软岩淋水煤仓综合治理技术研究与应用

任广信

（冀中能源股份有限公司 章村矿，河北 邢台 054100）

0 引 言

煤仓作为井下煤炭储存缓冲硐室，在煤炭开采过程中发挥着重要作用，一是将煤炭实现集中时段运输，有效提高转运效率；二是在外围系统发生故障或检修时，煤仓可以起到缓冲作用，不影响采区生产。根据围岩稳定性及矿井生产能力的大小，煤仓可设置成垂直式和倾斜式两种。倾斜式煤仓一般采用拱形断面，倾角在60°以上，适用于围岩稳定性好、开采单一煤种或开采多煤种但不要求分采分运的中小型矿井；垂直式煤仓一般为圆形断面，适用于围岩稳定性较差、可以分装分运的大型矿井，垂直式煤仓由于其受力均匀，抗变形能力强，得到广泛应用。

1 工程条件

章村矿4226 采区煤仓位于章村矿四井西翼-200 水平4226 采区下部，26 采区皮带下山与-350 大巷交汇处，主要担负4226 采区出煤任务。煤仓为垂直式煤仓，直径5.0 m，垂高15.0 m，下部为圆锥形收口，初始施工时为锚喷支护。煤仓仓体围岩从上至下分别为细砂岩、铝土质泥岩、粉砂质泥岩，4226 采区煤仓位置如图1 所示，岩性情况及厚度见表1。

表1 4226 采区煤仓岩性情况Table 1 Lithology of coal bunker in 4226 mining area

图1 4226 采区煤仓位置示意Fig.1 Coal bunker of 4226 mining area

2 煤仓变形破坏情况及变形机理分析

2.1 煤仓变形破坏情况

4226 采区煤仓自2015 年以来，在煤仓东侧仓壁不间断的出现渣块脱落现象，煤仓下口圆锥形体由于受长期空仓运行原煤自由落体冲击影响，导致下部圆锥体亦陆续破坏，圆锥体浇筑的道轨大部分脱落。同时，在仓壁部分脱落时，非常容易造成堵仓，处理堵仓时，往往采取爆破的方法，爆破过程中，进一步对下部圆锥体造成了破坏。经现场实测，煤仓东侧由于仓壁脱落形成了一个宽度6.0 m、深度5.0 m、高度8.0 m 的大坑。下部锥体受冲击影响，锥体已完全破坏，锥体口直径平均在4.0 m 左右，快接近煤仓直径，煤仓破坏情况如图2 所示。

图2 煤仓破坏实测Fig.2 Measurement of bunker failure

2.2 煤仓变形破坏机理分析

2.2.1 工程地质与水文地质原因分析

煤仓围岩从上至下依次为细砂岩、铝土质泥岩、粉砂质泥岩，铝土质泥岩厚度达6.0 m，铝土质泥岩为遇水泥化岩层，岩性较软，不利于支护。煤仓上部为砂岩含水层，长期向仓内滴淋水，据实测正常涌水量在3 m3/h，砂岩含水层出水沿仓壁裂缝向铝土质泥岩层渗透，导致铝土质泥岩层泥化后脱落，且随着脱落范围的增大，脱落速度越来越快，严重影响煤仓的安全使用。

2.2.2 煤仓施工原因分析

正常情况下，煤仓施工一般采用反井法施工，即先用钻机在从上部向下打一钻孔与下部硐室钻透，然后装上反井钻头自下向上刷大。但该煤仓施工时采用自上至下爆破法施工，爆破过程中由于震动影响，使仓壁围岩产生裂隙；且4226 采区煤仓支护采用锚网喷支护，锚杆为φ22 mm、长3.0 m高强度螺纹钢锚杆，喷射混凝土封闭，支护仅对浅部围岩进行了支护，未采用锚索进行深部加强支护，导致支护强度不高。另外，煤仓施工时，未采取任何防水措施，导致煤仓涌水直接流入仓内，影响煤仓正常使用。

2.2.3 生产管理上原因分析

4226 采区煤仓自投入使用后，由于淋水的逐渐增大和采区原煤含水量较大，导致煤仓后来不能正常存煤，一直处于空仓运行状态。空仓运行时，原煤自上部皮带卸载滚筒处自由落体至下部锥体上，原煤直接冲击仓壁和锥体，导致下部锥体道轨脱落、下部仓壁喷浆体被砸坏后开始脱落，导致支护锚杆失效，围岩松动脱落，加上上部淋水顺仓壁流入已松动的铝土质泥岩层，造成铝土质泥岩泥化后脱落。同时，煤仓运行过程中，有时下口由于大块造成堵仓，而处理堵仓时，往往采取放炮崩的方式，加剧煤仓变形破坏速度。

3 煤仓综合治理

3.1 采区出煤系统改造

为确保采区生产正常进行，同时为煤仓治理创造条件，煤仓施工前提前对采区出煤系统进行改造，通过利用采区下部的联络巷以及下部巷道布置条件，在联络巷内铺设一部刮板输送机，同时，在采区轨道下山下部铺设两部刮板输送机搭接到-350 大巷强力皮带，将皮带机头卸载部缩短至联络巷口处，实现对出煤系统的改造，如图3 所示。

图3 采区出煤系统改造示意Fig.3 Transformation of coal extraction system in mining area

3.2 煤仓仓壁加固

3.2.1 锚喷支护

从煤仓上口自上而下采用φ22 mm、长3.0 m高强度螺纹钢锚杆配合金属经纬网、φ14 焊接钢筋梯子梁进行加固，锚杆间排距800 mm×800 mm，梯子梁十字形布置，要求锚杆扭矩达到300 N·m 以上，抗拔力达到127 kN 以上。对仓壁脱落段悬顶处，在锚杆加固基础上，采用φ21.8 mm、长8.3 m 钢绞线锚索进行加强支护，锚索排距0.8 m，间距1.2 m，确保悬顶处的支护强度。支护布置如图4 所示。施工完毕后喷混凝土封闭。

图4 煤仓锚杆及悬顶处锚索布置Fig.4 Arrangement of coal bunker anchor rod and anchor cable at overhanging roof

3.2.2 注浆锚索支护

（1） 支护原理。针对煤仓软岩段岩性裂隙发育、遇水易泥化的特点，采用中空注浆锚索对该层进行加固封闭，同时注浆可有效封闭出水通道，起到堵水作用。中空注浆锚索采用中空设计，该锚索自带注浆芯管，采用反向注浆方式，消除了产生气穴空洞的可能，注浆扩散半径可达5~ 8 m，使浆液充填到松动的围岩裂隙中，形成一个较大范围的围岩加固拱，有效地提高了锚索与围岩共同支护的加固效果，充分体现了主动支护理论的积极作用。

（2） 支护参数设计。煤仓注浆锚索采用直径21.8 mm、长6.3 m、抗拉强度在1 860 MPa 以上的中空注浆锚索，注浆管直径10 mm，中空注浆锚索包括锚索索体、止浆塞、托盘、锁具等，托盘为300 mm×300 mm×17 mm（长×宽×厚） 钢制托盘，采用树脂药卷CK2335、Z2360 各一卷端头锚固，锚固长度不能超过1.5 m，以免堵塞注浆管口，锚索间排距1.5 m×1.5m，如图5 所示。根据煤仓仓壁岩性分布情况，注浆锚索主要布置在铝土质泥岩段，实现对该段的注浆加固和封堵。

图5 煤仓仓壁注浆锚索布置方式Fig.5 Arrangement of grouting anchor cable for coal bunker wall

（3） 注浆锚索施工工艺。打眼和安装施工与普通锚索施工一样，先采用锚杆机钻出30 mm 孔径的锚索孔，之后及时采用树脂锚固剂对锚索进行安装，为防止塌孔后锚索无法安装，锚索安装工作要在打眼后立即进行。待锚固剂凝固后安装止浆塞，并上托盘涨拉，达到承载力。之后采用水泥-水玻璃进行注浆，水泥- 水玻璃注浆材料具有浆液凝胶时间可准确控制、结石率能达到100%、结石抗压强度能达到10～20 MPa、材料来源丰富、价格便宜等特点。因此，煤仓注浆时采用425 号普通硅酸盐水泥，水灰比1∶1，水玻璃添加比例为水泥重量的8%～15%，注浆压力不小于3.0 MPa，不超过5.0 MPa。根据注浆吃浆情况，可随时调整水灰比和添加剂比例，保证注浆效果。

注浆过程中，要缓慢启动注浆泵，边搅拌边注浆，防止浆液沉淀，密切关注注浆压力变化情况，如压力超过规定值时要及时停止注浆，分析原因是否为已注满或是注浆管堵塞。注浆时，要安排专人观察煤仓仓壁以及煤仓下部跑浆情况，如出现跑浆现象，应及时停止注浆，采取措施封堵跑浆通道后再开泵注浆。

3.3 煤仓涌水治理

3.3.1 煤仓治水方案的确定

根据观测，煤仓上部硐室底板有部分出水，通水仓壁出水点分散，且出水点多，总涌水量在3 m3/h 左右，因此，通过分析认为，采取直接封堵出水点可能效果不佳，需采取疏、堵、截相结合的综合治水技术。

3.3.2 明挖水沟

通过分析煤仓出水通道，煤仓涌水大部分位于上部砂岩含水层位，由于该层靠近煤仓上部硐室底板，在硐室东侧有一部分出水较为集中，因此，在煤仓上部硐室东侧底板开挖一宽500 mm，深度1.0 m 的水沟，水沟底板采用混凝土浇筑，使部分涌水直接流入水沟内，通过水沟流入煤仓联络巷内，使其不再流入煤仓，减小水量约0.5 m3/h 左右。

3.3.3 注浆堵水

根据观察，煤仓仓壁淋水分散，说明煤仓仓壁裂隙较发育，因此通过施工注浆锚索，注浆锚索如前所述，注浆锚索不仅起到加固围岩的作用，同时，对仓壁发育的裂隙进行有效封堵。注浆后，仓壁堵水效果明显，水量减小约1.0 m3/h 左右。

3.3.4 截水槽截水

在煤仓仓壁最后喷浆封闭时，煤仓仓壁仍有几个集中出水点，对这一部分出水，通过制作截水槽将涌水汇集，之后在仓壁预埋一根2 寸钢管，将涌水汇集到钢管内，在仓壁开挖一暗沟，将钢管埋入暗沟内，钢管下部直接通到煤仓下部硐室，最后喷浆封闭。通过截水，煤仓约1.0 m3/h 左右的涌水通过暗管直接排至下口，不再流入煤仓。

通过以上综合治水措施，煤仓大部分涌水不再流入仓内，满足了煤仓正常存煤要求。

4 效果分析

在4226 采区煤仓治理加固过程中，在仓壁施工锚杆220 根，加固锚索36 根，注浆锚索60 根，共注水泥3.7 t。煤仓仓壁软岩段施工时，发现个别锚杆施工困难，塌孔严重，说明该处围岩受长期淋水影响，围岩极其松软，因此，注浆时，在该处两侧布置注浆锚索注浆加固，通过注浆提高软岩强度，以提高起承载性能。4226 采区煤仓经过综合治理加固后，煤仓变形得到有效控制，再未发生仓体脱落现象，同时，大部分涌水得到治理，仓壁出水量减小到0.5 m3/h 左右，实现了煤仓的正常存煤运转。

5 结 论

通过分析煤仓围岩性质、煤仓破坏原因以及对煤仓出水点进行综合分析，运用浅部锚喷加固、深部注浆加固、疏堵截综合治水等方式，实现了煤仓的加固及涌水治理，保证了煤仓安全正常运行。

（1） 通过利用下部巷道布置条件，合理的改造了运煤系统，保证采区正产正常运转的同时，为煤仓治理创造了施工条件。

（2） 浅部锚喷、深部注浆锚索的加固方式，将煤仓抗变形承载能力大大增强，特别是软岩段通过深孔注浆的方式，提高了软岩强度，使该段围岩抗变形能力大大提高。

（3） 通过在悬顶处加打锚索的方式，有效提高了悬顶处的支护强度，保证了支护质量；

（4） 通过上部疏水、仓内注浆堵水和仓壁截水槽截水的方式，有效减少了煤仓仓壁涌水量，实现了煤仓正常存煤运转。