中空注漿錨索在深部軟巖掘進支護施工中的應用

武月江

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 太原 030053）

引言

隨著煤礦機械化程度的不斷提升及綜采技術的廣泛應用，當前礦井采掘深度不斷增加，對礦井采掘生產工藝提出了更高的要求。在煤礦生產中，能否有效控制巷道圍巖應力，在一定程度上影響著煤礦開采安全。如果巷道圍巖應力超出其支護強度，則會使巷道圍巖處在不穩定的狀態，容易出現底鼓、片幫、冒頂等問題，威脅工作面生產安全[1]。常規錨桿支護方法無法滿足煤礦深部巷道的生產、通風要求，應對中空注漿錨索支護進行有效應用。

1 中空注漿錨索支護技術

中空注漿錨索支護是將錨索組合起來，用鉆機將錨索打入鉆孔，并進行注漿，通過注漿錨索的孔，少部分漿液進入到圍巖的裂隙之中，而大部分進入到更深部的圍巖裂縫中。注漿段漿液凝固之后，對錨索施加預應力，并用托盤等鎖具將外錨固段鎖緊[2-3]。采取點載荷形式，將應力轉化為面載荷，并在更廣闊的支護物結構面上均勻分布，被支護體受到的擠壓也更加均勻。圍巖在預應力的影響下應力狀態得到了明顯的改善，抗變形破壞的性能得到了有效提高。相比較于普通錨桿支護方法，中空注漿錨索支護技術可以使漿液完全充滿巷道圍巖裂隙，有利于提高圍巖體的強度，并能有效控制圍巖體的變形，同時也使深部圍巖膠結變成一個整體，實現了圍巖自穩能力的提高。

2 28306 工作面概況

西曲礦位于太原西山煤田北緣，設計生產能力為400 萬t/年，煤層傾角3°～15°，平均5°左右，現主要開采煤層8 號、9 號，礦井面積為15.7 km2。28306工作面現主要開采太原組8 號煤層，煤層平均厚度3.9 m。工作面總走向長度為8.5 km，其中傾斜工作面長度為4.7 km。其頂底板類型如下：老頂，主要成分為細砂巖，平均厚度為4.32 m，巖層主要為深灰色，中間夾雜植物根部化石，硬度較大，質地相對緊密；直接頂，主要成分為泥巖，平均厚度為1.60 m，巖層主要為黑灰色，中間夾雜植物根部化石，且已變成碳化體，分布相對均勻；直接底，主要成分為砂質泥巖，平均厚度為1.45 m，巖層主要為深灰色，中間夾雜蘆木化石，硅質膠結狀態。探測結果發現，該煤層工作面中包含一些平均落差為10 m 的大中型斷層，是影響生產效率的主要因素。對斷層進行探測發現，主要為正斷層，開采時容易出現斜滑、相對位移問題。同時，該煤層工作面已經進入深部巷道開采階段，為保障安全生產、高效生產，應確保支護的穩定性、合理性、高效性。

3 中空注漿錨索支護在礦井深部巷道的應用

3.1 方案對比

為確定支護方法的合理性，采用FLAC3D 軟件，分析、比較中空注漿錨索支護、普通錨桿支護兩種不同支護方法對深部巷道的支護效果。根據該煤層工作面深部巷道的實際情況建立模型，高度、長度、寬度分別為60 m、60 m、50 m。同時，根據該煤礦的地質條件，設置巖層參數，具體見表1、表2。兩種支護方法對應深部巷道的破壞情況如圖1 所示。

圖1 中空注漿錨索與普通錨桿支護下巷道破壞情況

表1 中空注漿錨索支護方法的巖層參數

表2 普通錨桿支護方法的巖層參數

對中空注漿錨索支護、普通錨桿支護兩種不同支護方法對巷道圍巖的控制效果進行對比分析，得出如下結論：在開采前期，兩種支護方法均可以確保深部巷道的穩定性、平衡性。但在開采過程中，普通錨桿逐漸失去著力點，使得巷道兩幫出現嚴重的變形；采取中空注漿錨索支護方法，通過進行注漿，實現了巷道穩定性的整體改善，可有效控制圍巖變形；采取普通錨桿支護方法時，深部巷道出現嚴重的垂直應力集中現象，最大應力可達到20 MPa。集中系數高達1.89，水平應力的集中系數可以達到2.4。采取中空注漿錨索支護方法，可以有效減輕應力集中現象，且可減少應力值。綜上，西曲礦煤層工作面深部巷道采用普通錨桿支護方法，不能滿足開采、運輸、通風的要求，故應選擇中空注漿錨索支護方法。

3.2 總體設計

在考慮地質條件的基礎上，選擇中空注漿錨索支護方法對改煤層工作面的深部巷道進行支護。錨索的長度8 000 mm、直徑22mm、排距1 500 mm、間距1 300 mm。同時配置正方形鐵托盤，尺寸為250 mm×250 mm。為保障支護效果，應將凝膠時間控制在2 min 左右，并要將錨固劑的固化時間控制在7 min 以下。

3.3 施工流程

中空注漿錨索支護的施工流程如下：

1）打孔。根據3.1 支護方案設計中錨索、錨桿的設計位置，在煤層工作面頂板、兩幫進行打孔，施工人員應按照按照操作規范要求，對鉆孔的方向、深度進行控制，嚴格控制錨索的排距1 500 mm、間距1 300 mm，誤差允許范圍為±80 mm。

2）制備漿料。采用PO.42.5R 硅酸鹽、水、ACZ-Ⅰ/Ⅱ型水泥注漿添加劑制作漿料，三者的比例為10∶7∶0.7。錨固劑攪拌均勻后，靜置1 h。

3）注漿。打孔完成后，對煤矸石進行清理，確保無雜物后，進行注漿。注漿壓力為2~5 MPa。注漿過程中，應注意預防注漿孔堵塞問題，采用風筒膠、棉絲對喇叭口狀的鉆孔進行處理，以預防漏漿問題。需要注意的是，為確保支護效果，應合理選擇注漿時機。在考慮地質條件的基礎上，對圍巖的應變率進行計算，確定從巷道開挖的第18 天開始進行注漿作業。

4 中空注漿錨索支護在礦井深部巷道的應用效果評估

4.1 巷道變形

對中空注漿錨索支護、普通錨桿支護兩種不同支護方法下該煤層工作面深部巷道頂板、兩幫的位移情況進行監測。與普通錨桿支護方法相比，采取中空注漿錨索支護方法，可有效降低深部巷道頂板、兩幫的位移量。具體來說，普通錨桿支護方法下頂板最大位移量為210 mm，中空注漿錨索支護方法下降至90 mm；普通錨桿支護方法下兩幫最大位移量為385 mm，中空注漿錨索支護方法下降至195 mm。

4.2 圍巖應力變化

對中空注漿錨索支護、普通錨桿支護兩種不同支護方法下該煤層工作面深部巷道圍巖應力參數進行比較，結果如下：

1）細砂巖。中空注漿錨索支護方法下內摩擦角為28.08°，內聚力為16.90 MPa；普通錨桿支護方法下內摩擦角為21.6°，內聚力為13.0 MPa。

2）粉砂巖。中空注漿錨索支護方法下內摩擦角為37.50°，內聚力為16.30 MPa；普通錨桿支護方法下內摩擦角為29.0°，內聚力為12.5 MPa。

3）泥巖。中空注漿錨索支護方法下內摩擦角為29.44°，內聚力為7.98 MPa；普通錨桿支護方法下內摩擦角為20.3°，內聚力為5.7 MPa。

4）砂質泥巖。中空注漿錨索支護方法下內摩擦角為31.67°，內聚力為10.80 MPa；普通錨桿支護方法下內摩擦角為22.7°，內聚力為8.7 MPa。

相比較于普通錨桿支護方法，中空注漿錨索支護下巷道圍巖的內摩擦角、內聚力的數值更大。煤礦深部巷道中采取中空注漿錨索支護方法，可有效控制圍巖狀態。

5 結語

煤礦深部巷道的支護效果，對煤礦的開采效率、安全產生著直接的影響。普通錨桿支護方法已經無法滿足煤礦深部巷道開采、運輸、通風等方面的要求。因此，可選擇中空注漿錨索支護方法對深部巷道進行支護。本研究經過實驗發現，煤礦深部巷道采用中空注漿錨索支護方法，可有效控制巷道變形問題及圍巖應力狀態，對于提高煤礦開采效率、保證礦井的安全開采具有重要意義。