三软煤层底板岩巷变形分析与加固技术探讨

三软煤层底板岩巷变形分析与加固技术探讨

许友贤

师宗县能源局  师宗县煤炭事务服务中心 655700  云南省曲靖市   

摘要：三软煤层底板岩巷在建设之初采用砌筑拱形结构无法起到支护效果，导致煤层开采期间岩巷出现变形。为防止三软煤层底板岩巷变形严重，无法满足巷道功能需要，必须要对三软煤层底板岩巷进行变形测试和分析，确定三软煤层底板岩巷的变形原因以及变形程度，以便采取有效的加固方案。本文以云南省师宗县白马田煤矿有限公司白马田煤矿三软煤层岩巷为例，通过探究该岩巷变形情况，制定能够改善煤层变形问题的加固方案。

关键词：三软煤层；底板岩巷；变形分析；加固技术

引言：在对煤层开挖过程中破坏了原岩稳定性结构，改变了岩巷的围岩力学层次，导致其在煤层开挖期间极易出现位移、破碎以及断裂情况，为了保证岩巷稳定性，必须要对其周围进行加固，以实现对岩巷变形的控制。云南省师宗县白马田煤矿有限公司白马田煤矿主采煤层M9煤层的顶底板岩性为粉砂质泥岩或泥岩，属于典型的三软不稳定岩层类型，随着煤炭资源开采深度的不断提升，岩巷周边环境被改变，岩巷所承受矿压也在不断增大，如果采用原本的加固方案极为可能导致岩巷出现失稳情况，巷道加固和维护难度提升。

1. 三软煤层底板岩巷变形分析

在对三软煤层岩巷进行加固前，为了保证加固方案的有效性，事先通过对该煤矿三软底板岩巷岩质、水文、地质以及支护结构情况的调查，分析岩巷变形原因，以便在后续能够制定有效的加固方案。

1.1岩层性质

在煤炭开挖前确定煤层底板岩巷的岩层性质，发现该岩巷主要由粉砂质泥岩、泥岩等岩体构成，皆属于软性岩层，虽然该类岩层具备较强的可塑性，但在实际开采过程中，其能够承受的承载力极为有限，尤其随着煤炭开采受力的不断提升，岩层出现变形或破坏的风险也将不断提升，该岩层自身特点导致了岩巷变形。[1]

1.2地质影响

地质对岩巷变形的影响主要可分为地应力和地质构造两方面。通过对岩巷地应力的分析发现，当井巷埋深达到 500m左右时，岩巷周围围岩所受的应力将逐渐提升，而且其所承受的应力还会出现集中的趋势，在岩巷未得到有效的加固情况下，其变形可能性将会进一步提高。煤矿在巷道掘进过程中经常会遇到断层等地质构造，尤其是过断层时，由于软岩构造极易在受到外力后出现破裂，形成岩层破裂带，在岩层破碎后所形成的黏着力以及摩擦力会不断增加，整体岩巷的承受能力将进一步降低，致使岩巷出现冒落的情况。

1.3水源影响

巷道掘进和使用过程中会出现积水，经水长时间浸泡会提升巷道围岩含水量，原本软岩的承受力就会受到一定限制，在经过水源影响后就会出现岩层膨胀，严重时岩层的膨胀应力将会进一步提升，岩巷强度下降，变形速度提升[2]。即便岩层中存在部分坚硬的岩层，但是在水的作用下，岩层的摩擦力将会进一步增大，岩石之间因摩擦而变形，岩石强度会持续下降，出现软化、崩解等情况。另外，岩层在遇水后，体积会发生膨胀，出现较大的塑性变形，致使岩体破坏严重，无法承受岩层开挖的压力。

1.4支护结构

在进行煤层开挖过程中，为了保证煤层开挖的稳定性，在围岩附近应用料石砌筑支护结构，但是由于该原料所能达到的支护效果极为有限，其会在围岩周围形成一定间隙。支护结构与围岩连接不紧密，在围岩四周无法形成有效的支护圈，岩层局部就会出现过载岩体导致应力过载现象，致使整个支护结构被严重破坏，无法对岩层达到有效的支护效果。前期的支护方案无法阻碍岩层的变形，无法对岩巷起到有效的支护作用，因此在后续工程建设过程中，需要对岩层的支护方案进行更改，按照围岩结构特点确定加固技术。

2. 三软煤层底板岩巷加固技术应用

通过前期对煤矿开挖情况的调查发现，煤层底板岩巷出现变形主要是因为岩层性质、地质结构、水源浸泡以及支护不足等问题，为此，在对其进行加固过程中，以岩层实际情况为根本，采用挖底、注浆加固以及壁厚填充的加固手段，控制岩巷变形程度。

2.1加固方案

在进行加固过程中，松软岩层相较于其他岩层存在一定的区别，其需要在不同压力类型下都不发生变形，如该矿巷道在煤层开采过程中，巷道支护结构受到松动压力、膨胀压力等应力，就需要通过直接对岩层进行加固达到效果，以免在后续开采过程中出现岩层垮落[3]。通过对该煤层底板岩体流变特征分析发现，在开挖期间，岩巷围岩出现了明显的水膨胀和崩解，还伴有一定的岩石破碎和滑落情况，为了在后续煤层开采过程中帮助岩层吸附一定的变形能量，确定采用注浆和填充联合加固方案，以便能够达到防止岩层变形效果。

2.2加固施工

2.2.1挖底

在煤层开采过程中发现巷道底鼓严重，主要是受水源浸泡影响，为减少水对巷道底板的影响。在原支护基础上对巷道挖底，并在巷道底板对原支护底脚位置二次架棚以作为岩层开挖的底拱，或按照现有岩巷断面情况更换支架与反底拱位置，以增强支架对积水巷道的支撑强度，减少动载对积水巷道的影响。

2.2.2注浆加固

原有支护结构与围岩之间存在一定缝隙，减弱了支护对岩巷的支护效果，因此在对支护结构进行加固过程中，选择通过岩层与支护结构之间缝隙注入浆液，起到粘结缝隙的效果，以提升支护结构与岩体之间的稳定性。该矿选用的注浆设备额定流量为5 L/min，注浆压力为12 MPa。注浆原料按照当地岩体性质进行配置，采用1：1的聚氨酯混合材料，确保浆料的凝结速度。在注浆期间，在岩体与支护结构缝隙钻探注浆孔，确保注浆孔能够遍布岩体四周，孔洞直径为89mm，每个注浆孔洞的间隙为1.0m，然后安装注浆软管，打开注浆泵进行注浆，整体注浆时长控制在15min左右。

2.2.3壁后填充

注浆加固后对岩体强度进行检测，如果岩体强度能够达到后续填充要求，则可以开始壁后填充工作。填充孔位置根据巷道高度划分为两级，巷道封闭严密后进行填充，在整个填充过程中要按照“先下后上”的原则。

2.3变形测试

为检测岩巷加固结束后的抗压效果，该矿在岩巷加固位置随机选取了10个观测点，并连续观测3个月，发现在10个观测点范围内，其局部出现的最大位移达到30mm。在对岩巷变形进行观测后，对软岩加固方案进行了综合评价，利用注浆加固以及壁后填充手段能够有效解决软岩变形问题。

结语：通过对三软煤层底板岩巷变形情况的调查发现，岩巷出现变形原因主要为岩体、地质、水源以及支护结构等因素的影响，该矿采用了挖底、注浆与壁后填充的联合加固方案，有效降低了岩巷所受的膨胀应力以及破裂情况，控制了巷道的变形问题。

参考文献：

[1]马晓川,陈俊智,王捞捞,等. 大倾角综采面跨采岩巷分区域加固技术与应用 [J]. 煤炭技术, 2023, 42 (07): 25-29.

[2]李秋礼,周琼阳. 高应力岩巷综掘施工围岩支护控制技术研究 [J]. 内蒙古煤炭经济, 2023, (10): 43-45.

[3]孙孟. 焦家寨“三软”特厚煤层锚网支护快速掘进技术研究[D]. 中国矿业大学, 2023.