金能煤业2号煤松动圈测试及应用

任泽明

（霍州煤电集团金能煤业有限公司，山西 静乐 035100）

由于巷道的开挖，煤岩体中的应力状态发生改变，导致巷道周边的应力重新分布，部分区域产生应力集中。如果煤岩体强度较低，受应力集中的影响会发生变形破坏，并在巷道周边形成一定范围的松动圈。根据巷道松动圈的大小可以对巷道围岩进行分类，指导巷道支护设计［1-4］。为加快掘进速度并降低掘进成本，金能煤业东翼集中回风巷布置在2 号煤中，由于服务年限较长，为保证巷道稳定，对2 号煤围岩的松动圈进行了测试。基于测试结果，采用高强锚杆和注浆锚索联合支护方式控制巷道围岩变形，取得了较好的效果。

1 工程概况

霍州煤电集团金能煤业有限公司东翼集中回风上山为矿井回风大巷，设计长度1 306 m，地面标高+1 382～+1 450，开口底板标高为+919.5 m，巷道沿2 号煤底板掘进，煤层厚度及顶底板岩性见图1。

图1 2号煤层顶底板岩性

金能煤业属低瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量0.11 m3/min，掘进工作面绝对瓦斯涌出量0.06 m3/min，2 号煤具有爆炸危险性，自燃倾向性等级为Ⅱ级，属自燃煤层。

根据岩石力学参数测试结果，2 号煤层的强度较低，单轴抗压强度为5.7 MPa左右，顶板泥岩和砂质泥岩互层，自然条件下单轴抗压强度为37 MPa，层状分布，整体性较差。

为保证矿井的回风，集中回风上山的规格为5.5 m×4.8 m（宽×高），断面为直墙半圆拱形。

2 松动圈测定

2.1 测定方法

目前国内外松动圈测试的主要方法有声波法、钻孔窥视法、位移计法和地震波法等［5-6］。结合金能煤业的设备情况和实际地质条件，确定2 号煤采用单孔声波法测试。

声波法测试的实质是利用超声波在不同介质中的传播速度来测定围岩的破坏情况。根据弹塑性理论，超声波在不同介质中的波速计算见式（1）：

式中：Vp为纵波传播速度；Vs为横波传播速度；E为传播介质的弹性模量；μ为传播介质的泊松比；ρ为传播介质的密度。

由上式可以看出，超声波的传播速度与介质的弹性模量、泊松比和密度有关，而这些参数也是强度的影响因素。因此，不同的传播速度可间接反映其内部的破坏情况，从而确定松动圈的大小。

2.2 测点布置

采用BA-Ⅱ型松动圈测定仪，共布置4 个测点，测点间距为20 m，每个测点布置三个测孔，分别位于巷道正中以及巷道两帮处，共计12 个测孔。钻孔方位垂直于巷道，采用Φ42 mm 的钻头打孔，孔深不小于4 m，为防止卡坏探头，全部采用湿式打眼方式。

成孔后，首先用水将钻孔进行冲洗，然后将提前预热的探头用推杆伸至孔底，同时用胶皮管向钻孔中注水，并逐渐向外拉出探头，拉伸过程中每隔200 mm 读数一次，直至全部拉出。

2.3 测定结果

对测得的数据进行整理，修正剔除异常数据，得到不同测孔中的超声波速度变化情况。各个测点的波速变化规律基本一致，与钻孔深度呈近似正比例关系，但在某一点速度会发生较大波动，该点的深度即为围岩松动圈的边界。测试结果表明，3 号测点处的围岩松动圈最大，其三个测孔的结果见图2。

图2 三号测点测试结果

由图2 可以看出，三号测点位于巷道中部顶板的2 号测孔的松动圈范围最大，为2.4 m。巷道两帮松动圈的范围相对较小，但也在2 m 以上。根据围岩松动圈理论可知，金能煤业2 号煤围岩属于不稳定围岩，巷道变形相对剧烈，应适当加大支护强度。

3 巷道支护设计

3.1 控制原则

针对金能煤业2号煤松动圈范围大、围岩不稳定的实际情况，特提出以下控制对策：

（1）采用强力锚杆索支护

以锚杆支护为主，采用高强度锚杆及支护构件，提高支护系统的支护能力，配合锚索支护，将上覆岩层锚固为完整的预应力承载结构，减少顶板的下沉。

（2）提高围岩的自承能力

由于2 号煤的松动圈深度超过2 m，最大为2.4 m，超过了锚杆锚固的深度，采用单纯的锚杆支护难以取得理想的支护效果。为此，应当采用注浆等措施，在提高围岩承载能力的同时，将锚杆索等支护体与围岩结合到一起，同时封闭围岩中的裂隙，保证顶板的稳定。

综合分析，决定采用高强锚杆和中空注浆锚索联合支护的方式控制围岩的变形。

3.2 支护设计

与普通锚索相比，中空注浆锚索采用笼型中空结构，内部有注浆管，在采用常规的锚固剂锚固后可以注入水泥浆液，实现全长锚固，在胶结破碎围岩的同时进一步提高其支护强度，支护效果更好。

以中空注浆锚索和高强锚杆为主的支护设计见图3。

图3 中空注浆锚索支护方案

锚杆为BHRB500 高强螺纹钢制作，规格为Φ22 mm×2 400 mm，其屈服强度为500 MPa，拉断载荷为254.7 kN，每根锚杆配CK2335 和CK2360 树脂药卷各一卷，排距为900 mm，每个断面布置锚杆17 根。

锚索采用Φ21.6 mm×7 300 mm 的钢绞线制作，每根锚索采用四根K2360 树脂药卷锚固，每个断面布置5 根，位置见图3，排距为900 mm。

3.3 主要注浆参数

（1）注浆压力

中空注浆锚索的注浆压力为5～7 MPa，一般不得小于4.5 MPa，最大不得超过8 MPa。注浆管路为专用高压注浆管，内径8 mm，外径11 mm。

（2）钻孔孔径

为方便注浆锚索施工，锚索钻孔采用Φ30 钻头，钻孔深度为7 000 mm。

（3）封孔方式

采用化学材料封孔，将孔口以里400 mm 的锚索用棉纱缠绕，待树脂锚固剂凝固后，利用专用吸管吸取适量的化学材料，然后注入到棉纱中，化学材料发生膨化反应，将钻孔封住。

锚索注浆施工结束后对巷道进行喷浆封闭，初喷结束2 h后进行复喷，两次喷浆累计厚度不得小于120 mm。

3.4 施工工艺

中空注浆锚索在按常规锚索的安装方式锚固后，需要进行注浆，其施工的流程见图4。

图4 中空注浆锚索施工流程

3.5 现场应用效果

该集中回风巷自2019年10月15日开始施工，从开口以里30 m 开始设置测点，对巷道表面位移进行观测，其中3 号测点位于开口以里130 m处，自2019年11月10日开始观测，其观测结果见图5。

图5 巷道表面位移观测结果

由观测结果可以看出，集中回风巷的变形比较平缓，施工31 d后巷道变形基本稳定，顶板最大下沉量为120 mm，两帮最大移近量为98 mm，变形量较小，对生产无影响，中空注浆锚索取得了较好的支护效果。

4 结论

1）金能煤业2 号煤的顶板最大松动圈范围为2.4 m，两帮松动圈最大值超过2.0 m，属于不稳定围岩。

2）金能煤业集中回风巷采用高强锚杆和中空注浆锚索联合支护的方式，巷道表面位移小，最大顶板下沉量为120 mm，两帮最大移近量为98 mm，支护效果较好，可为类似条件下的巷道支护提供参考。