底板鉆錨注漿技術在高應力軟巖回采巷道底臌防治中的應用

楊曉成,劉志蒙

(1.中國礦業大學(北京) 資源學院，北京 101083； 2.陽泉煤業(集團)股份有限公司，山西 陽泉 045000；3.山西省煤炭規劃設計院，山西 太原 030001)

巷道底臌是一個極其復雜的物理、力學過程，它與巷道圍巖性質、應力狀態及維護方式密切相關。底臌是軟巖巷道圍巖變形和破壞主要方式之一[1-2]。大量的實測資料表明，軟巖巷道底臌量可占到巷道頂底板移近量的70%以上。同時，底板的穩定性顯著影響著兩幫及頂板的變形和破壞。

近年來，隨著礦井開采深度的不斷增加，巷道圍巖應力不斷增大，軟巖回采巷道的底臌問題日益突出。現場實測結果顯示，在高應力作用下，軟巖回采巷道底臌量可達1000mm以上[3]，巷道斷面收縮率達80%以上，嚴重影響了工作面的正常安全生產。

長期以來，國內外采礦工作者對巷道底臌的機理與防治技術進行了大量的研究工作[4-5]，提出了多種底臌防治方法，包括底板錨桿[6]、底板注漿[7]、封閉式支架等支護加固法[8]，切縫、打鉆孔、爆破、開掘卸壓巷等卸壓法[9]，以及各種聯合支護法。但是，由于高應力軟巖回采巷道圍巖性質和應力狀態的復雜性，很多礦區對巷道底臌原因認識不清，采取的底臌防治措施不當，巷道底臌得不到有效控制，不僅增加了巷道維護費用，而且嚴重影響了礦井的正常安全生產。因此，深入研究高應力軟巖回采巷道底臌防治技術具有重要的理論價值和現實意義。

本文以某礦高應力軟巖回采巷道為例，在綜合分析巷道底臌形式和原因的基礎上，研究了底板鉆錨注漿加固技術，并在現場成功試驗，為類似條件下巷道底臌防治提供重要的技術借鑒。

1 試驗巷道采礦地質條件

1.1 概況

8902工作面開采15#煤層，兩側均已采完，屬孤島工作面。試驗巷道8902回風巷沿15#煤層底板掘進，巷道北部為8902工作面實體煤，南部為8903采空區殘留煤柱，煤柱寬12m，西部為九采區回風巷。8902回風巷埋深500m，其上方有3#、8#、12#煤的采空區，其中12#煤采空區殘留煤柱與巷道間距僅43m。

采用水壓致裂法進行地應力測量得：巷道圍巖應力大，其自重應力為14.8MPa，最大水平應力為29.6MPa，與巷道軸向垂直，最小水平應力為10.5MPa，與巷道軸向平行。

1.2 煤層與頂底板情況

15#煤層傾角為1°～8°，平均厚度為7.38m，節理比較發育，屬復雜結構煤層，含兩層夾矸：上層夾矸為八寸石，厚0.21m，下層夾矸為驢石，厚0～0.62m，煤層單向抗壓強度為17.5MPa，煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

綜上所述可知，8902回風巷圍巖單向抗壓強度低，均小于30MPa，巖石堅固性系數<3，根據普氏巖石分級法，巷道圍巖為軟巖。

1.3 巷道原支護方式

8902回風巷斷面為矩形，寬4.0m，高3.2m，巷道原支護方式如圖1所示，采用雙錨索+網+鋼帶支護。

頂幫均掛單層10#鉛絲經緯網，頂板支護采用雙錨索，即進度錨索和補強錨索，兩種錨索均采用Φ17.8mm×7300mm鋼絞線，樹脂加長錨固。進度錨索間排距為900mm×600mm，靠巷幫的錨索與頂板成15°角，外露端距巷幫0.2m；補強錨索是在頂板中部布置兩趟，每隔兩排進度錨索打一排補強錨索，間排距為900mm×1200mm。進度錨索與規格為3800mm×220mm×4mm的5眼波紋鋼帶配合，使用波紋鋼托板；補強錨索與長1m的29U型鋼配合，使用鋼托板。

兩幫采用4根Φ20mm×3000mm的普通螺紋鋼錨桿配0.5m長14#槽鋼托帽維護，間排距為750×600mm，樹脂端部錨固，其中上部錨桿距頂板350mm，上仰30°，下部錨桿距底板400mm，下扎30°；另外，在巷道煤柱側幫中部布置一排幫錨索，錨索采用Φ15.24mm×5300mm鋼絞線，排距為1200mm，樹脂加長錨固，錨索托梁采用長1m的14#槽鋼。

由圖1可知，在巷道原支護方式中，巷道底板處于敞開不支護狀態，導致巷道底板變形得不到控制，巷道底臌嚴重。

2 巷道底臌的形式和原因

2.1 巷道底臌的形式

由于采掘引起的作用在8902回風巷頂板和兩幫的高應力向巷道底板傳遞，底板軟弱巖體在傳遞來的高應力作用下發生彎曲、皺折和離層等流變，并沿著滑移面被擠入巷道內，隨著底板巖體被擠入巷道內的位移量增大，巷道底臌越來越嚴重。這種底臌形式為擠壓流動性底臌，如圖2所示。

圖2 巷道底臌形式示意圖

2.2 巷道底臌的原因

根據研究，預計可能造成該巷道出現如圖2所示底臌形式的原因主要有以下方面。

2.2.1 圍巖應力大

圍巖應力大是促使巷道強烈底臌的重要原因，圍巖應力越大，底臌越嚴重。造成圍巖應力大的原因主要在于以下幾方面。

1) 由于8902回風巷埋深大，造成巷道原巖應力大，地應力測試結果顯示：8902回風巷自重應力為14.8MPa，最大水平應力為29.6MPa。

2) 由于8902回風巷與8903工作面采空區間所留設的護巷煤柱寬度為12m左右，造成8902回風巷正好布置在護巷煤柱所形成的側向支承壓力峰值區中，巷道圍巖所受支承壓力大。

3) 由于8902回風巷上方有3#、8#、12#煤的采空區殘留煤柱，其中12#煤采空區殘留煤柱與8902回風巷間距僅43m，造成8902回風巷位于上方煤柱支承壓力向下傳遞影響范圍之內，巷道圍巖所受集中應力大。

4) 當8902工作面回采時，受采動影響，現場實測巷道垂直應力可達30～40MPa左右，遠高于巷道圍巖強度。

2.2.2 底板巖層強度低

底板巖層強度低對巷道底臌起著決定性作用。由于8902回風巷直接底為砂質泥巖，其單向抗壓強度低，僅為24.6MPa，普氏巖石堅固性系數<3，為軟弱巖層，在頂板與兩幫傳遞的高應力作用下，易發生破碎、彎曲，向上拱起凸出，造成巷道底臌。

2.2.3 支護強度低

支護強度低造成巷道底臌嚴重。在8902回風巷原支護方式中，巷道支護強度低，巷道底板處于敞開不支護狀態，底板軟弱巖層的變形得不到控制，造成巷道底臌嚴重，底臌量大于頂板下沉量。

3 底板鉆錨注加固技術

通過上述分析可知，8902回風巷底臌是在高應力作用下，底板軟弱巖層的變形得不到控制而造成的。因此，采用底板鉆錨注加固技術，及時支護和封閉巷道底板，提高巷道支護強度，控制底板軟弱巖層的變形，是防治巷道底臌的根本措施。

3.1 底板鉆錨注加固技術機理

底板鉆錨注加固技術是底板錨桿加固技術和底板注漿加固技術的有機結合，其實質是利用空心錨桿兼作鉆桿和注漿管，進行底板巖層注漿加固。

底板鉆錨注加固技術機理如圖3所示，利用漿液來充填和固結底板巖層破碎面，改善底板巖層的結構，使底板破碎巖層膠結成連續體加固圈，提高底板巖體的內聚力和摩擦力，從而提高底板巖層強度，并為錨桿提供可靠的著力基礎，使錨桿與底板巖層成為整體，形成多層有效組合拱，即錨桿壓縮區組合拱、漿液擴散加固拱，提高支護結構的整體性和承載能力，可有效防治巷道底臌。

圖3 底板鉆錨注加固技術機理圖

3.2 底板鉆錨注加固技術工藝

底板鉆錨注加固技術將鉆孔、注漿和錨固功能集于一體，其工藝為：第一步，錨桿用作鉆桿，錨桿桿體頭部配一鉆頭，尾部用連接器與鉆機連接，進行鉆孔作業；第二步，鉆桿用作注漿管，用注漿連接套代替鉆機連接套，進行注漿作業，將水泥漿注入鉆孔中，實施全長錨固。

4 工程實踐

4.1 底板鉆錨注加固方案

根據8902回風巷采礦地質條件，設計巷道底板鉆錨注加固方案如圖4所示。巷道底板每排布置5根中空特種鋼鉆錨注錨桿，桿體外徑25mm，內徑13mm，長2500mm，極限拉斷力150kN，延伸率10%～15%，螺紋規格M25，錨桿間排距為800mm×800mm，靠近巷幫的底板錨桿安設角度為與垂線成20°。采用拱形高強度托板，規格為200mm×200mm×8mm。錨固方式為水泥注漿，水灰比是1∶2.5，并加入水泥添加劑1.5%(與水泥比)。

圖4 8902回風巷底板鉆錨注加固方案

4.2 礦壓監測結果及分析

在8902回風巷內分別距離工作面100m和200m處設立了2個表面位移測站，前一測站位于底板未加固段，后一測站位于底板加固段。

工作面回采期間，對巷道底板變形進行連續觀測，得到：底板未加固段巷道底板變形曲線如圖5所示，巷道底臌量為1376mm；底板加固段巷道底板變形曲線如圖6所示，巷道底臌量為392mm。

圖5 8902回風巷未加固段底板變形曲線

圖6 8902回風巷錨注加固段底板變形曲線

分析觀測結果可知，底板未加固段底臌量是加固段的3.5倍，鉆錨注加固顯著減小了巷道底臌量，有效控制了巷道底板變形。

5 結論

1) 由于圍巖應力大、底板巖層強度低、支護強度低，造成8902回風巷發生擠壓流動性底臌。

2) 采用底板鉆錨注加固技術，可及時支護和封閉巷道底板，提高巷道支護強度，控制底板軟弱巖層的變形，是防治巷道底臌的根本措施。

3) 工業性試驗結果表明：鉆錨注加固顯著減小了巷道底臌量，有效控制了巷道底板變形，保證了巷道的安全使用。

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