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力作用下，錨桿錨索錨固結構持續(xù)移近導致圍巖大變形問題，分析了深埋松軟巷道錨固結構分階段大變形機理，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、親煤及雙液早強型納米改性無機有機復合高性能注漿材料，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，在口孜東礦千米深井煤巷、巖巷開展工程實踐，研究結果表明，高壓錨注主動防控關鍵成套技術，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“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“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及工程實踐[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)集團有限責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，具有高地應力、低強度與強開挖卸荷特點，導致巷道圍巖變形劇烈、持續(xù)時間久、破壞范圍大，嚴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

國內外關于深埋軟巖巷道圍巖控制開展了大量研究，開發(fā)了高強度錨網(wǎng)索、注漿加固、型鋼支護、鋼管混凝土等控制技術，采用上述單一或者多種技術聯(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，已成為礦井開采的“卡脖子”技術難題。多年工程實踐表明，深埋軟巖巷道控制主要存在3個方面的問題。

（1）錨桿錨索預應力低，未能充分發(fā)揮其主動支護作用。

（2）巷道開挖后，圍巖裂隙在高地應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，等到巷道破壞后進行二次修復時，才能注入漿液。

（3）巷道服務周期相對較長，風化嚴重，加之工作面強烈采動影響，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，在國家重點研發(fā)計劃項目“煤礦千米深井圍巖控制及智能開采技術”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隊，開發(fā)出基于高預應力錨固-高壓注漿改性一體化的高壓錨注主動防控關鍵技術與配套材料，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解釋深埋松軟巷道大變形機理的難題，井下實測闡釋了千米深埋松軟巷道圍巖強度衰減、結構劣化與長期錨固力弱化規(guī)律，闡明了高應力作用下泥巖在真三軸加卸載條件下力學響應特性，揭示了千米深埋松軟巷道分階段結構大變形與破壞機理?；诖?，提出了高預應力+高壓注漿一體的預應力高壓錨注主動防控新方法及原理。

（1）實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度衰減、結構劣化與長期錨固力弱化規(guī)律。千米深井巷道圍巖強度分區(qū)分布，淺部圍巖強度衰減嚴重，不超過12 MPa，頂板、幫部4.4 m、2.8 m以淺平均強度均低于25 MPa，屬于高應力軟巖。圍巖結構非對稱分區(qū)劣化，裂縫為空洞、環(huán)向、豎向和復合形式，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，遠低于高強度錨桿錨索承載力匹配值，頂板強度分布曲線如圖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、整體結構大變形與破壞機理，提出了預應力高壓錨注主動防控方法。開挖時，高偏應力誘導軟巖淺部大裂隙、深部微裂隙擴展；開挖后初期，錨桿錨索不及時支護，且預應力低，錨固區(qū)內圍巖產生擴容變形；滯后低壓+普通水泥注漿，改性效果有限，裂隙進一步發(fā)育；高應力長期作用，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)內破碎圍巖繼續(xù)碎脹，導致錨固結構整體大變形?；诖?，提出了高預應力+高壓注漿一體化的預應力高壓錨注主動防控新方法，巷道圍巖整體結構大變形破壞示意如圖3所示。

圖3 巷道圍巖整體結構大變形破壞示意

（3）從主動控調應力、主動強化強度、主動改造結構與主動提升錨固力方面，多尺度揭示出預應力高壓錨注主動防控原理。錨桿錨索高預應力主動支護，高注漿壓力主動擠壓圍巖，產生圍壓效應，與高預應力協(xié)同主動調控圍巖應力，降低偏應力量值；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，提高漿液擴散范圍，主動改造圍巖結構，恢復圍巖完整性，從而主動強化圍巖強度；錨桿錨索均實現(xiàn)全長預應力錨固，主動提升錨固力，始終發(fā)揮主動支護作用。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 巷道預應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材料

針對傳統(tǒng)中空注漿錨桿、錨索強度低、封孔壓力低且無法施加預應力等技術瓶頸難題，研發(fā)出4款高噸位、高預應力、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應力的技術難題。

（1）研發(fā)出高強度、主動封孔組合式高壓注漿錨桿。發(fā)明了實心桿體段、連接套與中空注漿段一體化的錨桿結構，在提高了注漿錨桿的整體強度，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)調整。實測桿體破斷載荷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，高壓注漿錨桿結構如圖5所示。

圖5 高壓注漿錨桿結構

（2）創(chuàng)新開發(fā)了高強度“鳥籠結構增強錨固+預應力自封孔”的高壓中空注漿錨索，在施加高預應力的同時實現(xiàn)自主封孔。研發(fā)了屈服強度2 060、2 260 MPa超高強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響應特性。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度錨注要求，先預應力錨后高壓注的中空錨索結構如圖6所示。

圖6 先預應力錨后高壓注的中空錨索結構

2.3 新型納米改性無機有機復合注漿材料

傳統(tǒng)無機注漿材料粒徑大、黏接性差、韌性差，無法適應深埋松軟巷道低滲透、弱膠結、大變形特點。發(fā)明了無機組分優(yōu)化+機械力超細加工+有機納米粒子改性+原位聚合多技術協(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、雙液早強型3款無機有機復合注漿材料，粒徑（D95）10 μm，可注性、抗壓強度、黏接強度較傳統(tǒng)無機材料提高2～5倍，攻克了傳統(tǒng)無機材料注不進、黏不住、強不了的難題，新型納米改性復合注漿材料如圖7所示。

圖7 新型納米改性復合注漿材料

（1）單液親巖型納米改性無機有機復合單液注漿材料。針對深埋松軟巖巷，傳統(tǒng)注漿材料出現(xiàn)注不進、黏不住、自身軟的3個難題，開發(fā)具有互穿網(wǎng)絡結構的無機有機復合高性能注漿材料。通過組分優(yōu)化和超細加工提高注漿材料可注性，構筑分子互傳網(wǎng)絡結構實現(xiàn)高強度，納米硅粉降低成核位壘促進二次水化，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強度。新型注漿材料抗壓強度比傳統(tǒng)材料提高172%，黏結強度提高24%，攻克注不進、黏不住、自身軟的難題，超細前后顆粒晶格結構變化對比如圖8所示，無機有機互穿網(wǎng)絡結構如圖9所示。

圖8 超細前后顆粒晶格結構變化對比

圖9 無機有機互穿網(wǎng)絡結構

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

通過雙電子層結構調控凝結時間，通過鈣礬石、水化硅酸鈣晶體、鋁膠三相組分調控材料強度，實現(xiàn)高早強和高強度?；诖?，開發(fā)出單液親煤型納米改性無機有機復合單液注漿材料，煤體黏接強度由傳統(tǒng)無機注漿料的0.61 MPa提高至1.84 MPa，抗壓強度50.4 MPa，較傳統(tǒng)硅酸鹽水泥分別提高202%、105%，破解了傳統(tǒng)無機注漿材料與煤體浸潤和黏結差的難題，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）雙液早強型納米改性無機有機復合注漿材料。針對傳統(tǒng)注漿材料出現(xiàn)凝結速度慢、早期強度低與黏結性差難題，優(yōu)化設計硫鋁酸鈣、硫酸鈣、氧化鈣等無機礦物組分協(xié)同機理，通過顆粒晶格發(fā)生畸變提高反應活性，開發(fā)了納米鋰鋁類水滑石增強材料，納米晶核誘導結晶和鋰離子促溶協(xié)同，促進礦物溶解，增大水化速率，研發(fā)了有機調節(jié)劑與煤體形成π-π共軛化學結合鍵提高黏結強度?；诖?，開發(fā)出雙液早強型納米改性無機有機復合注漿材料，2 h單軸抗壓強度提高了183.7%，與煤界面黏聚力提高了30%，超細前后顆粒晶格結構變化對比如圖11所示，納米鋰鋁類水滑石增強原理如圖12所示。

圖11 超細前后顆粒晶格結構變化對比

圖12 納米鋰鋁類水滑石增強原理

2.4 高壓錨注主動防控成套技術及工程實踐

基于上述成果，研發(fā)了高壓錨注主動防控成套技術，在我國典型千米深井的口孜東礦軟煤、軟巖巷道開展精細化示范，巷道圍巖變形量較原支護方案降低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應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27.6 m2，埋深1 000 m。頂?shù)装逡阅鄮r、砂質泥巖為主，強度低、膠結性差。煤黏土礦物含量高達86.4%，易風化，煤幫8 m范圍內的煤體強度低于20 MPa，4.5 m以內煤體較為破碎，強度15 MPa以下。

原支護采用錨網(wǎng)索噴+滯后注漿控制方案，肩窩大面積鼓包及支護體破斷。新支護高預應力超高強度錨桿索+煤幫預應力注漿錨桿、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，高預應力錨桿、錨索主動支護與高壓注漿主動改性協(xié)同作用，煤幫強度與結構顯著改善，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，泥巖單軸抗壓強度21.7 MPa，且膠結性較弱。黏土礦物含量占礦物總含量60%，遇水、氣易風化。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?，制定了高預應力錨固+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

應用效果

深部松軟大變形巷道高壓錨注主動防控關鍵技術的研究成果，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余座煤礦進行了大規(guī)模推廣應用。提高了巷道圍巖控制效果，有效遏制了千米深埋松軟巷道、超千米高應力巷道、松軟破碎圍巖巷道等深部復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團隊赴口孜東礦學習深井支護經(jīng)驗，取得良好的示范效應?；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闡明了深部松軟巷道分階段大變形機理；從主動控調應力、主動強化強度、主動改造結構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、高強度、高粘結注漿材料，顆粒粒徑（D95）10 μm，抗壓強度、粘接強度、可注性較傳統(tǒng)無機材料提高1～4倍。

（3）開發(fā)了高預應力錨固+高壓劈裂注漿一體化的高壓錨注主動防控成套技術，并在我國典型千米軟巖深井淮南口孜東礦等開展工程實踐，產生良好的示范效應，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途徑。下一步開展深埋松軟巷道快速、智能圍巖控制技術與裝備，實現(xiàn)深部復雜條件的快速智能支護，提高支護效率、降低工人勞動強度。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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