深部高应力软岩巷道底板联合加固施工技术

郝明月，宋 道

(河南龙宇能源股份有限公司，河南 永城 476600)

随着矿井开采深度的不断增加，巷道的支护难度也越来越大。特别是高应力的软岩巷道常常表现出强流变的特性，围岩变形控制难度较大[1，2]。而人们在进行高应力软岩巷道支护时，往往只注重两帮及顶板的支护，很少对底板进行加强支护，从而造成高应力软岩巷道底板成为了整个巷道支护系统的薄弱环节。巷道在高应力的作用下，底板岩石首先发生底鼓变形，继而引发巷帮及顶板变形破坏，最终导致整个支护系统的破坏失稳[3-5]。陈四楼煤矿九采区泵房及变电所所在岩层为高应力软岩巷道，巷道支护后矿压显现较明显，尤其是底鼓变形较大，为此陈四楼煤矿开始尝试在高应力软岩巷道底板采用联合加固技术，提高底板的支护强度，控制巷道的底鼓及变形，从而提高巷道整体的支护效果。

1 工程概况

陈四楼煤矿九采区泵房及变电所工程量总设计长度为186.92m，其中，九采区泵房通道11.5m、变电所40.6m、变电所回风道26.76m、配电室11.9m、泵房44.7m、管子道39.16m、配水井硐室9.3m、吸水井硐室3m，服务年限预计为20a。九采区泵房及变电所开口位置位于九采区回风下山底车场，开口处巷道底板标高为-853m，巷道平面布置图如图1所示。

图1 巷道平面布置示意图

九采区泵房及变电所所处区域位于陈四楼向斜轴部及东翼铝质泥岩层位，整体上为一单斜构造，无岩浆侵入体、陷落柱等构造发育，煤岩层走向北北西向，倾向南西西向，该巷道掘进范围内煤岩层形态较为稳定，掘进范围内煤岩层倾角变化较小，预计褶曲对巷道掘进影响较小。根据三维地震勘探资料、临近巷道实际揭露地质情况、周围巷道地质超前探测资料分析，预计在该巷道施工过程中将一次揭露一条落差为0～5m的正断层XF2和一条落差为0～7m的正断层XF15。巷道底板距二2煤层法向距离约在15.7～45.3m之间，巷道不会揭露二2煤层。

2 底鼓变形机理及联合加固技术

2.1 九采区底鼓变形机理

九采区泵房及变电所所处巷道埋深较深，构造应力较大，同时由于受到XF2和XF15两条正断层的影响，巷道围岩破碎，围岩强度较低，孔隙率较大，加上九采区泵房及变电所所处区域位于陈四楼向斜轴部，应力较为集中，多项因素共同作用下，巷道围岩表现出显著的塑性和流变性。而且巷道掘进期间已对顶板及两帮进行了加强支护，支护强度较大，而底板未进行有效支护，是整个巷道支护系统最薄弱的地方，最终导致底板岩层在水平应力作用下与形成褶曲构造相类似，向巷道空间鼓起[6-9]。同时由于施工过程及顶底板出水等情况产生的水源流入巷道底板岩石，减少了岩石层理、节理和裂隙间的摩擦力，使岩石的整体抗压、抗剪强度降低，且九采区泵房及变电所位于铝质泥岩层位，岩石中存在遇水产生膨胀的矿物成分，由于矿物成分吸水体积增大，岩石发生破裂，底板岩石甚至会完全丧失强度，从而加剧底板鼓起破坏。

2.2 联合加固技术

巷道底鼓量大是深部软岩巷道矿压显现的一个显著特征，也是治理的难题之一。多年来，在煤矿浅部巷道中由于支护存在“强顶、强帮、弱底”的现状，进入深部后受浅部支护理念影响及深部巷道高应力的影响，巷道表现出强烈的底鼓。为了解决这个问题，陈四楼煤矿开始采用“锚网带+锚索梁+注浆”联合加固技术，对深部软岩巷道底板进行加固。

锚杆对围岩起到加固作用。钢带对锚杆间的围岩施以径向约束，阻止其扩容和离层，从而增加次生关键承载圈的厚度和承载能力，使围岩的关键承载圈受力趋于均匀和内移。网的作用主要是通过金属网对巷道底板进行封闭支护；同时也扩大了锚杆的有效承载面积，有利于保持巷道围岩的完整与稳定。托盘则是产生托锚力的必不可少的构件。通过钢带、网和托盘的共同作用，使锚杆的作用力能够均匀地分布在围岩表面，改变了巷道表面围岩的应力状态，提高了次生关键承载圈的承载能力，从而有效约束围岩变形，同时促使关键承载圈稳定。注浆锚索以加固围岩的作用为主，同时提高深部岩石的注浆效果。注浆加固是利用浆液把围岩的各种弱面充实，并把弱面充填体和四周岩体重新胶结起来，从而提高围岩的整体稳定性及其力学性能，改善围岩的物理力学性能。实践证明，围岩注浆加固可以有效地改善围岩结构及其力学性质、提高围岩自承能力、降低支护成本，并且改善巷道支护效果。

3 底板联合加固技术施工

九采区泵房及变电所进行底板联合加固时，先按要求对巷道底板进行拉底，再对巷道底板进行加固，待注浆加固结束后再回填矸石至设计深度，最后再统一打设100mm厚地坪。

3.1 浅层预注浆

九采区泵房及变电所底板岩石破碎，直接进行锚杆及锚索加固，施工眼孔后碎石较多，安设锚杆及锚索较困难，所以考虑拉底后对巷道底板松散层进行浅层注浆，然后再进行锚杆及锚索加固。现场施工时，底板每排埋设2根注浆管，对称布置在巷道两侧，注浆管间排距为2000mm×3000mm。注浆管采用Φ20mm镀锌钢管加工而成，长1500mm，注浆管埋设后外露不得超过100mm。埋设注浆管时采用YTP-26型风动凿岩机，配合使用Φ28mm风钻头、长1.6m的风钻杆。埋设注浆管时根据需要可外露80～100mm，可使用水泥对注浆管进行固定和封闭。

3.2 底板加固

3.2.1 锚网带支护

底板采用锚网带加固时，M钢带沿垂直巷道纵向布置。锚杆采用Φ22mm×2500mm的左旋螺纹钢高强锚杆(屈服强度500MPa)，变电所回风道及管子道使用2.8m长的M钢带(锚杆间距800mm，共4根锚杆)、变电所及泵房使用4m长的M钢带(锚杆间距750mm，共6根锚杆)、配电室使用3.4m长的M钢带(锚杆间距800mm，共5根锚杆)、通道使用3.2m长的M钢带(锚杆间距750mm，共5根锚杆)，锚杆排距为800mm，锚杆间排距误差范围±100mm。每根锚杆配2卷MSM2350树脂锚固剂，锚杆预紧力矩为250～300N·m，外露长度为10～50mm，底板不平整导致锚杆托盘无法紧贴岩面时可加垫木块。网片搭接100～200mm，连网间距不超过300mm。九采区泵房底板加固示意图如图2所示。

图2 九采区泵房底板加固示意图(mm)

3.2.2 注浆锚索支护

底板采用锚索梁加固时，锚索梁沿巷道方向布置在锚网带上方(其中回风道及管子道布置2排、变电所及泵房布置3排、配电室布置2排、通道布置3排)，锚索梁使用3m长的12#槽钢，锚索采用Φ21.6mm×6300mm的注浆锚索，锚索间距1300mm，每根锚索使用2卷MSM2350树脂锚固剂。现场施工时采用ZQJC-360/7.1型气动架柱式钻机进行注浆锚索加固施工。

3.2.3 注浆加固

注浆锚索施工结束后，再依次从巷道开口位置向里对巷道底板锚索进行注浆，注浆前可以使用水泥对注浆锚索孔口封闭，待凝固后再进行注浆，防止跑浆。注浆时，采用2ZBQ-11.5/3型煤矿用气动注浆泵配合搅拌机进行注浆加固，制浆配比：水灰比0.8～1，即每桶(Φ0.7m×0.75m)浆使用5～6袋425#普通硅酸盐水泥，压力控制在0.8～1MPa[10，11]。待注浆结束后，至少等待2d后再安装锚索梁并配备90mm×90mm的锚索托盘，对注浆锚索进行张紧，张紧力不小于36MPa，截断后外露长度为150～200mm。

4 矿压观测

九采区泵房及变电所底板加固施工结束后，在巷道掘进过程中揭露两条断层位置处分别安设一组检测点观测巷道底板表面位移情况，1#观测点分别安设在泵房向里18m处(XF15正断层位置)，2#观测点分别安设在变电所内向里32m处(XF2正断层位置)，底鼓量变化曲线如图3所示。分析图3可知，巷道进行底板联合加固后，底鼓很小，底板变形得到了很好的控制。

图3 底鼓量变化曲线

5 结 语

九采区泵房及变电所通过采用底板联合加固技术，取得了良好的效果。施工结束后分别对巷道两条断层影响区段进行底板变形测量观测，通过对数据分析，底板联合加固后，巷道底板在加固30d之后就趋于稳定，变形量很小，而且现场巷道无明显浆皮开裂、底鼓现象。这表明底板联合加固技术在深部高应力软岩巷道底板治理中达到了支护效果，值得在相似工程中推广使用。