軟巖淋水煤倉綜合治理技術(shù)研究與應(yīng)用

任廣信

（冀中能源股份有限公司 章村礦，河北 邢臺 054100）

0 引 言

煤倉作為井下煤炭儲存緩沖硐室，在煤炭開采過程中發(fā)揮著重要作用，一是將煤炭實(shí)現(xiàn)集中時段運(yùn)輸，有效提高轉(zhuǎn)運(yùn)效率；二是在外圍系統(tǒng)發(fā)生故障或檢修時，煤倉可以起到緩沖作用，不影響采區(qū)生產(chǎn)。根據(jù)圍巖穩(wěn)定性及礦井生產(chǎn)能力的大小，煤倉可設(shè)置成垂直式和傾斜式兩種。傾斜式煤倉一般采用拱形斷面，傾角在60°以上，適用于圍巖穩(wěn)定性好、開采單一煤種或開采多煤種但不要求分采分運(yùn)的中小型礦井；垂直式煤倉一般為圓形斷面，適用于圍巖穩(wěn)定性較差、可以分裝分運(yùn)的大型礦井，垂直式煤倉由于其受力均勻，抗變形能力強(qiáng)，得到廣泛應(yīng)用。

1 工程條件

章村礦4226 采區(qū)煤倉位于章村礦四井西翼-200 水平4226 采區(qū)下部，26 采區(qū)皮帶下山與-350 大巷交匯處，主要擔(dān)負(fù)4226 采區(qū)出煤任務(wù)。煤倉為垂直式煤倉，直徑5.0 m，垂高15.0 m，下部為圓錐形收口，初始施工時為錨噴支護(hù)。煤倉倉體圍巖從上至下分別為細(xì)砂巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，4226 采區(qū)煤倉位置如圖1 所示，巖性情況及厚度見表1。

表1 4226 采區(qū)煤倉巖性情況Table 1 Lithology of coal bunker in 4226 mining area

圖1 4226 采區(qū)煤倉位置示意Fig.1 Coal bunker of 4226 mining area

2 煤倉變形破壞情況及變形機(jī)理分析

2.1 煤倉變形破壞情況

4226 采區(qū)煤倉自2015 年以來，在煤倉東側(cè)倉壁不間斷的出現(xiàn)渣塊脫落現(xiàn)象，煤倉下口圓錐形體由于受長期空倉運(yùn)行原煤自由落體沖擊影響，導(dǎo)致下部圓錐體亦陸續(xù)破壞，圓錐體澆筑的道軌大部分脫落。同時，在倉壁部分脫落時，非常容易造成堵倉，處理堵倉時，往往采取爆破的方法，爆破過程中，進(jìn)一步對下部圓錐體造成了破壞。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，煤倉東側(cè)由于倉壁脫落形成了一個寬度6.0 m、深度5.0 m、高度8.0 m 的大坑。下部錐體受沖擊影響，錐體已完全破壞，錐體口直徑平均在4.0 m 左右，快接近煤倉直徑，煤倉破壞情況如圖2 所示。

圖2 煤倉破壞實(shí)測Fig.2 Measurement of bunker failure

2.2 煤倉變形破壞機(jī)理分析

2.2.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)原因分析

煤倉圍巖從上至下依次為細(xì)砂巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，鋁土質(zhì)泥巖厚度達(dá)6.0 m，鋁土質(zhì)泥巖為遇水泥化巖層，巖性較軟，不利于支護(hù)。煤倉上部為砂巖含水層，長期向倉內(nèi)滴淋水，據(jù)實(shí)測正常涌水量在3 m3/h，砂巖含水層出水沿倉壁裂縫向鋁土質(zhì)泥巖層滲透，導(dǎo)致鋁土質(zhì)泥巖層泥化后脫落，且隨著脫落范圍的增大，脫落速度越來越快，嚴(yán)重影響煤倉的安全使用。

2.2.2 煤倉施工原因分析

正常情況下，煤倉施工一般采用反井法施工，即先用鉆機(jī)在從上部向下打一鉆孔與下部硐室鉆透，然后裝上反井鉆頭自下向上刷大。但該煤倉施工時采用自上至下爆破法施工，爆破過程中由于震動影響，使倉壁圍巖產(chǎn)生裂隙；且4226 采區(qū)煤倉支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿為φ22 mm、長3.0 m高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，噴射混凝土封閉，支護(hù)僅對淺部圍巖進(jìn)行了支護(hù)，未采用錨索進(jìn)行深部加強(qiáng)支護(hù)，導(dǎo)致支護(hù)強(qiáng)度不高。另外，煤倉施工時，未采取任何防水措施，導(dǎo)致煤倉涌水直接流入倉內(nèi)，影響煤倉正常使用。

2.2.3 生產(chǎn)管理上原因分析

4226 采區(qū)煤倉自投入使用后，由于淋水的逐漸增大和采區(qū)原煤含水量較大，導(dǎo)致煤倉后來不能正常存煤，一直處于空倉運(yùn)行狀態(tài)?？諅}運(yùn)行時，原煤自上部皮帶卸載滾筒處自由落體至下部錐體上，原煤直接沖擊倉壁和錐體，導(dǎo)致下部錐體道軌脫落、下部倉壁噴漿體被砸壞后開始脫落，導(dǎo)致支護(hù)錨桿失效，圍巖松動脫落，加上上部淋水順倉壁流入已松動的鋁土質(zhì)泥巖層，造成鋁土質(zhì)泥巖泥化后脫落。同時，煤倉運(yùn)行過程中，有時下口由于大塊造成堵倉，而處理堵倉時，往往采取放炮崩的方式，加劇煤倉變形破壞速度。

3 煤倉綜合治理

3.1 采區(qū)出煤系統(tǒng)改造

為確保采區(qū)生產(chǎn)正常進(jìn)行，同時為煤倉治理創(chuàng)造條件，煤倉施工前提前對采區(qū)出煤系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過利用采區(qū)下部的聯(lián)絡(luò)巷以及下部巷道布置條件，在聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)鋪設(shè)一部刮板輸送機(jī)，同時，在采區(qū)軌道下山下部鋪設(shè)兩部刮板輸送機(jī)搭接到-350 大巷強(qiáng)力皮帶，將皮帶機(jī)頭卸載部縮短至聯(lián)絡(luò)巷口處，實(shí)現(xiàn)對出煤系統(tǒng)的改造，如圖3 所示。

圖3 采區(qū)出煤系統(tǒng)改造示意Fig.3 Transformation of coal extraction system in mining area

3.2 煤倉倉壁加固

3.2.1 錨噴支護(hù)

從煤倉上口自上而下采用φ22 mm、長3.0 m高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿配合金屬經(jīng)緯網(wǎng)、φ14 焊接鋼筋梯子梁進(jìn)行加固，錨桿間排距800 mm×800 mm，梯子梁十字形布置，要求錨桿扭矩達(dá)到300 N·m 以上，抗拔力達(dá)到127 kN 以上。對倉壁脫落段懸頂處，在錨桿加固基礎(chǔ)上，采用φ21.8 mm、長8.3 m 鋼絞線錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索排距0.8 m，間距1.2 m，確保懸頂處的支護(hù)強(qiáng)度。支護(hù)布置如圖4 所示。施工完畢后噴混凝土封閉。

圖4 煤倉錨桿及懸頂處錨索布置Fig.4 Arrangement of coal bunker anchor rod and anchor cable at overhanging roof

3.2.2 注漿錨索支護(hù)

（1） 支護(hù)原理。針對煤倉軟巖段巖性裂隙發(fā)育、遇水易泥化的特點(diǎn)，采用中空注漿錨索對該層進(jìn)行加固封閉，同時注漿可有效封閉出水通道，起到堵水作用。中空注漿錨索采用中空設(shè)計(jì)，該錨索自帶注漿芯管，采用反向注漿方式，消除了產(chǎn)生氣穴空洞的可能，注漿擴(kuò)散半徑可達(dá)5~ 8 m，使?jié){液充填到松動的圍巖裂隙中，形成一個較大范圍的圍巖加固拱，有效地提高了錨索與圍巖共同支護(hù)的加固效果，充分體現(xiàn)了主動支護(hù)理論的積極作用。

（2） 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。煤倉注漿錨索采用直徑21.8 mm、長6.3 m、抗拉強(qiáng)度在1 860 MPa 以上的中空注漿錨索，注漿管直徑10 mm，中空注漿錨索包括錨索索體、止?jié){塞、托盤、鎖具等，托盤為300 mm×300 mm×17 mm（長×寬×厚） 鋼制托盤，采用樹脂藥卷CK2335、Z2360 各一卷端頭錨固，錨固長度不能超過1.5 m，以免堵塞注漿管口，錨索間排距1.5 m×1.5m，如圖5 所示。根據(jù)煤倉倉壁巖性分布情況，注漿錨索主要布置在鋁土質(zhì)泥巖段，實(shí)現(xiàn)對該段的注漿加固和封堵。

圖5 煤倉倉壁注漿錨索布置方式Fig.5 Arrangement of grouting anchor cable for coal bunker wall

（3） 注漿錨索施工工藝。打眼和安裝施工與普通錨索施工一樣，先采用錨桿機(jī)鉆出30 mm 孔徑的錨索孔，之后及時采用樹脂錨固劑對錨索進(jìn)行安裝，為防止塌孔后錨索無法安裝，錨索安裝工作要在打眼后立即進(jìn)行。待錨固劑凝固后安裝止?jié){塞，并上托盤漲拉，達(dá)到承載力。之后采用水泥-水玻璃進(jìn)行注漿，水泥- 水玻璃注漿材料具有漿液凝膠時間可準(zhǔn)確控制、結(jié)石率能達(dá)到100%、結(jié)石抗壓強(qiáng)度能達(dá)到10～20 MPa、材料來源豐富、價格便宜等特點(diǎn)。因此，煤倉注漿時采用425 號普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1，水玻璃添加比例為水泥重量的8%～15%，注漿壓力不小于3.0 MPa，不超過5.0 MPa。根據(jù)注漿吃漿情況，可隨時調(diào)整水灰比和添加劑比例，保證注漿效果。

注漿過程中，要緩慢啟動注漿泵，邊攪拌邊注漿，防止?jié){液沉淀，密切關(guān)注注漿壓力變化情況，如壓力超過規(guī)定值時要及時停止注漿，分析原因是否為已注滿或是注漿管堵塞。注漿時，要安排專人觀察煤倉倉壁以及煤倉下部跑漿情況，如出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，應(yīng)及時停止注漿，采取措施封堵跑漿通道后再開泵注漿。

3.3 煤倉涌水治理

3.3.1 煤倉治水方案的確定

根據(jù)觀測，煤倉上部硐室底板有部分出水，通水倉壁出水點(diǎn)分散，且出水點(diǎn)多，總涌水量在3 m3/h 左右，因此，通過分析認(rèn)為，采取直接封堵出水點(diǎn)可能效果不佳，需采取疏、堵、截相結(jié)合的綜合治水技術(shù)。

3.3.2 明挖水溝

通過分析煤倉出水通道，煤倉涌水大部分位于上部砂巖含水層位，由于該層靠近煤倉上部硐室底板，在硐室東側(cè)有一部分出水較為集中，因此，在煤倉上部硐室東側(cè)底板開挖一寬500 mm，深度1.0 m 的水溝，水溝底板采用混凝土澆筑，使部分涌水直接流入水溝內(nèi)，通過水溝流入煤倉聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，使其不再流入煤倉，減小水量約0.5 m3/h 左右。

3.3.3 注漿堵水

根據(jù)觀察，煤倉倉壁淋水分散，說明煤倉倉壁裂隙較發(fā)育，因此通過施工注漿錨索，注漿錨索如前所述，注漿錨索不僅起到加固圍巖的作用，同時，對倉壁發(fā)育的裂隙進(jìn)行有效封堵。注漿后，倉壁堵水效果明顯，水量減小約1.0 m3/h 左右。

3.3.4 截水槽截水

在煤倉倉壁最后噴漿封閉時，煤倉倉壁仍有幾個集中出水點(diǎn)，對這一部分出水，通過制作截水槽將涌水匯集，之后在倉壁預(yù)埋一根2 寸鋼管，將涌水匯集到鋼管內(nèi)，在倉壁開挖一暗溝，將鋼管埋入暗溝內(nèi)，鋼管下部直接通到煤倉下部硐室，最后噴漿封閉。通過截水，煤倉約1.0 m3/h 左右的涌水通過暗管直接排至下口，不再流入煤倉。

通過以上綜合治水措施，煤倉大部分涌水不再流入倉內(nèi)，滿足了煤倉正常存煤要求。

4 效果分析

在4226 采區(qū)煤倉治理加固過程中，在倉壁施工錨桿220 根，加固錨索36 根，注漿錨索60 根，共注水泥3.7 t。煤倉倉壁軟巖段施工時，發(fā)現(xiàn)個別錨桿施工困難，塌孔嚴(yán)重，說明該處圍巖受長期淋水影響，圍巖極其松軟，因此，注漿時，在該處兩側(cè)布置注漿錨索注漿加固，通過注漿提高軟巖強(qiáng)度，以提高起承載性能。4226 采區(qū)煤倉經(jīng)過綜合治理加固后，煤倉變形得到有效控制，再未發(fā)生倉體脫落現(xiàn)象，同時，大部分涌水得到治理，倉壁出水量減小到0.5 m3/h 左右，實(shí)現(xiàn)了煤倉的正常存煤運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié) 論

通過分析煤倉圍巖性質(zhì)、煤倉破壞原因以及對煤倉出水點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，運(yùn)用淺部錨噴加固、深部注漿加固、疏堵截綜合治水等方式，實(shí)現(xiàn)了煤倉的加固及涌水治理，保證了煤倉安全正常運(yùn)行。

（1） 通過利用下部巷道布置條件，合理的改造了運(yùn)煤系統(tǒng)，保證采區(qū)正產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時，為煤倉治理創(chuàng)造了施工條件。

（2） 淺部錨噴、深部注漿錨索的加固方式，將煤倉抗變形承載能力大大增強(qiáng)，特別是軟巖段通過深孔注漿的方式，提高了軟巖強(qiáng)度，使該段圍巖抗變形能力大大提高。

（3） 通過在懸頂處加打錨索的方式，有效提高了懸頂處的支護(hù)強(qiáng)度，保證了支護(hù)質(zhì)量；

（4） 通過上部疏水、倉內(nèi)注漿堵水和倉壁截水槽截水的方式，有效減少了煤倉倉壁涌水量，實(shí)現(xiàn)了煤倉正常存煤運(yùn)轉(zhuǎn)。