冲击地压矿井深部软岩破碎巷道注浆加固技术研究

何 杰

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

冲击地压矿井深部软岩破碎巷道注浆加固技术研究

何 杰1，2

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

为解决冲击地压矿井深部破碎软岩巷道大变形问题，针对义马矿区常村煤矿西翼辅助运料斜巷复杂工程环境，分析了巷道破坏特征，揭示了巷道变形破坏机制，指出高原岩应力、多次采动、围岩承载力差、频繁微震事件、围岩锚固性能差综合因素作用下造成巷道破坏失稳。提出该类巷道控制对策，采用全断面注浆及强力注浆锚索加固系统，确定注浆加固方案、参数和工艺，利用矿压观测和全景窥视围岩内部状况检验加固效果。工业性试验结果表明方案能够有效控制围岩变形，巷道断面收缩率降低70%，维护成本降低35%。

冲击地压；深部；软岩巷道；全断面注浆

义马矿区为我国典型的冲击地压矿井区域，冲击地压巷道围岩变形控制问题成为制约煤矿发展的主要难题。一般冲击地压巷道支护，采用以高预应力强力支护技术为主配合架棚、卸压综合控制技术体系，应用效果良好[1-3]；对于破碎巷道，尤其是已发生大变形的巷道，单独采用锚杆锚索支护效果有限，采用以注浆和高预紧力加固为核心的控制技术体系，已在我国多个矿区大面积推广和应用[4-6]。义马常村煤矿属于冲击地压矿井，西翼辅助运料斜巷位于冲击地压危险区域，维护难度大，采用锚网索+36U型棚复合支护方式，支护成本高，控制效果不理想。针对该类巷道整体变形迅速、变形量大、难维护特点，分析巷道围岩工程环境和破坏特征，揭示了该类巷道变形破坏机制，探索适合该类巷道控制方式和技术，为冲击地压软岩破碎巷道的维护提供技术支撑和依据。

1 工程环境及破坏特征

1.1 工程环境

义马常村煤矿西翼辅助运料斜巷为21采区主要的运输和行人通道，沿2-3号煤层顶板布置，顶板为泥岩，强度低、易风化、泥化和破碎，底板为煤、煤矸互层和炭质泥岩，埋深650～700m，最大水平主应力为25.25MPa，以构造应力场为主，属于高应力区。西南邻21141工作面、21161工作面、21180工作面和21200工作面，21141 和21161工作面分层开采，上分层开采完毕，21180和21200工作面为综放开采，回采完毕；东南侧相邻依次为21区煤轨道21区胶带下山、21区东辅助运料斜巷，21161工作面下分层未回采，设计停采线距离21区西辅助运料斜巷138m。西翼辅助运料斜巷服务期间受四邻工作面回采多次动压影响，整修频繁，变形严重区域整个断面基本闭合。西翼辅助运料斜巷位置见图1。

图1 西翼辅助运料斜巷布置

1.2 破坏特征分析

原支护方案下西翼辅助运料斜巷矿压显现强烈，具有以下明显破坏特征：

(1)变形速度快，巷道无稳定期 西翼辅助运料斜巷重修周期一般为1.5～2a。原支护下巷道重修初期泥岩风化、碎胀明显，两帮移近和底鼓发展快，锚网主动支护系统失效，破碎围岩重力及高应力共同作用下，顶底板迅速移近，整个断面同时收缩，巷道变形监测结果显示，巷道服务期间围岩一直处于变形破坏状态。

(2)整体变形量大 井下巷道变形破坏如图2所示，局部地段巷道断面仅能人爬穿行，巷道原宽6.5m，高4.2m，修复前部分巷道剩余宽度为1.5m，高度为1m，断面收缩达80%以上，变形严重地段巷道几乎闭合。

图2 巷道断面严重收缩

(3)围岩内部破坏严重、范围广，顶板比两帮破坏深度大 局部地段顶板围岩内部结构状况如图3所示，其中顶板破碎带及离层已发展至围岩深6.0m处，两帮破坏深度一般不超过4m，顶板围岩破坏范围远超两帮。巷道周围严重破碎带集中在0～4.0m，该范围内围岩基本全部破坏。

图3 顶板泥岩内部破坏状况

2 巷道变形破坏机制

影响冲击地压矿井深部围岩稳定的主要因素包括原岩应力高、多次采动影响、围岩承载力低、微震事件的频繁动载、围岩锚固性能差。原岩应力高、多次采动是影响巷道失稳的根本性因素，围岩承载力差是基础因素；锚固性能差造成支护体系难以发挥作用，是影响支护效果的关键因素。

2.1 原岩应力高，多次动压影响

21采区西翼辅助运料斜巷最大埋深700m，最大水平应力25.25MPa，属于高应力场。图1显示，巷道两侧基本全部为采空区，服务过程中依次受到4个回采工作面不同开采期的回采动压影响，多次强烈采动形成的应力高度集中，造成巷道矿压显现强烈，围岩变形严重，难以控制。

2.2 围岩承载力低

2-3煤层顶板和两帮主要为泥岩，底板为煤体、煤矸互层和炭质泥岩，泥岩单轴抗压强度集中在10～35MPa，浅部5m范围内抗压强度偏低，平均20MPa，煤体抗压强度平均12.6MPa，泥岩和煤体抗拉强度分别为1.5MPa和1.0MPa。煤矸互层和炭质泥岩矿物X射线衍射分析结果见表1，两者中黏土矿物占总量的16.2%和43.3%。黏土矿物主要含伊利石、高岭石及伊蒙混层等膨胀性物质，风化易碎，遇水泥化。巷道围岩属于软岩、易碎，承载力低。

表1 矿物X射线衍射分析结果

2.3 微震事件的频繁动载冲击

2-3煤层上方赋存巨厚砾岩，周围大范围顶板难以及时垮落，大面积悬顶引起围岩能量高度集中，造成巷道处于冲击地压危险区域，频繁微震事件引起的强烈动载冲击破坏支-围体系。

2.4 围岩锚固性能差

巷道服务期间大修4次，每次修复时巷道基本闭合，两帮、底板鼓出与顶板下沉量大，多次破坏和修复未进行过注浆加固，巷道围岩内部节理、裂隙发育，破碎带分布广，锚杆锚索锚固范围内围岩锚固性能极差，锚固段易松动、不稳，难以发挥锚杆锚索支护效果。

3 全断面注浆与加固技术

3.1 控制对策

基于西辅助运料斜巷变形破坏特征，依据巷道变形破坏机制，提出该类巷道控制对策。

(1)全断面注浆，恢复围岩完整性 锚杆锚索支护范围内围岩完整性破坏严重，采用水泥注浆进行全断面注浆，孔深不低于6.0m，恢复围岩承载性，提高抗冲击性能；同时为锚索提供锚固稳定基点，提高锚索加固效果。

(2)全断面注浆锚索加固，重点加强底板整体承载力 巷道服务期间，一般拉底2～3次，每次拉底不低于1.5m。底鼓是巷道变形的主要形式，底板为支护软弱部位，为保证巷道底板和顶帮支护强度的协调，底板采用注浆鸟笼锚索配套托梁进行整体支护，大幅度提高底板抗变形能力。

(3)提高锚索预紧力，增强支护体整体刚度 在注浆基础上，提高锚索初期支护强度，将锚索初始预紧力由110kN提高250kN，保证巷道支护初期支护体抗变形能力。

3.2 控制技术方案

依据高预应力强力支护理论及应用效果[7-10]，结合工程实践经验，确定21区西辅助运料斜巷采用全断面注浆与高预应力强力注浆锚索联合加固技术，巷道宽6.5m，拱基线处宽5.9m，直墙高1.50m，净高4.25m。

3.2.1 注浆参数

喷浆：对注浆段巷道顶板和两帮围岩喷浆封闭，厚度100～200mm，2d后注浆。成孔：φ36mm钻头。注浆材料：水泥浆、水泥水玻璃双液浆，注浆压力2～6MPa。顶板和两帮注浆孔沿巷道断面均匀布置，采用7-6布置方式，间距1.8m，孔深7.0m。底板注浆孔沿巷道底板每排4个注浆孔，间距1.8m，排距1.4m，孔深6.0m。

3.2.2 锚索加固参数

锚索补强与注浆孔隔排布置。顶板和两帮采用普通锚索，锚索为φ21.6mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6.3m，延伸率4%，配合高强度锁具和可调心托板。托板为300mm×300mm×16mm高强度可调心托板，高度不低于60mm，承载能力不低于550kN，托板拱部设置注浆孔，直径18mm，锚索采用树脂锚固剂锚固。底板采用鸟笼注浆锚索加固，与底板注浆孔隔排布置，每排打4根锚索，间距1.8m，排距1.4m，配套采用φ16mm钢筋托梁，顶板锚索初始张拉250kN，底板和两帮锚索初始张拉200kN。注浆孔和锚索加固布置如图4所示。

图4 注浆孔和锚索加固布置

4 井下工业性试验

4.1 工艺优化

4.2 效果评价

为了检验巷道围岩变形控制效果，采用2种方法，一是布置矿压监测测站，共设置6组测站进行围岩变形和锚索受力监测，其中测站3巷道收敛变化曲线如图5所示；二是依据围岩变形观测结果，注浆加固围岩变形稳定后采用全景电子窥视仪对围岩内部结构观测，注浆加固4个月巷道变形稳定后围岩内部结构状况如图6所示。

图5 巷道收敛变化曲线

图6 注浆加固后围岩内部结构

由图5可以看出：巷道变形量集中在右帮和底板，巷道修复后4个月巷道变形基本稳定，锚索受力趋于稳定，顶帮锚索最大受力283kN，底板锚索受力最大216kN，顶板最大下沉量为22mm，底鼓量为85mm，右帮最大变形量为70mm，左帮最大变形量为10mm，与原方案相比，相同时间内巷道断面收缩降低70%。

由图6可以看出，两帮的注浆量大，图6中泛白部分为注浆体，浆液基本上充满了破碎区域，注浆效果良好，4个月后围岩内部基本无新增破坏区域，整体来看，围岩注浆加固效果良好，与原支护方案相比，巷道每米节约成本约8000元，降低成本35%。

5 结 论

通过对冲击地压矿井深部软岩破碎巷道注浆加固技术研究，得出以下结论：

(1)针对21采区西翼辅助运料斜巷复杂的围岩工程环境，揭示了巷道变形破坏的特征及机制，提出了影响巷道变形破坏的因素主要有：原岩应力高、多次采动影响、频繁微震事件、围岩承载力低、围岩锚固性能差。

(2)依据巷道变形破坏特征，提出控制对策，包括三方面：全断面注浆、全断面加固、大幅度提高初期支护强度，设计采用全断面注浆及强力锚索全断面加固技术，针对底板煤体松软破碎现状，采用鸟笼锚索全长注浆加固，确定了具体控制方案、技术参数和施工工艺。

(3)工业性试验表明，全断面注浆与加固技术能够有效控制围岩变形，巷道整体稳定，相较于原支护方案，巷道断面收缩率降低70%，维护成本降低35%，取得了良好的技术经济效益。

[1]康红普，吴拥政，何 杰，等.深部冲击地压巷道锚杆支护作用研究与实践[J].煤炭学报，2015，40(10):2225-2233.

[2]高明仕，窦林名，张 农，等.冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析[J].岩土力学，2008，29(2): 359-364.

[3]何 杰.冲击地压矿井厚煤层沿空掘巷支护关键技术研究[J].煤炭工程，2014，46(12)：38-41.

[4]康红普，冯志强.煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展趋势[J].煤矿开采，2013，18( 3):1-7.

[5]李文洲.高瓦斯孤岛工作面收尾两巷预注浆加固研究[J].煤矿安全，2015，46(8):43-46.

[6]姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等.深部开采中巷道底鼓问题的研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(7):2396-2401.

[7]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.

[8]康红普，姜铁明，高富强.预应力锚杆支护参数的设计[J].煤炭学报，2008，33(7):721-726.

[9]康红普，林 健，吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用[J].煤炭学报，2009，34(9):1153 -1159.

[10]何 杰.强烈动压巷道受力不对称性及帮强控制研究[J].煤矿开采，2014，19(6):60-63.

StudyonGroutingReinforcementofSoftRockandBrokenRoadwayinDeepofRockBurstCoalMine

HE Jie1，2

(1.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to solve large deformation of soft rock and broken roadway in deep of rock burst coal mine，to complex engineering environment of auxiliary transportation inclined roadway of Changcun coal mine in Yima coal mine district，and roadway failure characters were analyzed，roadway deformation failure mechanism was revealed，roadway failure was induced by some synthesis factors，such as high in-situ stress，repeatedly mining，low surrounding rock bearing capacity，frequently micro seismic accidents and low anchoring of surrounding rock and so on，then controlling countermeasures of similar roadway were put forward，reinforcement system of sectional grouting and strengthen grouting cables was applied，then grouting reinforcement scheme，parameters and technology were determined，and reinforcement results was verified by mini pressure observation and peeping.The industrial test showed that surrounding rock deformation could be controlled effectively，and roadway section shrinking percentage decreased by 70%，maintenance cost decreased about 35%.

rock burst；in deep；soft rock roadway；sectional grouting

2017-07-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.013

国家重点研发计划项目“煤矿千米深井围岩控制及职能开采技术”(2017YFC0603000);天地科技生产力转化基金项目“基于卸支耦合双效机制的巷道冲击地压防治技术”(KJ-2015-TDKC- 05)

何 杰(1984-)，男，河南长葛人，硕士，副研究员，主要从事矿山压力与控制、巷道支护理论和技术研究工作。

何 杰.冲击地压矿井深部软岩破碎巷道注浆加固技术研究[J].煤矿开采，2017，22(6)：54-57.

TD353

A

1006-6225(2017)06-0054-04

林健]