摘要：基于袁店二井煤矿西翼开拓采区的三条暗斜井受大断层影响动压极大后路变形极其严重的情况，提出以应力控制为中心，针对地压的防治技术多年来我国学者从不同的角度对地压理论进行了研究，介绍了新式注浆施工工艺在近断层软岩巷道下山施工过程中应用，尤其是在近大断层施工斜巷施工中的应用。
安徽理工大学郝明伟教授的帮、底锚索及注浆对围岩自承载结构加固作用的应用理论对袁店二井煤矿西翼副暗斜井的治理取得了较好成果。研究结果表明：实行深浅孔、反复注浆，能够达到对松动围岩进行加固的主要目的，验证了围岩注浆理论在现场的实际应用。
关键词：围岩破碎；高效;网络注浆；排水及时
0 前言
淮北矿业集团袁店二井煤矿西翼采区开拓工程为二水平延伸，三条暗斜井长度达700m以上,坡度为15°下山。由于巷道顺F高-7断层布置，DF2∠65-70°H=20-140m，其中需揭穿WF4断层（落差160m），中间需揭穿6煤、7煤、8煤、10煤等，巷道以泥岩、砂质泥岩、破碎粉砂岩为主，施工期间迎头出水量较大，退综掘机较困难，迎头积水容易陷机子，给综掘快速掘进带来极大困难。
0 引言
目前我国部分煤矿进入深部开采范围，煤矿地压强度在逐步增加，造成的施工困难与经济损失也日益严重。针对地压的防治技术多年来我国学者从不同的角度对地压理论进行了研究，安徽理工大学郝明伟教授的帮、底锚索及注浆对围岩自承载结构加固作用的应用理论对袁店二井煤矿西翼副暗斜井的治理取得了较好成果。
1地质条件
72、81、82煤层、铝质泥岩、10煤层，西翼副暗斜井从西翼上部车场钻场施工，南邻西翼运输暗斜井（未施工），西至西翼轨道大巷（未施工）变平位置。巷道在未过F高-7正断层之前，由拨门处51煤层顶板60m左右，近顺层掘进施工，过F高-7后在72煤层顶板2m向下穿层施工，岩性主要为泥岩、粉砂岩。穿过DF2（H=54m）正断层后，巷道向下穿层掘进施工，依次将穿6、岩性主要为泥岩、粉砂岩、细砂岩。穿过WF4（H=158m）正断层后，巷道在6煤层顶板43m，向下穿层施工，岩性主要为泥岩、粉砂岩、细砂岩，巷道变平处位于51煤层顶板1m。袁店二井煤矿西翼采区开拓巷道，包括副暗斜井、回风暗斜井、运输暗斜井及三条暗斜井与-560水平大巷联巷的工程地质条件具有以下基本特征：
(1) 围岩强度低
综合柱状显示，西翼采区10煤顶板150m范围内泥岩及煤共有8层，总厚度80m以上，其余的岩层以砂岩为主，但是砂岩层大都含有泥质成分；10煤底板80m范围共有泥岩4层，总厚度超过35m。
(2) 断层构造多
对西翼采区三条暗斜井的掘进造成显著影响的断层共有7条之多，落差小于10m的断层有3条，落差10～30m的断层两条，超过100m的断层2条。三条暗斜井下山掘进过程中均需穿越3条小断层及1条大断层。
(3) 水文条件差
表面数据显示，袁店二井煤矿除个别断层有少量的滴淋水现象，大部分断层均没有出水现象，矿井断层富水性弱，导水性差，受断层、砂岩裂隙，巷道施工至断层或裂隙发育段位置时，可能会伴有少量滴、淋水现象，水量0.5～5m3/h。条件类似下山巷道掘进的基本经验显示，如涡北北四采区三条下山、许疃33采区回风暗斜井，顶板淋水、施工用水总会向下山巷道迎头聚集，严重恶化迎头施工环境，降低围岩强度，影响施工的整体效率。
根据85、87里、87外采区地质勘探与高精度三维地震资料分析，西翼采区总体上为一走向近东西，倾向东北或正北的单斜构造，断层较发育，褶曲不发育，局部仅有小的起伏、幅度不大，地层倾角变化较大，11～29°，平均18°。巷道掘进范围发育5条断层。
断层
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2 巷道断面及支护形式
西翼副暗斜井设计直墙半圆拱型、断面净宽×净高=5400×4200mm,一次支护为锚网索喷，锚杆规格：Φ22×3000mm，锚杆间排距800×800mm，注浆锚索规格：Φ21.6×7000mm，间排距1600×1600mm（全断面布置5根），二次支护为锚网喷+注浆，锚杆规格：Φ22×3200mm，注浆锚杆规格：Φ20×2500mm，间排距2000×2400mm（全断面布置7根）。底板注浆锚杆规格：Φ20×2500mm，间排距2000×2400mm（底板布置4根）。注浆锚杆规格：Φ20×4000mm，间排距2000×2400mm（底板布置3根）。
3帮、底锚索对围岩自承载结构加固作用分析
3.1帮、底锚索对围岩自承载结构加固作用分析
3.1.1底板锚索加固作用分析
巷道开挖后，围岩内的自承载结构将受到外围岩体环向应力圈对它的挤压力作用。如图1所示，顶底板锚索的作用对改变两拱的受力与变形具有极显著的效果，具体总结如下：
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3.1.2承载拱应力削弱效应
由于顶底板锚索分别从松动圈承载拱的内侧给两拱以向外的力的作用，它较大程度的降低了两拱两侧横截面上的轴力（如图2-2所示），进而大幅降低了左右两边拱的破坏应力和径向的应变，对减小围岩与支护之间的压力具有重要作用。
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图2 承载拱应力削弱效应示意图
3.1.3外围岩体地应力削弱效应
图3所示，顶底板锚索借助于托盘对围岩实施了一个径向向外的作用力，由于岩石不同于一般的土体，它具有较大的内摩擦角，这一作用力的覆盖范围较大，在其有效的覆盖范围内，该作用力对巷道围岩一定范围内的竖向与水平地应力均进行了较大幅度的削弱，使得两承载拱外围岩体作用在拱上的作用力发生相当大的减小。此处需特别指出，托盘作用力的范围并不是一个三角形的覆盖范围，这里进行了一个理想化的处理，目的是为了较为清楚的说明问题。
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图3 外围岩体应力削弱原理示意图
3.1.4帮部锚索加固作用分析
图4 帮部锚索对围岩自承载结构的加固作用
3.2底板注浆作用机理分析
3.2.1底板注浆的主要作用
高应力软岩巷道的破坏大多是从底臌开始的，主要原因可概况为三个：
① 底板松动圈深度最大；
② 底板的直接支护强度最低；
③ 水对底板的弱化作用最明显。
底板注浆，尤其是巷道全断面注浆，可以产生三方面的良好作用：
① 很好地将整个松动圈范围内原本松散的岩块重新粘接，大幅提高其承载能力；
② 保证巷道底板锚索、锚杆的锚固效果，也即是说，保证底板直接支护结构发挥应用的作用；
③ 将底板内游离的水排出，使得底板松动圈不再水的作用下进一步扩大。
3.2.2底板注浆难点分析
底板注浆与帮顶注浆所用的材料、机械设备基本相同，但是底板松动圈深度最大，而且有大量游离水存在，要想保证注浆效果，就必须首先排出游离水，并且施工深度足够的注浆孔。
底板注浆在两淮矿区多有实施，但是总体效果不如人意。原因在于底板成孔机械缺乏，而且已有的底板注浆方案大都将帮顶注浆工艺照搬，根本没有考虑到底板水的影响。
巷道底板游离水的来源有三个：巷道掘进过程中的施工用水、帮顶淋水、水沟渗水。三个来源的游离水都会在底板松动圈内长期积存，虽然水量都不大，但帮顶淋水、水沟渗水都是“有源之水”，会源源不断的向底板渗入。
巷道若底臌严重就表明其底板松动圈深度极大，一般超过3.5米，甚至更深。松动圈内钻孔会出现流沙层内钻井类似的问题：钻孔塌陷，也就是说，钻孔成形后，钻头刚一拔出，浅部1.5米范围内的钻孔立刻全部嘬合，使得锚杆、锚索、注浆管等支护材料无法安装。
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图5 底板注浆排水加固作用原理
3.3底板锚索与底板注浆作用对比分析
巷道底板的一体化加固技术包含两个要素：底板锚索及底板注浆。那么这两个要素中到底哪个是根本要件呢？现在分别分析底板锚索及底板注浆排水一体化加固技术中底板锚索及底板注浆的加固原理：
底板注浆的机理比较简单，那就是将底板松动圈范围内大量的游离水排出，同时将松动圈范围内原本碎裂的岩石重新粘接，在一定程度上恢复其承载能力。
底板锚索通过水泥浆进行全长锚固。全长锚固的锚索对围岩变形的约束效果可以通过平衡力系作用原理加以说明。如下图2-5所示，巷道底板正中的底板锚索势必产生一个轴向的平衡力系，通过托盘竖直向下的作用力与锚索锚固力的合力必然大小相等且方向相反。在平面投影图上，托盘的作用力可简化为两个集中力，锚索锚固力的分布类似于混凝土结构中钢筋锚固力的分布。
由于采用全长锚固，在巷道变形初期，底板锚索的锚固范围集中在巷道的表层，并不能对深部围岩产生很好的加固作用，若巷道底臌变形重新发生，锚索的锚固范围才会重新扩大到深部，但此时巷道的变形控制也宣告失败。从能量角度来看，大范围内通过注浆产生的胶合体可以吸收的变性能比锚索能够吸收的能量多得多，因为整个胶合体的体积比锚索的体积至少大两个数量级。
由此可以推断，底板注浆是底臌控制的关键因素。
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图5 巷道底板中央的底板锚索产生的平衡力系
3.4全断面注浆加固指导思想
巷道开挖后，围岩破碎变形区域不仅在两帮及顶板生成，还在底板一定深度范围内发育。顶板、两帮及底板的破碎区域相互联通，形成松动圈。现有的支护方案特别强调顶板及两帮的维护，底板的支护强度很小，甚至零支护，故深部巷道的变形破坏大都从底臌开始，而且底臌不治则巷道变形永不停息。
底板浅、深孔注浆将深部破碎的围岩胶结成整体，可以较好的维护围岩稳定，在较大范围内强化岩体的力学性能，改变围岩岩性，使围岩能较好地与支护体形成整体承载结构，提高整体承载结构的承载能力。
以底板强化注浆为核心的全断面注浆加固可以在袁二西翼采区上部联巷产生两个良好的作用：
(1) 确保上部联巷自身的整体支护效果；
(2) 隔断上部联巷与三条暗斜井的底板水力通道，最大限度地降低游离水对底板的危害，为三条暗斜井的支护创造有利条件。
4全断面注浆加固技术方案
底板注浆加固施工主要分六个步骤实施：4.1全断面布置止浆层
按照常规的地坪铺设工艺铺设混凝土地坪，厚度100mm，混凝土原料配比为：水泥:黄沙:石子=1: 2:2；对巷道帮顶进行喷浆封闭，喷浆配合比为水泥∶黄砂∶石子＝1∶2∶2，采用潮式拌料，速凝剂为水泥用量的4％。
4.2底板水利通道封堵
巷道底板注浆需要分段进行，因为巷道的松动圈是相互联通的，底板游离水的水利通道是相通的，底板注浆不分段进行的话，浆液的扩散范围及注浆效果很难控制。巷道底板注浆分段长度以100m为宜。注浆材料使用P.C32.5普通硅酸盐水泥，水灰比1：1。
因巷道底板松动圈深度极大，且含有大量游离水，所有钻孔均无法一次性施工到位。水利通道封堵钻孔及注浆工序如下：
① 用普通风锤或风煤钻在分段节点位置施工500-1000mm的浅孔，并进行浅孔无压注浆，注浆时间1-2分钟，将巷道浅部1-1.5m左右范围内松散岩体初步粘接。钻孔孔径根据注浆管直径确定，要保证注浆管固定效果。② 浅部注浆24小时后，继续用风锤或风煤钻在原设计钻孔位置施工2.0米的中等深度注浆孔，注浆后将松动圈范围内大部分松散体粘接成一体，此时的注浆压力仍然为零，注浆时间仍然控制在1-2分钟。
③ 中孔注浆24小时后，用ZQJJ-120/1.8型底板锚索钻机或其它底板钻孔机械在原设计钻孔位置施工4米的深部注浆孔，并继续进行无压注浆，注浆时间控制在1-2分钟。
④ 在原设计钻孔位置施工8m深的底部注浆孔，进行深孔无压注浆，注浆时间3分钟。
4.3底板浅层无压注浆
在已分割巷道底板中心点，以20m的间距施工2.5m的浅层无压注浆孔，进行浅部无压注浆。此时每个钻孔的注浆量不尽相同，最初的注浆孔水泥消耗量可能超过40袋甚至更多，后期钻孔的注浆量会逐步减少。
钻孔孔径根据注浆管直径确定，要保证注浆管固定效果。若2.5m的钻孔无法一次成形，可按照上述由浅入深的方法进行。4.4巷道帮顶初次充填性注浆
以3600×3600mm的间排距施工巷道帮顶注浆孔，每排7个孔，注浆孔深2000mm。采用规格为Φ26.75×3.25×1500mm的孔口管进行封闭后，对每排钻孔均进行首次充填性注浆。此轮注浆过程中，注浆量不加控制，以周边喷浆层出现跑浆现象为停止标志，注浆压力不超过2Mpa。
4.5底板深孔小压力注浆
在已分割巷道底板中心点，以4m×4m的间排距施工8m的深层注浆孔，进行深部小压力注浆，注浆终止压力3Mpa。
4.6巷道帮顶二次注浆加固
深孔注浆的目的在于充填深部围岩的微裂隙，将帮顶松动圈松散岩体重新形成具有较高强度的整体。
以1600×3600mm的间排距在初次注浆孔的中部施工巷道帮顶注浆孔，每排7个孔，注浆孔深3000mm。采用规格为Φ26.75×3.25×1500mm的孔口管进行封闭后，对每排钻孔均进行首次充填性注浆。深孔注浆的注浆压力必须达到6Mpa，而且注浆压力达到6Mpa后，注浆泵必须保持高压继续注浆10min以上。
4.7底板深孔高压注浆
以3200×3200mm的间距施工8m的深层注浆孔，进行深部高压注浆，注浆终止压力6Mpa。
5.二次支护后巷道全断面充填性注浆加固
本节所指的注浆浆液为普通水泥浆，浆液水灰比(重量比)为0.8:1，注浆孔的施工机具为普通的风动凿岩机。
5.1帮底交界处注浆
帮底交界处注浆旨在封堵两帮与底板的空隙通道，防止帮顶大规模注浆过程中浆液向底板及水沟中肆意漫流。
帮底交界处注浆工序如下：
① 在巷道帮底交界处以15-30°的俯角施工深度为1500mm间距为6000mm的首批注浆孔，请注意首批注浆孔的间距为6000mm；
② 采用Φ26.75×3.25×1500mm的孔口管对首批俯角孔进行封闭；
③ 对首批钻孔进行低压(甚至是零压力)充填性注浆，每孔的注浆量控制在2-3带水泥左右；
④ 首批钻孔注浆工作完成24小时以上，在相邻两个首批注浆孔的中部以同样的参数施工第二批注浆孔，请注意第二批注浆孔的间距依然是6000mm；
⑤ 对第二批注浆孔完成低压充填性注浆，注浆量要求与首批孔相同；
⑥ 在首批及第二批注浆孔的中部施工第三批注浆孔，第三批注浆孔的参数要求与前两批完全相同，请注意第三批注浆孔的间距为3000mm；
⑦ 对第三批注浆进行低压补充性注浆，注浆量控制在4-5带水泥，且止浆压力不低于1Mpa。
注浆施工顺序示意图6如下：
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5.2巷道帮顶初次充填性注浆
以3600×3600mm的间排距施工巷道帮顶注浆孔，每排7个孔，注浆孔深2000mm。采用规格为Φ26.75×3.25×1500mm的孔口管进行封闭后，对每排钻孔均进行首次充填性注浆。此轮注浆过程中，注浆量不加控制，以周边喷浆层出现跑浆现象为停止标志，注浆压力不超过2Mpa。
5.3巷道帮部二次加固
本节所设计的锚杆及锚索孔施工采用的机具为普通的风动凿岩机与普通的锚索孔钻机。
5.3.1锚网支护区段巷道帮部加固
巷道帮顶初次注浆完成后，将形成一个下图所示的承载结构。该结构受到竖向及水平方向应力的作用。工作面开采及周边巷道的布置会使竖向及水平方向的应力均有不同程度的上升。增长的竖向应力能较为均匀的分布在整个承载面上，但是水平应力的上升会引起正定部位应力集中程度的急剧加强。
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图7帮顶初次注浆形成的承载结构
为了保证上述承载结构对水平方向的矿压也有足够的抗力，需设置帮部补强锚索。帮部补强锚索排距也为1600mm，规格与顶帮锚索相同，最下部锚索距巷道底板400mm，三道锚索之间的间距为500mm。锚索规格Φ17.8mm×6300mm。
5.4巷道帮顶深部二次注浆加固
5.4.1巷道帮顶二次注浆加固参数要求
深孔注浆的目的在于充填深部围岩的微裂隙，将帮顶松动圈松散岩体重新形成具有较高强度的整体，并对补强锚索进行二次锚固。
以1600×3600mm的间排距在初次注浆孔的中部施工巷道帮顶注浆孔，每排7个孔，注浆孔深3000mm。采用规格为Φ26.75×3.25×1500mm的孔口管进行封闭后，对每排钻孔均进行首次充填性注浆。深孔注浆的注浆压力必须达到6Mpa，而且注浆压力达到6Mpa后，注浆泵必须保持高压继续注浆10min以上。
4结 论
1）施工巷道受大断层影响为围岩变形的直接作用；
2）现场实践研究表明：围岩变形的防治是可以通过控制应力来实现的。
3）利用网络注浆来实现围岩的综合治理效果明显；
4）通过矿压观测综合分析，月最大变形量为96mm，注浆效果达到预期围岩稳定的效果。