“三软”煤层巷道注浆锚索补强加固技术研究

陈 刚

(河南能源化工集团义煤公司生产技术处，河南 义马 472300)

0 引言

新安煤矿煤层具有煤层厚、埋藏深及地应力大等特点，煤层直接顶、底为泥岩或炭质泥岩，遇水易膨胀，属于典型的“三软”不稳定煤层。矿井巷道支护存在变形量大、维修工程量大及成本高等难题，严重制约了安全生产，实践证明该矿现有的支护方式和以往的支护经验无法满足深部厚煤层巷道安全生产要求。若不解决上述问题将给该矿巷道支护和安全生产带来很大的困难，因此，亟需对此类巷道支护难题进行研究，采用新的支护技术和支护工艺，促进矿山安全生产，提高经济效益。

1 工程概况

15130工作面位于15采区东翼，上邻15110已回采工作面，下邻15150工作面；西邻15采区回风下山；东邻采区保护煤柱，平均埋深252 m。15130下巷设计长度720 m，沿二1煤层底板掘进，巷道断面设计根据该巷道通风、运输、行人、设备安装等需要，考虑到巷道允许最大变形后仍满足各项要求，巷道断面形状设计为矩形断面，采用锚网索支护，设计断面规格：宽×高=5 600 mm×3 200 mm，巷道断面面积S=17.9 m2。根据15采区和相邻15110工作面下巷已揭露的地质资料分析：15130工作面二1煤煤层顶底板起伏较大，煤厚0.1～11.7 m，平均3.3 m。煤岩层产状：走向45°，倾向135°，倾角小于4°～9°，小型褶曲相对发育，工作面地质构造整体上简单。工作面煤层及顶板强度均为软弱型，其中煤层和伪顶的f系数仅为1，即抗压强度10 MPa，直接顶f系数仅为2，即抗压强度20 MPa。

2 原支护设计及其缺点分析

15130下巷设计掘进断面尺寸宽×高=5 600 mm×3 200 mm，采用“锚网索+钢筋梯子梁+钢带”支护形式。

1)锚杆布置：顶板布置7根左旋无纵筋锚杆，规格为Ф22 mm×2 500 mm，间排距为900 mm×900 mm；托盘规格为130 mm×130 mm×10 mm。每孔采用2节MSCKФ23 mm×500 mm超快速树脂锚固剂锚固；锚杆锚固力不低于100 kN(25 MPa)，预紧力矩不小于260 N·m；冷拔丝轧花网规格：Ф4 mm×900 mm×1 600 mm，冷拔丝轧花网连接方法：2块网之间正常搭接两格(100 mm)，采用16#双股镀锌铁丝单点捆扎2排、呈三花状，每一排的捆扎点位于另外一排2个捆扎点的中线上，每排捆扎点间距200 mm。

2)锚索布置：锚索采用Ф17.8 mm×6 000 mm钢绞线。顶板条件较好时，采用“3-0-0-3”布置形式，间排距为1 400 mm×2 700 mm；托盘规格为300 mm×300 mm；顶板破碎或托顶煤掘进时，采用“4-3-4”布置形式。锚索初始张拉不低于160 kN(42.5 MPa)。每个锚索孔采用3节MSCKФ23×500 mm超快速树脂锚固剂。锚固力不低于160 kN(42.5 MPa)。

3)两帮支护：巷道两帮采用“锚网+钢筋梯子梁”支护形式。锚索规格为Ф22 mm×2 500 mm，间排距为750 mm×900 mm，每侧每排5根。

结合该矿以往工作面上、下顺槽采用“锚网索+钢筋梯子梁+钢带”支护经验：巷道自开口掘进至工作面回采结束，锚杆锚固效果较好，充分发挥了其高延伸率的特点，仅出现个别断裂现象。通过对锚索支护效果进行分析得出，巷道掘进期间锚索均正常承载，但回采期间尤其是在超前动压影响区域，较多锚索出现破断现象，个别锚索受力被拔出导致失效，拉拔力仅为27 t左右，17.8 mm锚索的理论破断力为35 t，现阶段的锚索破断力均未达到其极限破坏强度，锚固效果仍有强化空间。

3 煤层巷道围岩变形控制对策及作用机理

针对煤层巷道围岩变形规律，新安矿在该矿煤层巷道原锚网索支护基础上，确定了采用中空注浆锚索对巷道顶帮进行锚注加固。其作用机理有以下几点。

3.1 改善围岩刚度和强度

围岩裂隙面在注浆加固以后，岩体刚度和抗剪强度都显著增加。

3.2 浆液固结体的骨架作用

浆液注入到被注地层后，扩散到围岩的裂隙或空隙中，从而在裂隙空隙中而形成条状或是脉状的类似人体骨骼的骨架结构可以起到支撑作用。

3.3 有效减小围岩松动圈的范围

减小围岩位移，显著减小支架上的应力大小，使巷道能维持稳定。

3.4 注浆加固防止风化

浆液注入到岩层或岩土体内部后，随着浆液沿着裂隙或缝隙或内部空间的扩散能够将内部的空气水分很好地排除，使内部的空间与外部空去隔离，空气水分无法进去就能够有效地防止岩层内部空间风化。

4 锚注支护参数设计及其合理性验证

4.1 锚注支护参数设计

初步设计为锚杆参数不变。锚索长度调整为中空注浆锚索，锚索长度6.3 m，每根锚索使用2卷Z2550型锚固剂端锚，预紧力不低于120 kN。锚索具体支护参数要以现场实际地质条件进行及时补强加密，不同地质条件的支护参数如下。

4.1.1 掘进期间锚注支护设计

锚索规格：Φ22 mm×6 300 mm中空注浆锚索。

布置方式：结合实际地质条件及工程类比法，采用“3-0-0-3”布置形式，间排距为1 400 mm×2 700 mm，掘进期间锚注支护展开图如图1所示。

单位：mm

4.1.2 回采期间锚注支护设计

受到采动影响前，安排在两排注浆锚索之间补打一排同规格的注浆锚索，每排布置3根。回采期间锚注支护展开图如图2所示。

单位：mm

4.1.3 地质异常区段锚注支护设计

在巷道锚注修复工程中，如遇断层、淋水、采动影响剧烈等地质异常区和构造带区域，采取高强树脂锚杆紧跟迎头施工，并加密顶板及两帮中空注浆锚索支护措施。顶板采用“4-3-4”方式布置，间排距为1 120 mm×900 mm，锚注支护展开图如图3所示。

单位：mm

4.2 锚注加固关键技术

4.2.1 注浆加固时机

注浆加固选择在锚网索施工之后，卸下中空注浆锚索尾部注浆螺母，连接注浆孔迅速注浆。

4.2.2 注浆材料的选择

中空注浆锚索钢绞线采用预应力螺旋肋加工，其锚固强度、载荷传递特性比光面钢绞线有大幅度的提高。中空钢绞线由数股螺旋肋预应力钢丝捻制而成，分为树脂锚固段和注浆锚固段，其中，树脂锚固段中心为实心钢筋，可以实现树脂端锚；注浆锚固段中心为空心管。注浆材料采用山东安科的AKML-70无机锚固料，其具有较好的早强与高强、高流动性和触变性、微膨胀、与煤体粘结性能好等优良性能。

4.2.3 注浆材料的施工

1)在注浆桶内加入适量水后，然后依次加入所需数量的锚固料，边加边搅拌，完全加入后必须使用大扭矩搅拌器搅拌快速搅拌至少10 min以上，在注浆过程中，使用低速搅拌器搅拌，防止凝固。

2)针对井下不同的巷道环境，不同的支护条件等因素确定适宜的水料比，通常注浆料水灰比为0.25～0.35。

3)锚固料充分搅拌后须采用专用注浆设备进行注浆施工，注浆压力不低于7 MPa。并控制注浆压力在一定的范围内(通常在6～9 MPa，不同的基础条件，所需的注浆压力不同)。

4)注浆结束后，安上注浆螺母，防止浆液回流，同时及时清洗设备。

5 锚注支护效果分析

为验证锚注支护实际应用效果，分别通过表面位移观测、深基点监测、顶板钻孔窥视以及围岩松动圈探测等方法进行了方案效果评价。结果表明：由工作面前方70 m进行不间断表面位移监测的6个测点的顶板下沉量在37～47 mm，平均41.8 mm；6个测点的帮部收敛量在25～43 mm，多数都在43～59 mm，平均51.2 mm。随着工作面回采，工作面超前30 m范围内，围岩位移急剧加大。最大变形主要集中于浅部0～3 m，平均为24.6 mm，深部3～6 m的变形量平均为仅为5 mm。巷道帮部一般松动圈仅为1.2 m，巷道围岩的稳定性良好，没有发生围岩失稳现象，现阶段矿压监测表明锚注加强支护起到了预期理想效果。

6 结语

新安矿结合15130工作面下巷实际地质采矿条件，通过分析煤层巷道掘进、回采期间围岩变形规律，提出了中空锚索锚固加固技术及注浆加固作用机理，分别针对不同地质条件进行了锚固支护参数设计，通过对矿压观测数据进行分析，巷道围岩的稳定性良好，围岩变形量得到有效控制，没有发生围岩失稳现象，满足了工作面安全生产的需要。