陳 剛

(河南能源化工集團(tuán)義煤公司生產(chǎn)技術(shù)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(yīng)力大等特點(diǎn)，煤層直接頂、底為泥巖或炭質(zhì)泥巖，遇水易膨脹，屬于典型的“三軟”不穩(wěn)定煤層。礦井巷道支護(hù)存在變形量大、維修工程量大及成本高等難題，嚴(yán)重制約了安全生產(chǎn)，實(shí)踐證明該礦現(xiàn)有的支護(hù)方式和以往的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)無法滿足深部厚煤層巷道安全生產(chǎn)要求。若不解決上述問題將給該礦巷道支護(hù)和安全生產(chǎn)帶來很大的困難，因此，亟需對(duì)此類巷道支護(hù)難題進(jìn)行研究，采用新的支護(hù)技術(shù)和支護(hù)工藝，促進(jìn)礦山安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

15130工作面位于15采區(qū)東翼，上鄰15110已回采工作面，下鄰15150工作面；西鄰15采區(qū)回風(fēng)下山；東鄰采區(qū)保護(hù)煤柱，平均埋深252 m。15130下巷設(shè)計(jì)長度720 m，沿二1煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面設(shè)計(jì)根據(jù)該巷道通風(fēng)、運(yùn)輸、行人、設(shè)備安裝等需要，考慮到巷道允許最大變形后仍滿足各項(xiàng)要求，巷道斷面形狀設(shè)計(jì)為矩形斷面，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，設(shè)計(jì)斷面規(guī)格：寬×高=5 600 mm×3 200 mm，巷道斷面面積S=17.9 m2。根據(jù)15采區(qū)和相鄰15110工作面下巷已揭露的地質(zhì)資料分析：15130工作面二1煤煤層頂?shù)装迤鸱^大，煤厚0.1～11.7 m，平均3.3 m。煤巖層產(chǎn)狀：走向45°，傾向135°，傾角小于4°～9°，小型褶曲相對(duì)發(fā)育，工作面地質(zhì)構(gòu)造整體上簡單。工作面煤層及頂板強(qiáng)度均為軟弱型，其中煤層和偽頂?shù)膄系數(shù)僅為1，即抗壓強(qiáng)度10 MPa，直接頂f系數(shù)僅為2，即抗壓強(qiáng)度20 MPa。

2 原支護(hù)設(shè)計(jì)及其缺點(diǎn)分析

15130下巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面尺寸寬×高=5 600 mm×3 200 mm，采用“錨網(wǎng)索+鋼筋梯子梁+鋼帶”支護(hù)形式。

1)錨桿布置：頂板布置7根左旋無縱筋錨桿，規(guī)格為Ф22 mm×2 500 mm，間排距為900 mm×900 mm；托盤規(guī)格為130 mm×130 mm×10 mm。每孔采用2節(jié)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(yù)緊力矩不小于260 N·m；冷拔絲軋花網(wǎng)規(guī)格：Ф4 mm×900 mm×1 600 mm，冷拔絲軋花網(wǎng)連接方法：2塊網(wǎng)之間正常搭接兩格(100 mm)，采用16#雙股鍍鋅鐵絲單點(diǎn)捆扎2排、呈三花狀，每一排的捆扎點(diǎn)位于另外一排2個(gè)捆扎點(diǎn)的中線上，每排捆扎點(diǎn)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(shí)，采用“3-0-0-3”布置形式，間排距為1 400 mm×2 700 mm；托盤規(guī)格為300 mm×300 mm；頂板破碎或托頂煤掘進(jìn)時(shí)，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(gè)錨索孔采用3節(jié)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(hù)：巷道兩幫采用“錨網(wǎng)+鋼筋梯子梁”支護(hù)形式。錨索規(guī)格為Ф22 mm×2 500 mm，間排距為750 mm×900 mm，每側(cè)每排5根。

結(jié)合該礦以往工作面上、下順槽采用“錨網(wǎng)索+鋼筋梯子梁+鋼帶”支護(hù)經(jīng)驗(yàn)：巷道自開口掘進(jìn)至工作面回采結(jié)束，錨桿錨固效果較好，充分發(fā)揮了其高延伸率的特點(diǎn)，僅出現(xiàn)個(gè)別斷裂現(xiàn)象。通過對(duì)錨索支護(hù)效果進(jìn)行分析得出，巷道掘進(jìn)期間錨索均正常承載，但回采期間尤其是在超前動(dòng)壓影響區(qū)域，較多錨索出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，個(gè)別錨索受力被拔出導(dǎo)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(xiàn)階段的錨索破斷力均未達(dá)到其極限破壞強(qiáng)度，錨固效果仍有強(qiáng)化空間。

3 煤層巷道圍巖變形控制對(duì)策及作用機(jī)理

針對(duì)煤層巷道圍巖變形規(guī)律，新安礦在該礦煤層巷道原錨網(wǎng)索支護(hù)基礎(chǔ)上，確定了采用中空注漿錨索對(duì)巷道頂幫進(jìn)行錨注加固。其作用機(jī)理有以下幾點(diǎn)。

3.1 改善圍巖剛度和強(qiáng)度

圍巖裂隙面在注漿加固以后，巖體剛度和抗剪強(qiáng)度都顯著增加。

3.2 漿液固結(jié)體的骨架作用

漿液注入到被注地層后，擴(kuò)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(jié)構(gòu)可以起到支撐作用。

3.3 有效減小圍巖松動(dòng)圈的范圍

減小圍巖位移，顯著減小支架上的應(yīng)力大小，使巷道能維持穩(wěn)定。

3.4 注漿加固防止風(fēng)化

漿液注入到巖層或巖土體內(nèi)部后，隨著漿液沿著裂隙或縫隙或內(nèi)部空間的擴(kuò)散能夠?qū)?nèi)部的空氣水分很好地排除，使內(nèi)部的空間與外部空去隔離，空氣水分無法進(jìn)去就能夠有效地防止巖層內(nèi)部空間風(fēng)化。

4 錨注支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及其合理性驗(yàn)證

4.1 錨注支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)為錨桿參數(shù)不變。錨索長度調(diào)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(yù)緊力不低于120 kN。錨索具體支護(hù)參數(shù)要以現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)加密，不同地質(zhì)條件的支護(hù)參數(shù)如下。

4.1.1 掘進(jìn)期間錨注支護(hù)設(shè)計(jì)

錨索規(guī)格：Φ22 mm×6 300 mm中空注漿錨索。

布置方式：結(jié)合實(shí)際地質(zhì)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(jìn)期間錨注支護(hù)展開圖如圖1所示。

單位：mm

4.1.2 回采期間錨注支護(hù)設(shè)計(jì)

受到采動(dòng)影響前，安排在兩排注漿錨索之間補(bǔ)打一排同規(guī)格的注漿錨索，每排布置3根?；夭善陂g錨注支護(hù)展開圖如圖2所示。

單位：mm

4.1.3 地質(zhì)異常區(qū)段錨注支護(hù)設(shè)計(jì)

在巷道錨注修復(fù)工程中，如遇斷層、淋水、采動(dòng)影響劇烈等地質(zhì)異常區(qū)和構(gòu)造帶區(qū)域，采取高強(qiáng)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(hù)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(hù)展開圖如圖3所示。

單位：mm

4.2 錨注加固關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 注漿加固時(shí)機(jī)

注漿加固選擇在錨網(wǎng)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(yù)應(yīng)力螺旋肋加工，其錨固強(qiáng)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(shù)股螺旋肋預(yù)應(yīng)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(shí)心鋼筋，可以實(shí)現(xiàn)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(jī)錨固料，其具有較好的早強(qiáng)與高強(qiáng)、高流動(dòng)性和觸變性、微膨脹、與煤體粘結(jié)性能好等優(yōu)良性能。

4.2.3 注漿材料的施工

1)在注漿桶內(nèi)加入適量水后，然后依次加入所需數(shù)量的錨固料，邊加邊攪拌，完全加入后必須使用大扭矩?cái)嚢杵鲾嚢杩焖贁嚢柚辽?0 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(duì)井下不同的巷道環(huán)境，不同的支護(hù)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?jǐn)嚢韬箜毑捎脤Ｓ米{設(shè)備進(jìn)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(nèi)(通常在6～9 MPa，不同的基礎(chǔ)條件，所需的注漿壓力不同)。

4)注漿結(jié)束后，安上注漿螺母，防止?jié){液回流，同時(shí)及時(shí)清洗設(shè)備。

5 錨注支護(hù)效果分析

為驗(yàn)證錨注支護(hù)實(shí)際應(yīng)用效果，分別通過表面位移觀測、深基點(diǎn)監(jiān)測、頂板鉆孔窺視以及圍巖松動(dòng)圈探測等方法進(jìn)行了方案效果評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：由工作面前方70 m進(jìn)行不間斷表面位移監(jiān)測的6個(gè)測點(diǎn)的頂板下沉量在37～47 mm，平均41.8 mm；6個(gè)測點(diǎn)的幫部收斂量在25～43 mm，多數(shù)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(nèi)，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(dòng)圈僅為1.2 m，巷道圍巖的穩(wěn)定性良好，沒有發(fā)生圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，現(xiàn)階段礦壓監(jiān)測表明錨注加強(qiáng)支護(hù)起到了預(yù)期理想效果。

6 結(jié)語

新安礦結(jié)合15130工作面下巷實(shí)際地質(zhì)采礦條件，通過分析煤層巷道掘進(jìn)、回采期間圍巖變形規(guī)律，提出了中空錨索錨固加固技術(shù)及注漿加固作用機(jī)理，分別針對(duì)不同地質(zhì)條件進(jìn)行了錨固支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，通過對(duì)礦壓觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，巷道圍巖的穩(wěn)定性良好，圍巖變形量得到有效控制，沒有發(fā)生圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，滿足了工作面安全生產(chǎn)的需要。