高应力集中区超软底板加固技术在大淑村矿的研究与应用

马登林

（冀中能源峰峰集团有限公司 大淑村矿，河北 邯郸056300）

0 引 言

目前我国治理巷道软岩底板变形主要通过单一的浇筑混凝土、注浆或打设底锚索来增加底板的承压能力，巷道受到较大冲击时，底板仍缓慢发生变形，不能从根本上解决这一问题。大淑村矿在三采区上部变电所底板采用混凝土+U钢底梁+柔性锚索+钢筋骨架+底板深层注浆为一体的抗冲击人工坚固假底。首先通过对底板深部岩层进行注浆，人为地改善了深部松软破碎岩体的物理力学性能，对深部岩层进行加固和封堵围岩裂隙，提高了深部岩层自身的强度和抗压能力。注浆完成后采用柔性锚索对底板深部岩层进行主动加固，增加岩层间的摩擦力，将深部岩层各薄层组合成一个较厚的锚固层，共同承载，增加了其抗弯、抗剪能力。最后通过和U钢底梁+金属骨架+混凝土铺设的被动支护相联合，可以承受较大的抗冲击力，防止底板变形的产生。高应力集中区超软底板加固技术在三采区上部变电所应用效果良好，解决了软岩底板受高应力冲击、巷道底鼓速度快从而影响安全生产的难题，具有推广意义。

1 概 况

大淑村矿井井田位于峰峰煤田东北部，地处河北省武安市、磁县和邯郸市峰峰矿区接壤地带。北部与南部分别以F1和F14正断层构成井田的自然边界，西南与大社矿相邻，东南与新屯矿相邻，东西分别以人为边界为界，开采深度+250.6—-800 m标高，面积9.75 km2。

大淑村矿于1994年开工建设，2003年底建成投产，设计生产能力90万t，经过技术改造后，2020年邯安办【2020】52号文核定生产能力为150万t/a。

矿井采用立井单水平开拓、上下山开采方式，中央边界式、抽出式通风，水平大巷高程-450 m。矿井工业广场内建有主井、副井、风井3个井筒，主、副井位于井田中央，回风井位于井田南侧。

目前该矿共有6个采区，目前西翼二采区已封闭，东翼一采区已经回采完毕。东翼生产采区为三采区和四采区，准备采区为五采区、六采区。

大淑村矿三采区上部变电所所处地层为二叠系山西组及石炭系太原组地层。位于2号煤层底板19 m左右，处于172102、172103、172102里工作面交集处，上段位于172102里工作面采空区下部，中段穿过三个工作面之间的孤岛煤柱，下段位于172103工作面采空区下部，巷道处于高应力集中区，且巷道底板为7 m左右厚的泥质粉砂岩，节理发育。

三采区变电所巷道施工一周后，底板已鼓起600～700 mm。考虑巷道作为三采区上部变电所长期使用，巷道底板快速变形已不能满足使用需求，且如安装电气设备后，受巷道底鼓影响，可能造成电气设备损坏，引起安全事故。

2 巷道底板变形原因分析

（1）巷道底板为7 m左右厚的泥质粉砂岩，节理发育，并受底板水侵蚀，底板承压能力特别弱，受到较大应力，快速鼓起。

（2）位于172102、172103、172102里工作面交集处，并穿过3个工作面之间的孤岛煤柱，受采动影响，高应力集中，对巷道冲击极大，巷道底板发生变形。

图1 三采区变电所巷道布置Fig.1 Roadway layout of substation in No.3 Mining Area

3 设计方案

在三采区上部变电所底板采用混凝土+U钢底梁+柔性锚索+钢筋骨架+底板深层注浆为一体的抗冲击人工坚固假底。首先深层注浆人为地改善了深部松软破碎岩体的物理力学性能，有机弹性体在破碎煤岩体内膨胀、渗透、充满整个裂隙面形成网络骨架，起到补强加固作用、充填密实作用。注浆完成后打设柔性锚索，对底板进主动加固，最后通过和U钢底梁+金属骨架+混凝土铺设的被动支护相联合，可以承受较大的抗冲击力，防止底板变形的产生。在试验中，采用的调查取样方法。主要通过设置测点，来监测巷道的底板变形情况。

最后将数据收集，观测其在规定时间内巷道底板的最大变形量，如最大变形量在巷道设计允许范围之内（变形量＜100 mm），则表明试验成功。

4 实验的过程与结果

4.1 项目的现场实施

（1）将软岩挖出。在巷道底板挖设1条长100 m、宽度5.2 m（巷宽4.6 m，两侧各超出底板不小于300 mm）、深1.6 m的底槽。

（2）采用注浆管对深部岩层进行注浆。设计注浆孔间排距1.5 m×1.5 m，注浆孔垂直于巷道底板打设。每排布置注浆孔4个，孔深3 m，孔径φ=42 mm，注浆管长2 000 mm，注浆管采用直径1.2吋（30 mm）钢管制作，外端套丝50 mm为连接丝扣。挡环里侧600 mm开始为6 mm的圆孔，每圈4个，便于渗浆，圆孔与圆孔间距为150 mm。注浆采用水泥浆，水灰比（0.7～1）∶1，选用P32.5R普通硅酸盐水泥，注浆压力为3～4 MPa。一个孔必须一次完成注浆工作，严禁中途停止。现场可根据现场实际注浆效果，适当调整注浆孔角度和注浆量。

（3）打设锚索、下U钢底梁。在挖好的底槽内铺设底钢梁，钢梁型号为U36钢，钢梁棚距1.0 m。钢梁采用直径21.8 mm、长度5 m钢绞线固定在巷道底板上，每条钢梁上打设4条锚索，锚索每孔注1支CK2345和2支K2345型树脂锚固剂，锚固力不小于200 kN，预紧力不小于150 kN。

（4）架设钢筋骨架。利用废旧锚杆和钢筋网打设钢筋骨架，废旧锚杆垂直立于底板上，锚杆间排距1.0 m×1.0 m，金属网每各0.5 m铺设1层，金属网和废旧锚杆用铁丝连接牢固。

（5）浇筑混凝土。浇筑混凝土强度为C30，水泥、沙子、石子比例为1∶1.1∶2.7，水泥标号325号矿渣硅酸盐水泥，石子粒径为20 mm左右，混凝土必须搅拌均匀。

4.2 高应力集中区超软底板加固技术效果检验

对三采区上部变电所分四个测点进行了巷道底板变形的测试，每个测点监测底板变形量见表1。巷道底板底槽深度如图2所示，底板注浆如图3所示，底板柔性锚索配U钢加固如图4所示。

图2 巷道底板底槽深度示意Fig.2 Depth of roadway floor bottom groove

图3 底板注浆示意Fig.3 Floor grouting

图4 底板柔性锚索配U钢加固Fig.4 Floor flexible anchor cable reinforced with Usteel

表1 拱型巷道底板变形监测Table 1 Monitoring of floor deformation of arch roadway

从测试数据可知，巷道底板平均变形量为20 mm，巷道底板变形量在设计允许范围内，底板无开裂，应用效果良好。

5 结 论

（1）通过对底板深部岩层进行注浆，人为地改善了深部松软破碎岩体的物理力学性能，对深部岩层进行加固和封堵围岩裂隙，提高了深部岩层自身的强度和抗压能力。

（2）采用柔性锚索对底板深部岩层进行主动加固，增加岩层间的摩擦力，将深部岩层各薄层组合成一个较厚的锚固层，共同承载，增加了其抗弯、抗剪能力。

（3）将底板软岩置换为混凝土+U钢底梁+钢筋骨架为一体的抗冲击人工坚固假底，增强了其抗冲能力。

（4）打设柔性锚索对底板进主动加固，和通过U钢底梁+金属骨架+混凝土铺设的被动支护相联合，防止底板变形的产生。

（5）底板注浆和混凝土浇筑联合布置，形成稳定的隔水层，阻止了地板水对底板的侵蚀破坏。