古慶華

(山西陽(yáng)泉盂縣躍進(jìn)煤業(yè)有限公司，山西 盂縣 045100)

與傳統(tǒng)的U鋼、工字鋼等支護(hù)相比，錨桿支護(hù)是一種主動(dòng)支護(hù)方式。自引進(jìn)以來(lái)，以其工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、支護(hù)效果好在全國(guó)煤礦得到了應(yīng)用。但對(duì)一些軟巖或松散破碎的圍巖，由于圍巖本身整體性差、承載能力低，普通的錨桿索支護(hù)效果并不理想。為此錨注支護(hù)技術(shù)逐漸推廣開(kāi)來(lái)。與傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)支架及錨桿索支護(hù)相比，錨注支護(hù)將破碎煤巖體與錨桿膠結(jié)到一起，提高支護(hù)系統(tǒng)的承載能力，在松散、軟弱、破碎圍巖中取得了理想的支護(hù)效果[1-5]。大陽(yáng)泉礦15號(hào)煤采用綜放開(kāi)采，頂板強(qiáng)度低且相對(duì)破碎，常規(guī)的錨桿索支護(hù)變形量大，影響生產(chǎn)，為此開(kāi)展了錨注一體化技術(shù)的研究。

1 工程概況

山西南煤集團(tuán)大陽(yáng)泉礦8133工作面位于15號(hào)煤采區(qū)北翼，工作面埋藏深度343～590 m。開(kāi)采煤層為15號(hào)煤，煤層均厚5.8 m，煤層傾角5～16°，平均10°，煤層頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 15號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

8133工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)斷面5.0 m×3.3 m(寬×高)，巷道為矩形，沿煤層底板掘進(jìn)。

2 原巷道支護(hù)狀況調(diào)查

2.1 原支護(hù)設(shè)計(jì)

巷道原設(shè)計(jì)采用錨桿索支護(hù)。錨桿為D18 mm×2 000 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，頂錨桿每排7根錨桿，用梯子梁接連，靠近兩幫的兩根錨桿向采空區(qū)方向傾斜10°，其余垂直頂板布置。錨索規(guī)格為D17.8 mm×6 000 mm，每排布置兩根，間排距為2 500 mm×1 800 mm。

幫錨桿為D18 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，每排布置4根，底角錨桿向底板方向傾斜10°，錨桿之間用梯子梁連接。

2.2 變形特征

1) 巷道變形階段性明顯。掘進(jìn)后7 d內(nèi)巷道變形劇烈，該階段的頂板下沉和兩幫收斂占巷道總變形的60%左右，之后巷道變形速率逐漸減少，15 d左右達(dá)到穩(wěn)定，一個(gè)月之后的變形值較小，約占10%.

2) 巷道變形量大。巷道頂板下沉劇烈，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)到900 mm，主要為頂板下沉，最大下沉量為725 mm，底鼓相對(duì)較小。離層儀顯示，頂板淺部和深部均有離層，巷道中部離層值最大。巷道兩幫鼓幫嚴(yán)重，平均幫鼓量在600 mm以上，最大達(dá)到960 mm。

3) 部分支護(hù)構(gòu)件發(fā)生嚴(yán)重破壞。受巷道大變形的影響，兩巷頂板和兩幫均出現(xiàn)了錨桿斷裂、托盤(pán)外翻甚至脫落，錨索被拉斷的現(xiàn)象，部分地段網(wǎng)兜多并且體積大，具有一定的安全隱患。

2.3 原因分析

1) 煤巖體強(qiáng)度低。對(duì)頂板打鉆取芯，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明如表1所示。

表1 巷道直接頂煤巖體的強(qiáng)度

結(jié)果表明，15號(hào)煤及偽頂?shù)膹?qiáng)度較低，普氏系數(shù)僅為1，而巷道頂板之上為2m的煤層及0.3 m的泥巖，巷道掘進(jìn)后緊靠錨桿索支護(hù)難以保持穩(wěn)定。

2) 地應(yīng)力影響。對(duì)該礦15號(hào)煤進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果表明，該煤層的最大水平主應(yīng)力為19.7 MPa，而垂直應(yīng)力為12.6 MPa，側(cè)壓系數(shù)為1.5。由于巷道的直接頂板和兩幫均為煤體，強(qiáng)度較低，在強(qiáng)地應(yīng)力作用下，兩幫形成應(yīng)力集中發(fā)生剪切破壞向巷道內(nèi)突出，弱化了對(duì)頂板的支撐作用，頂板承載基礎(chǔ)的變形加劇了頂板的下沉，對(duì)煤幫的作用力增大，促進(jìn)了煤幫的變形，形成了惡性循環(huán)。

3) 原支護(hù)設(shè)計(jì)不合理。8133進(jìn)風(fēng)巷的高度為3.3 m，巷道的直接頂板為2 m后的煤層，而頂錨桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2.0 m，端部位于偽頂范圍內(nèi)，錨固點(diǎn)不穩(wěn)定，不利于支護(hù)效果的發(fā)揮。

2.4 控制對(duì)策

1) 提供足夠的支護(hù)阻力。根據(jù)錨桿支護(hù)理論，對(duì)于破碎圍巖，錨桿可以提高巖體結(jié)構(gòu)弱面的抗剪強(qiáng)度，減少頂板的應(yīng)力集中，使得錨固區(qū)內(nèi)的上覆巖層形成穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)，控制弱面的離層，維持頂板的完整，避免出現(xiàn)網(wǎng)兜甚至冒頂。

2) 提高煤巖體的自承能力。15號(hào)煤的強(qiáng)度低，存在一層偽頂，破壞了頂板的完整性。對(duì)于此類破碎煤巖體，在加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度基礎(chǔ)上，還應(yīng)該提高其自身的承載能力，通過(guò)注漿等提高煤巖體的內(nèi)聚力，封閉煤巖體中的節(jié)理裂隙，增強(qiáng)抵抗變形的能力。

3) 加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，8133進(jìn)風(fēng)巷的巷道變形主要集中在兩幫，因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)兩幫的支護(hù)，為頂板提供穩(wěn)定的承載基礎(chǔ)。另外，軟弱夾層巷道頂板中部的離層最先發(fā)生并且離層值最大，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)。

3 錨注一體化支護(hù)技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

通過(guò)對(duì)巷道變形特征、變形原因的分析，確定采用頂板高強(qiáng)錨桿+巷幫錨注一體化的支護(hù)方案，支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 錨注一體化支護(hù)方案(mm)

1) 頂板支護(hù)。頂錨桿采用D20 mm×2 400 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每根錨桿配兩卷Z2345樹(shù)脂錨固劑，間排距為900 mm×900 mm，每排6根，中間4根垂直頂板布置，其余2根向外傾斜15°。每排錨桿用4 800 mm×100 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的W鋼帶連接。

頂錨索規(guī)格為D17.8 mm×7 300 mm，每根錨索使用4卷Z2345樹(shù)脂錨固劑，錨索呈“三一三”布置，排距為900 mm，位于巷道中間的錨索沿巷道走向利用W鋼帶連接到一起，增強(qiáng)對(duì)巷道中部的支護(hù)能力，其余兩根為單體布置。

2) 巷幫支護(hù)。幫錨桿為D20 mm×2 000 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配2卷Z2345樹(shù)脂錨固劑，間排距為900 mm×900 mm，每排布置4根，中間2根垂直巷幫，其余2根傾斜15°。

3) 幫錨索規(guī)格為D17.8 mm×4 300 mm，每根錨索使用3卷Z2345樹(shù)脂錨固劑，錨索呈五花布置，排距為900 mm，2根錨索間距為2 000 mm，利用W鋼帶豎向連接到一起。

3.2 注漿參數(shù)

巷道兩幫利用錨桿鉆孔和錨索鉆孔注漿，提高其支護(hù)強(qiáng)度。

1) 注漿材料。注漿材料為425硅酸鹽水泥制成的漿液，水灰比為0.7∶1?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用使用一個(gè)內(nèi)徑700 mm、高度800 mm的攪拌桶，在360 mm處做標(biāo)記。每次加水至該高度，配水泥4袋攪拌即可。

2) 注漿壓力。采用單液泵注漿，錨桿孔注漿壓力不超過(guò)3 MPa，錨索孔的注漿壓力為6～8 MPa。注漿管路為專用的高壓注漿管，內(nèi)徑8 mm，壁厚1.5 mm，耐壓強(qiáng)度可達(dá)10 MPa以上。

3) 孔深和孔徑。為便于下管注漿，錨桿采用D30 mm的鉆頭掘進(jìn)，注漿管的長(zhǎng)度為1 000 mm，錨索孔內(nèi)注漿管的長(zhǎng)度為3 000 mm，打孔時(shí)先采用D34 mm鉆頭鉆進(jìn)3 m，然后用D30 mm鉆頭鉆進(jìn)至7 000 mm深度。

4) 封孔方式。初期采用的是封孔器封孔，但由于煤層松軟，成孔后容易出現(xiàn)塌孔，封孔器無(wú)法插入，另外封孔器的成本較高，多次試驗(yàn)后采用化學(xué)材料封孔的方式。將注漿管深入鉆孔中后，將提前備好的纏繞了棉絲的木棒蘸取化學(xué)材料后迅速深入孔中，化學(xué)材料即時(shí)發(fā)生反應(yīng)，迅速膨脹，將鉆孔封住。一般要求木棒深入孔中300 mm。

對(duì)于部分錨桿索出現(xiàn)的煤壁跑漿現(xiàn)象，一般用干水泥對(duì)煤壁進(jìn)行二次封堵即可。

3.3 注漿工藝

錨注一體化的注漿工藝如圖3所示。在錨桿索桿體進(jìn)入鉆孔之后，將注漿管插入鉆孔中，然后封孔，對(duì)錨桿索施加預(yù)緊力安裝，完成之后進(jìn)行注漿。

圖3 錨注一體化工藝流程

3.4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在8133進(jìn)風(fēng)巷道掘進(jìn)過(guò)程中設(shè)置測(cè)站，利用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道表面位移進(jìn)行礦壓觀測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果

由圖4可以看出，采用錨注一體化注漿技術(shù)減沉控幫效果明顯。與其他工作面巷掘進(jìn)相比，8133進(jìn)風(fēng)順巷道變形的階段性不明顯，巷道掘進(jìn)后變形量呈線性緩慢增長(zhǎng)，兩幫收斂速度約為3 mm/d，頂板下沉速度約為1.5 mm/d。10 d左右巷道變形逐漸穩(wěn)定，最終頂板下沉量約為16 mm，兩幫移近量約為30 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 大陽(yáng)泉礦15號(hào)煤工作面頂板煤巖體的強(qiáng)度低，地應(yīng)力復(fù)雜，巷道變形階段性明顯，以頂板下沉和兩幫收斂為主，變形量大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

2) 錨注支護(hù)能夠?qū)⒚簬r體與錨桿膠結(jié)到一起，通過(guò)封堵煤巖體中的裂隙等提高支護(hù)系統(tǒng)的承載能力，維持巷道的穩(wěn)定。

3) 8133進(jìn)風(fēng)巷道通過(guò)采用錨注一體化支護(hù)技術(shù)，巷道變形量小，滿足了煤礦的生產(chǎn)要求，可為松散、破碎、軟弱的圍巖支護(hù)提供參考。