塔山煤矿破碎煤体巷道掘进中超前锚注加固技术研究

张兴



塔山煤矿破碎煤体巷道掘进中超前锚注加固技术研究

张兴

摘要塔山煤矿是同煤集团第一座开采石炭二叠系特厚煤层的千万吨矿井，核定生产能力1 500万t/a，设计服务年限140 a，塔山煤矿二盘区受地质构造影响，煤体破碎严重，巷道掘进困难，部分煤体受掘进扰动后破碎加剧，存在冒落危险，为了保证巷道掘进安全和提高巷道掘进水平，我们采用超前锚注加固方法，对巷道顶板围岩进行预加固，得出了适合石炭二叠系破碎煤层超前锚注的关键参数，取得了较好的效果。

关键词巷道掘进；超前锚注；锚注加固

1　工程概况

1.1矿井概况

塔山煤矿位于山西省北部大同市西南约30 km处，地跨大同市和朔州市，是同煤集团第一座进行石炭二叠系煤层开采、年产1 500万t的具国内领先水平的特大型矿井，于2003年开始建设，2006年7月开始进行试生产。塔山煤矿井田东西长约20 km，南北宽约12.50 km，面积170.902 4 km2。塔山井田东南部一、二盘区为首采区。

1.2地质条件

塔山井田位于大同煤田的中东缘地段，总体为一走向北10°～50°东，倾向北西的单斜构造，局部发育规模较小的背向斜构造。煤层倾角除东部边缘孔附近较陡达10°左右外，一般在1°～5°。井田外由南而北煤层露头部位的倾角由40°～70°，局部直立、倒转。一般情况下，由煤层露头线向北西方向地层变缓到15°左右，水平距离约1 000 m，而边缘部分超过25°以上的水平距离不超过300 m。

1.3加固原理

巷道开挖后围岩产生松动，导致围岩强度降低，松动范围内裂隙比较发育。锚注加固巷道围岩是利用空心锚杆兼作注浆管，利用浆液来充填和固结原有的裂隙面，改变围岩的松散结构，使破裂围岩胶结成连续体加固圈，并为锚杆提供可靠的着力基础，同时注浆锚杆又能起到悬吊、挤压等作用，使巷道围岩沿径向挤压的围岩压力转换成切向压力，防止围岩松动范围进一步扩展，从而使巷道径向应力减小到仅用较小支护阻力使巷道围岩长期处于稳定状态。

1.4该技术的应用情况

此项技术采用自进式中空注浆锚杆进行锚注加固，相对于以往我矿使用化学粘接材料，该技术具有操作简单、成本低、效果好的特点，目前已经广泛应用于国内各类型矿井，在破碎煤体掘进过程中，通过超前锚注，能够有效的加固巷道顶板，防止出现冒落现象。

2　塔山矿破碎煤体掘进现状

塔山矿二盘区地质条件复杂，存在多条落差20 m以上的大断层，受到断层构造影响煤体破碎，在巷道掘进过程中，出现顶煤冒落，片帮严重等现象，尤其是在掘进二盘区2214顺槽、5214顺槽、5216顺槽期间，出现多次顶煤冒落现象，冒落高度最大5 m，片帮达3 m，后期巷道受相邻工作面采动影响，变形严重，顶底板变形量达2 m，巷道掘进及维护成本较高，单进水平低，月进约30 m，严重制约了矿井的正常接替。

3　注浆加固施工工艺

3.1超前锚注加固方案

3.1.1锚注支护原理

巷道开挖后围岩产生松动，导致围岩强度降低，松动范围内裂隙比较发育。锚注加固巷道围岩是利用空心锚杆兼作注浆管，利用浆液来充填和固结原有的裂隙面，改变围岩的松散结构，使破裂围岩胶结成连续体加固圈，并为锚杆提供可靠的着力基础，同时注浆锚杆又能起到悬吊、挤压等作用，使巷道围岩沿径向挤压的围岩压力转换成切向压力，防止围岩松动范围进一步扩展，从而使巷道径向应力减小到仅用较小支护阻力就能使巷道围岩长期处于稳定状态。

因此，锚注支护是锚杆与注浆相结合，双重加固围岩，可以显著提高破碎煤体巷道掘进期间的稳定性。

3.1.2掘进巷道断面设计

塔山狂顺槽巷道断面设计为5.5×3.6 m，矩形巷道，如图1所示。

图1　断层破碎区段断面参数

3.1.3自进式中空注浆锚杆结构

自进式中空注浆锚杆主要由合金钻头、锚杆体、止浆塞、拱形垫板、锚杆连接套、螺母等组成，适用于软弱危岩、断层破碎带、高地应力大变形等复杂地质条件。

3.1.4掘进巷道端头注浆方案设计

（1）注浆材料以新型水泥基材料为主，必要时采用双液浆，或新型水溶性材料。

新型水泥基注浆材料具有粘度小，析水率底，早期强度高。

（2）注浆管采用自进式中空注浆锚杆。

第一阶段采用，布孔方式采用长短孔结合，注浆锚杆间距为200 mm～300 mm，短注浆锚杆的尺寸为ϕ 25×2 500 mm，倾角20°～30°，长注浆锚杆的尺寸为ϕ 25×5 000 mm，倾角10°～15°，即19～28根/段长，布置方式如图2所示。

图2　第一段超前注浆管布置

其他阶段采用长孔注浆，注浆锚杆间距为400 mm～600 mm，长注浆锚杆的尺寸为ϕ 25×5 000 mm，倾角10°～15°，即10～15根/段长，每段长搭接长度1.0 m以上，布置方式如图3所示。

图3　其他段超前注浆管布置

（3）第一段端头工作面喷射混凝土喷层，封闭掘进工作面浅部裂隙。

混凝土喷层厚度不小于50 mm，可以封闭掘进端头裂隙，防止注浆时端头围岩跑浆，保证注浆效果。

（4）注浆工艺采用多孔同时注浆，注浆速度快。

大功率注浆泵和分料器结合的注浆工艺，能实现掘进端头多孔同时注浆，注浆速度快，围岩加固效果好。

（5）优化超前注浆工艺

结合现场施工，逐步调节自进式中空注浆锚杆参数和注浆施工工艺，改善注浆效果，保证巷道顶板稳定性，提高巷道单进水平。

3.1.5每段长注浆量

计算公式:

式中：Q—浆液总注入量，m3；

A—浆液超扩散消耗系数取1.5；

β—浆液充填系数0.85；

η—岩层平均裂隙率10%～15%；

V—需注浆的岩层体积，经计算得108 m3，如图4所示。经计算总注浆量约为14 m3～21 m3。

图4　注浆区域示意

4　注浆结果分析

4.1注浆参数

通过对二盘区多条破碎巷道超前锚注加固，在总结超前锚注加固经验的基础上，初步确定了破碎煤体巷道掘进期间超前锚注加固的参数。

表1　超前锚注加固参数

4.2超前锚注加固参数说明

（1）在破碎程度较大煤岩体中，2.5 m钻孔的打钻时间为5 min～10 min，而在较为致密的煤岩体中，2.5 m钻孔的打钻时间10 min～15 min，因此建议钻进遇到较为致密的煤岩体时采用其他钻具和钻杆打钻，钻头大于28 mm，插入注浆锚杆即可进行注浆加固；

（2）针对较为破碎围岩体注浆压力为1 MPa～2 MPa，而针对较为密室的围岩体注浆压力为3 MPa～5 MPa，结合注水压力进行调整；

（3）采用风锤（二八钻）和注浆锚杆合金钻头，煤层成孔速度快，2.5 m孔的成孔速度为5min～8 min，5 m孔的成孔速度为30 min，破碎煤体中成孔速度更快；

（4）注浆孔封孔工艺成熟，封孔固结时间为5 min～10 min，封孔端承压能力强，可达到10 MPa以上；

（5）浅孔注浆效果好，深孔受围岩致密和钻孔碎屑的影响注浆效果不理想。

5　结论

通过对井下超前锚注加固的不断优化与改进，得出了适合石炭二叠系破碎煤体超前锚固加固的关键参数，并在二盘区破碎煤体巷道进行推广，取得了较好的效果，巷道单进水平由使用前的30 m，提高到目前的90 m，且较使用化学粘接材料能够大幅降低成本，经济效益明显，该技术为同煤集团后续同类型千万吨矿井地质破碎带超前锚注加固提供了有益借鉴。

Study on Advanced Anchor Reinforcement Technology in Tunneling Roadway of Broken Coal in Tashan Mine

Zhang Xing

Abstract：Tashan Mine is the first ten million tons mine of Datong Coal Mine Group to mine Carboniferous-Permian thick coal seam，the verification production capacity of 15 million t/a，the design service life is 140 a，the coal of 2 panel in Tashan Mine influenced by geological structure is broken seriously，it's very difficult for tunneling roadway，the degree of some coal fragmentation is enhanced by tunneling disturbance，the falling risk exists，in order to ensure tunneling safety and improve the level of tunneling roadway，we adopt advanced anchor reinforcement method，the surrounding rock of roadway roof is carried out pre-reinforcement，the key parameters that suitable for advanced anchor in the broken coal seam of Carboniferous-Permian is concluded，it achieves the better result and has been successfully applied at present.

Key words：broken coal；advanced anchor；reinforcement

中图分类号TD353

文献标识码B

文章编号1000-4866（2016）03-0015-03

作者简介

张兴，男，1982年9月，籍贯山西阳泉，毕业中国矿业大学，电气工程及自动化专业，中级工程师，采矿工程。

收稿日期：2016-03-25