整合矿采空区掘进巷道围岩综合控制技术研究

收稿日期：2012－05－26
基金项目：国家自然科学基金资助（51174070）；河北省自然科学基金资助（D2010001000）作者简介：侯
玮（1977－），男，河北邯郸人，北京科技大学安全技术及工程专业博士，河北工程大学副教授，主要从事矿山安全、矿井灾害控制方面的研究。

整合矿采空区掘进巷道围岩
综合控制技术研究
侯
玮1，霍海鹰1，田端信2，李智慧
3（1.河北工程大学，河北邯郸056038； 2.武安市国土资源局，河北邯郸056000；
3.冀中能源邯矿集团，河北邯郸056000）
摘
要：针对重组整合矿巷道掘进通过采空区时围岩稳定性差，掘进、支护困难的现状，通
过理论分析、方案设计、现场工业性试验，建立了采空区内掘进巷道围岩综合控制技术体系。

根
据掘进巷道开挖过程中遇到的三种不同情况提出了巷道掘进前高冒区充填注浆构成人工假顶及掘进时钻孔超前注浆提高围岩强度技术方法，提出了锚杆(索)网与料石墙工字钢混凝土背板棚联合支护的多层次综合支护技术方法，解决了采空区覆岩强度低、自承结构能力小的围岩控制技术难题。

实践表明，采用综合控制技术有效保证了巷道围岩稳定，对类似条件下的井巷施工具有重要的借鉴意义。

关键词：注浆加固;巷道支护;覆岩结构;采空区;矿压观测
中图分类号：TD353文献标识码：A 文章编号：1671－0959（2013）01-
0086-04Study on Comprehensive Control Technology of Surrounding
Rock along Driving Gateway in Goaf of Integrated Mine
HOU Wei 1，HUO Hai －ying 1，TIAN Duan －xin 2，LI Zhi －hui 3
（1.Hebei University of Engineering ，Handan 056038，China ； 2.Wu＇a n City Land and Resources Bureau ，Handan 056000，China ；
3.Jizhong Energy Handan Mining Group ，Handan 056000，China ）
Abstract ：According to the status of the rock poor stability of the surrounding ，difficulties of the driving and support when a gateway driving passing through a goaf ，with a theoretical analysis ，plan design and site industrial trial ，a comprehensive control technology system of the surrounding rocks along the gateway driving in a goaf was established．According to three different conditions occurred during the excavation process of the driving gateway ，an artificial roof formed with backfill grouting in the high falling zone before the gateway driving and the surrounding rock strength technology method improved with the borehole advance grouting were provided．And a multi layer comprehensive support method with bolt （anchor ）/steel mesh ，stone wall and H type steel shield support with pre －concrete back board combined support was provided to solve the control technical problems of the surrounding rock with low strength overburden strata and low self support structure capacity．The practices showed that the application of the comprehensive technology could effectively ensure the surrounding rock stability of the gateway and could have important reference significances to the mine roadway construction under the similar conditions．
Keywords ：grouting reinforcement ；gateway support ；overburden strata structure ；goaf ；mine strata pressure observation 山西左权煤矿为兼并重组整合技改在建矿井。

该矿井在掘进总回风巷南段期间，掘进距离回风立井贯通点100m 处遇矿井原有采空区和空巷。

采空区和空巷上层岩体均已垮落，掘进过程中原工作面顶板随掘随塌，顶板上层冒落形成高冒区，掘进安全受到威胁，先掘后支常规的掘进支
护技术已不能满足冒落岩体中掘进安全的要求。

为解决此难题进行了岩层稳定性分析、采空区加固技术和采空区巷道支护技术的综合性研究。

该煤矿主采煤层为15号煤，埋深为450m ，平均厚度为4.6m ，碎块状，内生裂隙发育，松散易碎，为近水平煤
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8研究探讨煤炭工程2013年第1期
层；顶板为泥岩，裂隙发育，厚度为9.3m；底板为铝质泥岩，裂隙发育，厚度为109m。

在总回风巷掘进过程中经过打钻探测，将揭露7条空巷和穿过2处采空区，该段巷道长度约100m。

因回风立井已经施工完毕，只差该段巷道就能实现总回风与回风立井贯通。

根据以往经验，空巷内一般冒落煤矸高度约3 4m，顶板较完整，两帮破碎。

1采空区稳定性分析
1.1采空区覆岩结构类型
采空区上方划分为三带，同时覆岩可划分四种结构，即较完整层状结构、块裂层状结构、碎裂结构、散体结构。

巷道在不同结构中掘进，采用的控制方式不同［1］。

1.2采空区覆岩二次采动失稳机理
地下开采结束以后，虽然经过长时间的自然压实，但开采引起的地下空洞、离层、裂隙和冒落带的欠压密、孔隙中饱水等现象仍长期存在。

一旦在采空区内进行掘进巷道等工程时，就会破坏原来的相对平衡状态，使采空区“活化”。

采空区及其覆岩中不同位置的岩体结构有较大差异，这种采动次生岩体结构的差异对老采空区覆岩“活化”规律有重要影响，其存在形式将决定采空区覆岩“活化”的基本特点，直接影响采空区的地基稳定性。

冒落带岩体为散体结构和碎裂结构，二次采动在悬臂梁结构和砌体梁结构下形成形式为空隙、裂隙和空洞。

裂隙带岩体形成一定的铰接砌体岩梁半拱形结构和悬臂梁结构。

该区域老采空区覆岩二次采动后主要发生的岩块结构失稳及由此造成的裂隙和离层的压密［2］。

老空区中部为充分下沉区，岩块主要承受竖向压应力作用，采动后岩块将沿裂隙破断，造成掘进巷道冒顶等事故。

因此，采空区覆岩结构的失稳和各种采动裂隙、空隙发育是造成采空区受采动后巷道重点控制的对象。

1.3冒落带和导水裂缝带高度理论计算
15号煤层上覆岩层内主要是泥岩、砂质泥岩，通过现场勘探数据，分别对冒落带高度和导水裂缝带高度进行计算。

1）冒落带计算公式［2］为：
H
m =
M
（K－1）cosα
式中M———矿层开采厚度，m；
K———岩石松散系数；
α———矿层倾角，（ʎ）。

在中硬岩石条件下冒落带高度H m=（3 4）M，计算冒落带高度为13.8 18.4m。

2）导水裂缝带高度采用公式［2］：
H
li =
100∑M
（1.6∑M+3.6）
ʃ5.6
式中H li———导水裂缝带高度，m；
∑M———15号煤层开采厚度，取4.6m。

经计算导水裂缝带高度分别为36.37 47.57m。

1.4采空区内掘进巷道的可行性评价分析
1）采前采场覆岩应力分布规律大体与地表形态一致。

采后，在采空区端部发生应力集中现象，应力集中区域随采空区面积的增大而增大。

研究区域停采时间较长，岩层移动变形己结束，所以采空区已经处于稳定状态［3－4］。

2）理论计算表明，覆岩冒落带高度为14 19m左右，裂隙带高度为48m左右。

3）因巷道在采空区内掘进，造成采空区内破碎覆岩二次活化运动，由于掘进巷道处于冒落带（冒落空间7 10m）的应力降低区，只要将潜在破碎围岩加固强化，是可以保证巷道稳定的。

2采空区注浆加固技术
2.1加固机理分析
网络骨架作用，提高煤岩体的整体强度；粘结补强作用；充填压密作用；转变破坏机制作用；与支护结构形成共同承载作用；封闭保护作用；注浆固化减小巷道围岩松动圈［5］。

2.2加固材料选择
化学注浆：①具有良好的可注性；②凝胶时间可根据需要调节；③固化后与破碎围岩有一定的粘结力；④浆液固结体具有收缩小或微膨胀性，浆液在采空区冒落裂缝固化后，能达到很高的固结强度，强度能满足掘进巷道控制围岩稳定的要求；⑤稳定性好，耐久性强，并且具有耐侵蚀性［6］。

水泥浆注浆：水泥凝固时间较慢，渗透性差；注浆固结体强度主要是由被注介质岩石体的强度所决定，固结浆液只起到传递和转移力的作用，大部分载荷还是由岩石块所承担。

但是固结浆液必须达到一定的强度，通过试验结果表明，目前的注浆液凝固后的强度过低，很难满足围岩加固的需要。

由于巷道是在采空区内、老巷附近掘进，这样空间裂隙或空区较大；采空区附近的围岩基本上以泥岩为主。

综合考虑采用化学浆液作为主要注浆加固材料。

经调研国内外同类产品，课题组选择加固材料漏必堵CM－11和充填材料固瑞特CM－21两种化学材料进行现场实施。

2.3注浆加固方案设计优势
1）速度快：反应时间快，固结时间短，施工完毕后便可马上进入采煤工作，不耽误正常生产。

2）施工方便：注浆设备轻便易操作，占地面积小，可最小限度降低对正常采煤的影响。

3）材料消耗少：特别适用于冒空区的充填，对防漏支架要求低，减少材料消耗，且有一定的抗压强度，满足顶板压力要求；还是难燃抗静电材料，完全符合煤矿安全生产要求。

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2013年第1期煤炭工程研究探讨
注浆加固技术实施后，围岩变形得到了很好的控制，破碎围岩得到强化，保证了巷道的稳定性。

3巷道支护技术
由于裂缝带发育高度近48m 左右，所以很难使用悬吊
理论指导进行设计，根据现场实际条件，本课题应用围岩强度强化理论做指导进行方案设计，设计主要以提高围岩峰后强度为主，围绕以提高围岩自承能力作为支护的重点开展研究。

掘进巷道开挖过程中遇到的三种不同情况：高冒区，老巷与掘进巷道在同一水平，老巷在掘进巷道上方。

通过现场考察和调研，高冒区巷道支护设计须实行综合支护
［8］。

注浆加固后的巷道支护方案：分别对高冒区巷道和过老巷段巷道进行支护设计
［9］。

1）高冒区巷道支护设计须实行综合支护。

按施工顺序设计第一层次为顶板锚网索支护，第二层次为两帮料石墙砌筑支护，第三层次为工字钢支护。

2）过老巷段巷道支护设计。

①老巷与掘进巷道在同一个水平时，两巷道相交，根据相交的角度不同，老巷暴露的长度不等。

该类掘进巷道支护主要考虑在与老巷相交部位断面较大且需要新建立人工巷帮的巷道支护。

按施工顺序设计第一层次为锚网索支护，第二层次为空巷侧料石墙砌筑支护。

②老巷在掘进巷道上方时的支护设计。

掘进巷道在老巷的下方，根据老巷的长度、角度不同，该类掘进巷道支护主要考虑在掘进巷道上方的高冒区的巷道支护。

按施工顺序设计第一层次为顶板锚网索支护，第二层次为空巷侧料石墙砌筑支护，第三层次为工字钢支护。

3）掘进巷道过采空区综合支护设计如图1、2所示。

4
支护效果观测
为了能够全面的掌握巷道围岩变形规律和支护体受力状况，进行了如下支护效果观测。

观测内容：巷道表面收敛观测；锚杆、锚索受力观测等，见表1。

表1
各测点观测内容
项目内容
仪器（表）巷道表面收敛顶底及两帮相对移近量钢（皮）卷尺，测线
围岩深部位移围岩深部不同层位的相对移近量钻孔多点位移计
锚杆托锚力锚杆与围岩相互作用效果锚杆液压枕锚索锚固力
锚索与顶板相互作用效果
锚索液压枕
测站共设置了4个，采空区内巷道设置了2个测站，过老巷巷道设置了2个测站。

部分观测数据如图3 6所示。

由观测数据知，通过采取综合控制技术，现场巷道围
(下转第92页)
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论，对风沙区采煤沉陷地土壤质量演变的动态时效进行了综合评价，使多个单一因子进行了有机结合，并得出了较好的评价结果。

2）从综合评价的结果来看，塌陷3a 以内的土壤理化性质的演变程度总体呈现以下趋势：土壤物理指标＞土壤化学指标；塌陷（0 1a ）＞＞塌陷（1 2a ）。

采煤沉陷对土壤质量造成了明显的破坏，其破坏强度主要集中在塌陷（1a ）的时间范畴内，塌陷（1a ）后其整体质量略微变好，差异不大。

3）从土壤质量的优劣性来看，物理指标方面呈现以下趋势：未扰动＞＞塌陷（3a ）＞塌陷（2a ）＞塌陷（1a ），在自然营力的作用下，其呈现出一定的修复能力，自修复周期从塌陷（1a ）开始；化学指标方面呈现以下趋势：未扰动＞＞塌陷（1a ）＞塌陷（2a ），采煤塌陷对化学性质的负面影响的时长大于物理性质，需要辅助人工治理。

参考文献：
［1］隋天中，姜永军．基于GM 模型的刀具耐用度灰色预测［J ］．工具技术，2003，37（2）：10 12．
［2］郑成德，尹德松．主成分分析法在城市大气环境质量评价中的应用［
J ］．大连铁道学院学报，2002，23（3）：39 41．［3］
周瑞平，赵明，张裕凤．呼和浩特市区基准地价动态变化
初步研究［
J ］．干旱区资源与环境，2004，（9）：47 56［4］
陈林，王磊，张庆霞，等．风沙区不同土地利用类型
的土壤水分灰色关联分析［J ］．半干旱研究，2009，26（6）：840 845．
［5］武月荣，苏根成．灰色关联度法在蒙古高原北部草原土壤质量评价中的应用［J ］．内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2008，37（6）：775 779．
［6］张同娟，杨劲松，刘广明，等．基于灰色关联度法河口地区土壤盐分影响因子分析［J ］．土壤通报，2010，41（4）：793 796．
［7］杨奇勇，杨劲松，姚荣江，等．基于GIS 和改进灰色关联模型的土壤肥力评价［J ］．农业工程学报，2010，26（4）：100 105．
［8］袁静宜，韩科明．采煤沉陷区稳定性综合评价指标权重的确定方法研究［
J ］．煤炭学报，2008，13（4）：9 12．［9］周瑞平．鄂尔多斯地区采煤沉陷对土壤性质的影响［D ］．呼和浩特：内蒙古农业大学，2008．［10］臧荫桐，汪季，丁国栋，等．采煤沉陷后风沙土理化性
质变化及其评价研究［J ］
．土壤学报，2010，47（2）：262 269．
［11］张锦瑞，陈娟浓，岳志新，等．采煤塌陷引起的地质环境问题及其治理［
J ］．中国水土保持，2007，（4）：37 39．(责任编辑张宝优櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗
)
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)
图6巷道料石墙压力表受力曲线
岩稳定后，两帮变形量和顶底板变形量合理，很好地控制了围岩的变形。

锚杆受力、锚索受力和料石墙受力在合理区间，支护体工作正常。

5结论
1）在掘进采空区巷道时，提出了巷道掘进前高冒区充填注浆提高破碎矸石整体粘结力、掘进时钻孔超前注浆提高围岩强度的采空区围岩加固方案。

2）根据掘进巷道开挖过程中遇到的三种不同情况（高冒区，老巷与掘进巷道在同一水平，老巷在掘进巷道上方），提出了锚杆（索）网与料石墙工字钢混凝土背板棚联合支护的多层次综合支护技术方法，有效解决了采空区覆岩强度低、自承结构能力小等围岩控制技术难题。

3）注浆加固、支护综合控制技术具有周期短、安全可
靠、实用性强的特点，对我国重组整合矿井面临的普遍难题具有宝贵的借鉴经验，缩短了整合矿井恢复生产时间，有良好的社会经济效益和应用前景。

参考文献：
［1］姜福兴．采场覆岩空间结构观点及应用研究［J ］．采矿与安全工程学报，2006，23（1）：30 33．
［2］
姜福兴．矿山压力与岩层控制［M ］．北京：煤炭工业出版社，2004．
［3］王永岩．软岩巷道变形与压力分析控制及预测［D ］．阜新：辽宁工程技术大学，2008．
［4］
姜福兴，王同旭，汪华君，等．四面采空“孤岛”综放采场矿压控制的研究与实践［J ］．岩土工程学报，2005，27（9）：1101 1104．
［5］董方庭，宋宏伟，郭志宏．巷道困岩松动圈支护理论［J ］．煤炭学报，1994，19（1）：21 32．［6］张
农．巷道滞后注浆围岩控制理论与实践［M ］．徐州：中国矿业大学出版社，2004．
［7］曾荣秀，崔增骥，周庆芬．注浆技术经验汇编［M ］．北京：煤炭工业出版社，1998．
［8］侯朝炯，勾攀峰．巷道锚杆支护困岩强度强化机理研究［J ］．岩石力学与工程学报，2007，19（3）：342 345．［9］
吴汉庭．锚杆锚索技术在大同矿区的推广应用［J ］．煤矿开采，2004，10（2）：31 33．
(责任编辑郭继圣)
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