正令煤業巷道底臌防治探索

趙志彪

（山西汾西礦業集團 正令煤業，山西 孝義 032311）

1 礦井概述

山西汾西正令煤業有限責任公司為山西省煤炭資源整合礦井，井田面積5.8435km2，設計能力0.9 Mt／a。

礦井為立井開拓，主立井垂深683m，副立井垂深640 m，開采二疊系山西組2號煤層，開采標高+460m～+220 m。礦井由于受地質構造等影響，造成井巷損壞變形，巷道頂板離層、噴層脫皮、兩幫收縮，特別是底臌現象特別嚴重，直接影響運輸安全、行人安全及通風斷面。

2 巷道底臌原因分析

1）井田為一向東南傾斜的單斜構造，傾角一般為6°～14°，井田內發育有3條斷層，分別為F1、F2、F3，其中F2、F3的斷距較大，總斷距高達300余米，造成井田內地質構造多，節理裂隙發育，巖層穩定性差。部分巷道呈尖頂狀擠壓說明巷道受橫向水平應力大。

2）3條大巷均布置在2號煤層中，頂底板為砂質泥巖、泥巖，圍巖的力學性能較差，巖體強度低。

3）埋深大，巖石重力場應力大。主井落底埋深約為683m，采煤工作面埋深在680～840m，屬深部開采，采區工作面布置不合理，工作面之間凈煤柱留設為12m，造成巷道壓力大。

4）巷道水溝原采用混凝土預制，但由于底臌破壞，形成了自然水溝，水順巷道向下流動，軟巖進水后膨脹。有的地段底板表面根本看不到水，其實水流在底板巖層裂隙中流動。巷道沖塵使浸水也導致軟巖膨脹。

底板有一層300mm 厚的鋁土頁巖，浸水后體積擴大，并形成流體，向軟巖臌起的裂隙處蠕動。

正令礦井下巷道變形后重復維修，特別是由于底臌在巷道下底后，原有的平衡應力再次被打破，下底越頻繁，變形越快，使巷道圍巖的松動圈越來越大，又進一步加劇了錨桿松脫，錨索撅斷，導致頂板下沉、底臌、兩幫收縮，巷道多次返修，使得巷道愈修愈壞，形成了惡性循環。

3 底板控制技術嘗試

為解決圍巖支護技術難題，控制底臌現象的發生，正令煤業經過多方考察、論證，并尋求科研單位支持，嘗試采用了“O”型封閉式支護和壁后注漿、底板加固、二次耦合支護措施。

1）在中央變電所采用錨網索噴及“O”型拱封閉式支護，試驗段巷道長60m。設計巷道斷面形狀為圓形，掘斷面24.6m2，凈斷面19.6m2。

（1）錨網索噴支護參數

巷道支護采用Φ20mm×2400mm 螺紋鋼錨桿，Φ17.8mm×6000 mm 鋼絞線錨索，錨桿間排距為800 mm×800mm，錨索間排距為1600mm×2400mm。

（2）O 型拱支護參數

O 型棚采用36號U 型鋼制作，每架由6節組成，其中底梁長度為4475mm，其余5節梁長均為2950mm。每節之間搭接長度500mm，每個搭接處設4道卡纜，每節設一道拉桿，棚距為800mm（見圖1）。先將兩層鋼筋網錯格搭接在O 型拱上，用構木密背在鋼筋網上，再用棚板、道木打井字垛配合楔子與頂板、兩幫接嚴實、打緊，所有工序完成后噴漿50mm 封閉。

中央變電所60m 范圍“O”型拱支護于2011年9月6日開始，年底結束。實踐證明，錨網索噴+“O”型拱封閉式聯合支護對控制軟巖巷道底板變形有良好的效果，保持二年半后，中央變電所混凝土底板僅出現了輕微裂縫。

圖1 0型拱示意

2）在軌道大巷從中部車場至上部車場采取了壁后注漿、底板加固及二次耦合支護工藝。

修復此段巷道的施工工藝為：刷大斷面、錨網索噴支護、注漿。為了有效控制底臌，巷道底角及底板也進行支護，并進行注漿。底角錨桿、注漿孔從巷道的底角按45°傾角打入巖體，底板注漿孔垂直于底板布置。注漿完畢后，在巷道斷面采用錨桿進行二次耦合補強支護。

（1）支護工藝流程

巷道錨網索噴（1周后）→巷道兩幫及頂板注漿（3天后）→二次耦合支護（再次補打錨桿）→底板注漿。

（2）支護參數

支護參數包括錨網索噴支護參數和注漿支護參數。

①錨網索噴支護參數。巷道支護采用Φ20 mm×2400mm 螺紋鋼錨桿、Φ17.8mm×6000mm 鋼絞線錨索，錨桿間排距為800mm×800mm，錨索間排距為1600mm×2400mm，錨桿、錨索呈放射狀矩形布置于巷道頂幫。頂幫均鋪設Φ6mm×2000mm×1000mm 的鋼筋網，鋼筋網緊貼巖面布置在鐵托盤內側，網格100mm×100mm，每根錨桿、錨索配套一支 MSK2355 型樹脂藥卷和一支MSCK2355型樹脂藥卷（快速藥卷在外部，超快速藥卷在內部），全斷面噴射混凝土，噴漿厚度100mm（見圖2）。

圖2 巷道斷面支護

②注漿支護參數。施工時為了避開錨桿、錨索眼位，確保注漿孔間排距，噴漿前對注漿管進行封孔，注漿孔的間排距為1600mm×2400mm。注漿孔呈矩形布置，每孔安設一個錨注管，錨注管規格：為Ф26.8 mm×3000 mm，每一斷面布置9個注漿孔（見圖3）。

圖3 注漿鉆孔布置

（3）施工工藝

①注漿管的埋設：注漿孔打到設計深度，注漿管用生麻纏繞，施壓下放入注漿孔內，封孔采用硫鋁酸鹽膨脹水泥，待凝固后方可進行注漿作業；②注漿壓力、材料、濃度的選擇：注漿終壓確定為2.5～3.0 MPa（依據是根據漿液擴散半徑和壁厚承受能力）；注漿選用P·S 32.5普通礦用硅酸鹽水泥，水泥漿按0.8∶1 的水灰比配制；③注漿花管：由6′鋼管加工而成，長3000mm，螺扣長50mm。距螺扣1000mm 處加工為凹凸段，用來纏繞生麻封孔。注漿管上的花眼不少于15個，眼距300 mm，管末端焊接錐型尖頭（見圖4）；④底板打孔：使用ZQJJ-200／1.8型架柱式鉆機，采用Ф50mm 鉆桿、Ф70mm 鉆頭鉆底板孔。每根錨索采用一塊1800mm 長的36＃U 型鋼，一塊規格為250 mm×250mm×10mm 的鋼板，一套鎖具，每孔安設一根3000mm 長4分錨注管、一根Φ21.6mm×6300mm 錨索，錨注管孔口加絲外露地平50mm，封口段長度1000mm，要求纏繞直徑與鉆眼直徑一致，將錨索和錨注管一起放入鉆眼內，在鉆眼內灌入水泥漿，完成封孔。封孔后待注漿作業完成后，然后上鐵板、U 型鋼、鎖具，將錨索鎖緊。

圖4 注漿管加工

從巷道表面位移觀測結果來看，采用錨網噴、注漿、二次耦合支護后改變了圍巖的物理力學性能，使巷道圍巖強度和支承能力得到了顯著的提高，減少了塑性變形，巷道變形量明顯降低，有效地控制了巷道圍巖的變形破壞。遺憾的是，一年半后，此段巷道又出現嚴重底臌，為滿足運輸需要，重新拉底擴修，在拉底擴修時不得不去除了底板錨梁。

4 底板控制改進思路

1）雖然“O”型拱封閉式支護成本高，每米維修費用為3.24萬元，掘進速度慢，每月只有20m，但維修周期增加，由每年維修一次增加為5年小范圍維修。而采用原普通的錨網索噴支護，每年每米擴修費用1.22萬元。經過經濟效益比較，“O”型拱封閉式支護是經濟、安全、合理的，因此應在3條大巷大面積推廣使用。

2）治底臌先治水。鑒于混凝土預制水溝容易底臌破壞，可采用PE管或水槽代替，沿巷道每隔一定距離挖一個集水井，用鋼筋混凝土預制，使附近的底板水流入井內，通過濾網進入水管或水槽。嚴格控制施工用水浸入底板。

3）加固巷道幫角支護。在頂、幫支護強度足夠的情況下，增加底角錨索，長度6300mm，從巷道的底角按45°傾角打入巖體，增加頂、幫支護形成“硬殼”的受力底面積，減弱巷道角部應力集中程度。

4）二次耦合支護由錨桿支護增長為錨索支護，將錨索打在未破壞的穩定巖層中，將頂、幫支護形成的“硬殼”懸吊到深部穩定巖層，減少“硬殼”傳遞到底板上的壓力，從而減輕底臌的發生。

5）巷道一開挖就采用高強度預應力錨桿，采用全長錨固技術，減少圍巖松動、變形，使圍巖的持續變形得到有效控制。

6）巷道設計要合理，留設巷道保安煤柱要合理，應盡量采用大斷面，允許巷道有一定的變形量，大巷布置于不同層位，尋找穩定堅硬巖石層位布置巷道。

7）進一步采用先進的礦壓觀測手段進行觀測，根據工程現場條件，優化注漿參數，降低巷道支護成本。

〔1〕何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南.科學出版社，2004.

〔2〕王其勝.深部軟巖巷道礦壓特征與支護技術研究.中南大學，2008.