中國煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄

針對深埋松軟圍巖巷道在高應(yīng)力作用下，錨桿錨索錨固結(jié)構(gòu)持續(xù)移近導(dǎo)致圍巖大變形問題，分析了深埋松軟巷道錨固結(jié)構(gòu)分階段大變形機(jī)理，揭示了深埋松軟巷道圍巖高壓錨注分階段主動防控原理，開發(fā)了單液親巖、親煤及雙液早強(qiáng)型納米改性無機(jī)有機(jī)復(fù)合高性能注漿材料，研發(fā)出大噸位、高壓中空注漿錨桿及注漿錨索，形成了深埋松軟圍巖大變形巷道高壓錨注主動防控成套技術(shù)，在口孜東礦千米深井煤巷、巖巷開展工程實(shí)踐，研究結(jié)果表明，高壓錨注主動防控關(guān)鍵成套技術(shù)，可有效解決深埋松軟巷道圍巖大變形控制難題。

文章來源：《智能礦山》2025年第7期“中國煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄”

第一作者：楊建威，博士，副研究員，現(xiàn)任中煤科工開采研究院有限公司科創(chuàng)中心數(shù)智開采技術(shù)研究所所長，入選中國科協(xié)“青年人才托舉工程”、中國煤炭科工集團(tuán)“菁英雙百人選”，主要從事深部軟巖巷道圍巖控制與工作面數(shù)智開采技術(shù)研發(fā)工作。E-mail：yangjwccri@163.com

通訊作者：李嘉峰，博士，入選中國科協(xié)“青年人才托舉工程”、中國煤炭科工集團(tuán)“菁 英雙百人選”，主要從事巷道圍巖注漿改性材料研發(fā)工作。E-mail：ljfhngs@126.com

作者單位：中煤科工開采研究院有限公司

引用格式：楊建威，吳擁政，姜鵬飛，等. 深埋松軟大變形巷道高壓錨注主動防控成套技術(shù)及工程實(shí)踐[J].智能礦山，2025，6(7)：27-34.

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目前，我國煤礦開采正以8～12 m/a的速度向深井延伸，尤其是中東部礦區(qū)煤礦開采深度以10～25 m/a速度增加，煤礦深井將成為常態(tài)。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已有47座礦井采深超過千米，80%以上分布在中東部和東北礦區(qū)，其中新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司孫村煤礦埋深最大為1 510 m。深埋巷道特別是千米埋深軟巖巷道，具有高地應(yīng)力、低強(qiáng)度與強(qiáng)開挖卸荷特點(diǎn)，導(dǎo)致巷道圍巖變形劇烈、持續(xù)時間久、破壞范圍大，嚴(yán)重影響深埋松軟巷道頂板的安全。

深埋松軟巷道控制存在的主要問題

國內(nèi)外關(guān)于深埋軟巖巷道圍巖控制開展了大量研究，開發(fā)了高強(qiáng)度錨網(wǎng)索、注漿加固、型鋼支護(hù)、鋼管混凝土等控制技術(shù)，采用上述單一或者多種技術(shù)聯(lián)合控制，解決了部分深埋巷道圍巖控制難題，但深埋軟巖巷道仍出現(xiàn)大變形，需多次修復(fù)，已成為礦井開采的“卡脖子”技術(shù)難題。多年工程實(shí)踐表明，深埋軟巖巷道控制主要存在3個方面的問題。

（1）錨桿錨索預(yù)應(yīng)力低，未能充分發(fā)揮其主動支護(hù)作用。

（2）巷道開挖后，圍巖裂隙在高地應(yīng)力作用下開度降低或者重新閉合，常規(guī)注漿方式注漿壓力低、注漿材料顆粒的粒徑較大，導(dǎo)致漿液難以注入巷道圍巖，注漿加固效果不理想，等到巷道破壞后進(jìn)行二次修復(fù)時，才能注入漿液。

（3）巷道服務(wù)周期相對較長，風(fēng)化嚴(yán)重，加之工作面強(qiáng)烈采動影響，錨桿錨索在傳統(tǒng)的端錨方式下錨固力容易衰減，最終因錨固力喪失而失效。

為此，在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目“煤礦千米深井圍巖控制及智能開采技術(shù)”資助下，中煤科工開采研究院有限公司深部巷道圍巖控制團(tuán)隊，開發(fā)出基于高預(yù)應(yīng)力錨固-高壓注漿改性一體化的高壓錨注主動防控關(guān)鍵技術(shù)與配套材料，有效解決了深埋松軟巷道圍巖大變形難題。

深埋松軟巷道圍巖控制取得的創(chuàng)新成果

2.1 分階段大變形機(jī)理與高壓錨注主動防控原理

針對傳統(tǒng)中深部巷道小變形理論難以科學(xué)解釋深埋松軟巷道大變形機(jī)理的難題，井下實(shí)測闡釋了千米深埋松軟巷道圍巖強(qiáng)度衰減、結(jié)構(gòu)劣化與長期錨固力弱化規(guī)律，闡明了高應(yīng)力作用下泥巖在真三軸加卸載條件下力學(xué)響應(yīng)特性，揭示了千米深埋松軟巷道分階段結(jié)構(gòu)大變形與破壞機(jī)理。基于此，提出了高預(yù)應(yīng)力+高壓注漿一體的預(yù)應(yīng)力高壓錨注主動防控新方法及原理。

（1）實(shí)測闡釋了中煤新集能源股份有限公司口孜東礦（簡稱口孜東礦）千米深埋松軟巷道圍巖強(qiáng)度衰減、結(jié)構(gòu)劣化與長期錨固力弱化規(guī)律。千米深井巷道圍巖強(qiáng)度分區(qū)分布，淺部圍巖強(qiáng)度衰減嚴(yán)重，不超過12 MPa，頂板、幫部4.4 m、2.8 m以淺平均強(qiáng)度均低于25 MPa，屬于高應(yīng)力軟巖。圍巖結(jié)構(gòu)非對稱分區(qū)劣化，裂縫為空洞、環(huán)向、豎向和復(fù)合形式，7.3 m以淺的中深部以微裂縫為主，劣化范圍超過了錨索支護(hù)長度。錨固力在巷道開挖6個月后快速衰減，12個月后錨桿錨索錨固力分別衰減至176、185 kN，遠(yuǎn)低于高強(qiáng)度錨桿錨索承載力匹配值，頂板強(qiáng)度分布曲線如圖1所示，錨桿錨索錨固力曲線如圖2所示。

圖1 頂板強(qiáng)度分布曲線

圖2 錨桿錨索錨固力曲線

（2）揭示了深埋松軟巷道錨固體分階段、整體結(jié)構(gòu)大變形與破壞機(jī)理，提出了預(yù)應(yīng)力高壓錨注主動防控方法。開挖時，高偏應(yīng)力誘導(dǎo)軟巖淺部大裂隙、深部微裂隙擴(kuò)展；開挖后初期，錨桿錨索不及時支護(hù)，且預(yù)應(yīng)力低，錨固區(qū)內(nèi)圍巖產(chǎn)生擴(kuò)容變形；滯后低壓+普通水泥注漿，改性效果有限，裂隙進(jìn)一步發(fā)育；高應(yīng)力長期作用，劣化范圍超過錨索長度，錨固區(qū)外圍巖整體移近，錨固區(qū)內(nèi)破碎圍巖繼續(xù)碎脹，導(dǎo)致錨固結(jié)構(gòu)整體大變形。基于此，提出了高預(yù)應(yīng)力+高壓注漿一體化的預(yù)應(yīng)力高壓錨注主動防控新方法，巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)大變形破壞示意如圖3所示。

圖3 巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)大變形破壞示意

（3）從主動控調(diào)應(yīng)力、主動強(qiáng)化強(qiáng)度、主動改造結(jié)構(gòu)與主動提升錨固力方面，多尺度揭示出預(yù)應(yīng)力高壓錨注主動防控原理。錨桿錨索高預(yù)應(yīng)力主動支護(hù)，高注漿壓力主動擠壓圍巖，產(chǎn)生圍壓效應(yīng)，與高預(yù)應(yīng)力協(xié)同主動調(diào)控圍巖應(yīng)力，降低偏應(yīng)力量值；高壓錨注主動改性，漿液主動劈開并擠入深淺部圍巖多尺度微裂隙，提高漿液擴(kuò)散范圍，主動改造圍巖結(jié)構(gòu)，恢復(fù)圍巖完整性，從而主動強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度；錨桿錨索均實(shí)現(xiàn)全長預(yù)應(yīng)力錨固，主動提升錨固力，始終發(fā)揮主動支護(hù)作用。二者在時間、空間上協(xié)同作用，抑制深埋松軟巷道圍巖大變形，高壓錨注主動防控原理示意如圖4所示。

圖4 巷道預(yù)應(yīng)力高壓錨注主動防控原理示意

2.2 新型高壓注漿錨桿錨索支護(hù)材料

針對傳統(tǒng)中空注漿錨桿、錨索強(qiáng)度低、封孔壓力低且無法施加預(yù)應(yīng)力等技術(shù)瓶頸難題，研發(fā)出4款高噸位、高預(yù)應(yīng)力、高注漿壓力“三高”中空注漿錨桿與注漿錨索，最高破斷載荷512 kN，最大注漿壓力31.45 MPa，比傳統(tǒng)中空注漿錨桿、錨索提高5倍以上，實(shí)現(xiàn)高壓封孔和劈裂注漿，破解了長期以來傳統(tǒng)注漿錨桿、錨索不能高壓注漿且不能施加高預(yù)應(yīng)力的技術(shù)難題。

（1）研發(fā)出高強(qiáng)度、主動封孔組合式高壓注漿錨桿。發(fā)明了實(shí)心桿體段、連接套與中空注漿段一體化的錨桿結(jié)構(gòu)，在提高了注漿錨桿的整體強(qiáng)度，同時保證了耐高壓的封孔性能，封孔位置可根據(jù)圍巖破碎情況動態(tài)調(diào)整。實(shí)測桿體破斷載荷234.8 kN，較傳統(tǒng)注漿錨桿提高23%。封孔壓力大于20 MPa，比傳統(tǒng)注漿錨桿提高3倍以上，高壓注漿錨桿結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 高壓注漿錨桿結(jié)構(gòu)

（2）創(chuàng)新開發(fā)了高強(qiáng)度“鳥籠結(jié)構(gòu)增強(qiáng)錨固+預(yù)應(yīng)力自封孔”的高壓中空注漿錨索，在施加高預(yù)應(yīng)力的同時實(shí)現(xiàn)自主封孔。研發(fā)了屈服強(qiáng)度2 060、2 260 MPa超高強(qiáng)度注漿錨索索體材料，最大承載力472、512 kN，揭示了注漿錨索索體與錨固體力學(xué)響應(yīng)特性。與傳統(tǒng)錨索相比，在破斷力提高72～112 kN的同時，有足夠的延伸率，適用于深埋松軟巷道高強(qiáng)度錨注要求，先預(yù)應(yīng)力錨后高壓注的中空錨索結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 先預(yù)應(yīng)力錨后高壓注的中空錨索結(jié)構(gòu)

2.3 新型納米改性無機(jī)有機(jī)復(fù)合注漿材料

傳統(tǒng)無機(jī)注漿材料粒徑大、黏接性差、韌性差，無法適應(yīng)深埋松軟巷道低滲透、弱膠結(jié)、大變形特點(diǎn)。發(fā)明了無機(jī)組分優(yōu)化+機(jī)械力超細(xì)加工+有機(jī)納米粒子改性+原位聚合多技術(shù)協(xié)同制備方法，針對不同圍巖條件，開發(fā)出單液親巖型、單液親煤型、雙液早強(qiáng)型3款無機(jī)有機(jī)復(fù)合注漿材料，粒徑（D95）10 μm，可注性、抗壓強(qiáng)度、黏接強(qiáng)度較傳統(tǒng)無機(jī)材料提高2～5倍，攻克了傳統(tǒng)無機(jī)材料注不進(jìn)、黏不住、強(qiáng)不了的難題，新型納米改性復(fù)合注漿材料如圖7所示。

圖7 新型納米改性復(fù)合注漿材料

（1）單液親巖型納米改性無機(jī)有機(jī)復(fù)合單液注漿材料。針對深埋松軟巖巷，傳統(tǒng)注漿材料出現(xiàn)注不進(jìn)、黏不住、自身軟的3個難題，開發(fā)具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無機(jī)有機(jī)復(fù)合高性能注漿材料。通過組分優(yōu)化和超細(xì)加工提高注漿材料可注性，構(gòu)筑分子互傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，納米硅粉降低成核位壘促進(jìn)二次水化，兩親性分子空間位阻和靜電斥力改善浸潤性以提高注漿材料的黏結(jié)強(qiáng)度。新型注漿材料抗壓強(qiáng)度比傳統(tǒng)材料提高172%，黏結(jié)強(qiáng)度提高24%，攻克注不進(jìn)、黏不住、自身軟的難題，超細(xì)前后顆粒晶格結(jié)構(gòu)變化對比如圖8所示，無機(jī)有機(jī)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 超細(xì)前后顆粒晶格結(jié)構(gòu)變化對比

圖9 無機(jī)有機(jī)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（2）單液親煤型納米改性無機(jī)有機(jī)復(fù)合單液注漿材料。針對深埋松軟煤巷，傳統(tǒng)無機(jī)注漿材料與煤體浸潤和黏結(jié)差的難題，發(fā)明界面原位聚合形成兩相過渡區(qū)化學(xué)鍵，增強(qiáng)煤漿界面黏結(jié)的新方法。通過在注漿材料與煤體界面通過原位形成化學(xué)鍵，充分發(fā)揮共價鍵所決定的高鍵合強(qiáng)度，增加了無機(jī)注漿料與煤體兩相界面的黏結(jié)力，改善注漿效果。

通過雙電子層結(jié)構(gòu)調(diào)控凝結(jié)時間，通過鈣礬石、水化硅酸鈣晶體、鋁膠三相組分調(diào)控材料強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高早強(qiáng)和高強(qiáng)度?；诖?，開發(fā)出單液親煤型納米改性無機(jī)有機(jī)復(fù)合單液注漿材料，煤體黏接強(qiáng)度由傳統(tǒng)無機(jī)注漿料的0.61 MPa提高至1.84 MPa，抗壓強(qiáng)度50.4 MPa，較傳統(tǒng)硅酸鹽水泥分別提高202%、105%，破解了傳統(tǒng)無機(jī)注漿材料與煤體浸潤和黏結(jié)差的難題，新型親煤型注漿材料開發(fā)思路如圖10所示。

圖10 新型親煤型注漿材料開發(fā)思路

（3）雙液早強(qiáng)型納米改性無機(jī)有機(jī)復(fù)合注漿材料。針對傳統(tǒng)注漿材料出現(xiàn)凝結(jié)速度慢、早期強(qiáng)度低與黏結(jié)性差難題，優(yōu)化設(shè)計硫鋁酸鈣、硫酸鈣、氧化鈣等無機(jī)礦物組分協(xié)同機(jī)理，通過顆粒晶格發(fā)生畸變提高反應(yīng)活性，開發(fā)了納米鋰鋁類水滑石增強(qiáng)材料，納米晶核誘導(dǎo)結(jié)晶和鋰離子促溶協(xié)同，促進(jìn)礦物溶解，增大水化速率，研發(fā)了有機(jī)調(diào)節(jié)劑與煤體形成π-π共軛化學(xué)結(jié)合鍵提高黏結(jié)強(qiáng)度?；诖耍_發(fā)出雙液早強(qiáng)型納米改性無機(jī)有機(jī)復(fù)合注漿材料，2 h單軸抗壓強(qiáng)度提高了183.7%，與煤界面黏聚力提高了30%，超細(xì)前后顆粒晶格結(jié)構(gòu)變化對比如圖11所示，納米鋰鋁類水滑石增強(qiáng)原理如圖12所示。

圖11 超細(xì)前后顆粒晶格結(jié)構(gòu)變化對比

圖12 納米鋰鋁類水滑石增強(qiáng)原理

2.4 高壓錨注主動防控成套技術(shù)及工程實(shí)踐

基于上述成果，研發(fā)了高壓錨注主動防控成套技術(shù)，在我國典型千米深井的口孜東礦軟煤、軟巖巷道開展精細(xì)化示范，巷道圍巖變形量較原支護(hù)方案降低70%以上，有效解決了千米松軟巷道圍巖大變形難題。

（1）千米深井大斷面松軟煤幫高壓錨注-噴工程

提出了淮南礦區(qū)口孜東千米深井松軟煤幫預(yù)應(yīng)力高壓錨注主動防控方案。口孜東礦140502工作面主采5#煤層，平均厚度7.06 m，采用大采高1次采全厚采煤法，斷面面積達(dá)27.6 m2，埋深1 000 m。頂?shù)装逡阅鄮r、砂質(zhì)泥巖為主，強(qiáng)度低、膠結(jié)性差。煤黏土礦物含量高達(dá)86.4%，易風(fēng)化，煤幫8 m范圍內(nèi)的煤體強(qiáng)度低于20 MPa，4.5 m以內(nèi)煤體較為破碎，強(qiáng)度15 MPa以下。

原支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴+滯后注漿控制方案，肩窩大面積鼓包及支護(hù)體破斷。新支護(hù)高預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)度錨桿索+煤幫預(yù)應(yīng)力注漿錨桿、錨索協(xié)同控制方案，巷幫整體移近如圖13所示，高壓錨注控制方案如圖14所示。

圖13 巷幫整體移近

圖14 高壓錨注控制方案

高壓錨注主動防控技術(shù)解決了口孜東礦千米深井松軟煤幫大變形難題。采用新方案后，高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索主動支護(hù)與高壓注漿主動改性協(xié)同作用，煤幫強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)顯著改善，兩幫收縮量由1 400 mm減少至194 mm，降低86%，有效控制了千米深井松軟煤幫大變形，千米深井松軟煤幫高壓錨注-噴漿協(xié)同控制效果如圖15所示。

圖15 千米深井松軟煤幫高壓錨注-噴漿協(xié)同控制效果

（2）建成千米深埋松軟巖巷高壓錨注-噴工程

提出了淮南礦區(qū)口孜東千米深埋松軟巖巷高壓錨注主動防控方案。巷道埋深1 000 m，半圓拱斷面，頂?shù)装逯饕獮槟鄮r、裂縫發(fā)育，泥巖單軸抗壓強(qiáng)度21.7 MPa，且膠結(jié)性較弱。黏土礦物含量占礦物總含量60%，遇水、氣易風(fēng)化。巷道開挖后持續(xù)變形，屬于典型的千米深埋松軟大變形巷道?；谏鲜龀晒贫烁哳A(yù)應(yīng)力錨固+高壓劈裂注漿一體化的高壓錨注主動防控方案，注漿錨索采用交替性間隔高壓注漿次序，高壓錨注控制方案如圖16所示，交替性間隔高壓注漿次序如圖17所示。

圖16 高壓錨注控制方案圖

圖17 交替性間隔高壓注漿次序

高壓錨注主動防控技術(shù)解決了口孜東礦千米深埋松軟巖巷大變形難題。近3年來原方案頂板下沉362 mm，肩窩鼓出1 147 mm，兩幫移近約612 mm，底鼓1 276 mm。高壓錨注方案頂板下沉24 mm，肩窩鼓出112 mm，兩幫移約86 mm，底鼓284 mm。巷道頂板、肩窩、兩幫與底板變形分別較原方案降低93%、90%、86%、78%，原方案巷道大變形斷面如圖18所示，新方案巷道變形斷面如圖19所示。

圖18 原方案巷道大變形斷面

圖19 新方案巷道變形斷面

應(yīng)用效果

深部松軟大變形巷道高壓錨注主動防控關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，在新集、新汶、淮北、陽泉、彬長、鶴崗、渭南等全國10余個礦區(qū)20余座煤礦進(jìn)行了大規(guī)模推廣應(yīng)用。提高了巷道圍巖控制效果，有效遏制了千米深埋松軟巷道、超千米高應(yīng)力巷道、松軟破碎圍巖巷道等深部復(fù)雜巷道頂板事故及巷道圍巖變形，保證了巷道穩(wěn)定性，滿足了礦井安全生產(chǎn)要求。

國家礦山安全監(jiān)察局安徽局、陜西局先后組織召開示范巷道礦壓治理現(xiàn)場觀摩會，全國各大礦區(qū)年均組織多批次技術(shù)團(tuán)隊赴口孜東礦學(xué)習(xí)深井支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，取得良好的示范效應(yīng)?；茨系貐^(qū)地壓治理示范巷道現(xiàn)場觀摩會如圖20所示，渭南市圍巖注漿改性現(xiàn)場觀摩會如圖21所示。

圖20 淮南地區(qū)地壓治理示范巷道現(xiàn)場觀摩會

圖21 渭南市圍巖注漿改性現(xiàn)場觀摩會

（1）深埋松軟大變形巷道高壓錨注主動防控成套技術(shù)闡明了深部松軟巷道分階段大變形機(jī)理；從主動控調(diào)應(yīng)力、主動強(qiáng)化強(qiáng)度、主動改造結(jié)構(gòu)與主動提升錨固力方面，揭示出高壓錨注協(xié)同控制原理。

（2）研發(fā)出大噸位、高注漿壓力中空注漿錨桿、注漿錨索，最高破斷載荷512 kN，最大注漿壓力31.45 MPa，較傳統(tǒng)注漿錨桿、錨索提高5倍以上；研發(fā)出高可注、高強(qiáng)度、高粘結(jié)注漿材料，顆粒粒徑（D95）10 μm，抗壓強(qiáng)度、粘接強(qiáng)度、可注性較傳統(tǒng)無機(jī)材料提高1～4倍。

（3）開發(fā)了高預(yù)應(yīng)力錨固+高壓劈裂注漿一體化的高壓錨注主動防控成套技術(shù)，并在我國典型千米軟巖深井淮南口孜東礦等開展工程實(shí)踐，產(chǎn)生良好的示范效應(yīng)，并推廣至其他深部礦區(qū)，為深埋松軟巷道圍巖控制提供有效技術(shù)途徑。下一步開展深埋松軟巷道快速、智能圍巖控制技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)深部復(fù)雜條件的快速智能支護(hù)，提高支護(hù)效率、降低工人勞動強(qiáng)度。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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