山西某煤礦泥質軟巖巷道錨注加固技術

常景保

(西山煤電(集團)有限責任公司鎮城底煤礦)

山西某煤礦井下行人下山、總回風下山、膠帶下山以及軌道下山(以下統稱“集中下山”)位于8#煤層及其頂底板附近，由于所處的煤巖層巖性較軟，易受到原巖應力和采煤工作面超前支承壓力的影響而產生較大變形甚至破壞，需采取維修(甚至多次維修)措施方可確保巷道穩定[1-3]。經現場調查發現，該礦巷道的破壞形態與巷道初期支護方式、圍巖巖性和采煤工作面開采引起的圍巖應力環境變化密切相關[4-5]。該礦以往的巷道返修方案主要采取2種支護形式：一是高強錨網索補強支護；二是全斷面長錨索并采用注漿錨桿對巷道兩幫注水泥漿加固。現場實踐表明，加固后的巷道雖然在短期內穩定性較好，但隨著時間推移，穩定性逐步下降[6-7]。由于集中下山還將服務于8#煤層上部的5#煤層，故而必將受到5#煤層采煤工作面的動壓影響。本研究在現場調研的基礎上，根據現場條件并借鑒該礦以往巷道加固經驗，根據集中下山巖性軟、高應力、泥質巖類分布廣的特點，遵循“經濟合理、施工方便、效果顯著”的原則，擬在高強高預緊力錨網索支護[8]的基礎上，采用整體高壓注漿加固方案對集中下山進行全面維護，力求保持巷道長期穩定。

1 工程概況

該礦集中下山主要位于8#煤層內及其頂底板附近，自西向東依次為行人下山、總回風下山、膠帶下山及軌道下山，并且自西向東距采煤工作面停采線越來越近(圖1)。在上述4條下山中，總回風下山回風，風流濕度較大，其余下山進風。本研究注漿試驗巷道選擇在8215軌道車場附近，自8215瓦斯抽放泵站至8215水泵房聯絡巷之間長100 m的巷道(圖1)。8#煤層層位穩定，煤層厚度0.20～ 7.96 m，平均厚度4.70 m，最大可采厚度7.30 m，其厚度變化規律為井田東部薄、西部厚，上中部較厚、下部較薄。該煤層傾角5°～10°，煤層結構簡單，一般含夾矸1～2層，夾矸厚度為0.05～0.3 m，巖性為砂質泥巖、碳質泥巖等。煤層干燥狀態抗壓強度為27.45 MPa，飽和抗壓強度為10.54 MPa，軟化系數為0.38，天然抗拉強度為0.87 MPa。8#煤層普氏硬度系數小于3，具有脆性但韌性欠佳，難于軟化，易受沖擊而破碎。

圖1 試驗巷道分布

根據相關勘探報告，8#煤層頂底板附近分布有粉砂巖、泥巖及互層巖組，主要由粉砂巖、泥巖、泥質粉砂巖、砂質泥巖及薄煤層組成。巖體內部黏土礦物和有機質含量較高，并發育較多的水平層理、節理裂隙和滑面等結構面，干燥狀態下單軸抗壓強度為9.64～87.55 MPa，平均為45.60 MPa，浸水或長時間暴露于空氣中的巖石多沿層理方向離析成薄片，飽和抗壓強度為6.77～34.85 MPa，平均為 22.64 MPa，軟化系數平均為0.51，屬半堅硬巖石，表現出穩定性差的特點。

8#煤層偽頂巖性多為灰黑色泥巖、碳質泥巖，厚度較薄；直接頂巖性為易垮落的軟弱泥巖、泥質粉砂巖、砂質泥巖，厚約2.0 m；基本頂巖性為中等垮落半堅硬中—粗粒砂巖，厚約11 m；底板巖性為灰褐色鋁土質泥巖，屬于軟弱巖層，遇水易膨脹且底鼓明顯，根據礦井實測數據，底鼓量最大值大于1 m。

根據現場調查，局部區域進、回風下山之間有輕微漏風現象，與8#煤層在高應力作用下易沖擊破碎的性質有關。下山中的局部巷道變形特征及總回風下山嚴重的底鼓現象與泥質巖類在高應力作用下的軟巖破壞特征一致，易發生屈服破壞、吸水泥化或膨脹等。

2 巷道變形破壞特征及原因

2.1 巷道變形破壞特征

經現場調查發現，該礦集中下山巷道變形程度與巷道圍巖特征、采煤工作面停采線位置、采煤工作面性質(工作面尺寸、跳采面或孤島面)、初期支護方式(等強螺紋鋼錨桿或高強高預緊力錨桿)關系密切。巷道變形破壞特征為：①采煤工作面開采后，越靠近停采線的下山，變形程度越嚴重，即4條下山中，行人下山變形最輕，軌道下山變形最嚴重；②尺寸較小的同類工作面，其影響范圍和影響程度小于大尺寸工作面；③跳采工作面(采煤工作面兩側為大尺寸的實體煤柱)的影響范圍和影響程度小于孤島工作面；④采煤工作面不僅影響本工作面前方的相關巷道，也影響了相鄰工作面的部分下山巷道，調查發現，跳采工作面超前支承壓力造成工作面兩巷外側下山18～24 m范圍內出現明顯的變形現象，孤島工作面的影響范圍更大；⑤采用高強高預緊力錨桿支護后的巷道變形破壞程度遠小于采用全螺紋鋼錨桿支護的巷道；⑥總回風下山的底鼓量總體大于其余進風下山的底鼓量。4條下山巷道在服務期間的變形破壞形式主要為：①水平擠壓變形，主要集中于巷道頂板，該處巖體受到擠壓作用影響，破碎程度較高；②圍巖整體變形，巷道兩幫主要表現為圍巖整體變形，錨桿受力不明顯；③底鼓嚴重，主要表現為底板鼓起，圍巖破碎，整體性差，且底板內部在水平擠壓作用下有離層現象出現，在巷道底鼓的牽引作用下，兩幫出現明顯的內移、下沉現象；④錨桿破斷較多且局部錨索破斷，主要集中于巷道頂板，結合錨桿斷口位置判斷，錨桿破壞形式主要為剪切破壞。

2.2 巷道變形破壞原因

(1)巷道圍巖主要為煤層和泥質巖類軟巖，受到潮濕風流影響時圍巖強度明顯降低，為巷道發生持續變形的基本原因。現場調研及鉆孔資料表明，8#煤層頂底板巖性以泥質巖類為主(底板巖性為鋁土巖，遇水易膨脹)且8#煤層煤體易沖擊破碎，巷道圍巖總體強度低、易變形，甚至出現蠕變特征。在工作面超前支承壓力的作用下，巷道圍巖易發生變形，導致大量裂隙產生，該類裂隙將吸收潮濕空氣中的水分，圍巖尤其是8#煤層底板鋁土泥巖遇水膨脹，從而導致巷道底板出現嚴重的底鼓現象。井下觀察發現，總回風下山的總體底鼓量明顯大于其余3條下山，與回風流中空氣濕度大關系密切。

(2)采煤工作面開采后，受到工作面超前支承壓力的影響，集中下山圍巖應力重新分布，并且工作面開采引起的水平應力疊加，是巷道發生反復變形破壞的主要原因。煤層開采后，上覆巖層呈現周期性來壓，并且傳遞影響至采煤工作面前方一定范圍，該范圍大小與工作面的性質(尺寸大小、跳采面或孤島面)、覆巖結構以及空間位置關系密切。調查發現，跳采工作面超前支承壓力造成工作面前方相關下山及其外側18～24 m范圍內出現明顯的變形現象，并且孤島工作面開采的影響程度和范圍明顯大于跳采工作面。另外，根據巷道頂角的大變形現象推斷，工作面開采應力增加使得巷道所受的水平應力加大，最終導致巷道圍巖強度降低，支護體(錨桿和錨索)錨固力降低，進而引發巷道變形甚至破壞。

(3)巷道初次支護方式對于保持巷道永久穩定具有至關重要的作用。調查發現，集中下山巷道初次支護主要采用全螺紋鋼錨桿和普通錨索，全螺紋鋼錨桿的預緊力較低且不易保持，在巷道圍巖為泥質軟巖的條件下，易出現巷道大變形現象，而采用高強高預緊力錨網索支護方式后，巷道穩定性明顯提升。預應力錨桿的主要作用是減少或消除拉應力范圍，消除頂板離層(煤系地層為層狀礦床)。從安全角度分析，離層是巷道冒頂的第一顯現，控制離層對于巷道支護尤為重要，但等強螺紋鋼錨桿由于螺距大，依靠目前的錨桿安裝機具難以給錨桿施加較高的預緊力，且該類型錨桿的預緊力保持性能較差。

(4)工作面回采后，集中下山巷道由于受到工作面采動動壓的影響，易使巷道圍巖表面破碎，甚至部分巷道段會出現輕微漏風現象。這充分說明，巷道煤柱及其頂板整體性變差，強度變低，錨桿和錨索的有效錨固性能減弱，有效錨固力降低。同時，潮濕風流中的水分會通過圍巖裂隙進入煤巖體，更加減弱了錨桿和錨索端部的錨固性能。由于錨固劑與煤巖孔壁的膠結能力降低，錨桿和錨索受力后，易引起錨固端發生位移，進而導致錨桿和錨索支護失效。調查發現，修復不久的行人下山出現了錨桿破斷現象，說明該段巷道的錨固性能良好，但也說明，僅采用錨網索支護不足以長期有效地保持巷道穩定。

3 巷道錨注加固方案

該礦集中下山巷道圍巖特征為：①由于大部分巷道圍巖存在泥質軟巖，巷道圍巖或多或少受到原巖應力或采動應力的影響，在錨網支護錨固端以內仍存在部分裂隙，該類裂隙可能與巷道表面裂隙連通，隨著時間延長，裂隙將吸收來自巷道內潮濕空氣中的水分，逐漸泥化圍巖，使得巷道圍巖強度逐漸降低，進而可能導致錨桿(索)錨固力下降；②8#煤層屬于“易沖擊破碎”型煤層，在多次采動應力影響下，裂隙發育，甚至部分地段出現了下山之間裂隙連通(漏風)現象；③集中下山巷道穿過泥質巖類巖層時，裂隙中可能存在部分與水泥基等注漿材料膠結性差或不膠結的泥質巖類碎屑，使得水泥基材料的注漿加固效果較差；④由于巷道的破碎效應，往往采用噴射混凝土的方式難以有效封堵圍巖裂隙，相對而言，注漿封堵效果較理想；⑤巷道圍巖中分布著較多的錨桿、錨索等支護體(對于多次修復后的巷道而言，錨桿、錨索更多)，經過注漿加固后，可將該類支護體與圍巖進行緊密固結，共同維護巷道穩定。

根據集中下山圍巖巖性特征進一步分析可知：①下山巷道在經過多次采動影響的情況下，巷道圍巖出現了較大的松動范圍，采用傳統的錨網索支護方式，錨桿的錨固力難以達到設計要求，松脫后的錨桿其支護性能將大打折扣；②部分巷道周圍巖層屬于泥質巖類，遇水易膨脹，傳統的錨網索支護方式難以控制巷道長期穩定；③對于化學漿，盡管其膠結性能好但膠結強度不高，并且由于成本較高，一般僅用于巷道局部地段或采煤工作面冒頂區；④對于傳統水泥基注漿材料，由于部分泥質巖類親泥性差，與泥質巖膠結效果差(僅充填裂隙)，且圍巖中分布有遇水易膨脹或崩解的巖層(如8#煤層底板的鋁土巖)，由于其析水量高，更加劇了膨脹巖破壞，部分地段傳統水泥注漿加固效果較差。

針對該礦集中下山的具體條件，綜合考慮各種因素對巷道的影響，本研究設計采用錨網索+滯后注漿的綜合注漿加固方案，即在高強預緊力錨網索支護的基礎上，對巷道進行高壓注漿加固。根據巷道圍巖巖性和變形特征，采用高泥質圍巖巷道專用注漿材料對巷道進行注漿加固和維修，提高泥質圍巖的強度，維持巷道長期穩定。巷道修復加固的基本施工流程為：①修復巷道至設計斷面，采用高強預緊力錨桿支護系統進行巷道初期支護；②對初期支護巷道進行初噴漿，噴層厚度一般為50～70 mm，具體取值可根據現場試驗確定，以能夠封堵注漿液體在5 MPa注漿壓力條件下不外滲為原則；③注漿加固后，對巷道表面再次噴薄漿。

4 錨注加固效果

為有效分析本研究方案的實施效果，在注漿開始前，在試驗巷道內布置了圍巖移近量監測斷面(圖2)，在整個錨注加固過程中對巷道頂底板移近量和兩幫移近量進行了觀測，結果見圖3。

圖2 巷道圍巖穩定性監測斷面布置示意

圖3 巷道圍巖變形特征

分析圖3可知：在0～70d監測時間段內，巷道(頂底板、兩幫)變形量為未注漿時的變形量，監測時間70d之后巷道(頂底板、兩幫)變形量為注漿后的變形量，可見，注漿后(100d以后)巷道(頂底板、兩幫)變形量趨于穩定，頂底板、兩幫的移近量最大值分別為189，106mm。現場觀測結果表明，底鼓量最大值、兩幫移近量最大值以及頂板下沉量最大值均發生于軌道下山與聯絡巷或硐室的交叉口處，是由于交叉口處斷面較大，軌道下山易受采煤工作面回采影響而發生嚴重變形。

5 結 語

以山西某礦井下集中下山為例，針對巷道軟巖特征，設計了錨網索+滯后注漿巷道加固技術方案，詳細分析了方案的實施流程。方案實施后巷道圍巖趨于穩定，有助于降低巷道維護成本，對于確保井下安全生產也有一定的現實意義。