塔山煤礦破碎煤體巷道掘進(jìn)中超前錨注加固技術(shù)研究

張興

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塔山煤礦破碎煤體巷道掘進(jìn)中超前錨注加固技術(shù)研究

張興

摘要塔山煤礦是同煤集團(tuán)第一座開采石炭二疊系特厚煤層的千萬噸礦井，核定生產(chǎn)能力1 500萬t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限140 a，塔山煤礦二盤區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造影響，煤體破碎嚴(yán)重，巷道掘進(jìn)困難，部分煤體受掘進(jìn)擾動后破碎加劇，存在冒落危險(xiǎn)，為了保證巷道掘進(jìn)安全和提高巷道掘進(jìn)水平，我們采用超前錨注加固方法，對巷道頂板圍巖進(jìn)行預(yù)加固，得出了適合石炭二疊系破碎煤層超前錨注的關(guān)鍵參數(shù)，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞巷道掘進(jìn)；超前錨注；錨注加固

1　工程概況

1.1礦井概況

塔山煤礦位于山西省北部大同市西南約30 km處，地跨大同市和朔州市，是同煤集團(tuán)第一座進(jìn)行石炭二疊系煤層開采、年產(chǎn)1 500萬t的具國內(nèi)領(lǐng)先水平的特大型礦井，于2003年開始建設(shè)，2006年7月開始進(jìn)行試生產(chǎn)。塔山煤礦井田東西長約20 km，南北寬約12.50 km，面積170.902 4 km2。塔山井田東南部一、二盤區(qū)為首采區(qū)。

1.2地質(zhì)條件

塔山井田位于大同煤田的中東緣地段，總體為一走向北10°～50°東，傾向北西的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育規(guī)模較小的背向斜構(gòu)造。煤層傾角除東部邊緣孔附近較陡達(dá)10°左右外，一般在1°～5°。井田外由南而北煤層露頭部位的傾角由40°～70°，局部直立、倒轉(zhuǎn)。一般情況下，由煤層露頭線向北西方向地層變緩到15°左右，水平距離約1 000 m，而邊緣部分超過25°以上的水平距離不超過300 m。

1.3加固原理

巷道開挖后圍巖產(chǎn)生松動，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低，松動范圍內(nèi)裂隙比較發(fā)育。錨注加固巷道圍巖是利用空心錨桿兼作注漿管，利用漿液來充填和固結(jié)原有的裂隙面，改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)，使破裂圍巖膠結(jié)成連續(xù)體加固圈，并為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)，同時注漿錨桿又能起到懸吊、擠壓等作用，使巷道圍巖沿徑向擠壓的圍巖壓力轉(zhuǎn)換成切向壓力，防止圍巖松動范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，從而使巷道徑向應(yīng)力減小到僅用較小支護(hù)阻力使巷道圍巖長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.4該技術(shù)的應(yīng)用情況

此項(xiàng)技術(shù)采用自進(jìn)式中空注漿錨桿進(jìn)行錨注加固，相對于以往我礦使用化學(xué)粘接材料，該技術(shù)具有操作簡單、成本低、效果好的特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各類型礦井，在破碎煤體掘進(jìn)過程中，通過超前錨注，能夠有效的加固巷道頂板，防止出現(xiàn)冒落現(xiàn)象。

2　塔山礦破碎煤體掘進(jìn)現(xiàn)狀

塔山礦二盤區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，存在多條落差20 m以上的大斷層，受到斷層構(gòu)造影響煤體破碎，在巷道掘進(jìn)過程中，出現(xiàn)頂煤冒落，片幫嚴(yán)重等現(xiàn)象，尤其是在掘進(jìn)二盤區(qū)2214順槽、5214順槽、5216順槽期間，出現(xiàn)多次頂煤冒落現(xiàn)象，冒落高度最大5 m，片幫達(dá)3 m，后期巷道受相鄰工作面采動影響，變形嚴(yán)重，頂?shù)装遄冃瘟窟_(dá)2 m，巷道掘進(jìn)及維護(hù)成本較高，單進(jìn)水平低，月進(jìn)約30 m，嚴(yán)重制約了礦井的正常接替。

3　注漿加固施工工藝

3.1超前錨注加固方案

3.1.1錨注支護(hù)原理

巷道開挖后圍巖產(chǎn)生松動，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低，松動范圍內(nèi)裂隙比較發(fā)育。錨注加固巷道圍巖是利用空心錨桿兼作注漿管，利用漿液來充填和固結(jié)原有的裂隙面，改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)，使破裂圍巖膠結(jié)成連續(xù)體加固圈，并為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)，同時注漿錨桿又能起到懸吊、擠壓等作用，使巷道圍巖沿徑向擠壓的圍巖壓力轉(zhuǎn)換成切向壓力，防止圍巖松動范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，從而使巷道徑向應(yīng)力減小到僅用較小支護(hù)阻力就能使巷道圍巖長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

因此，錨注支護(hù)是錨桿與注漿相結(jié)合，雙重加固圍巖，可以顯著提高破碎煤體巷道掘進(jìn)期間的穩(wěn)定性。

3.1.2掘進(jìn)巷道斷面設(shè)計(jì)

塔山狂順槽巷道斷面設(shè)計(jì)為5.5×3.6 m，矩形巷道，如圖1所示。

圖1　斷層破碎區(qū)段斷面參數(shù)

3.1.3自進(jìn)式中空注漿錨桿結(jié)構(gòu)

自進(jìn)式中空注漿錨桿主要由合金鉆頭、錨桿體、止?jié){塞、拱形墊板、錨桿連接套、螺母等組成，適用于軟弱危巖、斷層破碎帶、高地應(yīng)力大變形等復(fù)雜地質(zhì)條件。

3.1.4掘進(jìn)巷道端頭注漿方案設(shè)計(jì)

（1）注漿材料以新型水泥基材料為主，必要時采用雙液漿，或新型水溶性材料。

新型水泥基注漿材料具有粘度小，析水率底，早期強(qiáng)度高。

（2）注漿管采用自進(jìn)式中空注漿錨桿。

第一階段采用，布孔方式采用長短孔結(jié)合，注漿錨桿間距為200 mm～300 mm，短注漿錨桿的尺寸為? 25×2 500 mm，傾角20°～30°，長注漿錨桿的尺寸為? 25×5 000 mm，傾角10°～15°，即19～28根/段長，布置方式如圖2所示。

圖2　第一段超前注漿管布置

其他階段采用長孔注漿，注漿錨桿間距為400 mm～600 mm，長注漿錨桿的尺寸為? 25×5 000 mm，傾角10°～15°，即10～15根/段長，每段長搭接長度1.0 m以上，布置方式如圖3所示。

圖3　其他段超前注漿管布置

（3）第一段端頭工作面噴射混凝土噴層，封閉掘進(jìn)工作面淺部裂隙。

混凝土噴層厚度不小于50 mm，可以封閉掘進(jìn)端頭裂隙，防止注漿時端頭圍巖跑漿，保證注漿效果。

（4）注漿工藝采用多孔同時注漿，注漿速度快。

大功率注漿泵和分料器結(jié)合的注漿工藝，能實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)端頭多孔同時注漿，注漿速度快，圍巖加固效果好。

（5）優(yōu)化超前注漿工藝

結(jié)合現(xiàn)場施工，逐步調(diào)節(jié)自進(jìn)式中空注漿錨桿參數(shù)和注漿施工工藝，改善注漿效果，保證巷道頂板穩(wěn)定性，提高巷道單進(jìn)水平。

3.1.5每段長注漿量

計(jì)算公式:

式中：Q—漿液總注入量，m3；

A—漿液超擴(kuò)散消耗系數(shù)取1.5；

β—漿液充填系數(shù)0.85；

η—巖層平均裂隙率10%～15%；

V—需注漿的巖層體積，經(jīng)計(jì)算得108 m3，如圖4所示。經(jīng)計(jì)算總注漿量約為14 m3～21 m3。

圖4　注漿區(qū)域示意

4　注漿結(jié)果分析

4.1注漿參數(shù)

通過對二盤區(qū)多條破碎巷道超前錨注加固，在總結(jié)超前錨注加固經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，初步確定了破碎煤體巷道掘進(jìn)期間超前錨注加固的參數(shù)。

表1　超前錨注加固參數(shù)

4.2超前錨注加固參數(shù)說明

（1）在破碎程度較大煤巖體中，2.5 m鉆孔的打鉆時間為5 min～10 min，而在較為致密的煤巖體中，2.5 m鉆孔的打鉆時間10 min～15 min，因此建議鉆進(jìn)遇到較為致密的煤巖體時采用其他鉆具和鉆桿打鉆，鉆頭大于28 mm，插入注漿錨桿即可進(jìn)行注漿加固；

（2）針對較為破碎圍巖體注漿壓力為1 MPa～2 MPa，而針對較為密室的圍巖體注漿壓力為3 MPa～5 MPa，結(jié)合注水壓力進(jìn)行調(diào)整；

（3）采用風(fēng)錘（二八鉆）和注漿錨桿合金鉆頭，煤層成孔速度快，2.5 m孔的成孔速度為5min～8 min，5 m孔的成孔速度為30 min，破碎煤體中成孔速度更快；

（4）注漿孔封孔工藝成熟，封孔固結(jié)時間為5 min～10 min，封孔端承壓能力強(qiáng)，可達(dá)到10 MPa以上；

（5）淺孔注漿效果好，深孔受圍巖致密和鉆孔碎屑的影響注漿效果不理想。

5　結(jié)論

通過對井下超前錨注加固的不斷優(yōu)化與改進(jìn)，得出了適合石炭二疊系破碎煤體超前錨固加固的關(guān)鍵參數(shù)，并在二盤區(qū)破碎煤體巷道進(jìn)行推廣，取得了較好的效果，巷道單進(jìn)水平由使用前的30 m，提高到目前的90 m，且較使用化學(xué)粘接材料能夠大幅降低成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯，該技術(shù)為同煤集團(tuán)后續(xù)同類型千萬噸礦井地質(zhì)破碎帶超前錨注加固提供了有益借鑒。

Study on Advanced Anchor Reinforcement Technology in Tunneling Roadway of Broken Coal in Tashan Mine

Zhang Xing

Abstract：Tashan Mine is the first ten million tons mine of Datong Coal Mine Group to mine Carboniferous-Permian thick coal seam，the verification production capacity of 15 million t/a，the design service life is 140 a，the coal of 2 panel in Tashan Mine influenced by geological structure is broken seriously，it's very difficult for tunneling roadway，the degree of some coal fragmentation is enhanced by tunneling disturbance，the falling risk exists，in order to ensure tunneling safety and improve the level of tunneling roadway，we adopt advanced anchor reinforcement method，the surrounding rock of roadway roof is carried out pre-reinforcement，the key parameters that suitable for advanced anchor in the broken coal seam of Carboniferous-Permian is concluded，it achieves the better result and has been successfully applied at present.

Key words：broken coal；advanced anchor；reinforcement

中圖分類號TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識碼B

文章編號1000-4866（2016）03-0015-03

作者簡介

張興，男，1982年9月，籍貫山西陽泉，畢業(yè)中國礦業(yè)大學(xué)，電氣工程及自動化專業(yè)，中級工程師，采礦工程。

收稿日期：2016-03-25