山西某煤矿泥质软岩巷道锚注加固技术

2018-08-17常景保

现代矿业 2018年7期

常景保

(西山煤电(集团)有限责任公司镇城底煤矿)

山西某煤矿井下行人下山、总回风下山、胶带下山以及轨道下山(以下统称“集中下山”)位于8#煤层及其顶底板附近，由于所处的煤岩层岩性较软，易受到原岩应力和采煤工作面超前支承压力的影响而产生较大变形甚至破坏，需采取维修(甚至多次维修)措施方可确保巷道稳定[1-3]。经现场调查发现，该矿巷道的破坏形态与巷道初期支护方式、围岩岩性和采煤工作面开采引起的围岩应力环境变化密切相关[4-5]。该矿以往的巷道返修方案主要采取2种支护形式：一是高强锚网索补强支护；二是全断面长锚索并采用注浆锚杆对巷道两帮注水泥浆加固。现场实践表明，加固后的巷道虽然在短期内稳定性较好，但随着时间推移，稳定性逐步下降[6-7]。由于集中下山还将服务于8#煤层上部的5#煤层，故而必将受到5#煤层采煤工作面的动压影响。本研究在现场调研的基础上，根据现场条件并借鉴该矿以往巷道加固经验，根据集中下山岩性软、高应力、泥质岩类分布广的特点，遵循“经济合理、施工方便、效果显著”的原则，拟在高强高预紧力锚网索支护[8]的基础上，采用整体高压注浆加固方案对集中下山进行全面维护，力求保持巷道长期稳定。

1 工程概况

该矿集中下山主要位于8#煤层内及其顶底板附近，自西向东依次为行人下山、总回风下山、胶带下山及轨道下山，并且自西向东距采煤工作面停采线越来越近(图1)。在上述4条下山中，总回风下山回风，风流湿度较大，其余下山进风。本研究注浆试验巷道选择在8215轨道车场附近，自8215瓦斯抽放泵站至8215水泵房联络巷之间长100 m的巷道(图1)。8#煤层层位稳定，煤层厚度0.20～ 7.96 m，平均厚度4.70 m，最大可采厚度7.30 m，其厚度变化规律为井田东部薄、西部厚，上中部较厚、下部较薄。该煤层倾角5°～10°，煤层结构简单，一般含夹矸1～2层，夹矸厚度为0.05～0.3 m，岩性为砂质泥岩、碳质泥岩等。煤层干燥状态抗压强度为27.45 MPa，饱和抗压强度为10.54 MPa，软化系数为0.38，天然抗拉强度为0.87 MPa。8#煤层普氏硬度系数小于3，具有脆性但韧性欠佳，难于软化，易受冲击而破碎。

图1 试验巷道分布

根据相关勘探报告，8#煤层顶底板附近分布有粉砂岩、泥岩及互层岩组，主要由粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩及薄煤层组成。岩体内部黏土矿物和有机质含量较高，并发育较多的水平层理、节理裂隙和滑面等结构面，干燥状态下单轴抗压强度为9.64～87.55 MPa，平均为45.60 MPa，浸水或长时间暴露于空气中的岩石多沿层理方向离析成薄片，饱和抗压强度为6.77～34.85 MPa，平均为 22.64 MPa，软化系数平均为0.51，属半坚硬岩石，表现出稳定性差的特点。

8#煤层伪顶岩性多为灰黑色泥岩、碳质泥岩，厚度较薄；直接顶岩性为易垮落的软弱泥岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩，厚约2.0 m；基本顶岩性为中等垮落半坚硬中—粗粒砂岩，厚约11 m；底板岩性为灰褐色铝土质泥岩，属于软弱岩层，遇水易膨胀且底鼓明显，根据矿井实测数据，底鼓量最大值大于1 m。

根据现场调查，局部区域进、回风下山之间有轻微漏风现象，与8#煤层在高应力作用下易冲击破碎的性质有关。下山中的局部巷道变形特征及总回风下山严重的底鼓现象与泥质岩类在高应力作用下的软岩破坏特征一致，易发生屈服破坏、吸水泥化或膨胀等。

2 巷道变形破坏特征及原因

2.1 巷道变形破坏特征

经现场调查发现，该矿集中下山巷道变形程度与巷道围岩特征、采煤工作面停采线位置、采煤工作面性质(工作面尺寸、跳采面或孤岛面)、初期支护方式(等强螺纹钢锚杆或高强高预紧力锚杆)关系密切。巷道变形破坏特征为：①采煤工作面开采后，越靠近停采线的下山，变形程度越严重，即4条下山中，行人下山变形最轻，轨道下山变形最严重；②尺寸较小的同类工作面，其影响范围和影响程度小于大尺寸工作面；③跳采工作面(采煤工作面两侧为大尺寸的实体煤柱)的影响范围和影响程度小于孤岛工作面；④采煤工作面不仅影响本工作面前方的相关巷道，也影响了相邻工作面的部分下山巷道，调查发现，跳采工作面超前支承压力造成工作面两巷外侧下山18～24 m范围内出现明显的变形现象，孤岛工作面的影响范围更大；⑤采用高强高预紧力锚杆支护后的巷道变形破坏程度远小于采用全螺纹钢锚杆支护的巷道；⑥总回风下山的底鼓量总体大于其余进风下山的底鼓量。4条下山巷道在服务期间的变形破坏形式主要为：①水平挤压变形，主要集中于巷道顶板，该处岩体受到挤压作用影响，破碎程度较高；②围岩整体变形，巷道两帮主要表现为围岩整体变形，锚杆受力不明显；③底鼓严重，主要表现为底板鼓起，围岩破碎，整体性差，且底板内部在水平挤压作用下有离层现象出现，在巷道底鼓的牵引作用下，两帮出现明显的内移、下沉现象；④锚杆破断较多且局部锚索破断，主要集中于巷道顶板，结合锚杆断口位置判断，锚杆破坏形式主要为剪切破坏。

2.2 巷道变形破坏原因

(1)巷道围岩主要为煤层和泥质岩类软岩，受到潮湿风流影响时围岩强度明显降低，为巷道发生持续变形的基本原因。现场调研及钻孔资料表明，8#煤层顶底板岩性以泥质岩类为主(底板岩性为铝土岩，遇水易膨胀)且8#煤层煤体易冲击破碎，巷道围岩总体强度低、易变形，甚至出现蠕变特征。在工作面超前支承压力的作用下，巷道围岩易发生变形，导致大量裂隙产生，该类裂隙将吸收潮湿空气中的水分，围岩尤其是8#煤层底板铝土泥岩遇水膨胀，从而导致巷道底板出现严重的底鼓现象。井下观察发现，总回风下山的总体底鼓量明显大于其余3条下山，与回风流中空气湿度大关系密切。

(2)采煤工作面开采后，受到工作面超前支承压力的影响，集中下山围岩应力重新分布，并且工作面开采引起的水平应力叠加，是巷道发生反复变形破坏的主要原因。煤层开采后，上覆岩层呈现周期性来压，并且传递影响至采煤工作面前方一定范围，该范围大小与工作面的性质(尺寸大小、跳采面或孤岛面)、覆岩结构以及空间位置关系密切。调查发现，跳采工作面超前支承压力造成工作面前方相关下山及其外侧18～24 m范围内出现明显的变形现象，并且孤岛工作面开采的影响程度和范围明显大于跳采工作面。另外，根据巷道顶角的大变形现象推断，工作面开采应力增加使得巷道所受的水平应力加大，最终导致巷道围岩强度降低，支护体(锚杆和锚索)锚固力降低，进而引发巷道变形甚至破坏。

(3)巷道初次支护方式对于保持巷道永久稳定具有至关重要的作用。调查发现，集中下山巷道初次支护主要采用全螺纹钢锚杆和普通锚索，全螺纹钢锚杆的预紧力较低且不易保持，在巷道围岩为泥质软岩的条件下，易出现巷道大变形现象，而采用高强高预紧力锚网索支护方式后，巷道稳定性明显提升。预应力锚杆的主要作用是减少或消除拉应力范围，消除顶板离层(煤系地层为层状矿床)。从安全角度分析，离层是巷道冒顶的第一显现，控制离层对于巷道支护尤为重要，但等强螺纹钢锚杆由于螺距大，依靠目前的锚杆安装机具难以给锚杆施加较高的预紧力，且该类型锚杆的预紧力保持性能较差。

(4)工作面回采后，集中下山巷道由于受到工作面采动动压的影响，易使巷道围岩表面破碎，甚至部分巷道段会出现轻微漏风现象。这充分说明，巷道煤柱及其顶板整体性变差，强度变低，锚杆和锚索的有效锚固性能减弱，有效锚固力降低。同时，潮湿风流中的水分会通过围岩裂隙进入煤岩体，更加减弱了锚杆和锚索端部的锚固性能。由于锚固剂与煤岩孔壁的胶结能力降低，锚杆和锚索受力后，易引起锚固端发生位移，进而导致锚杆和锚索支护失效。调查发现，修复不久的行人下山出现了锚杆破断现象，说明该段巷道的锚固性能良好，但也说明，仅采用锚网索支护不足以长期有效地保持巷道稳定。

3 巷道锚注加固方案

该矿集中下山巷道围岩特征为：①由于大部分巷道围岩存在泥质软岩，巷道围岩或多或少受到原岩应力或采动应力的影响，在锚网支护锚固端以内仍存在部分裂隙，该类裂隙可能与巷道表面裂隙连通，随着时间延长，裂隙将吸收来自巷道内潮湿空气中的水分，逐渐泥化围岩，使得巷道围岩强度逐渐降低，进而可能导致锚杆(索)锚固力下降；②8#煤层属于“易冲击破碎”型煤层，在多次采动应力影响下，裂隙发育，甚至部分地段出现了下山之间裂隙连通(漏风)现象；③集中下山巷道穿过泥质岩类岩层时，裂隙中可能存在部分与水泥基等注浆材料胶结性差或不胶结的泥质岩类碎屑，使得水泥基材料的注浆加固效果较差；④由于巷道的破碎效应，往往采用喷射混凝土的方式难以有效封堵围岩裂隙，相对而言，注浆封堵效果较理想；⑤巷道围岩中分布着较多的锚杆、锚索等支护体(对于多次修复后的巷道而言，锚杆、锚索更多)，经过注浆加固后，可将该类支护体与围岩进行紧密固结，共同维护巷道稳定。

根据集中下山围岩岩性特征进一步分析可知：①下山巷道在经过多次采动影响的情况下，巷道围岩出现了较大的松动范围，采用传统的锚网索支护方式，锚杆的锚固力难以达到设计要求，松脱后的锚杆其支护性能将大打折扣；②部分巷道周围岩层属于泥质岩类，遇水易膨胀，传统的锚网索支护方式难以控制巷道长期稳定；③对于化学浆，尽管其胶结性能好但胶结强度不高，并且由于成本较高，一般仅用于巷道局部地段或采煤工作面冒顶区；④对于传统水泥基注浆材料，由于部分泥质岩类亲泥性差，与泥质岩胶结效果差(仅充填裂隙)，且围岩中分布有遇水易膨胀或崩解的岩层(如8#煤层底板的铝土岩)，由于其析水量高，更加剧了膨胀岩破坏，部分地段传统水泥注浆加固效果较差。

针对该矿集中下山的具体条件，综合考虑各种因素对巷道的影响，本研究设计采用锚网索+滞后注浆的综合注浆加固方案，即在高强预紧力锚网索支护的基础上，对巷道进行高压注浆加固。根据巷道围岩岩性和变形特征，采用高泥质围岩巷道专用注浆材料对巷道进行注浆加固和维修，提高泥质围岩的强度，维持巷道长期稳定。巷道修复加固的基本施工流程为：①修复巷道至设计断面，采用高强预紧力锚杆支护系统进行巷道初期支护；②对初期支护巷道进行初喷浆，喷层厚度一般为50～70 mm，具体取值可根据现场试验确定，以能够封堵注浆液体在5 MPa注浆压力条件下不外渗为原则；③注浆加固后，对巷道表面再次喷薄浆。

4 锚注加固效果

为有效分析本研究方案的实施效果，在注浆开始前，在试验巷道内布置了围岩移近量监测断面(图2)，在整个锚注加固过程中对巷道顶底板移近量和两帮移近量进行了观测，结果见图3。

图2 巷道围岩稳定性监测断面布置示意

图3 巷道围岩变形特征

分析图3可知：在0～70d监测时间段内，巷道(顶底板、两帮)变形量为未注浆时的变形量，监测时间70d之后巷道(顶底板、两帮)变形量为注浆后的变形量，可见，注浆后(100d以后)巷道(顶底板、两帮)变形量趋于稳定，顶底板、两帮的移近量最大值分别为189，106mm。现场观测结果表明，底鼓量最大值、两帮移近量最大值以及顶板下沉量最大值均发生于轨道下山与联络巷或硐室的交叉口处，是由于交叉口处断面较大，轨道下山易受采煤工作面回采影响而发生严重变形。