掘進巷道過應力破壞區支護優化研究

陳 巍

（潞安化工集團慈林山煤業有限公司李村煤礦，山西 長治 046600）

引言

由于在過斷層進行作業的過程中，會遇到應力的作用造成巷道周圍的應力分布不均勻現象出現，嚴重時會導致巷道圍巖損傷毀壞的情況，從而使得頂板破碎下沉，進一步造成巷道不能夠按照預定的方案成型，在進行作業時會出現效率低的現象，相關的作業變得復雜煩瑣。針對巷道周圍存在不均勻應力分布的情況下，傳統的方式是通過注漿使巷道的成型過程變得堅固。然而，在實際的應用過程中能夠發現，采用單一的注漿方式或者是錨桿支護并不能夠對圍巖進行有效的控制，甚至還會出現頂板破壞的現象。本文將通過對二采區膠帶巷進行分析研究，對F1 過斷層應力區采用針對性的注漿錨桿支護的方式進行。

1 潞安化工集團二采區概況

研究發現，潞安化工集團二采區膠帶巷的北部和南部都還沒有進行開發，通過地形調查，東部和礦井運輸大巷連接，在西部和礦界相接。進行調查的煤層為3 號煤層，該煤層的總厚度為4.4～4.8 m 的范圍內。對煤層研究發現煤層的結構比較復雜，且厚度變化不穩定。

二采區膠帶巷進行作業的過程中通常采用的是綜合機械化掘進的方式，在整個設計的長度能夠達到954 m，沿3 號煤層底板進行作業。對巷道進行相關參數的調查發現，該巷道呈矩形巷道，掘寬和掘高分別為5.0 m 和4.0 m，掘進斷面的面積為18.2 m2。在進行掘進的過程中，在大巷口向里距離867 m 的位置處，將會出現落差1.7 m 的F1 正斷層。在這種情況下，在斷層處的會呈現分布比較松散的煤層現象，在這種情況下，會造成一定的負面影響[1-2]。如表1 所示為詳細的斷層參數。

表1 F1 斷層參數情況

二采區膠帶巷掘進到達860 m 的位置時會受到F1 斷層的限制，這是巷道圍巖將會出現較為嚴重的變形現象，造成了原來巷道頂板支護不牢靠的問題，從而沒有辦法對斷層影響區進行控制。

2 原巷道支護設計及問題分析

2.1 原巷道支護設計

二采區膠帶巷是通過錨桿+鋼帶+單錨索結合進行，頂板錨桿長為2 m，每排設定6 根，且6 根的直徑和排距分別為22 mm 和1 m，需要在錨桿外漏的部分增加有5 m 長的“W”型鋼帶；對單錨索進行間距3 m 的布置方式，并且通過研究調查，每排需要布置3根較為合理，長度6 m、直徑17.8 m。

2.2 原支護主要存在的問題

1）支護錨固現象不明顯。在二采區進行作業時通過分析后，選用3 號煤層，厚為4.6 m，作業的高度為3.5 m，作業方向為沿著煤層底板，預留頂煤的厚度為1.1 m。對3 號煤層具有的特點是穩定性較差，因為在這種情況下會出現F1 斷層帶來的負面影響，這就導致了頂煤煤體會出現不可預期的結果，嚴重的情況下會產生內裂隙，一般而言，因為錨桿通常是在媒體內進行作業，從而造成了錨固后的現象與預期相差很遠[3-4]。

2）擾動破壞嚴重。當開始錨桿鉆孔作業時，由于鉆具會對煤壁產生較大的負面影響，造成了鉆孔壁和周圍的煤巖體出現嚴重的破裂現象，這就直接導致了錨桿支護的結果和預期的結果相差非常大。

3 注漿錨桿支護應用

為了確保在進行作業的過程中，可以實現增強在應力區頂板長期的穩定支撐作用，避免出現過去使用的錨桿所出現的問題，在這種情況下，需要進行深入分析和調查后應該去報能夠對巷道原頂板進行相關的優化處理工作，效果最明顯的方案是通過注漿錨桿進行支護。

3.1 注漿錨桿支護原理

在采用注漿錨桿進行支護的方案過程中，對錨桿的選擇也是有一定的要求，通常采用中空型的錨桿進行作業。起初將對破碎頂板通過錨桿的方式進行錨注工作任務，其次進行注漿作業。錨桿在整個注漿作業中，通常情況下，注漿液也能夠起到孔壁和錨桿黏接的效果，從而達到錨桿全長錨固的目的。如圖1 所示，為注漿錨桿支護的相關示意圖。

圖1 注漿錨桿支護斷面、剖面示意圖（單位：mm）

3.2 支護設備

1）注漿錨桿。二采區膠帶巷破碎頂板使用的錨桿是中空注漿型的，錨桿3.5 m 長，直徑為30 mm，中空注漿孔的直徑為12 mm。在錨桿一端的位置向里0.5 m處進行注漿射孔的布置，孔的直徑選為10 mm，孔之間的間距選為0.5 m。

2）注漿材料。在進行注漿的過程中，注漿液由水玻璃和水泥漿混合形成，其中在水泥漿的水灰比為0.8∶1。保證水泥漿在凝固狀態后有較強的牢固性，在水泥漿中加入XPM添加劑，占水泥總量的10%。選用的水玻璃濃度為50 波美度，水玻璃和水泥漿之間的比值為0.5∶1[5-6]。

3.3 支護工序

1）當巷道作業至860 m 的位置時，起初時通過液壓鉆機的形式在頂板的位置處布置支護鉆孔，孔深3.5 m，孔與孔之間的距離為1.2 m，每排之間的距離為1.1 m，孔直徑30 mm。

2）在支護鉆孔作業后，在鉆孔內進行錨注注漿錨桿操作。選用的錨桿為一根長一根短的錨固劑進行錨固，錨固長為0.95 m。

3）注漿錨桿作業后，需要在錨桿內添加一根2 m的軟管，主要的作用是便于注漿，軟管的直徑為8 mm。此外，需要在錨桿的末端位置進行相應的設置，通常采用止漿塞進行布置，選用2ZBQ 氣動注漿泵連接，開始注漿作業時，需要將壓力控制在2.0 MPa。當注漿工作完成以后，對錨桿外露端需要裝有鋼帶，選用的鋼帶為“JW”。

3.4 注漿錨桿支護優點

1）支護工藝簡單。與傳統注漿施工相比，簡化了注漿工序，縮短了支護時間。和過去使用的架棚比較，采用注漿錨桿支護的方式比較簡單可靠，其需要的工作強度較低。

2）支護效果好。和過去采用的單錨桿進行比較，采用注漿錨桿支護的方式能夠滿足錨桿支護和注漿支護在同一時間內進行的效果，支護效果顯著，有效地減小了支護失效的現象。

3）避免擾動破壞作用。通過采用注漿錨桿支護方法以后，和傳統的支護設計比較，可以明顯減小鉆孔數量的布置，大大縮短了因為鉆孔所耗費的時間，提高了工作效率。

3.5 支護效果分析

二采區膠帶巷進行注漿錨桿支護作業后，需要在應力區間隔15 m 左右的位置處安裝離層儀，且需要安排相應的員工進行觀測，同時在858 m 的位置處頂板也需要布置一個離層儀進行比較。在20 d 后得出結果：采用頂板施工注漿錨桿支護9 d 之前，因為注入的漿液未能夠完全凝固，導致出現沒有膠合的現象，頂板產生塑性變形，中部位置處有明顯下沉現象，如圖2 所示。

圖2 注漿錨桿支護后應力區圍巖變形曲線

4 結語

目前，注漿錨桿支護方案的應用得到了廣泛的關注和支持，能夠在煤礦中得到推廣，采用該支護方式能夠在錨注時對圍巖進行填充加固，滿足了錨桿全長錨固的目的，并且實現了對破碎圍巖變形起到明顯的支護效果，面對較大變形的采掘作業中也能夠達到很好的效果。