玉溪煤矿井底车场系列巷道围岩加固技术实践

李军亮

(晋城市煤炭煤层气工业局，山西晋城048000)

玉溪煤矿是2.4Mt/a的建设矿井，位于沁水县胡底乡，主要开采煤层为3号煤。该矿3号煤开拓巷道埋深在500～600m之间，现在正在进行井底车场等开拓巷道的掘进，井底车场巷道布置在距3号煤层约20m的底板岩层中。巷道主要采用锚网索喷支护，巷道支护成型后，随巷道掘进，不长时间内井底车场系列巷道 (+320m水平井底车场中清理撒煤巷道、进风井东部车场巷道、架空乘人器硐室、无轨胶轮车库、马头门)均有不同程度的变形，主要表现为巷道帮部和拱顶喷层开裂现象多，喷层成片掉落，掉落喷层的地方，可以看到裸露钢筋网片和围岩体，严重威胁了现场正常施工行人的安全。进风井水窝位于进风排矸立井井底，水窝井壁变形后，浇筑的钢筋混凝土严重开裂，部分脱落，由于井壁变形导致井筒内罐道钢梁产生弯曲，严重影响了罐笼运行安全和井底巷道开拓的排矸。且从现场井下调研发现，部分巷道变形仍未稳定，巷道帮、拱喷层仍不断产生新的裂缝。因此必须对玉溪煤矿井底车场产生变形的巷道围岩加固技术进行研究，提出科学合理的加固支护技术，解决此类一次支护后的开拓巷道围岩变形控制难题，保证巷道为整个矿井服务期间的安全以及矿井的正常开拓。

1 掘进时支护状况

进风排矸立井马头门部分巷道段采用钢筋混凝土浇筑支护，井壁混凝土强度不得小于C40;其余井底车场巷道采用锚网索喷联合支护，施工时如果围岩条件较差，采取增加锚索等加强支护方式。锚杆采用高强树脂锚杆，杆体材质为左旋无纵筋螺纹钢，托板规格150mm×150mm×10mm，锚杆锚固力不小于50kN，锚索的预紧力不小于100kN，锚杆间排距800mm×800mm;锚索索体采用高强度低松弛预应力钢绞线，托板规格300mm×300mm×12mm，锚固力15t;喷射混凝土强度等级为C20，铺底混凝土强度等级为C30;金属网采用φ6mm钢筋加工而成，网孔规格为150mm×150mm，考虑10%的搭接量。

2 围岩结构调查

为了更加详细了解巷道围岩破坏情况以确保加固方案设计更加准确，对井底车场系列巷道围岩内部进行了钻孔窥视，调查巷道围岩破坏的深度和裂隙发育程度。根据井下巷道围岩的变形程度共布置了5组测站，分别为井底车场中清理撒煤巷道、无轨胶轮车车库、东线联络巷、架空乘人器硐室、进风井水窝及马头门，每组布置3个钻孔，两帮各1个，顶板1个，钻孔深度8～10mm。以马头门处钻孔为例窥视结果如图1所示。

从图1(a)看出:马头门南帮距孔口1600mm范围内，有7条开度非常大的横向裂隙发育，孔壁十分破碎，围岩完整性非常差;距孔口2000mm和2500mm处有2条横向裂隙，裂隙开度较大，孔壁围岩完整性较差;距孔口2800mm处有1条开度非常大的横向裂隙，孔壁破碎;围岩完整性差;距孔口4300mm处有1条开度较大的横向裂隙，孔壁较破碎;距孔口5300mm和5500mm处有2条横向裂隙，裂隙开度较大，孔壁围岩完整性较差，距孔口6100mm和7300mm处有2条横向裂隙，裂隙开度大，其他位置围岩整体性较好。

图1 马头门处钻孔窥视结果

从图1(b)看出:马头门顶板距孔口600mm范围内，有多条横向和纵向裂隙交错发育，裂隙开度均非常大，孔壁十分破碎，围岩完整性非常差;距孔口1300～2500mm之间有多条横向裂隙，裂隙开度较大，孔壁围岩完整性较差;距孔口2600～2900mm之间有多条开度较大的横向和纵向裂隙，孔壁围岩较破碎，围岩完整性较差;距孔口4100mm处有1条煤线，煤体较破碎，距孔口6500mm和7600mm处有2条横向裂隙，裂隙开度较小，孔壁围岩完整性差，其他位置围岩整体性较好。

从图1(c)看出:马头门北帮距孔口600mm范围内，有多条横向和纵向裂隙交错发育，裂隙开度均非常大，孔壁十分破碎，围岩完整性非常差;距孔口800～1100mm之间有多条横向和纵向裂隙交错发育，裂隙开度非常大，孔壁围岩十分破碎，孔壁围岩完整性很差;距孔口1400mm，1900mm，2200mm，2600mm和3100mm处有5条开度很大的横向裂隙，孔壁围岩较破碎，围岩完整性很差;距孔口3900mm和4900mm处有2条开度较小的横向裂隙，孔壁围岩完整性较差。探头推至7000mm处，由于有岩块堵住，探头无法进一步推进。

结合其他窥视情况看:进风排矸立井水窝帮部围岩内部裂隙发育，围岩破碎，导致塌孔，探头无法进一步深入窥视，但从马头门窥视结果可知水窝帮部的破坏深度大于目前窥视的深度;马头门破坏深度达到了8000mm，且局部围岩裂隙开度较大，围岩十分破碎，其中帮部围岩的破坏深度比顶板大，破坏程度比顶板更为严重，巷道围岩的破坏由浅入深，浅部围岩的破坏程度比深度更严重;井底车场清理撤煤巷道、东线联络巷、架空乘人器硐室围岩变形严重处裂隙发育深度达到7000mm，变形轻微处裂隙发育深度也达到了5000mm;胶轮车库由于浅部围岩十分破碎，孔壁浅部塌孔未能窥视，但由现场同层位的其他巷道围岩窥视结果以及巷道围岩拱顶、帮部围岩的变形破坏程度，可知围岩内部裂隙较发育，围岩裂隙扩展的深度大。

3 变形原因分析

结合现场巷道支护现状、围岩变形破坏调查和窥视结果综合分析表明:井底车场系列巷道虽然作为新掘巷道，但由于对巷道围岩的支护强度偏弱，导致现有支护难以控制井底车场巷道的有害变形，而且由于喷射混凝土为刚性体，巷道围岩稍有变形喷层容易开裂，进一步发展就会产生脱落，影响喷层的支护效果，致使巷道原来的支护部分失效，内部产生裂隙，并且裂隙随着围岩变形不断向深处延伸，进一步导致原支护失去支护效力，最终巷道破坏，失去使用功能。

4 加固方案的选择

4.1 加固方案对比

变形巷道的围岩加固控制通常可采取的方法有如下几种:

(1)钢棚加金属网联合支护 金属网可以防止脱落破碎岩块掉落伤人，也可防止围岩受地压或其他因素影响突然冒顶垮落。但由于钢棚加金属网联合支护为被动支护，难以对围岩施加控制变形的预应力，棚式支架随着围岩变形的发生和增加，所承受的围岩挤压力增加，实现对围岩变形的抵抗与控制，棚式支架发挥支护作用的过程也是破碎围岩变形的发展过程。棚式支架应用于高应力环境下的巷道围岩控制时，往往随支架所受围岩应力的增加自身变形量增大，最终因过载造成支架破坏、支护失效，且高应力、大断面等不利条件将加速棚式支架的变形破坏。

(2)锚杆、锚索联合支护 锚杆锚索支护的原理是对围岩施加足够的预紧力，使围岩形成次生承载结构，充分发挥围岩承载能力，进而防止围岩扩容破坏的发生，是根本解决高应力、大断面巷道围岩变形破坏的可靠方法。但对于围岩变形的巷道，由于围岩产生裂隙，内部应力破坏，这将导致锚杆锚索所需的锚固力不足。且巷道围岩内裂隙或离层部位将阻断锚杆锚索作用于围岩的预应力在锚固区的传递，围岩离层开裂对锚杆预应力的影响见图2，使变形产生裂隙的围岩失去约束，从而不能达到支护效果。

图2 围岩离层开裂对锚杆支护作用的影响

(3)注浆加固 破碎围岩注浆加固原理是:浆液注入破碎围岩后充填围岩内部裂隙，并对开裂破坏的围岩进行胶结，使遭到破坏的围岩恢复为具有较连续的结构体。当形成的胶结体具有足够强度时，可有效阻止巷道围岩内部裂隙位置处的破坏扩展。可见，注浆加固是在改变破碎围岩内部结构基础上实现对围岩的加固过程，高应力环境下，选择具有高强度结石体的注浆浆液，在改变围岩内部结构的同时，阻止围岩内部裂隙区扩容破坏的发展，同时使破碎围岩的可锚性显著增强，为锚杆锚索支护提供足够的锚固力。但单纯的破碎围岩注浆，并未改变围岩的应力条件，高应力环境下，围岩自身及围岩裂隙面与浆液结石体间，较易再次被高应力压裂，因此单一的围岩注浆加固难以阻止加固后的再次破坏。由于巷道支护强度偏弱，掘进巷道已产生不同程度的变形，围岩内部裂隙均有不同深度和不同程度的扩展，而且部分巷道围岩变形仍未稳定，因此必须针对巷道的变形特点，在恢复围岩结构的基础上提高原有支护承载结构的承载能力，控制巷道围岩的持续变形。为确保井底车场巷道围岩稳定与安全，有必要对巷道围岩进行注浆加固。

4.2 加固方法的确定

根据现场生产、地质条件调查和围岩结构详查，玉溪煤矿井底车场巷道由于支护强度偏弱，导致巷道刚掘进不久便产生变形破坏。巷道围岩压力大、结构破碎松软。大量工程实践表明，单一的加固方法不能有效控制此类破碎围岩的长期蠕变及进一步破坏，对此类巷道加固工程应在恢复围岩内部结构完整性的基础上，加强对巷道围岩的主动支护。针对此巷道特点，参考原有巷道支护参数及其他有效工程实践，经矿方及相关专家论证保证安全和效果的前提下，决定采用高压注浆配合强力锚索支护的综合加固方案。

高压注浆后，破碎围岩基本上恢复连续状态，但承载能力仍较弱，尤其是底板破坏深度较大，部分基础已碎裂或松动。注浆是为了使巷道变形产生裂隙的围岩粘合在一起，恢复相对完整的连续结构围岩，增加围岩主动承载能力。

强力锚索加固的目的是在破碎围岩恢复连续性后，对其施加强力的边界条件，使注浆后的围岩具有较强的承载能力，阻止围岩再次破坏，确保加固后的巷道围岩稳定。因此，注浆施工后必须加强对围岩的支护

4.3 加固范围

根据现场地质条件和巷道围岩变形严重程度调查，初步确定井底车场巷道需加固的范围为:井底车场清理撤煤巷道加固长度76m;架空乘人器硐室加固长度43.4m;无轨胶轮车库加固长度75m;进风井东部车场巷道加固长度179m;马头门硐室加固长度30m;进风排矸立井水窝加固长度28m。

4.4 注浆材料选择

注浆一方面要充填围岩内部裂隙，另一方面必须保证围岩裂隙不再次张开，从保证浆液结石体强度和黏结力两方面考虑，确定本工程围岩注浆采用水泥浆与高分子化学浆，进行混合注浆 (由于裂隙刚形成，部分区域未能形成连续的裂隙，水泥浆为颗粒型注浆材料，可注性差，当遇到水泥浆液无法注入的地方进行化学注浆)。

4.5 加固施工顺序

整个工程的施工顺序为先进行巷道帮顶的注浆施工，巷道帮顶的施工顺序为:高压水泥注浆→化学注浆→注浆锚索支护。

加固顺序:两帮加固→顶板加固。

注浆加固施工工艺:帮、顶水泥浅孔注浆→帮、顶水泥深孔注浆→化学注浆→帮、顶预应力注浆锚索支护。

5 效果检验

矿压监测的目的是检验加固质量和了解围岩状态。矿压监测的内容包括巷道表面位移 (十字布点)和支护体 (锚杆、锚索)受力变化监测(GYS－500测力计)。监测方法如图3，图4所示，典型监测数据见表1。

图3 巷道表面位移监测断面布置

图4 锚索 (杆)测力计安装示意

表1 井底巷道注浆前后表面位移监测数据

通过注浆前后的矿压观测 (巷道表面位移监测、支护体 (锚杆、锚索)受力变化监测和巷道表面观感质量检查)，各监测值及巷道表面观感效果均在设计允许范围内。

6 结论

玉溪煤矿高压注浆配合强力锚索支护的综合加固设计方案实施后，架空乘人器硐室加固前监测垂直方向最大位移0.309m，注浆加固初期降至0.016m，加固后期降至0.007m;水平方向从0.334m初期降至0.041m，后期降至0.007m。胶轮车库加固前监测垂直方向最大位移0.161m，注浆加固初期降至0.015m，加固后期降至0.009m;水平方向从0.126m初期降至0.01m，后期为0.014m。从监测结果来看加固方案完全达到了预定目标，有效地解决了工程施工过程中遇到的难题，保证了施工质量和安全，给煤矿工程解决类似问题提供了思路和方法。在具体的工程实践中，根据地质条件和各类支护参数再进行数值模拟实验，确定合理的支护设计方案。

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