中国煤科10大创新成果┃杨建威副研究员：深埋松软大变形巷道高压锚注主动防控成套技术及工程实践

中国煤科科技创新10大成果专栏

针对深埋松软围岩巷道在高应力作用下，锚杆锚索锚固结构持续移近导致围岩大变形问题，分析了深埋松软巷道锚固结构分阶段大变形机理，揭示了深埋松软巷道围岩高压锚注分阶段主动防控原理，开发了单液亲岩、亲煤及双液早强型纳米改性无机有机复合高性能注浆材料，研发出大吨位、高压中空注浆锚杆及注浆锚索，形成了深埋松软围岩大变形巷道高压锚注主动防控成套技术，在口孜东矿千米深井煤巷、岩巷开展工程实践，研究结果表明，高压锚注主动防控关键成套技术，可有效解决深埋松软巷道围岩大变形控制难题。

目前，我国煤矿开采正以8～12 m/a的速度向深井延伸，尤其是中东部矿区煤矿开采深度以10～25 m/a速度增加，煤矿深井将成为常态。据不完全统计，我国已有47座矿井采深超过千米，80%以上分布在中东部和东北矿区，其中新汶矿业集团有限责任公司孙村煤矿埋深最大为1 510 m。深埋巷道特别是千米埋深软岩巷道，具有高地应力、低强度与强开挖卸荷特点，导致巷道围岩变形剧烈、持续时间久、破坏范围大，严重影响深埋松软巷道顶板的安全。

01、深埋松软巷道控制存在的主要问题

国内外关于深埋软岩巷道围岩控制开展了大量研究，开发了高强度锚网索、注浆加固、型钢支护、钢管混凝土等控制技术，采用上述单一或者多种技术联合控制，解决了部分深埋巷道围岩控制难题，但深埋软岩巷道仍出现大变形，需多次修复，已成为矿井开采的“卡脖子”技术难题。多年工程实践表明，深埋软岩巷道控制主要存在3个方面的问题。

（1）锚杆锚索预应力低，未能充分发挥其主动支护作用。

（2）巷道开挖后，围岩裂隙在高地应力作用下开度降低或者重新闭合，常规注浆方式注浆压力低、注浆材料颗粒的粒径较大，导致浆液难以注入巷道围岩，注浆加固效果不理想，等到巷道破坏后进行二次修复时，才能注入浆液。

（3）巷道服务周期相对较长，风化严重，加之工作面强烈采动影响，锚杆锚索在传统的端锚方式下锚固力容易衰减，最终因锚固力丧失而失效。

为此，在国家重点研发计划项目“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”资助下，中煤科工开采研究院有限公司深部巷道围岩控制团队，开发出基于高预应力锚固-高压注浆改性一体化的高压锚注主动防控关键技术与配套材料，有效解决了深埋松软巷道围岩大变形难题。

02、深埋松软巷道围岩控制取得的创新成果

2.1 分阶段大变形机理与高压锚注主动防控原理

针对传统中深部巷道小变形理论难以科学解释深埋松软巷道大变形机理的难题，井下实测阐释了千米深埋松软巷道围岩强度衰减、结构劣化与长期锚固力弱化规律，阐明了高应力作用下泥岩在真三轴加卸载条件下力学响应特性，揭示了千米深埋松软巷道分阶段结构大变形与破坏机理。基于此，提出了高预应力+高压注浆一体的预应力高压锚注主动防控新方法及原理。

（1）实测阐释了中煤新集能源股份有限公司口孜东矿（简称口孜东矿）千米深埋松软巷道围岩强度衰减、结构劣化与长期锚固力弱化规律。千米深井巷道围岩强度分区分布，浅部围岩强度衰减严重，不超过12 MPa，顶板、帮部4.4 m、2.8 m以浅平均强度均低于25 MPa，属于高应力软岩。围岩结构非对称分区劣化，裂缝为空洞、环向、竖向和复合形式，7.3 m以浅的中深部以微裂缝为主，劣化范围超过了锚索支护长度。锚固力在巷道开挖6个月后快速衰减，12个月后锚杆锚索锚固力分别衰减至176、185 kN，远低于高强度锚杆锚索承载力匹配值，顶板强度分布曲线如图1所示，锚杆锚索锚固力曲线如图2所示。

图1 顶板强度分布曲线

图2 锚杆锚索锚固力曲线

（2）揭示了深埋松软巷道锚固体分阶段、整体结构大变形与破坏机理，提出了预应力高压锚注主动防控方法。开挖时，高偏应力诱导软岩浅部大裂隙、深部微裂隙扩展；开挖后初期，锚杆锚索不及时支护，且预应力低，锚固区内围岩产生扩容变形；滞后低压+普通水泥注浆，改性效果有限，裂隙进一步发育；高应力长期作用，劣化范围超过锚索长度，锚固区外围岩整体移近，锚固区内破碎围岩继续碎胀，导致锚固结构整体大变形。基于此，提出了高预应力+高压注浆一体化的预应力高压锚注主动防控新方法，巷道围岩整体结构大变形破坏示意如图3所示。

图3 巷道围岩整体结构大变形破坏示意

（3）从主动控调应力、主动强化强度、主动改造结构与主动提升锚固力方面，多尺度揭示出预应力高压锚注主动防控原理。锚杆锚索高预应力主动支护，高注浆压力主动挤压围岩，产生围压效应，与高预应力协同主动调控围岩应力，降低偏应力量值；高压锚注主动改性，浆液主动劈开并挤入深浅部围岩多尺度微裂隙，提高浆液扩散范围，主动改造围岩结构，恢复围岩完整性，从而主动强化围岩强度；锚杆锚索均实现全长预应力锚固，主动提升锚固力，始终发挥主动支护作用。二者在时间、空间上协同作用，抑制深埋松软巷道围岩大变形，高压锚注主动防控原理示意如图4所示。

图4 巷道预应力高压锚注主动防控原理示意

2.2 新型高压注浆锚杆锚索支护材料

针对传统中空注浆锚杆、锚索强度低、封孔压力低且无法施加预应力等技术瓶颈难题，研发出4款高吨位、高预应力、高注浆压力“三高”中空注浆锚杆与注浆锚索，最高破断载荷512 kN，最大注浆压力31.45 MPa，比传统中空注浆锚杆、锚索提高5倍以上，实现高压封孔和劈裂注浆，破解了长期以来传统注浆锚杆、锚索不能高压注浆且不能施加高预应力的技术难题。

（1）研发出高强度、主动封孔组合式高压注浆锚杆。发明了实心杆体段、连接套与中空注浆段一体化的锚杆结构，在提高了注浆锚杆的整体强度，同时保证了耐高压的封孔性能，封孔位置可根据围岩破碎情况动态调整。实测杆体破断载荷234.8 kN，较传统注浆锚杆提高23%。封孔压力大于20 MPa，比传统注浆锚杆提高3倍以上，高压注浆锚杆结构如图5所示。

图5 高压注浆锚杆结构

（2）创新开发了高强度“鸟笼结构增强锚固+预应力自封孔”的高压中空注浆锚索，在施加高预应力的同时实现自主封孔。研发了屈服强度2 060、2 260 MPa超高强度注浆锚索索体材料，最大承载力472、512 kN，揭示了注浆锚索索体与锚固体力学响应特性。与传统锚索相比，在破断力提高72～112 kN的同时，有足够的延伸率，适用于深埋松软巷道高强度锚注要求，先预应力锚后高压注的中空锚索结构如图6所示。

图6 先预应力锚后高压注的中空锚索结构

2.3 新型纳米改性无机有机复合注浆材料

传统无机注浆材料粒径大、黏接性差、韧性差，无法适应深埋松软巷道低渗透、弱胶结、大变形特点。发明了无机组分优化+机械力超细加工+有机纳米粒子改性+原位聚合多技术协同制备方法，针对不同围岩条件，开发出单液亲岩型、单液亲煤型、双液早强型3款无机有机复合注浆材料，粒径（D95）10 μm，可注性、抗压强度、黏接强度较传统无机材料提高2～5倍，攻克了传统无机材料注不进、黏不住、强不了的难题，新型纳米改性复合注浆材料如图7所示。

图7 新型纳米改性复合注浆材料

（1）单液亲岩型纳米改性无机有机复合单液注浆材料。针对深埋松软岩巷，传统注浆材料出现注不进、黏不住、自身软的3个难题，开发具有互穿网络结构的无机有机复合高性能注浆材料。通过组分优化和超细加工提高注浆材料可注性，构筑分子互传网络结构实现高强度，纳米硅粉降低成核位垒促进二次水化，两亲性分子空间位阻和静电斥力改善浸润性以提高注浆材料的黏结强度。新型注浆材料抗压强度比传统材料提高172%，黏结强度提高24%，攻克注不进、黏不住、自身软的难题，超细前后颗粒晶格结构变化对比如图8所示，无机有机互穿网络结构如图9所示。

图8 超细前后颗粒晶格结构变化对比

图9 无机有机互穿网络结构

（2）单液亲煤型纳米改性无机有机复合单液注浆材料。针对深埋松软煤巷，传统无机注浆材料与煤体浸润和黏结差的难题，发明界面原位聚合形成两相过渡区化学键，增强煤浆界面黏结的新方法。通过在注浆材料与煤体界面通过原位形成化学键，充分发挥共价键所决定的高键合强度，增加了无机注浆料与煤体两相界面的黏结力，改善注浆效果。

通过双电子层结构调控凝结时间，通过钙矾石、水化硅酸钙晶体、铝胶三相组分调控材料强度，实现高早强和高强度。基于此，开发出单液亲煤型纳米改性无机有机复合单液注浆材料，煤体黏接强度由传统无机注浆料的0.61 MPa提高至1.84 MPa，抗压强度50.4 MPa，较传统硅酸盐水泥分别提高202%、105%，破解了传统无机注浆材料与煤体浸润和黏结差的难题，新型亲煤型注浆材料开发思路如图10所示。

图10 新型亲煤型注浆材料开发思路

（3）双液早强型纳米改性无机有机复合注浆材料。针对传统注浆材料出现凝结速度慢、早期强度低与黏结性差难题，优化设计硫铝酸钙、硫酸钙、氧化钙等无机矿物组分协同机理，通过颗粒晶格发生畸变提高反应活性，开发了纳米锂铝类水滑石增强材料，纳米晶核诱导结晶和锂离子促溶协同，促进矿物溶解，增大水化速率，研发了有机调节剂与煤体形成π-π共轭化学结合键提高黏结强度。基于此，开发出双液早强型纳米改性无机有机复合注浆材料，2 h单轴抗压强度提高了183.7%，与煤界面黏聚力提高了30%，超细前后颗粒晶格结构变化对比如图11所示，纳米锂铝类水滑石增强原理如图12所示。

图11 超细前后颗粒晶格结构变化对比

图12 纳米锂铝类水滑石增强原理

2.4 高压锚注主动防控成套技术及工程实践

基于上述成果，研发了高压锚注主动防控成套技术，在我国典型千米深井的口孜东矿软煤、软岩巷道开展精细化示范，巷道围岩变形量较原支护方案降低70%以上，有效解决了千米松软巷道围岩大变形难题。

（1）千米深井大断面松软煤帮高压锚注-喷工程

提出了淮南矿区口孜东千米深井松软煤帮预应力高压锚注主动防控方案。口孜东矿140502工作面主采5#煤层，平均厚度7.06 m，采用大采高1次采全厚采煤法，断面面积达27.6 m2，埋深1 000 m。顶底板以泥岩、砂质泥岩为主，强度低、胶结性差。煤黏土矿物含量高达86.4%，易风化，煤帮8 m范围内的煤体强度低于20 MPa，4.5 m以内煤体较为破碎，强度15 MPa以下。

原支护采用锚网索喷+滞后注浆控制方案，肩窝大面积鼓包及支护体破断。新支护高预应力超高强度锚杆索+煤帮预应力注浆锚杆、锚索协同控制方案，巷帮整体移近如图13所示，高压锚注控制方案如图14所示。

图13 巷帮整体移近

图14 高压锚注控制方案

高压锚注主动防控技术解决了口孜东矿千米深井松软煤帮大变形难题。采用新方案后，高预应力锚杆、锚索主动支护与高压注浆主动改性协同作用，煤帮强度与结构显著改善，两帮收缩量由1 400 mm减少至194 mm，降低86%，有效控制了千米深井松软煤帮大变形，千米深井松软煤帮高压锚注-喷浆协同控制效果如图15所示。

图15 千米深井松软煤帮高压锚注-喷浆协同控制效果

（2）建成千米深埋松软岩巷高压锚注-喷工程

提出了淮南矿区口孜东千米深埋松软岩巷高压锚注主动防控方案。巷道埋深1 000 m，半圆拱断面，顶底板主要为泥岩、裂缝发育，泥岩单轴抗压强度21.7 MPa，且胶结性较弱。黏土矿物含量占矿物总含量60%，遇水、气易风化。巷道开挖后持续变形，属于典型的千米深埋松软大变形巷道。基于上述成果，制定了高预应力锚固+高压劈裂注浆一体化的高压锚注主动防控方案，注浆锚索采用交替性间隔高压注浆次序，高压锚注控制方案如图16所示，交替性间隔高压注浆次序如图17所示。

图16 高压锚注控制方案图

图17 交替性间隔高压注浆次序

高压锚注主动防控技术解决了口孜东矿千米深埋松软岩巷大变形难题。近3年来原方案顶板下沉362 mm，肩窝鼓出1 147 mm，两帮移近约612 mm，底鼓1 276 mm。高压锚注方案顶板下沉24 mm，肩窝鼓出112 mm，两帮移约86 mm，底鼓284 mm。巷道顶板、肩窝、两帮与底板变形分别较原方案降低93%、90%、86%、78%，原方案巷道大变形断面如图18所示，新方案巷道变形断面如图19所示。

图18 原方案巷道大变形断面

图19 新方案巷道变形断面

03、应用效果

深部松软大变形巷道高压锚注主动防控关键技术的研究成果，在新集、新汶、淮北、阳泉、彬长、鹤岗、渭南等全国10余个矿区20余座煤矿进行了大规模推广应用。提高了巷道围岩控制效果，有效遏制了千米深埋松软巷道、超千米高应力巷道、松软破碎围岩巷道等深部复杂巷道顶板事故及巷道围岩变形，保证了巷道稳定性，满足了矿井安全生产要求。

国家矿山安全监察局安徽局、陕西局先后组织召开示范巷道矿压治理现场观摩会，全国各大矿区年均组织多批次技术团队赴口孜东矿学习深井支护经验，取得良好的示范效应。淮南地区地压治理示范巷道现场观摩会如图20所示，渭南市围岩注浆改性现场观摩会如图21所示。

图20 淮南地区地压治理示范巷道现场观摩会

图21 渭南市围岩注浆改性现场观摩会

（1）深埋松软大变形巷道高压锚注主动防控成套技术阐明了深部松软巷道分阶段大变形机理；从主动控调应力、主动强化强度、主动改造结构与主动提升锚固力方面，揭示出高压锚注协同控制原理。

（2）研发出大吨位、高注浆压力中空注浆锚杆、注浆锚索，最高破断载荷512 kN，最大注浆压力31.45 MPa，较传统注浆锚杆、锚索提高5倍以上；研发出高可注、高强度、高粘结注浆材料，颗粒粒径（D95）10 μm，抗压强度、粘接强度、可注性较传统无机材料提高1～4倍。

（3）开发了高预应力锚固+高压劈裂注浆一体化的高压锚注主动防控成套技术，并在我国典型千米软岩深井淮南口孜东矿等开展工程实践，产生良好的示范效应，并推广至其他深部矿区，为深埋松软巷道围岩控制提供有效技术途径。下一步开展深埋松软巷道快速、智能围岩控制技术与装备，实现深部复杂条件的快速智能支护，提高支护效率、降低工人劳动强度。

文章来源：《智能矿山》2025年第7期“中国煤科科技创新10大成果专栏”

第一作者：杨建威，博士，副研究员，现任中煤科工开采研究院有限公司科创中心数智开采技术研究所所长，入选中国科协“青年人才托举工程”、中国煤炭科工集团“菁英双百人选”，主要从事深部软岩巷道围岩控制与工作面数智开采技术研发工作。E-mail：yangjwccri@163.com

通讯作者：李嘉峰，博士，入选中国科协“青年人才托举工程”、中国煤炭科工集团“菁 英双百人选”，主要从事巷道围岩注浆改性材料研发工作。E-mail：ljfhngs@126.com

作者单位：中煤科工开采研究院有限公司

引用格式：杨建威，吴拥政，姜鹏飞，等. 深埋松软大变形巷道高压锚注主动防控成套技术及工程实践[J].智能矿山，2025，6(7)：27-34.

编辑丨李莎

审核丨赵瑞