“三軟”煤層巷道注漿錨索補強加固技術研究

陳 剛

(河南能源化工集團義煤公司生產技術處，河南 義馬 472300)

0 引言

新安煤礦煤層具有煤層厚、埋藏深及地應力大等特點，煤層直接頂、底為泥巖或炭質泥巖，遇水易膨脹，屬于典型的“三軟”不穩定煤層。礦井巷道支護存在變形量大、維修工程量大及成本高等難題，嚴重制約了安全生產，實踐證明該礦現有的支護方式和以往的支護經驗無法滿足深部厚煤層巷道安全生產要求。若不解決上述問題將給該礦巷道支護和安全生產帶來很大的困難，因此，亟需對此類巷道支護難題進行研究，采用新的支護技術和支護工藝，促進礦山安全生產，提高經濟效益。

1 工程概況

15130工作面位于15采區東翼，上鄰15110已回采工作面，下鄰15150工作面；西鄰15采區回風下山；東鄰采區保護煤柱，平均埋深252 m。15130下巷設計長度720 m，沿二1煤層底板掘進，巷道斷面設計根據該巷道通風、運輸、行人、設備安裝等需要，考慮到巷道允許最大變形后仍滿足各項要求，巷道斷面形狀設計為矩形斷面，采用錨網索支護，設計斷面規格：寬×高=5 600 mm×3 200 mm，巷道斷面面積S=17.9 m2。根據15采區和相鄰15110工作面下巷已揭露的地質資料分析：15130工作面二1煤煤層頂底板起伏較大，煤厚0.1～11.7 m，平均3.3 m。煤巖層產狀：走向45°，傾向135°，傾角小于4°～9°，小型褶曲相對發育，工作面地質構造整體上簡單。工作面煤層及頂板強度均為軟弱型，其中煤層和偽頂的f系數僅為1，即抗壓強度10 MPa，直接頂f系數僅為2，即抗壓強度20 MPa。

2 原支護設計及其缺點分析

15130下巷設計掘進斷面尺寸寬×高=5 600 mm×3 200 mm，采用“錨網索+鋼筋梯子梁+鋼帶”支護形式。

1)錨桿布置：頂板布置7根左旋無縱筋錨桿，規格為Ф22 mm×2 500 mm，間排距為900 mm×900 mm；托盤規格為130 mm×130 mm×10 mm。每孔采用2節MSCKФ23 mm×500 mm超快速樹脂錨固劑錨固；錨桿錨固力不低于100 kN(25 MPa)，預緊力矩不小于260 N·m；冷拔絲軋花網規格：Ф4 mm×900 mm×1 600 mm，冷拔絲軋花網連接方法：2塊網之間正常搭接兩格(100 mm)，采用16#雙股鍍鋅鐵絲單點捆扎2排、呈三花狀，每一排的捆扎點位于另外一排2個捆扎點的中線上，每排捆扎點間距200 mm。

2)錨索布置：錨索采用Ф17.8 mm×6 000 mm鋼絞線。頂板條件較好時，采用“3-0-0-3”布置形式，間排距為1 400 mm×2 700 mm；托盤規格為300 mm×300 mm；頂板破碎或托頂煤掘進時，采用“4-3-4”布置形式。錨索初始張拉不低于160 kN(42.5 MPa)。每個錨索孔采用3節MSCKФ23×500 mm超快速樹脂錨固劑。錨固力不低于160 kN(42.5 MPa)。

3)兩幫支護：巷道兩幫采用“錨網+鋼筋梯子梁”支護形式。錨索規格為Ф22 mm×2 500 mm，間排距為750 mm×900 mm，每側每排5根。

結合該礦以往工作面上、下順槽采用“錨網索+鋼筋梯子梁+鋼帶”支護經驗：巷道自開口掘進至工作面回采結束，錨桿錨固效果較好，充分發揮了其高延伸率的特點，僅出現個別斷裂現象。通過對錨索支護效果進行分析得出，巷道掘進期間錨索均正常承載，但回采期間尤其是在超前動壓影響區域，較多錨索出現破斷現象，個別錨索受力被拔出導致失效，拉拔力僅為27 t左右，17.8 mm錨索的理論破斷力為35 t，現階段的錨索破斷力均未達到其極限破壞強度，錨固效果仍有強化空間。

3 煤層巷道圍巖變形控制對策及作用機理

針對煤層巷道圍巖變形規律，新安礦在該礦煤層巷道原錨網索支護基礎上，確定了采用中空注漿錨索對巷道頂幫進行錨注加固。其作用機理有以下幾點。

3.1 改善圍巖剛度和強度

圍巖裂隙面在注漿加固以后，巖體剛度和抗剪強度都顯著增加。

3.2 漿液固結體的骨架作用

漿液注入到被注地層后，擴散到圍巖的裂隙或空隙中，從而在裂隙空隙中而形成條狀或是脈狀的類似人體骨骼的骨架結構可以起到支撐作用。

3.3 有效減小圍巖松動圈的范圍

減小圍巖位移，顯著減小支架上的應力大小，使巷道能維持穩定。

3.4 注漿加固防止風化

漿液注入到巖層或巖土體內部后，隨著漿液沿著裂隙或縫隙或內部空間的擴散能夠將內部的空氣水分很好地排除，使內部的空間與外部空去隔離，空氣水分無法進去就能夠有效地防止巖層內部空間風化。

4 錨注支護參數設計及其合理性驗證

4.1 錨注支護參數設計

初步設計為錨桿參數不變。錨索長度調整為中空注漿錨索，錨索長度6.3 m，每根錨索使用2卷Z2550型錨固劑端錨，預緊力不低于120 kN。錨索具體支護參數要以現場實際地質條件進行及時補強加密，不同地質條件的支護參數如下。

4.1.1 掘進期間錨注支護設計

錨索規格：Φ22 mm×6 300 mm中空注漿錨索。

布置方式：結合實際地質條件及工程類比法，采用“3-0-0-3”布置形式，間排距為1 400 mm×2 700 mm，掘進期間錨注支護展開圖如圖1所示。

單位：mm

4.1.2 回采期間錨注支護設計

受到采動影響前，安排在兩排注漿錨索之間補打一排同規格的注漿錨索，每排布置3根。回采期間錨注支護展開圖如圖2所示。

單位：mm

4.1.3 地質異常區段錨注支護設計

在巷道錨注修復工程中，如遇斷層、淋水、采動影響劇烈等地質異常區和構造帶區域，采取高強樹脂錨桿緊跟迎頭施工，并加密頂板及兩幫中空注漿錨索支護措施。頂板采用“4-3-4”方式布置，間排距為1 120 mm×900 mm，錨注支護展開圖如圖3所示。

單位：mm

4.2 錨注加固關鍵技術

4.2.1 注漿加固時機

注漿加固選擇在錨網索施工之后，卸下中空注漿錨索尾部注漿螺母，連接注漿孔迅速注漿。

4.2.2 注漿材料的選擇

中空注漿錨索鋼絞線采用預應力螺旋肋加工，其錨固強度、載荷傳遞特性比光面鋼絞線有大幅度的提高。中空鋼絞線由數股螺旋肋預應力鋼絲捻制而成，分為樹脂錨固段和注漿錨固段，其中，樹脂錨固段中心為實心鋼筋，可以實現樹脂端錨；注漿錨固段中心為空心管。注漿材料采用山東安科的AKML-70無機錨固料，其具有較好的早強與高強、高流動性和觸變性、微膨脹、與煤體粘結性能好等優良性能。

4.2.3 注漿材料的施工

1)在注漿桶內加入適量水后，然后依次加入所需數量的錨固料，邊加邊攪拌，完全加入后必須使用大扭矩攪拌器攪拌快速攪拌至少10 min以上，在注漿過程中，使用低速攪拌器攪拌，防止凝固。

2)針對井下不同的巷道環境，不同的支護條件等因素確定適宜的水料比，通常注漿料水灰比為0.25～0.35。

3)錨固料充分攪拌后須采用專用注漿設備進行注漿施工，注漿壓力不低于7 MPa。并控制注漿壓力在一定的范圍內(通常在6～9 MPa，不同的基礎條件，所需的注漿壓力不同)。

4)注漿結束后，安上注漿螺母，防止漿液回流，同時及時清洗設備。

5 錨注支護效果分析

為驗證錨注支護實際應用效果，分別通過表面位移觀測、深基點監測、頂板鉆孔窺視以及圍巖松動圈探測等方法進行了方案效果評價。結果表明：由工作面前方70 m進行不間斷表面位移監測的6個測點的頂板下沉量在37～47 mm，平均41.8 mm；6個測點的幫部收斂量在25～43 mm，多數都在43～59 mm，平均51.2 mm。隨著工作面回采，工作面超前30 m范圍內，圍巖位移急劇加大。最大變形主要集中于淺部0～3 m，平均為24.6 mm，深部3～6 m的變形量平均為僅為5 mm。巷道幫部一般松動圈僅為1.2 m，巷道圍巖的穩定性良好，沒有發生圍巖失穩現象，現階段礦壓監測表明錨注加強支護起到了預期理想效果。

6 結語

新安礦結合15130工作面下巷實際地質采礦條件，通過分析煤層巷道掘進、回采期間圍巖變形規律，提出了中空錨索錨固加固技術及注漿加固作用機理，分別針對不同地質條件進行了錨固支護參數設計，通過對礦壓觀測數據進行分析，巷道圍巖的穩定性良好，圍巖變形量得到有效控制，沒有發生圍巖失穩現象，滿足了工作面安全生產的需要。