深部开采软岩硐室联合加固技术研究

卢 军

（煤炭工业石家庄设计研究院贵州分院）

在地下煤炭资源开采过程中，巷道围岩变形机理与加固控制技术是一直被研究的重要内容。井下巷道围岩稳定性关乎煤炭资源的正常生产［1］。井下硐室作为巷道的一种，尤其是深部开采下的软岩硐室，其安全性更是影响着矿井生产的效率与安全［2］。对于软岩硐室联合加固技术，诸多学者做了大量相关研究，并在理论与实践上都取得了相应成果。深部高应力软岩硐室围岩控制理论与技术已经形成一套系统。通过研究深部开采软岩硐室围岩与支护加固体作用机理，得出硐室围岩应力的控制方法主要包括围岩加固法、卸压法以及联合法等有效措施［3-7］。但是深部开采软岩硐室围岩变形与破裂事故仍然时有发生，因此，对深部开采软岩硐室联合加固技术的研究需要长期进行［8］。

1 工程背景

贵州某矿煤炭资源储量丰富，整个矿区煤炭赋存超过50 层，含煤地层平均总厚度超过350 m，煤层总厚度为43 m，含煤系数为12%，其中井田内可采煤层18 层，可采煤层总厚为25 m，包括全区可采煤层11.7 m，大部分可采煤层8.9 m，局部可采煤层3.5 m。井田内已发现断层上百条，大部分出露于地表，其余全部是隐伏断层。煤组隔水层厚度较大，覆岩裂隙较小。贵州矿区地处云贵高原，煤层埋深较大，煤层覆岩大多为泥岩，岩性较为软弱。这种开采条件存在高应力环境，并且煤岩体较为软弱，严重加剧了巷道围岩变形破坏程度。该井田下硐室布置较多，在高应力环境下硐室容易变形失稳，对硐室采取联合加固技术，防治硐室破坏是确保煤炭资源安全高效开采的前提。

2 硐室联合布置原理

硐室在矿井中具有重要作用，在矿井中硐室主要有变电所、水仓、人员避难硐室等，合理地布置硐室有利于提高矿井的工作效率，充分发挥矿井系统的潜力，保证矿井安全生产。一般需要根据矿井的地质情况、煤层的分布及储存情况合理布置硐室。通常有同位布置和错位布置2 种。同位布置在薄煤层、中厚煤层、厚煤层中均适用，硐室在同一层位之间，平行分布，相隔一定距离，减小相邻硐室围岩相互影响。通过同位布置，可以有效防止应力叠加，巷道围岩压力过大造成巷道大变形。而错位布置对矿井煤层储存要求较高，主要适用于厚煤层及特厚煤层中。硐室之间错位布置且开挖间隔一定距离，防止开挖造成应力集中且发生叠加效应，有利于井下围岩控制，减少矿井巷道围岩变形，保证巷道的安全掘进。硐室同位与错位布置方式如图1所示。

3 深部软岩硐室围岩变形特征分析

通过对深部软岩硐室围岩进行钻孔窥视，可以更加准确地分析深部软岩硐室围岩力学特性，钻孔窥视探测原理是利用向围岩中打入钻孔到一定深度，通过窥视画面，直观地分析围岩的破坏程度及周围裂隙发育程度，具有操作简单、成本较低、分析便捷等优点。通过钻孔窥视仪的应用与分析，进一步深化对巷道稳定性影响的研究。如图2所示，向围岩中打入深度为24 m 的钻孔，进行观测。通过钻孔数据分析，在刚揭露钻孔的位置，岩体较为完整，结构未被破坏，有少量横向裂隙分布，存在部分夹煤，围岩的完整性较高。3～5 m 围岩裂隙开始逐步增多，且出现分裂块，围岩凹凸不平，其围岩完整性相对减弱。10 m 以后，围岩裂隙增多，裂隙周围出现了较多破碎块，岩体整体越发不稳定。12～18 m 裂隙继续增多，范围继续扩大，且裂隙深度较大，多处出现较为密集的大量裂隙，较多破碎块段区域，围岩完整性较差，该范围内的顶板整体受该裂隙影响较大，围岩破碎较为严重。22 m 以后，仅局部存在少量裂隙，这些裂隙较为分散，对顶板稳定性影响较弱。岩体整体越发稳定，结构完整，仅在不同位置存在局部裂纹，岩层内节理、裂隙发育特征不明显，逐步进入围岩相对稳定的区域，仅仅在局部范围内分布有少量的微小裂隙，裂隙分布较为分散，且破碎块段较少。

4 硐室加固技术与效果

深部软岩硐室加固主要采取锚注联合加固技术，注浆技术在工程实践会受到注浆孔深度、添加注浆剂类型以及水灰比等多种因素的影响。在对硐室围岩节理裂隙探明的条件下，有针对性地将注浆剂注入围岩裂隙，起到黏结破裂岩体，使围岩硬化的作用，有效增加硐室围岩承载力，进而达到防止围岩变形与破坏的作用。联合加固环节主要包括锚杆锚索对硐室的锚固，采用可注浆式锚杆。打孔后，在锚固封孔段套装上快硬水泥空心药卷，蘸水3～5 s后迅速插入钻孔中，使可注浆式锚杆挡环贴紧到变径台阶上，再用专门的捣杆将药卷捣实，使之与孔壁密接，最后戴上托盘、螺母和注浆联接头等。锚注联合加固技术中，锚固与注浆相互协调，共同作用，才能起到很好的锚固效果。

深部软岩硐室加固技术对于矿井开采意义重大，围岩松软时，围岩变形大，控制难度也大，合理地支护有利于巷道变形控制，有利于巷道的安全掘进。矿井一般采用锚索、锚杆进行联合支护。矿井巷道开挖后，由于受到开采扰动所产生的围岩压力，巷道两帮易发生变形，此时锚杆、锚索支护效果产生，有效地控制形变。锚杆、锚索受力监测数据及巷道两帮变形量数据见图3。

由图3 分析得到：在0～10 d，巷道两帮移近量不大于20 cm，锚杆受力小于40 kN，锚索受力最大为70 kN，受力小于支护破断值，巷道支护可靠有效；在10～30 d，巷道发生较大变形，两帮移近速度加快，其变形移近量最大接近50 cm，巷道发生较大变形主要是由于围岩压力达到锚杆应力支护最大值，当巷道继续变形，其支护主要由锚索来承担，因此这一阶段锚索受力急剧增加；30 d 以后，锚杆、锚索受力趋于稳定，锚杆受力在50 kN 左右，锚索受力在160 kN 左右，巷道两帮移近量在50 cm 左右，移近速度逐渐降低，围岩两帮移近总量趋于平稳，硐室变形总量能够得到明显控制。该项支护方案对于控制软岩硐室的变形具有良好效果。

5 结论

通过对深部高应力开采条件软岩硐室的围岩变形与破坏问题的分析，借助于钻孔窥视等手段，在现场监测了硐室围岩节理裂隙发育情况，了解了硐室围岩内部断裂尺度，提出了科学合理的硐室锚注联合加固控制技术，并在现场工程实践中验证了硐室锚注联合加固的效果。