大埋深三软煤层沿空掘巷小煤柱中空注浆锚索裸注加固技术

陈泉建

(平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南省平顶山市，467000)



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大埋深三软煤层沿空掘巷小煤柱中空注浆锚索裸注加固技术

陈泉建

(平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南省平顶山市，467000)

针对大埋深三软煤层沿空掘巷小煤柱支护难题，平煤股份六矿在丁5.6-22240孤岛工作面沿空掘巷掘进中引进中空注浆锚索对小煤柱裸巷进行高压注浆加固，有效控制了巷道的收敛变形，取得了较为显著的支护效果，较正常支护增加材料投入210元/m，但避免了采面安装前重新翻修，可节约人工、材料、辅助费用3500元/m，经济效益显著。

三软煤层 沿空掘巷 小煤柱裸注加固 中空注浆锚索

沿空掘巷小煤柱一直是困扰煤矿巷道支护的难题，中国平煤神马集团在小煤柱支护工艺中，先后探索了架棚、锚网、锚网索、锚网索梁、 锚网+金属支护以及锚网索+锚杆注浆联合支护，由于效果均不明显，往往是工作面掘进期间巷道已经收缩变形严重，需要返修，造成大量重复投入，特别是在回采过程中运输巷和回风巷收敛变形严重，严重制约安全生产标准化和高产高效。

2016年，平顶山天安煤业股份有限公司六矿率先在丁5.6-22240风巷沿空巷道小煤柱支护中引进了中空注浆锚索加固，采用低水灰比、高压裸巷注浆，有效控制了巷道收敛变形，经济效益显著提高。

1 概况

丁5.6-22240工作面埋深760～790 m，设计走向长度1997 m，风巷一切眼向外长度为960 m，风巷一切眼向里长度为1037 m，采面倾向长度150 m，丁5.6煤层厚3.2～3.8 m，夹矸厚0.5～1.1 m，煤层普氏系数f为1.5，顶底板为砂质泥岩，普氏系数f为3～5。浅部为丁5.6-22220采空区，深部为丁5.6-22260采空区，属于典型的大埋深、高应力、突出、三软煤层孤岛工作面。其中丁5.6-22240风巷与丁5.6-22220采面之间的净煤柱宽度为 5 m，并受87600 m3老空水影响，煤体松软破碎，受12条落差1～4.2 m断层影响，掘进期间支护难度剧增。具体情况见图1。

2 原支护方案及效果

丁5.6-22240风巷设计断面规格为5.0 m×3.3 m，一切眼向外采用普通锚网索支护，具体支护方案见图2，自2016年1月开工，工作面施工一周后变形量在531～754 mm之间，平均变形量为636 mm；工作面施工15 d后变形量在823～1434 mm之间，平均变形量为1038 mm；工作面施工一月后变形量在1332～1856 mm之间，平均变形量1523 mm；施工3个月后收敛变形已达到1512～2150 mm，平均变形量为1781 mm，3个月后巷道趋于稳定。现场表现为煤墙整体外移，锚杆支护失效，巷道收缩严重。已不能满足采面搬家和安全生产需要，移交前必须进行扩修，未注浆段巷道现场情况见图3。

在中切眼向里施工过程中，上帮小煤柱在锚网支护基础上先后尝试了多种补强手段，均以失败告终。2016年5月采用了中空注浆锚杆裸注(裸注即不喷浆就进行注浆)，工作面施工一周后变形量在211～433 mm之间，平均变形量为331 mm；工作面施工15 d后变形量在326～647 mm之间，平均变形量为581 mm；工作面施工1个月后变形量在433～862 mm之间，平均变形量为653 mm；施工3个月后收敛变形已达到472～1054 mm，平均变形量为755 mm。巷道变形量有所减少，但仍不能满足安全生产的需要。

2016年7月开始采用中空注浆锚索对小煤柱裸注加固，至风巷施工结束，共施工760 m，巷道收敛变形情况为：工作面施工一周后变形量在104～283 mm 之间，平均变形量为210 mm；工作面施工15 d后变形量在183～485 mm之间，平均变形量为293 mm；工作面施工1个月后变形量在203～574 mm之间，平均变形量为423 mm；施工3个月后收敛变形已达到223～630 mm，平均变形量为457 mm。整体巷道收缩量控制在223～630 mm之间，可以满足安全生产需要。

图2 原设计断面图

图3 未注浆段巷道现场图

3 破坏机理及支护对策

(1)巷道开挖以后改变了原岩应力状态，垂直应力向两帮转移，形成垂直应力在两帮集中，水平应力在顶、底板集中的现象，见图4。垂直应力的影响主要显现于两帮煤体，而水平应力主要显现于顶、底板岩层。

(2)虽然小煤柱沿空掘巷避开了垂直应力峰值(见图5)，但随着开采深度的增加，非峰值区垂直应力仍显现比较明显。

(3)在高围压下深部岩(煤)体的脆弱塑性转化具有较强的时间效应，表现为明显的蠕变或流变。沿空掘巷小煤柱蠕变到一定程度，几乎不具备承压能力，使得顶板的简支梁转化为悬臂梁状态，更易造成顶板断裂破坏；另一方面也加剧了对实体侧煤柱的压力，产生更大的塑性流变，如此恶性循环，使巷道整体破坏。

(4)沿空掘巷控制两帮是关键，一是提高小煤柱的强度，二是提高对两帮煤体的约束效应，控制小煤柱的塑性流变。

图4 巷道开挖后巷道受力示意图

图5 掘进期间沿空掘巷垂直应力分布示意图

4 中空注浆锚索裸注加固技术方案设计

根据以上小煤柱沿空掘巷巷道破坏机理和支护对策，选择中空注浆锚索对小煤柱进行加固，具体方案如下：

4.1 注浆锚索支护参数

通过对上帮小煤柱松动圈测试和扩散半径试验，选择规格为ø22 mm×4000 mm的中空注浆锚索，间排距按1.2 m×1.6 m布置。注浆锚索每排布置3根，最上部的注浆锚索位于顶板以下0.6 m处，中间一根距顶板以下1.8 m处，下部一根距顶板3 m。巷道顶板锚杆采用ø22 mm×2600 mm高强锚杆，间排距为800 mm×800 mm；帮锚杆采用ø20 mm×2600 mm左旋锚杆，间排距为800 mm×800 mm；顶板锚索采用ø21.6 mm×6500 mm钢绞线，间排距为1600 mm×2400 mm。(详见图6)

图6 中空注浆锚索支护方案设计

4.2 注浆材料及配比

注浆采用水泥单液浆，选用42.5级硅酸盐水泥，浆液中水与水泥的配比为1：2，并按水泥质量的8%加入ACZ-1型混凝土注浆添加剂，搅拌均匀。

4.3 注浆压力

注浆孔口压力为8～10 MPa，注浆泵出口压力一般为18～20 MPa。

4.4 持续时间及注浆量

从注浆开始直到浆液注不进去或从周边锚杆孔出浆为止，然后待压力稳定30 s左右，注浆持续时间一般为5 min左右，每孔注浆量为0.1～0.4 m3，其中水泥量为100～400 kg。

5 中空注浆锚索支护原理

5.1 注浆锚索结构图

中空注浆锚索结构见图7，该锚索具有以下特点：首先是内置封孔，确保在松软煤体的封孔效果；其次是反向注浆，消除了产生气穴空洞的可能；第三是该锚索不用排气管和专用接头，工艺大为简化；第四是锚注结合，安装后立即承载；最后该锚索不受作业空间限制，根据需要可以随意调整索体长度。

①注浆专用连接器; ②KM22型锚具; ③300 mm×300 mm×14 mm锚索盘;④外封孔管; ⑤内封孔管; ⑥挡环; ⑦中空注浆锚索索体图7 中空注浆锚索图

5.2 支护原理

(1)中空注浆锚索采用树脂锚固剂端头锚固，锚索安装后即可张拉施加预紧力，实现主动支护，阻止围岩的变形破坏。

(2)中空注浆锚索采用高预紧力紧固及深部封孔，在不喷浆的情况下，能够实现高压注浆，大大提高了浆液的扩散半径和对破碎围岩的挤压效果，更好的发挥浆液充填裂隙、网络骨架、挤密围岩、补强加固作用，从而提高围岩的整体性和自身承载能力。

(3)中空注浆锚索的主动支护和注浆加固的共同作用极大提高了锚索的锚固强度和可靠性，提高了支护体的轴向和径向约束力，避免锚索在动压作用下卸载或剪断。

(4)ACZ-1型混凝土注浆添加剂可提高浆液流动性，降低水灰比，增加水泥量，从而提高注浆强度，同时具有微膨胀性，防止混凝土凝固后塌落产生新的裂隙而影响注浆效果。

通过采取中空注浆锚索对小煤柱高压注浆加固，提高了自身强度和承载能力，有效控制了大埋深高应力作用下的塑形流变，从而使巷道的收敛变形显著减小。

6 施工工序及施工管理

6.1 注浆锚索施工工序

注浆锚索紧跟迎头随掘随打，根据现场试验情况，在掘进机后距迎头50～80 m处开始注浆。

注浆工艺流程为：施工准备→配置浆液→开泵注浆→观察注浆情况→稳压30 s左右→关闭注浆泵→关闭注浆导管阀门→拆除注浆泵与导管连接装置→清洗设备。

6.2 注浆锚索施工管理

(1)根据打眼、钻孔窥视情况，确定松动圈范围，合理选择注浆锚索长度。

(2)根据封孔效果，调整封孔位置。

(3)根据浆液扩散情况，选定注浆压力和锚索间排距、浆液配比等技术参数。

(4)现场严格监控材料质量、浆液配比、浆液搅拌、封孔质量、注浆压力及注浆扩散效果，考核工作量以注浆水泥量代替注浆锚索数量，定期在注浆锚索四周布置钻孔，利用钻孔窥视仪、钻孔注水等方法检查浆液扩散情况，用锚杆无损检测仪检测注浆前后锚杆、锚索受力状态，确保注浆效果。

7 支护效果

小煤柱中空注浆锚索裸注加固技术，首先创新性地把常规用于岩巷的中空注浆锚索引入煤巷，并根据小煤柱的松动圈情况设计锚索长度。该技术打破了传统注浆必喷、先喷后注的支护习惯，在不喷浆的情况下直接进行裸注加固，而且注浆压力可以达到8 MPa以上，保证了浆液能够充分扩散。

沿空掘巷的支护重点是小煤柱加固，避免顶板处于悬臂梁状态，同时可对实体帮强化支护，减小对小煤柱的压力。中空注浆锚索裸注加固技术为一项简单、经济、有效的手段。注浆加入ACZ-1注浆添加剂可以提高浆液流动性，降低水灰比，提高支护强度。

通过在丁5.6-22240风巷的实施，对沿空掘巷小煤柱采用中空注浆锚索裸注加固技术，使巷道的收敛变形量由原来的1512～2150 mm控制到了320～630 mm，取得了较好的支护效果，破解了沿空掘巷前掘后翻的支护困局，大幅度降有低了成本投入，减少了职工大量的重复劳动，节约成本3500元/m，缓解了采掘人员严重不足的局面。加快了工作面移交进度，同时为安全生产标准化奠定了良好的基础，具有很好的推广利用价值。

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(责任编辑 郭东芝)

Technology of naked grouting reinforcement with hollow grouting cable anchor in small coal pillar of gob-side entry driving in soft coal seam with large burial depth, soft roof and floor

Chen Quanjian

(No. 6 Coal Mine of Pingdingshan Tianan Coal Industry Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China)

Aiming at the small coal pillar support problem in gob-side entry driving in soft coal seam with large burial depth, soft roof and floor, hollow grouting cable anchor was introduced for high-pressure grouting reinforcement to coal pillar roadway without guniting in process of gob-side entry driving in D5.6-22240 isolated working face of No. 6 Coal Mine of Pingdingshan Tianan Coal Industry Co., Ltd., it controlled roadway convergence and deformation effectively and achieved remarkable supporting effect, material input of this support technology increased 210 yuan per meter more than normal support, while the support method avoided roadway rebuilding before working face installing and saved labor, material and auxiliary expenses 3500 yuan per meter, achieved remarkable economical benefit.

soft coal seam with soft roof and floor, gob-side entry driving, grouting reinforcement for coal pillar without guniting, hollow grouting cable anchor

陈泉建. 大埋深三软煤层沿空掘巷小煤柱中空注浆锚索裸注加固技术[J]. 中国煤炭，2017,43(6)：57-61,71. Chen Quanjian. Technology of naked grouting reinforcement with hollow grouting cable anchor in small coal pillar of gob-side entry driving in soft coal seam with large burial depth, soft roof and floor[J]. China Coal, 2017, 43(6):57-61,71.

TD353.5

A

陈泉建(1969-)，男，河南南阳人，高级工程师，中国煤炭工业协会支护专业委员会聘任支护专家，现任平煤股份六矿开掘副总工程师，主要从事开掘技术和管理工作。