深部薄基岩宽大硐室顶板加固及强化支护技术研究

孟凡贞，钱自卫，吕文茂，范宝江、3

（1.山东能源集团兖矿能源集团股份有限公司，山东 邹城 273500；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3.兖煤万福能源有限公司，山东 菏泽 274900）

0 引言

我国东部地区煤炭资源开采时间早，开采强度大，浅部资源逐渐枯竭，开采逐渐向深部延伸。深部开采面临高温、高地压、高水压、强采掘扰动的“三高一扰动”问题[1-3]，灾害强度大，防治难度高。随着技术及装备的不断进步，相关防灾控灾能力虽已大幅提升，但由于复杂的地质及采掘环境，破坏性较强的灾害仍时有发生，严重限制了深部资源的开采。项目研究区万福矿井所在的山东巨野煤田具有开采深度大、松散层厚、地温高的特点，需克服冲击地压、突水等重大地质灾害[4-5]，煤田内的李楼煤业、新巨龙能源、万福矿井都曾发生过严重地质灾害。2018年万福矿井回风暗斜井施工过程中发生11.2严重突水溃砂事故，造成严重的经济损失；另外由于复杂的井下地质条件，万福矿井的整体建设进度也受到到极大的影响，严重滞后于建设计划。新建胶带暗斜井机头硐室埋深大、基岩薄，地质条件较突水溃砂的暗斜井更复杂，为此采用了相关加固措施，以保证硐室的安全。

1 工程概况

1.1 机头硐室概况

万福矿井胶带暗斜井机头硐室为平巷，总长约为70 m，硐室共设计5个壁龛，硐室掘进最宽处8.02 m；分3级高度，掘进最高处达到6.6 m。硐室埋深810 m左右，硐室顶与新近系的最小距离仅为48 m（见图1），为典型的在深部薄基岩区域建造的宽大硐室。

1.2 硐室地质条件

1.2.1 顶板基岩

胶带暗斜井机头硐室顶板上覆基岩层较薄，上覆岩层主要为细砂岩和泥岩互层为主（见图1），层间细砂岩、泥岩的抗拉强度分别为0.65～2.54 MPa、0.80～1.14 MPa；层间细砂岩、泥岩的干燥状态抗压强度分别为20.7～28.38MPa、9.68～13.46MPa，浸水后抗压强度分别为9.68～13.38 MPa、0～4.07 MPa，泥岩的强度较低，且水稳性较差。

1.2.2 松散层

根据地质资料，胶带暗斜井机头硐室顶板充水含水层主要为新近系底部砂层，为间接充水含水层。万福矿井新近系厚483～650.75 m，平均575.46 m，由东北向西南逐渐增厚。由粘土、砂质粘土和砂砾层相间沉积组成。据钻探取芯、测井资料及地震资料综合解释成果，新近系可分为上、下2段：

上段（N上）：厚213.6～307.1 m，平均265.13 m。由中、细砂层与杂色粘土、砂质粘土相间沉积而成。含砂层13～43层，单层砂层厚度0.45～23.9 m，砂层累厚58～190 m，平均117 m，砂层厚度占本段厚度的23%～66%，一般为40%左右。多数钻孔砂层单层厚度较小，上部砂层连续性较差，下部砂层多，且连续性增强，成犬牙交错状相连，砂层较松散，富水性较强，含松散孔隙承压水。

下段（N下）：厚189.4～377.3 m，平均310.33 m。砂层以灰白、棕黄色的中、细砂为主，砂质不纯，多含泥质成分，含砂层7～51层，单层砂层厚度0.6～38.7 m，砂层累厚13～290 m，平均144 m，砂层厚度占本段厚度的20 %～69 %，一般为40 %左右。该段中、上部砂层砂层较多且连续性好。底部受古地形影响砂层厚度变化大，连续性变差，多呈透镜状。该层段底部多为中、厚层的砂、砂砾层直接覆盖在下伏基岩之上，底部砂层厚度1.50～31.00 m，平均7.49 m。精查阶段利用W-6、W-17号孔对N下底部砂层进行了抽水试验，抽水段砂层累厚35.25～45.88 m，水位标高33.48～35.67 m，单位涌水量0.109 68～0.632 02L/（s·m），富水性中等，矿化度5.301～5.686 g/l，水质属SO4-Na＋Ca型水。

胶带暗斜井机头硐室位置松散层（第四系+新近系）厚度达到760 m左右，新近系底部50 m段砂层厚度约20 m，单位涌水量为0.231 1～0.4377 L/(s·m)，平均渗透系数为2.07 m/d，渗透性及富水性均属于中等。

2 机头硐室顶板安全性理论计算

根据《煤矿防治水细则》掘进工作面底板安全隔水层厚度计算公式，同原理进行变换，针对顶板掘进工作面安全隔水层厚度计算可采用公式（1）。

式中：t为安全隔水层厚度，m；L为巷道顶板宽度，硐室壁龛处最宽，取15 m；为顶板隔水层的平均重度，取0.024 5 MN/m2；Kp为顶板隔水层的平均抗拉强度，MPa；p为顶板隔水层承受的实际水头值，取7.6 MPa。

顶板隔水层的平均抗拉强度取顶板泥岩、细砂岩的加权平均值：Kp=1.116 MPa。把相关数据带入公式（1），由于胶带暗斜井机头硐室壁龛位置等效宽度最大，达到15 m，计算安全隔水层厚度最大为28.94 m，即使考虑1倍巷道宽度的松动圈厚度，在无断裂构造的情况下，则顶板隔水层厚度须达到43.94 m，在不考虑基岩风化带的情况下，理论计算值小于计算点基岩实际厚度48 m。

2018年11月2日万福矿井胶带暗斜井在掘进过程中顶板抽冒诱发严重突水溃砂事故，事故点埋深890 m左右，基岩柱厚度114 m。考虑到胶带暗斜井机头硐室顶板基岩厚度仅48 m，同样存在突水溃砂风险，为保证硐室安全，对硐室顶板围岩注浆加固，并对硐室进行强化支护。

3 硐室顶板围岩注浆加固

3.1 注浆钻孔布置

胶带暗斜井机头硐室顶帮注浆加固钻场布置于距离胶带暗斜井机头硐室联络巷约26 m位置，加固总段长100 m左右。共施工探注孔10个，单孔孔深114 m，钻岩总进尺1 140 m（见图2）。预设浆液扩散半径2.5 m能够形成交圈效果，围岩总加固厚度5 m左右。

图2 胶带暗斜井机头硐室围岩预注浆孔布置图

表2 注浆加固孔参数设计表

3.2 钻孔结构

井下注浆孔均设计安装套管，套管长度6 m，管径φ108 mm。孔口管安装完成后，套孔钻进设计采用φ75 mm钻头。上仰孔采用水泥-水玻璃双液浆外注内返浆法固管，水平孔采用内注外返浆法固管。待固管浆液充分固结后，注浆孔采用φ75 mm钻头无芯套孔钻进至6.5 m进行耐压试验，试验压力不小于12.0 MPa。确保孔口管安装稳固后，原位采用φ75 mm钻头无芯套孔钻进，钻进时孔口必须安装防喷阀门。

3.3 注浆施工情况

采用间跳顺序施工，先按孔序施工奇数号孔，再施工偶数号孔，由于施工条件限制，预计设置1台钻机施工。钻进较顺利，未出现塌孔、卡钻现象，硐室段无断裂构造发育。钻孔成孔速度较快，正常钻进钻速约4 m/h。钻孔出水量总体较小，0～10 m3/h不等，其中4个钻孔无水，3孔水量在1 m3/h之下，10号钻孔水量最大为10 m3/h。

各注浆孔设计单次注浆，直接钻进至设计孔深进行注浆。注浆孔口终压为8.0 MPa。注浆主要选用纯水泥浆液及水泥-水玻璃双液浆，纯水泥浆为主、双液浆为辅。水泥建议选用标号为42.5的水泥，水玻璃浓度不低于36波美度。浆液水灰比为2∶1，单孔注浆量2～9 t不等，注浆终压均在8 MPa以上，合计注入浆液85 m3。

注浆加固后，巷道掘进过程揭露地层整体结构与预想地质资料吻合，岩层结构稳定，未发现有岩层破碎及断裂构造发育，掘进过程中采用常规锚网喷支护，未发生冒顶现象。

4 硐室强化支护措施

4.1 强化支护设计

胶带暗斜井机头硐室设计断面形式为马蹄形，最大荒断高6.6 m，最大荒宽8.2 m，底板设计标高-765 m，巷道揭露岩性主要以砂岩、泥岩，前期周围地应力测量数据约30 MPa。

考虑到胶带暗斜井机头硐室的重要性及现场地质条件的特殊性，在原锚网喷支护的基础上增设“锚注+约束混凝土拱架”加强支护。

锚网喷支护参数：锚杆：φ22 mm×2 400 mm，间排距800 mm×800 mm；锚索:φ22 mm×8 000 mm，间排距1 600 mm×1 600 mm。

锚注参数：注浆锚杆：φ32 mm×2 500 mm，间排距1600 mm×1 600 mm；注浆锚索：φ22 mm×6 200 mm，间排距1600 mm×1 600 mm；浆液：P42.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.6。

约束混凝土拱架：200×10的方钢，间距800 mm，在完成初次支护后进行架设，最后进行砌碹浇筑。砌碹：C60混凝土，厚度500 mm。

4.2 强化支护效果评价

4.2.1 锚注效果

胶带暗斜井机头硐室围岩采用注浆锚杆+注浆锚索隔排注浆的方式，共计注入水泥浆液236.85 t。监理单位和施工单位进行现场注浆跟班，对注浆质量进行把控和记录。分析注浆原始记录表可知，胶带暗斜井机头硐室围岩裂隙发育不均匀，单孔注浆水泥用量从一袋到十几袋不等，多集中在5袋左右，基本满足注浆要求。注浆后钻孔窥视结果显示，胶带暗斜井机头硐室围岩裂隙得到了有效填充，可见明显浆液存在。架棚段右拱肩存在一处淋水点，分析可知此处淋水水源来自顶板砂岩，为了避免封堵此处淋水点导致仓顶硐室淋水，因此采用疏放的措施，目前此处淋水水量已经明显减小。

4.2.2 约束混凝土拱架壁后充填效果

约束混凝土拱架间距800 mm，共完成90榀。约束混凝土拱架与围岩之间采用砂浆填充。壁后充填属于隐蔽性工程，对约束混凝士拱架的整体支护效果具有重要影响，施工结束后采用窥视及敲击法充填质量进行检测，共布置9个检测断面。施工结束后采用窥视及敲击法充填质量进行检测，共布置9个检测断面。

采用敲击法和观察法对帮部探孔进行检验，检测结果表明帮部壁后充填质量良好，拱架与围岩均匀接触。在帮部钻孔周围进行敲击未听到空腔，未出现防水布被敲破情况。采用钻孔窥视仪对肩部探孔进行检测，结果表明拱肩部位壁后充填效果良好（见图3）。

图3 典型断面探测截图

采用砂浆充填拱架和围岩间空隙，可使拱架与围岩受力更加均匀、充分，现场检测显示，帮部和肩部充填质量良好，对于拱部位置，存在充填不密实区域，应采用注浆管继续对拱部进行注浆，保证拱架的支护作用能够充分发挥。

4.2.3 约束混凝土拱架支撑效果

约束混凝土拱架现场支护效果图及变形情况如图4、图5所示，对比架棚段和未架棚段现场监测数据，架棚段最大变形33 mm，未架棚段最大变形85 mm，且有继续增长的趋势，说明约束混凝土拱架较好的抑制了围岩变形。机头硐室壁龛开口处，架棚前最大跨度达14.7 m，通过在壁龛内架棚以及顶板锚索钢梁支护，增强了顶板的稳定性。

图4 约束混凝土拱架现场支护效果图

图5 硐室变形监测对比曲线

5 结论

1）胶带暗斜井机头硐室埋深达到810m，顶板基岩厚度仅48m，无断裂类构造发育，顶板泥岩强度较弱，稳定性差，存在突水溃砂风险，开展硐室顶板注浆加固及加强支护具有必要性。

2）采用预注浆方式进行顶板围岩加固，共布设注浆孔10个，间跳顺序施工，注浆终压控制在8MPa以上，共注入浆液85 m3，对硐室顶板围岩起到理想加固效果。

3）机头硐室掘进后采用“锚注+约束混凝土拱架”进行加强支护，注入水泥236.85 t，架设约束混凝土拱架90榀。约束混凝土拱架与围岩之间采用砂浆进行填充，架棚段和未架棚段对比监测说明约束混凝土拱架较好的抑制了围岩变形。