化学注浆孔沿巷道断面五花眼布置，排距2700mm，间距2000～2250mm，化学注浆钻孔布置如图5所示。

图5 集中轨道巷化学注浆钻孔布置

两帮钻孔直径44mm；顶板钻孔直径42mm。帮、顶化学注浆孔深度全部3000mm。化学注浆钻孔使用封孔器封孔，封孔深度全部800mm。全长一次注浆，注浆终止压力6～8MPa。注浆量要求正常注浆材料消耗每孔不大于35kg/m，最大材料消耗量每孔100kg/m。

3.3 集中轨道巷帮顶围岩支护

化学注浆施工完成1d后，进行预应力全长注浆锚索支护施工，锚索布置方式如图6所示。

图6 集中轨道巷帮顶锚索布置

巷帮支护锚索选用直径22mm的1×19结构锚索，长5300mm，锚索间排距1300mm×1800mm，两帮底脚锚索下扎5～10°，其余帮锚索垂直岩面布置。使用ZQS-50/1.6锚杆钻机打孔，钻头直径30mm，钻孔深度5000mm。扩孔直径56mm，深度500mm。

顶板支护锚索选用直径22mm的1×19股锚索，长度5300mm，巷道每排布置锚索3根，其中中线布置锚索1根，锚索间排距为1500mm×1800mm，顶板锚索采用直径20mm焊接钢筋梯梁连接，垂直岩面布置。

锚索锚固方式：采用1支K2335和2支Z2360树脂端部锚固，其余部分采用水泥浆锚固。锚索外端套装注浆附件推入钻孔，安装托板引出注浆管，加装球垫张拉预紧。注浆材料采用水泥浆。锚索孔终止压力4～6MPa。

3.4 监测效果分析

现场施工完成后设置测站对支护的锚索受力和巷道表面变形量进行了现场测量。

锚索受力监测曲线如图7(a)所示，从锚索受力曲线来看，锚索受力基本稳定在210kN，锚索受力平稳。表面位移观测曲线见图7(b)所示，巷道围岩变形顶板下沉量小于9mm，两帮收敛15mm以内，巷道围岩加固后无明显变形，区域围岩稳定，围岩变形得到有效控制。

图7 集中轨道巷锚索受力与表面位移曲线

4 结论

通过对王坡煤矿二采区集中轨道巷的变形破坏原因分析及加固修复方式的研究得出如下结论：

(1)集中轨道巷发生变形和破坏的原因主要为近距离巷道群相互影响、巷道支护强度弱、应力条件复杂和受到3212综采面的开采采动影响，钻孔窥视结果显示，巷道的离层和变形主要发生在距离巷道表面4000mm范围以内。

(2)根据巷道变形破坏的机理，综合集中轨道巷的变形与裂隙发育特点，确定采用初次水泥浆注浆、二次化学浆注浆和三次强力锚索补强的综合加固技术，并详细设计了相应的支护参数。

(3)现场的加固实践表明，集中轨道巷在采用修复加固技术以后支护体整体承载能力增强，支护构件受力合理，对巷道的控制效果优良。

[参考文献]

[1]黄 兴，刘泉声，乔 正.朱集矿深井软岩巷道大变形机制及其控制研究[J].岩土力学，2012，33(3)：827-834.

[2]王 博.大变形巷道支护技术研究[J].煤炭工程，2011(4)：34-36.

[3]周廷振，黄茂鸿.软岩大变形巷道卸压与可控大变形支架支护技术[J].煤炭科学技术，2010，38(8)：50-52，55.

[4]于清军，张万超，杨志军.锚注加固技术在塌陷变形巷道治理中的应用[J].金属矿山，2009(S1)：740-742.

[5]贾光胜，常海雷.王坡煤矿复杂应力硐室群加固技术研究[J].煤矿开采，2012，17(2)：64-68.

[6]孙向阳.矿用钻孔窥视仪在煤巷掘进中的应用[J].能源技术与管理，2012 (6)：125-126.

[7]姜小春，刘景雷，焦利青，等.深部大变形软岩巷道返修支护对策研究[J].矿冶研究与开发，2007，27(4)：64-66.

[8]赵光荣.复杂地质构造带高应力区破碎围岩注浆加固技术研究[J].煤，2011(4).