深部薄基巖寬大硐室頂板加固及強化支護技術研究

孟凡貞，錢自衛，呂文茂，范寶江、3

（1.山東能源集團兗礦能源集團股份有限公司，山東 鄒城 273500；2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；3.兗煤萬福能源有限公司，山東 菏澤 274900）

0 引言

我國東部地區煤炭資源開采時間早，開采強度大，淺部資源逐漸枯竭，開采逐漸向深部延伸。深部開采面臨高溫、高地壓、高水壓、強采掘擾動的“三高一擾動”問題[1-3]，災害強度大，防治難度高。隨著技術及裝備的不斷進步，相關防災控災能力雖已大幅提升，但由于復雜的地質及采掘環境，破壞性較強的災害仍時有發生，嚴重限制了深部資源的開采。項目研究區萬福礦井所在的山東巨野煤田具有開采深度大、松散層厚、地溫高的特點，需克服沖擊地壓、突水等重大地質災害[4-5]，煤田內的李樓煤業、新巨龍能源、萬福礦井都曾發生過嚴重地質災害。2018年萬福礦井回風暗斜井施工過程中發生11.2嚴重突水潰砂事故，造成嚴重的經濟損失；另外由于復雜的井下地質條件，萬福礦井的整體建設進度也受到到極大的影響，嚴重滯后于建設計劃。新建膠帶暗斜井機頭硐室埋深大、基巖薄，地質條件較突水潰砂的暗斜井更復雜，為此采用了相關加固措施，以保證硐室的安全。

1 工程概況

1.1 機頭硐室概況

萬福礦井膠帶暗斜井機頭硐室為平巷，總長約為70 m，硐室共設計5個壁龕，硐室掘進最寬處8.02 m；分3級高度，掘進最高處達到6.6 m。硐室埋深810 m左右，硐室頂與新近系的最小距離僅為48 m（見圖1），為典型的在深部薄基巖區域建造的寬大硐室。

1.2 硐室地質條件

1.2.1 頂板基巖

膠帶暗斜井機頭硐室頂板上覆基巖層較薄，上覆巖層主要為細砂巖和泥巖互層為主（見圖1），層間細砂巖、泥巖的抗拉強度分別為0.65～2.54 MPa、0.80～1.14 MPa；層間細砂巖、泥巖的干燥狀態抗壓強度分別為20.7～28.38MPa、9.68～13.46MPa，浸水后抗壓強度分別為9.68～13.38 MPa、0～4.07 MPa，泥巖的強度較低，且水穩性較差。

1.2.2 松散層

根據地質資料，膠帶暗斜井機頭硐室頂板充水含水層主要為新近系底部砂層，為間接充水含水層。萬福礦井新近系厚483～650.75 m，平均575.46 m，由東北向西南逐漸增厚。由粘土、砂質粘土和砂礫層相間沉積組成。據鉆探取芯、測井資料及地震資料綜合解釋成果，新近系可分為上、下2段：

上段（N上）：厚213.6～307.1 m，平均265.13 m。由中、細砂層與雜色粘土、砂質粘土相間沉積而成。含砂層13～43層，單層砂層厚度0.45～23.9 m，砂層累厚58～190 m，平均117 m，砂層厚度占本段厚度的23%～66%，一般為40%左右。多數鉆孔砂層單層厚度較小，上部砂層連續性較差，下部砂層多，且連續性增強，成犬牙交錯狀相連，砂層較松散，富水性較強，含松散孔隙承壓水。

下段（N下）：厚189.4～377.3 m，平均310.33 m。砂層以灰白、棕黃色的中、細砂為主，砂質不純，多含泥質成分，含砂層7～51層，單層砂層厚度0.6～38.7 m，砂層累厚13～290 m，平均144 m，砂層厚度占本段厚度的20 %～69 %，一般為40 %左右。該段中、上部砂層砂層較多且連續性好。底部受古地形影響砂層厚度變化大，連續性變差，多呈透鏡狀。該層段底部多為中、厚層的砂、砂礫層直接覆蓋在下伏基巖之上，底部砂層厚度1.50～31.00 m，平均7.49 m。精查階段利用W-6、W-17號孔對N下底部砂層進行了抽水試驗，抽水段砂層累厚35.25～45.88 m，水位標高33.48～35.67 m，單位涌水量0.109 68～0.632 02L/（s·m），富水性中等，礦化度5.301～5.686 g/l，水質屬SO4-Na＋Ca型水。

膠帶暗斜井機頭硐室位置松散層（第四系+新近系）厚度達到760 m左右，新近系底部50 m段砂層厚度約20 m，單位涌水量為0.231 1～0.4377 L/(s·m)，平均滲透系數為2.07 m/d，滲透性及富水性均屬于中等。

2 機頭硐室頂板安全性理論計算

根據《煤礦防治水細則》掘進工作面底板安全隔水層厚度計算公式，同原理進行變換，針對頂板掘進工作面安全隔水層厚度計算可采用公式（1）。

式中：t為安全隔水層厚度，m；L為巷道頂板寬度，硐室壁龕處最寬，取15 m；為頂板隔水層的平均重度，取0.024 5 MN/m2；Kp為頂板隔水層的平均抗拉強度，MPa；p為頂板隔水層承受的實際水頭值，取7.6 MPa。

頂板隔水層的平均抗拉強度取頂板泥巖、細砂巖的加權平均值：Kp=1.116 MPa。把相關數據帶入公式（1），由于膠帶暗斜井機頭硐室壁龕位置等效寬度最大，達到15 m，計算安全隔水層厚度最大為28.94 m，即使考慮1倍巷道寬度的松動圈厚度，在無斷裂構造的情況下，則頂板隔水層厚度須達到43.94 m，在不考慮基巖風化帶的情況下，理論計算值小于計算點基巖實際厚度48 m。

2018年11月2日萬福礦井膠帶暗斜井在掘進過程中頂板抽冒誘發嚴重突水潰砂事故，事故點埋深890 m左右，基巖柱厚度114 m。考慮到膠帶暗斜井機頭硐室頂板基巖厚度僅48 m，同樣存在突水潰砂風險，為保證硐室安全，對硐室頂板圍巖注漿加固，并對硐室進行強化支護。

3 硐室頂板圍巖注漿加固

3.1 注漿鉆孔布置

膠帶暗斜井機頭硐室頂幫注漿加固鉆場布置于距離膠帶暗斜井機頭硐室聯絡巷約26 m位置，加固總段長100 m左右。共施工探注孔10個，單孔孔深114 m，鉆巖總進尺1 140 m（見圖2）。預設漿液擴散半徑2.5 m能夠形成交圈效果，圍巖總加固厚度5 m左右。

圖2 膠帶暗斜井機頭硐室圍巖預注漿孔布置圖

表2 注漿加固孔參數設計表

3.2 鉆孔結構

井下注漿孔均設計安裝套管，套管長度6 m，管徑φ108 mm。孔口管安裝完成后，套孔鉆進設計采用φ75 mm鉆頭。上仰孔采用水泥-水玻璃雙液漿外注內返漿法固管，水平孔采用內注外返漿法固管。待固管漿液充分固結后，注漿孔采用φ75 mm鉆頭無芯套孔鉆進至6.5 m進行耐壓試驗，試驗壓力不小于12.0 MPa。確保孔口管安裝穩固后，原位采用φ75 mm鉆頭無芯套孔鉆進，鉆進時孔口必須安裝防噴閥門。

3.3 注漿施工情況

采用間跳順序施工，先按孔序施工奇數號孔，再施工偶數號孔，由于施工條件限制，預計設置1臺鉆機施工。鉆進較順利，未出現塌孔、卡鉆現象，硐室段無斷裂構造發育。鉆孔成孔速度較快，正常鉆進鉆速約4 m/h。鉆孔出水量總體較小，0～10 m3/h不等，其中4個鉆孔無水，3孔水量在1 m3/h之下，10號鉆孔水量最大為10 m3/h。

各注漿孔設計單次注漿，直接鉆進至設計孔深進行注漿。注漿孔口終壓為8.0 MPa。注漿主要選用純水泥漿液及水泥-水玻璃雙液漿，純水泥漿為主、雙液漿為輔。水泥建議選用標號為42.5的水泥，水玻璃濃度不低于36波美度。漿液水灰比為2∶1，單孔注漿量2～9 t不等，注漿終壓均在8 MPa以上，合計注入漿液85 m3。

注漿加固后，巷道掘進過程揭露地層整體結構與預想地質資料吻合，巖層結構穩定，未發現有巖層破碎及斷裂構造發育，掘進過程中采用常規錨網噴支護，未發生冒頂現象。

4 硐室強化支護措施

4.1 強化支護設計

膠帶暗斜井機頭硐室設計斷面形式為馬蹄形，最大荒斷高6.6 m，最大荒寬8.2 m，底板設計標高-765 m，巷道揭露巖性主要以砂巖、泥巖，前期周圍地應力測量數據約30 MPa。

考慮到膠帶暗斜井機頭硐室的重要性及現場地質條件的特殊性，在原錨網噴支護的基礎上增設“錨注+約束混凝土拱架”加強支護。

錨網噴支護參數：錨桿：φ22 mm×2 400 mm，間排距800 mm×800 mm；錨索:φ22 mm×8 000 mm，間排距1 600 mm×1 600 mm。

錨注參數：注漿錨桿：φ32 mm×2 500 mm，間排距1600 mm×1 600 mm；注漿錨索：φ22 mm×6 200 mm，間排距1600 mm×1 600 mm；漿液：P42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比0.6。

約束混凝土拱架：200×10的方鋼，間距800 mm，在完成初次支護后進行架設，最后進行砌碹澆筑。砌碹：C60混凝土，厚度500 mm。

4.2 強化支護效果評價

4.2.1 錨注效果

膠帶暗斜井機頭硐室圍巖采用注漿錨桿+注漿錨索隔排注漿的方式，共計注入水泥漿液236.85 t。監理單位和施工單位進行現場注漿跟班，對注漿質量進行把控和記錄。分析注漿原始記錄表可知，膠帶暗斜井機頭硐室圍巖裂隙發育不均勻，單孔注漿水泥用量從一袋到十幾袋不等，多集中在5袋左右，基本滿足注漿要求。注漿后鉆孔窺視結果顯示，膠帶暗斜井機頭硐室圍巖裂隙得到了有效填充，可見明顯漿液存在。架棚段右拱肩存在一處淋水點，分析可知此處淋水水源來自頂板砂巖，為了避免封堵此處淋水點導致倉頂硐室淋水，因此采用疏放的措施，目前此處淋水水量已經明顯減小。

4.2.2 約束混凝土拱架壁后充填效果

約束混凝土拱架間距800 mm，共完成90榀。約束混凝土拱架與圍巖之間采用砂漿填充。壁后充填屬于隱蔽性工程，對約束混凝士拱架的整體支護效果具有重要影響，施工結束后采用窺視及敲擊法充填質量進行檢測，共布置9個檢測斷面。施工結束后采用窺視及敲擊法充填質量進行檢測，共布置9個檢測斷面。

采用敲擊法和觀察法對幫部探孔進行檢驗，檢測結果表明幫部壁后充填質量良好，拱架與圍巖均勻接觸。在幫部鉆孔周圍進行敲擊未聽到空腔，未出現防水布被敲破情況。采用鉆孔窺視儀對肩部探孔進行檢測，結果表明拱肩部位壁后充填效果良好（見圖3）。

圖3 典型斷面探測截圖

采用砂漿充填拱架和圍巖間空隙，可使拱架與圍巖受力更加均勻、充分，現場檢測顯示，幫部和肩部充填質量良好，對于拱部位置，存在充填不密實區域，應采用注漿管繼續對拱部進行注漿，保證拱架的支護作用能夠充分發揮。

4.2.3 約束混凝土拱架支撐效果

約束混凝土拱架現場支護效果圖及變形情況如圖4、圖5所示，對比架棚段和未架棚段現場監測數據，架棚段最大變形33 mm，未架棚段最大變形85 mm，且有繼續增長的趨勢，說明約束混凝土拱架較好的抑制了圍巖變形。機頭硐室壁龕開口處，架棚前最大跨度達14.7 m，通過在壁龕內架棚以及頂板錨索鋼梁支護，增強了頂板的穩定性。

圖4 約束混凝土拱架現場支護效果圖

圖5 硐室變形監測對比曲線

5 結論

1）膠帶暗斜井機頭硐室埋深達到810m，頂板基巖厚度僅48m，無斷裂類構造發育，頂板泥巖強度較弱，穩定性差，存在突水潰砂風險，開展硐室頂板注漿加固及加強支護具有必要性。

2）采用預注漿方式進行頂板圍巖加固，共布設注漿孔10個，間跳順序施工，注漿終壓控制在8MPa以上，共注入漿液85 m3，對硐室頂板圍巖起到理想加固效果。

3）機頭硐室掘進后采用“錨注+約束混凝土拱架”進行加強支護，注入水泥236.85 t，架設約束混凝土拱架90榀。約束混凝土拱架與圍巖之間采用砂漿進行填充，架棚段和未架棚段對比監測說明約束混凝土拱架較好的抑制了圍巖變形。