注浆锚索支护在井巷支护中的应用

石晓建

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿， 山西 古交 030203）

引言

影响煤矿安全的因素众多，以通风效果、矿井水治理效果、支护效果等最为重要。对于煤矿支护而言，除了必须的液压支架支护外，还需根据工作面地质、水文以及煤层等条件的不同，合理选择支护方案，实现对井巷围岩稳定性的控制[1]。松软煤层回采巷道的支护中采用普通锚杆+锚索联合支护方式存在锚杆锚索破断的问题，导致其实际生产中存在极大的安全隐患。为此，本文针对松软煤层采用注浆锚索支护的方式实现对井巷的强化支护。

1 工程概况

本文以中煤集团下属的柳林煤矿为例开展相关研究，该煤矿目前可供开采的煤层包括有2 号、3号、4 号等7 个煤层。其中，2 号煤层属于松软煤层，本文将以2 号煤层为例开展注浆锚索支护在其应用效果的研究工作。2 号煤层对应的煤层倾角较小，且对应煤层平均厚度为3.5 m；考虑到工作面井巷顶板和两帮的变形量及锚杆支护的外露长度，该煤层所属巷道的形状为矩形，对应巷道宽度为4.1 m，巷道高度为3.5 m。本文重点研究注浆锚索支护对综采工作面井巷的强化支护效果，故需掌握2 号煤层工作面的顶板特性，如表1 所示。

2 号煤层所属工作面的走向长度为650 m，其中倾斜工作面的长度为243 m；2 号煤层的的最大倾角为22°，最小倾角为11°。经探测，2 号煤层所属工作面在正常开采时的涌水量为15 m3/h，最大涌水量可达50 m3/h。2 号煤层井巷在当前支护条件下存在两帮移近并鼓出，且底鼓较大，锚杆锚索被拉断且巷道变形严重，具体表现为如下几点：

1）2 号煤层工作面围岩变形速率大，变形量较大且变形持续时间较长；

表1 2 号煤层工作面顶板岩层参数

2）2 号煤层工作面底鼓量较大，导致井巷两帮出现片帮现象，继而导致顶板下沉；

3）2 号煤层工作面塑性变形明显，锚杆锚索的应力值较大，设置导致锚杆、锚索被拉断[2]。

经分析导致2 号煤层工作面出现上述问题的因素包括有：本身2 号煤层所属井巷的围岩特性较差，容易破碎且风化；当前支护方案的整体性较差，支护强度不足以支撑顶板覆岩的压力；矿井水通过裂隙深入井巷中，使得井巷顶板和两帮的强度江都，继而导致两帮出现片帮，顶板出现下沉的问题。

2 注浆锚索支护参数的设计

为解决2 号煤层所属井巷在实际开采中出现的由于支护不利所导致的顶板下沉、两帮片帮、围岩稳定性不佳等问题，本文采用注浆锚索支护对2 号工作面进行强化支护。从理论上分析，注浆锚索支护具备预应力锚杆的支护特点，采用注浆方式可提升工作面围岩的整体性能。在理论计算的基础上，得出2号煤层工作面注浆锚索支护的相关参数具体如下所示。

2.1 顶板支护

顶板采用直径为20 mm，长度为2.2 m 的左旋螺纹钢锚杆进行支护，锚杆的间距为700 mm，锚杆排间距为700 mm；所采用锚索的直径为17.8 mm，长度为7.3 m，锚索间距为1 000 mm，锚索排间距为1 400 mm。

对应顶板的注浆锚索强化支护参数为：在上述锚杆+锚索联合支护的基础上，采用直径为22 mm，长度为7.3 m 的中空注浆锚索进行强化支护，锚索间距为2 100 mm，锚索排间距为2 800 mm，补强锚索为两排。

2.2 低帮支护

低帮采用直径为20 mm，长度为2.4 m 的左旋螺纹钢锚杆进行支护，锚杆的间距为700 mm，锚杆排间距为700 mm；所采用锚索的直径为17.8 mm，长度为4.3 m，锚索间距为1 000 mm，锚索排间距为1 400 mm。同时，铺设金属网和塑料编织网以强化支护。

对应低帮的注浆锚索强化支护参数为：在上述锚杆+锚索联合支护的基础上，采用直径为22 mm，长度为4.3 m 的中空注浆锚索进行强化支护，锚索间距为1 400 mm，锚索排间距为2 800 mm，补强锚索为两排。

2.3 高帮支护

高帮采用直径为20 mm，长度为2.4 m 的左旋螺纹钢锚杆进行支护，锚杆的间距为700 mm，锚杆排间距为700 mm；所采用锚索的直径为17.8 mm，长度为4.3 m，锚索间距为1 000 mm，锚索排间距为1 400 mm。

对应低帮的注浆锚索强化支护参数为：在上述锚杆+锚索联合支护的基础上，采用直径为22 mm，长度为4.3 m 的中空注浆锚索进行强化支护，锚索间距为1 400 mm，锚索排间距为2 800 mm，补强锚索为两排。

2 号煤层对应支护设计如图1 所示。

图1 注浆锚索强化支护示意图（单位：mm）

3 注浆锚索支护在井巷支护中的应用效果分析

本文将采用数值模拟和现场试验的手段对注浆锚索支护的支护效果进行分析。

3.1 注浆锚索支护数值模拟研究

本节基于FLAC3D 数值模拟软件对注浆锚索支护在2 号煤层工作面的支护效果进行仿真分析。首先，结合2 号煤层工作面的井巷断面尺寸建立数值模拟仿真模型，并根据该工作面煤层、岩层等地质条件摩擦角、抗拉强度、容重等参数对模型进行设置[3]。

3.1.1 井巷围岩应力情况

为验证注浆锚索支护对井巷围岩应力的控制效果，分别对普通锚杆+锚索支护和采用注浆锚索支护后的井巷的围岩应力进行对比，对比结果如表2所示。

如表2 所示，采用注浆锚索支护后井巷的围岩应力分布更加均匀。

表2 普通支护和注浆锚索支护效果对比

3.1.2 井巷围岩变形情况

为验证注浆锚索支护对井巷围岩变形的控制效果，分别对普通锚杆+锚索支护和采用注浆锚索支护后的井巷的围岩变形进行对比，对比结果如表3所示。

如表3 所示，采用注浆锚索支护后井巷两帮和顶底板的移近量明显得到控制；对于水平位移而言，左右两帮的收敛量相差不多，即说明两帮移近量均匀；对于垂直位移而言，顶板下沉量和底鼓量得到了明显控制。

3.2 注浆锚索支护工业性试验

为验证注浆锚索支护的强化支护效果，本文对采用注浆锚索支护后井巷的矿压进行监测，分别对普通支护和注浆锚索支护的两帮收敛量和顶板下沉量进行对比，对比结果如下页图2 所示。

如图2 所示，采用注浆锚索对井巷强化支护后两帮移近量由370 mm 减小至192 mm；顶板下沉量由152 mm 减小至87 mm。

综上所述，采用注浆锚索支护后可对井巷的围岩起到粘结和加固作用，从而对巷道围岩进行良好控制。因此，可将注浆锚索支护在软煤层回采井巷中推广应用。

图2 注浆锚索支护工业性试验

4 结语

综采工作面的支护效果将直接影响井巷开采的安全性，除了采用液压支架支护外，还需根据综采工作面的实际地质、水文等条件对支护方案进行优化设计，以实现对井巷围岩应力和变形较为理想的控制。本文以2 号煤层（软煤层）所属工作面的支护方案进行优化设计，采用注浆锚索支护对原支护方案进行强化支护。经数值模拟仿真和工业性试验表明，采用注浆锚索支护后可对围岩应力和围岩变形进行有效控制，从而保证工作面的安全生产。因此可将注浆锚索支护在软煤层井巷的支护中推广应用。