劉智敏

（晉能控股煤業(yè)集團挖金灣煤業(yè)有限責任公司，山西 大同 037042）

回采巷道的掘進破壞原有的應力平衡，在巷道圍巖形成應力集中。受集中應力的影響，巷道頂板及兩幫煤巖體中產(chǎn)生大量的裂隙，影響巷道的穩(wěn)定。對于強度低的軟弱煤層，在巷道開挖和工作面回采的雙重影響下，煤幫破壞范圍大，淺部煤體整體性低、承載能力差，僅錨桿索支護難以取得理想的支護效果[1-4]。在工作面回采過程中往往需要反復擴幫，維修工程量大，對煤礦的正常生產(chǎn)造成嚴重影響。

1 工程概況

同煤集團挖金灣礦8103 采煤工作面所采煤層為4 號煤，煤層平均厚度3.29 m，煤層結構復雜，含兩至五層厚度為0.55～0.33 m 的夾矸。煤層直接頂板為深灰色泥巖，平均厚度3.4 m；基本頂為細砂巖，平均厚度16.8 m；底板為粉砂巖，平均厚度2.6 m。

8103 工作面位于一水平一盤區(qū)，南部為三條盤區(qū)大巷，東部為8101 采空區(qū)，西部、北部尚未開掘。工作面開切眼長度200 m，推進距離1334 m，采用綜合機械化后退式開采，全部垮落法處理頂板。

根據(jù)力學測試結果，4 號煤的單軸抗壓強度為3.7 MPa，折算普氏系數(shù)為0.37，為典型的松軟煤層。采用常規(guī)的錨桿索支護后，巷道位移量大，鼓幫嚴重，幫角處錨桿托盤被吸入頂板中而造成支護失效，多個地段反復維修，增加了成本，對生產(chǎn)造成了嚴重的影響。

2 深淺孔注漿加固機理

2.1 兩幫破壞形式

在煤層中開挖巷道打破了原有的應力平衡，周邊煤巖體中的應力重新分布，部分地段形成了應力集中，如圖1 所示。巷道表面圍巖受掘進或采動影響，內(nèi)部裂隙發(fā)育，相對破碎，形成破碎的散體層，是巷道維護的重點。

圖1 煤巷兩幫受力破壞圖

巷道兩幫塑性區(qū)深度X0可如式（1）計算：

式中：m為工作面采高，m；A為側壓系數(shù)；φ0為煤幫殘余摩擦角，（°）；C0為煤幫殘余內(nèi)聚力，Pa；Pz為巷道兩幫的支護力， N；其余同上。

由式（1）可以看出，增加兩幫支護力、提高煤體的力學性質(zhì)可以減少塑性區(qū)的寬度，改善煤幫的受力情況，從而提高對頂板的支撐能力，保持巷道的穩(wěn)定。

2.2 注漿加固機理

松軟破碎煤巷變形劇烈，穩(wěn)定性控制應采取一次讓壓、二次加固的原則。在巷道掘進過程中，采用錨網(wǎng)索對頂板和兩幫進行第一次永久支護，控制初期變形，二次加固一般采用注漿的方式和錨桿索等永久支護體共同形成穩(wěn)定的承載結構，提高整個煤壁的強度和剛度，減少側向變形[5-6]。

巷道注漿分兩步進行，先進行低壓淺孔注漿，膠結淺部破碎的煤巖體，封堵裂隙，形成一定厚度的加固圈，為深部注漿提供基礎。然后通過深部注漿擴大漿體保護范圍，對淺部低壓注漿區(qū)起到補強作用，同時深部注漿可以使得錨桿索的錨固點更加穩(wěn)定，與深部圍巖形成整體承載結構，大大提高其穩(wěn)定性和承載能力。深淺注漿的加固機理如圖2。

圖2 深淺注漿加固機理

3 錨注加固設計

3.1 錨桿索支護

巷道掘進時采用錨網(wǎng)索進行一次永久支護，運輸巷的規(guī)格為5500 mm×3600 mm（寬×高），支護方案如圖3。

圖3 錨網(wǎng)索支護方案（mm）

3.1.1 頂板支護

頂錨桿采用桿體直徑為22 mm 的高強螺紋鋼錨桿，長度為2400 mm，螺紋長度為120 mm，采用兩卷K2360 樹脂藥卷錨固。錨桿托盤為穹型，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm（長×寬×厚）。采用8#菱形金屬網(wǎng)護頂，規(guī)格為5700 mm×1100 mm，頂板菱形網(wǎng)壓茬200 mm，采用雙股14#鋼絲連接，相鄰鋼絲的間距不大于200 mm。頂錨桿間距為850 mm，每排布置7 根，靠近兩幫的錨桿向煤幫方向傾斜15°，其余垂直頂板，排距為900 mm。每排錨桿采用5500 mm×100 mm×5 mm（長×寬×厚）的W 鋼帶連接。

錨索直徑為21.8 mm，1×19 股鋼絞線制作，延展率不小于5.0%，長度8400 mm，采用兩卷K2360和一卷CK2360 樹脂藥卷錨固，錨索呈“二一二”五花布置，單根錨桿布置在巷道中間，兩根錨索分別在中間兩側1000 mm 的位置。所有錨索均垂直頂板布置，配400 mm×400 mm×16 mm（長×寬×厚）的大托盤。

3.1.2 巷幫支護

幫錨桿桿體為直徑20 mm 的高強螺紋鋼錨桿，長度為2200 mm。采用兩卷K2360 樹脂藥卷錨固，網(wǎng)片規(guī)格為3800 mm×1100 mm。錨桿間距為800 mm，每排布置5 根，最上位和最下位分別向頂?shù)装宸较騼A斜15°，其他垂直巷幫布置。錨桿排距為900 mm，每排錨桿采用5500 mm×100 mm×5 mm（長×寬×厚）的W 鋼帶連接。

3.2 注漿加固

3.2.1 注漿材料

注漿材料為聯(lián)邦無機加固材料，主要成分是礦粉。與常規(guī)的水泥材料相比，該材料成本低、粘結性高，更適用于松散破碎煤巖體的加固。不同水固比下連邦材料的強度見表1。

表1 不同水固比連邦材料強度

結合挖金灣礦的實際情況，確定采用的水固比為0.8:1。

3.2.2 注漿時機

根據(jù)工作面前方垂直應力分布規(guī)律來分析巷道煤巖體的裂隙發(fā)育情況，由此確定注漿時機。

由圖4 可以看出，工作面0～8 m 范圍內(nèi)，垂直應力逐漸升高，最大值為65.4 MPa，受垂直應力影響，該范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度高。8～16 m 范圍內(nèi)，垂直應力逐漸降低，但仍然高于原巖應力，裂隙存在擴展貫通的可能。工作面16 m 范圍之外，基本不受采動影響，裂隙發(fā)育不充分，貫通率小，注漿效果不明顯。由此確定工作面前方16 m 范圍為最佳的注漿范圍。

圖4 工作面前方垂直應力分布規(guī)律

3.2.3 鉆孔深度

受巷道掘進及工作面回采的影響，巷道兩幫塑性區(qū)的發(fā)育深度不一致，一般回采側塑性區(qū)深度更大。按回采幫塑性區(qū)發(fā)育深度確定淺部孔深為3.0 m，深部注漿孔的深度為8.0 m。

3.2.4 注漿壓力

注漿壓力應當依據(jù)注漿材料及煤巖體的裂隙發(fā)育程度確定，但過高的注漿壓力會導致裂隙的進一步發(fā)育，破壞圍巖。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，確定淺部注漿孔壓力為3～5 MPa，深部注漿孔壓力為8～10 MPa。注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場情況實時調(diào)整，注漿困難或有漿液流出時及時調(diào)整。

3.2.5 注漿孔布置

巷幫深部注漿孔和淺部注漿孔交替布置，注漿孔的布置如圖5。每排三個注漿孔，淺部注漿孔間距為1200 mm，排距為1800 mm，最上位距頂板600 mm；深部注漿孔間距為1000 mm，排距為1800 mm，最上位距頂板800 mm。每排的中間注漿孔垂直巷幫布置，上位注漿孔向上傾斜15°～20°，下位注漿孔向下傾斜5°～10°。

圖5 巷幫注漿孔布置圖（mm）

3.2.6 注漿順序

注漿時從下往上依次注漿，先淺部后深部。注漿壓力逐漸提高到設計值，深部注漿孔滯后淺部注漿孔2 排。

3.3 礦壓觀測

巷道掘進過程中設置測點，對巷道表面位移進行觀測。結果表明，成巷后變形劇烈，巷道兩幫最大變形速度可達15 mm/d，15 d 后變形速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，最終兩幫收斂量為157 mm，頂板相對穩(wěn)定，下沉量為45 mm。巷道經(jīng)過深淺孔注漿加固之后，在工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)，又出現(xiàn)了明顯變形，但變形速度相對平緩，持續(xù)時間較短，最終兩幫移近量為237 mm，頂板下沉量為72 mm，較其他未注漿工作面相比，巷幫變形減少約60%，頂板減沉約35%，深淺孔注漿取得了理想的支護效果。

4 結論

（1）回采巷道受掘進期間集中應力和回采期間超前支承壓力的影響，巷道表面圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育，形成破碎的散體層，是巷道維護的重點。

（2）通過低壓淺孔注漿和高壓深部注漿，可以膠結淺部破碎的煤巖體，使得錨桿索與深部圍巖形成整體承載結構，提高其穩(wěn)定性和承載能力。

（3）挖金灣礦8103 運輸巷深淺注漿后，巷幫變形減少約60%，頂板減沉約35%，取得了理想的支護效果。