黑龙煤业软岩巷道破碎围岩锚注修复技术研究.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：基金项目：河南省优秀青年基金项目（）；河南理工大学杰出青年基金项目（）作者简介：岳振（），男，山东新泰人，工程师，毕业于内蒙古科技大学采矿工程专业，现从事采矿工程方面的管理与技术工作。引用格式：岳振，王猛 黑龙煤业软岩巷道破碎围岩锚注修复技术研究 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）黑龙煤业软岩巷道破碎围岩锚注修复技术研究岳振，王猛（山西潞安集团 蒲县黑龙煤业有限公司，山西 临汾 ；河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 ）摘要：针对黑龙煤业 采区软岩巷道围岩破碎量大、巷道变形严重的问题，采用现场调研方法，测试了总回风巷顶板裂隙演化与变形破坏规律，揭示了软岩巷道围岩变形失稳机理，提出以注浆锚索加固为主的破碎围岩巷道修复技术，并利用数值模拟方法合理确定了巷道支护参数。现场工业性试验表明，加固后试验巷道围岩大变形得到了有效控制，可为类似条件巷道修复提供参考。关键词：软岩巷道；破碎围岩；注浆锚索；修复技术；现场试验中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，：；：软岩巷道矿山压力显现明显，巷道累计变形量大、破碎软岩巷道在一次支护后往往难以长时间维持生产期间的正常使用，巷道返修率高，维护难成本高 。因此，软岩巷道破碎围岩修复与支护是目前煤矿巷道维护和支护难题之一。针对此类破碎软岩巷道的修复与支护问题，诸多学者进行了大量研究，如张盛 以郭村煤矿底抽巷为例，针对节理化破碎软岩巷道的变形原因和修复支护技术进行了分析研究；杨仁树 对九龙矿轨道大巷提出了以“协调围岩非均匀变形、控制挤压流动底鼓、强化围岩承载结构”为核心的联合支护方案；孟庆彬 针对朱集西矿的破碎软岩巷道提出 锚网索喷 型钢支架 注浆 底板锚注 分步联合支护技术方案；王祖和 结合工程实际提出了高应力软岩巷道变形及成套耦合支护技术。研究表明，影响软岩巷道围岩大变形的因素众多，设计该类巷道支护或加固技术时，应充分考虑各因素对巷道稳定的影响规律。以黑龙煤业 采区 年第 期岳振，等：黑龙煤业软岩巷道破碎围岩锚注修复技术研究第 卷总回风巷为背景，基于巷道围岩变形破坏特征的实测，分析影响巷道围岩稳定的主控因素，针对性研发破碎围岩巷道锚注加固技术，为类似条件下巷道加固提供理论支撑。工程概况黑龙煤业 采区总回风巷开口于 采区运输大巷 处，同运输大巷夹角为 。采区总回风巷沿走向布置，煤层倾角 ，煤层厚度稳定，底部含一层夹矸，该巷道揭露煤层厚度约 ，巷道位置如图 所示。巷道顶板主要为泥岩、砂泥岩互层结构，围岩整体强度小，完整性较差。采区总回风巷掘进断面净宽 净高为 。巷道原支护采用锚网索联合支护方式，巷道原支护断面如图 所示。图 总回风巷采掘平面 图 巷道原支护断面 巷道变形破坏特征及影响因素 采区总回风巷顶板为泥岩和砂泥岩互层结构，巷道掘出后距开口 位置处围岩发生大变形，亟待进行加固。加固前，需进一步考察巷道顶板破坏程度，探究影响巷道破坏的主要原因。巷道顶板破坏现场实测根据 采区总回风巷变形破环特征，使用钻孔成像仪来探测巷道顶板不同深度处裂隙分布规律及离层情况，并推断出巷道松动圈扩展范围。将测站布置于距开口处 巷道顶板位置，钻孔直径为 ，孔深 。钻孔成像结果如图 所示。图 巷道顶板钻孔窥视 由图 可知，该区域巷道顶板岩层主要以泥岩为主，岩层赋存稳定，在钻孔深度 范围内，孔壁裂隙极为发育，主要以环向裂隙为主，分布少量径向裂隙 ，离层现象明显，孔壁成型较差；随着钻孔深度的增加，孔壁裂隙逐渐减小；在钻孔深度 以后，钻孔成型良好，孔壁周围未见明显张 年第 期煤炭科技第 卷开裂隙。综上表明，该区域范围内，巷道顶板变形及裂隙扩展主要发生在浅部 范围内的围岩。巷道变形破坏影响因素结合黑龙煤业 采区总回风巷地质条件、围岩变形特征及顶板钻孔成像结果，总结得到巷道变形破坏的主要影响因素如下：（）巷道围岩强度低 。巷道顶板主要为泥岩或砂泥岩，围岩强度较低。锚杆（索）锚固在强度较低的泥岩中，导致支护结构对围岩提供的支护阻力有限，降低了围岩与支护相互作用效果。同时，作为加强支护使用的锚索，因直径和长度较小，无法充分起到悬吊和减跨作用，导致围岩较易发生深浅部离层现象 。（）围岩水理弱化作用。经过现场调研发现，采区总回风巷顶板含水，巷道掘进后，顶板裂隙导通富水层，导致巷道存在淋水现象。顶板泥岩和砂泥岩受到水侵蚀、弱化作用后，极易发生体积膨胀变形，不仅围岩变形严重，强烈的膨胀变形将会对支护结构产生附加挤压应力，加剧锚固体变形失稳。（）向斜轴构造应力影响。采区总回风巷掘进穿过西沟向斜轴部，原支护方案未考虑向斜轴部构造应力影响区域的加强支护，受西沟向斜轴部构造应力影响，部分区域出现锚索及锚杆拉断现象，导致支护效果较差，无法保持围岩稳定。巷道破碎顶板锚注修复技术针对 采区总回风巷围岩大变形、裂隙发育等现状，需对破碎围岩进行加固。考虑到巷道顶板围岩较为破碎，为有效改善顶板完整性和提高锚杆索可锚性，对总回风巷破碎区域采用注浆锚索进行加固，根据锚杆的悬吊作用、组合梁作用、围岩补强作用等支护原理，使软弱岩层吊挂在坚固稳定的岩层上，防止离层脱落，增加了岩层的承载能力，保证巷道的长期稳定 。巷道修复加固方案注浆锚索采用规格 ，长 的中空注浆矿用锚索，“”布置，间排距 ，每根注浆锚索配 卷 树脂药卷，注浆锚索托盘规格为 ，中空注浆管规格内径 、外径 ，安装孔径 ，强度 ，破断力 。注浆材料采用 型快硬早强高流态水泥基自应力复合注浆料，水灰比 ，注浆压力 ，围岩极为破碎区域不超过 ，注浆锚索张拉预紧力不低于 。巷道修复技术路线为：巷道表面喷浆锚注支护，巷道补强具体支护参数如图 、图 所示。图 巷道顶板补强支护平面 加固效果的数值模拟验证结合巷道的工程地质条件，建立的模型尺寸为：长 ，高 ，宽 。数值模拟中模型本构采用 和 双重模型，其中巷道及直接顶所处岩层选用 模型，模型参数见表 、表 ，其余模型选用 模型。模型左右、前后以及底部均采用固定位移边界条件，将模型顶部上覆岩层对模型的垂直应力简化为作用于模型顶部的均布载荷 ，模型上部边界垂直应力按深度 ，容重 ，该均布载荷大小约为 ，水平侧压系数取 。巷道在掘进初期后采用注浆修复后岩层的强度有所提高，故将注浆效果影响范围内的围岩选用 模型，使用调整后的模型参数模拟注浆后围岩的岩性特征，调整前后的模型参数见表 。巷道不同时期围岩垂直应力分布如图 所示，巷道不同时期围岩变形分布如图 所示。由图可知，掘进初期顶板岩层垂直应力近零范围较大，约 ，且顶板最大下沉量达到了 ，应力近零范围内岩层的承载能力较低，若不及时进行加固，巷道顶板岩层垂直应力近零范围和顶板变形量将进一 年第 期岳振，等：黑龙煤业软岩巷道破碎围岩锚注修复技术研究第 卷图 巷道补强支护剖面 表 巷道及直接顶所处岩层模型参数 类型密度（）体积模量 剪切模量 内摩擦角（）内聚力 参数 表 不同塑性应变对应的岩石力学峰后参数 塑性参数 内摩擦角（）黏聚力 表 围岩模型参数 类型密度（）体积模量 剪切模量 内摩擦角（）黏聚力 注浆前参数 注浆后参数 步增加；至巷道掘进稳定时期，顶板岩层垂直应力近零范围增加至约 ，原支护中锚索长度 （锚深 ），现有锚索长度锚固范围内岩层未起到承载作用，导致巷道支护效果较差，使顶板最大下沉量达到 ，增幅 。若采用注浆锚索对顶板严重破坏区域进行顶板加固，至巷道掘进稳定时期，巷道顶板垂直应力近零范围和顶板变形量都将得到有效控制，控制后顶板最大下沉量约 ，顶板变形量同比掘进初期增加 ，增幅约，同比未进行加固支护顶板变形量降低 。结合 数值模拟的云图得出，黑龙煤业 采区总回风巷顶板严重破坏区域采用注浆锚索对顶板破碎岩层进行加固支护后，巷道顶板岩层垂直应力近零范围得到有效控制，锚索长度锚固范围内岩层具备一定的承载能力，顶板下沉量显著减小，围岩得到有效控制，即采用注浆锚索加强支护可有效改善顶板的岩层承载能力，控制巷道的变形，保证黑龙煤业 采区总回风巷顶板严重破坏区域修复后的长期稳定。图 巷道不同时期围岩垂直应力分布 年第 期煤炭科技第 卷图 巷道不同时期围岩变形分布 现场工业性试验为了验证新技术在试验巷道的应用效果，对 采区总回风巷顶板破坏严重区域进行工业性试验，试验内容包括巷道围岩松动圈测试和巷道表面移进量观测监测，试验结果如图 和图 所示。图 钻孔注浆后的效果 图 巷道表面位移曲线 由图 可知，在对试验巷道顶板裂隙和离层进行注浆封闭后，裂隙填充效果良好，钻孔表面光滑平整，观测点附近顶板几乎没有较发育裂隙。由图 可知，巷道在监测期内顶底板移进量为 ，两帮移进量为 。巷道在支护修复初期变形量随时间的增加而增加，大约在 以后巷道趋于稳定，并持续稳定。由此可知，注浆锚索修复技术增强了试验巷道的围岩承载能力，大大减少了巷道的变形量，使巷道保持长期稳定效果。综上所述，对黑龙煤业 采区总回风巷破碎围岩实施锚注修复技术方案后，顶板破坏严重区域裂隙封闭效果良好，巷道围岩位移量明显减小。由此可知，锚注修复技术对黑龙煤业软岩破碎围岩修复和控制效果显著。结论（）揭示了总回风巷围岩变形破坏的主要影响因素，顶板岩性差、顶板水弱化和构造应力扰动为诱发总回风巷围岩大变形的主控因素，设计加固方式是应充分考虑三者的耦合作用关系。（）针对总回风巷破碎围岩巷道，针对性开发了以注浆锚索为核心的锚注加固技术，确定了锚注支护关键参数，设计了破碎围岩巷道加固方案，并进行了现场工业性试验，取得了良好的围岩控制效果 ，为类似条件下软岩巷道支护和加固设计提供了借鉴。参考文献（）：唐永志 淮南矿区煤炭深部开采技术问题与对策 煤炭科学技术，（）：，（）：张盛，句世元 郭村矿破碎软岩巷道修复支护技术 煤矿安全，（）：，（）：年第 期岳振，等：黑龙煤业软岩巷道破碎围岩锚注修复技术研究第 卷 杨仁树，李永亮，郭东明，等 深部高应力软岩巷道变形破坏原因及支护技术 采矿与安全工程学报，（）：，（）：孟庆彬，韩立军，张建，等 深部高应力破碎软岩巷道支护技术研究及其应用 中南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：王祖和，李海霞，修瑛昌，等 深部岩巷极破碎围岩成套耦合支护技术 土木工程学报，（）：，（）：杨凯，勾攀峰 湾图沟煤矿高强度采动巷道稳定性评价研究 能源与环保，（）：，（）：杨凯，勾攀峰 高强度开采双巷布置巷道围岩差异化控制研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：王猛，郑冬杰，李杰，等 动压作用大巷破碎围岩分区域差异性修复技术研究 煤炭科学技术，（）：，（）：钱鸣高，石平五 矿山压力与岩层控制 徐州：中国矿业大学出版社，李宏彬 复杂松软岩层大断面马头门巷道破坏机理及组合支护技术研究 能源与环保，（）：，（）：姚尚元，吴传军 锚注支护在巷道修复中的应用 煤炭技术，（）：，（）：周炜光，史节涛，蔺增元 富水条件三软煤层沿空巷道支护设计优化 煤炭工程，（）：，（）：张云宁，岳博，刘竞 顶煤影响下围岩应力演化数值模拟分析研究 山东煤炭科技，（）：，（）：郭现伟，张云宁，白冰，等 济宁三号煤矿坚硬顶板条件快速掘进支护参数优化 煤炭科技，（）：，（）：，李文彪 黑龙煤业 工作面沿空掘巷技术与应用 煤炭科技，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）曹华 浅谈煤矿井下巷道掘进顶板支护技术 中国石油和化工标准与质量，（）：，（）：任书毅 锚杆锚索联合支护技术在大断面巷道中的应用探析 石化技术，（）：，（）：杨勇 锚杆锚索联合支护技术在改善厚煤层顶板强度中的应用研究 矿业装备，（）：，（）：李宸 煤矿掘进巷道锚杆支护方式的应用与分析 当代化工研究，（）：，（）：蒋传田 煤炭采矿工程巷道掘进和支护技术的应用分析 中小企业管理与科技，（）：，（）：赵寿 煤矿采矿工程巷道掘进和支护技术的应用分析 山东工业术，（）：，（）：