高應力集中區超軟底板加固技術在大淑村礦的研究與應用

馬登林

（冀中能源峰峰集團有限公司 大淑村礦，河北 邯鄲056300）

0 引 言

目前我國治理巷道軟巖底板變形主要通過單一的澆筑混凝土、注漿或打設底錨索來增加底板的承壓能力，巷道受到較大沖擊時，底板仍緩慢發生變形，不能從根本上解決這一問題。大淑村礦在三采區上部變電所底板采用混凝土+U鋼底梁+柔性錨索+鋼筋骨架+底板深層注漿為一體的抗沖擊人工堅固假底。首先通過對底板深部巖層進行注漿，人為地改善了深部松軟破碎巖體的物理力學性能，對深部巖層進行加固和封堵圍巖裂隙，提高了深部巖層自身的強度和抗壓能力。注漿完成后采用柔性錨索對底板深部巖層進行主動加固，增加巖層間的摩擦力，將深部巖層各薄層組合成一個較厚的錨固層，共同承載，增加了其抗彎、抗剪能力。最后通過和U鋼底梁+金屬骨架+混凝土鋪設的被動支護相聯合，可以承受較大的抗沖擊力，防止底板變形的產生。高應力集中區超軟底板加固技術在三采區上部變電所應用效果良好，解決了軟巖底板受高應力沖擊、巷道底鼓速度快從而影響安全生產的難題，具有推廣意義。

1 概 況

大淑村礦井井田位于峰峰煤田東北部，地處河北省武安市、磁縣和邯鄲市峰峰礦區接壤地帶。北部與南部分別以F1和F14正斷層構成井田的自然邊界，西南與大社礦相鄰，東南與新屯礦相鄰，東西分別以人為邊界為界，開采深度+250.6—-800 m標高，面積9.75 km2。

大淑村礦于1994年開工建設，2003年底建成投產，設計生產能力90萬t，經過技術改造后，2020年邯安辦【2020】52號文核定生產能力為150萬t/a。

礦井采用立井單水平開拓、上下山開采方式，中央邊界式、抽出式通風，水平大巷高程-450 m。礦井工業廣場內建有主井、副井、風井3個井筒，主、副井位于井田中央，回風井位于井田南側。

目前該礦共有6個采區，目前西翼二采區已封閉，東翼一采區已經回采完畢。東翼生產采區為三采區和四采區，準備采區為五采區、六采區。

大淑村礦三采區上部變電所所處地層為二疊系山西組及石炭系太原組地層。位于2號煤層底板19 m左右，處于172102、172103、172102里工作面交集處，上段位于172102里工作面采空區下部，中段穿過三個工作面之間的孤島煤柱，下段位于172103工作面采空區下部，巷道處于高應力集中區，且巷道底板為7 m左右厚的泥質粉砂巖，節理發育。

三采區變電所巷道施工一周后，底板已鼓起600～700 mm?？紤]巷道作為三采區上部變電所長期使用，巷道底板快速變形已不能滿足使用需求，且如安裝電氣設備后，受巷道底鼓影響，可能造成電氣設備損壞，引起安全事故。

2 巷道底板變形原因分析

（1）巷道底板為7 m左右厚的泥質粉砂巖，節理發育，并受底板水侵蝕，底板承壓能力特別弱，受到較大應力，快速鼓起。

（2）位于172102、172103、172102里工作面交集處，并穿過3個工作面之間的孤島煤柱，受采動影響，高應力集中，對巷道沖擊極大，巷道底板發生變形。

圖1 三采區變電所巷道布置Fig.1 Roadway layout of substation in No.3 Mining Area

3 設計方案

在三采區上部變電所底板采用混凝土+U鋼底梁+柔性錨索+鋼筋骨架+底板深層注漿為一體的抗沖擊人工堅固假底。首先深層注漿人為地改善了深部松軟破碎巖體的物理力學性能，有機彈性體在破碎煤巖體內膨脹、滲透、充滿整個裂隙面形成網絡骨架，起到補強加固作用、充填密實作用。注漿完成后打設柔性錨索，對底板進主動加固，最后通過和U鋼底梁+金屬骨架+混凝土鋪設的被動支護相聯合，可以承受較大的抗沖擊力，防止底板變形的產生。在試驗中，采用的調查取樣方法。主要通過設置測點，來監測巷道的底板變形情況。

最后將數據收集，觀測其在規定時間內巷道底板的最大變形量，如最大變形量在巷道設計允許范圍之內（變形量＜100 mm），則表明試驗成功。

4 實驗的過程與結果

4.1 項目的現場實施

（1）將軟巖挖出。在巷道底板挖設1條長100 m、寬度5.2 m（巷寬4.6 m，兩側各超出底板不小于300 mm）、深1.6 m的底槽。

（2）采用注漿管對深部巖層進行注漿。設計注漿孔間排距1.5 m×1.5 m，注漿孔垂直于巷道底板打設。每排布置注漿孔4個，孔深3 m，孔徑φ=42 mm，注漿管長2 000 mm，注漿管采用直徑1.2吋（30 mm）鋼管制作，外端套絲50 mm為連接絲扣。擋環里側600 mm開始為6 mm的圓孔，每圈4個，便于滲漿，圓孔與圓孔間距為150 mm。注漿采用水泥漿，水灰比（0.7～1）∶1，選用P32.5R普通硅酸鹽水泥，注漿壓力為3～4 MPa。一個孔必須一次完成注漿工作，嚴禁中途停止?，F場可根據現場實際注漿效果，適當調整注漿孔角度和注漿量。

（3）打設錨索、下U鋼底梁。在挖好的底槽內鋪設底鋼梁，鋼梁型號為U36鋼，鋼梁棚距1.0 m。鋼梁采用直徑21.8 mm、長度5 m鋼絞線固定在巷道底板上，每條鋼梁上打設4條錨索，錨索每孔注1支CK2345和2支K2345型樹脂錨固劑，錨固力不小于200 kN，預緊力不小于150 kN。

（4）架設鋼筋骨架。利用廢舊錨桿和鋼筋網打設鋼筋骨架，廢舊錨桿垂直立于底板上，錨桿間排距1.0 m×1.0 m，金屬網每各0.5 m鋪設1層，金屬網和廢舊錨桿用鐵絲連接牢固。

（5）澆筑混凝土。澆筑混凝土強度為C30，水泥、沙子、石子比例為1∶1.1∶2.7，水泥標號325號礦渣硅酸鹽水泥，石子粒徑為20 mm左右，混凝土必須攪拌均勻。

4.2 高應力集中區超軟底板加固技術效果檢驗

對三采區上部變電所分四個測點進行了巷道底板變形的測試，每個測點監測底板變形量見表1。巷道底板底槽深度如圖2所示，底板注漿如圖3所示，底板柔性錨索配U鋼加固如圖4所示。

圖2 巷道底板底槽深度示意Fig.2 Depth of roadway floor bottom groove

圖3 底板注漿示意Fig.3 Floor grouting

圖4 底板柔性錨索配U鋼加固Fig.4 Floor flexible anchor cable reinforced with Usteel

表1 拱型巷道底板變形監測Table 1 Monitoring of floor deformation of arch roadway

從測試數據可知，巷道底板平均變形量為20 mm，巷道底板變形量在設計允許范圍內，底板無開裂，應用效果良好。

5 結 論

（1）通過對底板深部巖層進行注漿，人為地改善了深部松軟破碎巖體的物理力學性能，對深部巖層進行加固和封堵圍巖裂隙，提高了深部巖層自身的強度和抗壓能力。

（2）采用柔性錨索對底板深部巖層進行主動加固，增加巖層間的摩擦力，將深部巖層各薄層組合成一個較厚的錨固層，共同承載，增加了其抗彎、抗剪能力。

（3）將底板軟巖置換為混凝土+U鋼底梁+鋼筋骨架為一體的抗沖擊人工堅固假底，增強了其抗沖能力。

（4）打設柔性錨索對底板進主動加固，和通過U鋼底梁+金屬骨架+混凝土鋪設的被動支護相聯合，防止底板變形的產生。

（5）底板注漿和混凝土澆筑聯合布置，形成穩定的隔水層，阻止了地板水對底板的侵蝕破壞。