赵固二矿回采巷道注浆锚索超前支护技术研究与应用

2022-12-06卢运良

现代矿业 2022年11期

卢运良刘栋

（1.河南焦煤能源有限公司救护大队；2.焦作煤业（集团）新乡能源有限公司赵固二矿）

巷道围岩稳定状况和控制的好坏直接关系到矿井的安全高效生产和经济社会效益。随着煤层赋存特点的变化，开采深度不断增加，表现出了地应力水平增加且应力水平呈现出非线性增加的复杂变化特点，巷道压力显著，变形量大，围岩控制困难，降低回采速度［1-3］。我国从20世纪末以来锚杆支护技术得到快速发展，21世纪开始，锚杆支护技术理论开始实现自主发展探索，巷道围岩支护技术水平得到不断提升［4-7］。近年来，康红普院士团队［8-9］、何满潮院士团队［10-11］等行业学者进行了大量探索，成效显著。本研究以赵固二矿为例，对回采巷道注浆锚索超前支护技术进行研究与应用。

1 工作面概况

赵固二矿隶属焦作煤田，11012工作面位于一盘区西部，两侧的11030、14011工作面已回采完成，工作面长度为167.5 m，推进长度约2 050 m，煤层埋深约700 m，倾角3°～9°，属于近水平煤层，平均煤厚2.3 m，工作面推进速度为4～5 m/d。受上分层开采顶板发生破断、覆岩发生运移的影响，工作面长度方向范围内来压差异性较小。回采期间工作面内存在矸石架间漏冒、煤壁片帮等现象。

2 巷道顶板岩石力学特性

2.1 试验材料与方案

在11012工作面掘进期间分别在巷道不同位置收集围岩岩石样品，在井下预先用保鲜膜进行封装处理，由于巷道顶板多为上分层开采后垮落压实的岩块，块度较小，运至地面后将块度较大的岩石试块进行取心打磨，制成直径50 mm、厚25 mm的圆盘试件进行巴西劈裂试验，对于无法制作圆盘式件的岩块进行点荷载试验，所得试件如图1所示。

巴西劈裂试验采用120 t万能伺服试验机，按0.1 mm/min的加载速率进行加载，圆盘试件放置于压力机的加圧板之间，直径上下位置各放置1枚钢钉垫片，以便在加载期间产生应力集中，记录岩石试件受荷载作用下试验力与变形数据。

点荷载试验采用HDH-1B型点荷载试验仪，将块度50 mm左右的试件放置于试验仪锥头之间，缓慢加载使得试件被2个锥头压裂，试验前对试件尺寸进行测量，试验期间记录试件破坏时的极限试验力。

2.2 试验结果分析

由巴西劈裂试验结果分析可知：顶板岩石的抗拉强度为0.77～2.12 MPa，在岩石收载变形期间经历了常规的压密—弹性—裂隙发育—破坏共4个阶段，在这4个阶段中岩石的压力过程用时较长表现出试件中的裂隙发育程度较高，破坏后圆盘的断裂面并非集中于拉应力集中的直径位置，而是呈现出不规则破碎，破坏后形成2个以上块体，从试验结果的离散程度也可以发现，巷道顶板岩石由于前期的采掘工程扰动裂隙发育，导致岩石承载能力下降，破坏以裂隙为主导因素。

经过点荷载强度计算可以得到顶板岩石的抗压强度为9.57～58.28 MPa，平均强度为21.71 MPa；抗拉强度为0.48～2.91 MPa，平均强度为1.09 MPa；抗剪强度为1.16～7.07MPa，平均强度为1.63 MPa。由此可见，与巴西劈裂试验结果相似，岩石强度受裂隙的随机分布影响表现出的岩石强度离散度很大，从平均值可以发现巷道顶板岩石强度较弱，在施工期间需要对巷道围岩进行高强度加固。

综上分析可知：回采期间巷道在地应力和采动应力双重作用下岩体损伤破坏，由于岩体中裂隙发育程度高，破坏后的岩块难以形成结构自稳，巷道变形严重，用常规的支护手段难以保持巷道围岩稳定。

2 注浆锚索超前支护理论模型

2.1 超前影响段顶板力学模型构建

顶板结构的稳定性是影响超前段支护的重要因素，通过构建超前巷道顶板结构力学模型，研究来压期与非来压期顶板结构的稳定性，使支护体与围岩达到强度与刚度耦合，为超前支护提供理论依据。简化后的上覆岩层-顶板-煤柱-底板形态如图2（a）所示。将回采煤层和保护煤柱视为Winkler假设的可变形基础。沿巷道走向方向断面建立的力学模型如图2（b）所示。

顶板上受均布载荷q（t）作用，其中q（t）是随着距离工作面的远近发生变化，受采动影响较大。顶板所受到的载荷为qx，垂直应力在煤壁边缘达到最大值q1并在x1处降为0。

2.2 巷道顶板破坏判据

巷道顶板视为受上覆岩层随动载荷与煤体基座支撑的Winkler梁，受到两个相互作用的反力，据此建立的顶板挠曲线微分方程为

式中，E为顶板的杨氏模量MPa；I为惯性矩，kg·m2；y为挠度，m；k0为煤体刚度，N/m。

本研究通过基础特征参数来表示基础刚度与顶板抗弯刚度之间的关系，梁的挠度随着x的增大而逐渐趋于稳定，梁的两端处为0，巷道顶板受随动载荷q（x）作用、弯矩和剪应力分别为M0、Q0，假设巷道断面上弯矩与挠度相同，巷道顶板受上覆岩层与煤柱的相互作用，顶板发生变形，产生拉应力与剪应力。当所处的应力环境超过顶板自身岩石强度时将发生破坏，即：

式中，σc为顶板受到的拉应力，MPa；[σc]为顶板岩石抗拉强度，MPA；τc为顶板受到的剪应力，MPa；[τc]为顶板岩石抗剪强度，MPa。

弯矩最大处即为拉应力最大位置，判断此位置的拉应力与岩石的抗拉强度即可得到顶板岩岩梁的拉伸破坏判据为

超前影响区巷道顶板发生剪切破坏为剪应力最大位置处，最大剪应力计算公式为

式中，B为顶板宽度，m；h为顶板岩梁断面厚度，m。得到剪切破坏判据为

采动应力超前影响区巷道顶板在采动影响下发生变形，根据得到的剪切破坏拉伸破坏判据，可获得顶板破坏临界点，针对影响顶板稳定性的参数进行分析。本研究采用注浆锚索支护方法，提升巷道围岩稳定性，加强顶板承载能力。

3 注浆锚索超前支护施工工艺

中空注浆锚索参数取值见表1。注浆锚索索体前实后空，浆液注入钻孔孔壁的裂隙以实现提升预紧力的作用，实现支护系统刚度提高5.8倍左右，抗剪强度提升0.5～0.8倍。水泥注浆材料相比化学浆液在强度、渗透性、经济性、防火、制备工艺、煤炭质量损伤等方面存在优势。结合矿井特点，建议试验段选用水泥基注浆材料。试验巷道选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，配合水玻璃作为添加剂使用。注浆锚索锚固剂为树脂锚固剂，内外段锚固剂凝固时间需存在差异。

本研究注浆锚索超前支护施工工艺除了包括常规锚索支护施工步骤外，还增加了止浆塞安装、注浆和二次张拉3个工序。施工期间需要注意的是：工作面初次来压前可依然采取单体支护进行超前支护，在基本顶初次来压后，再在工作面前方留设100 m试验段；回采期间遇到特殊地质条件时，通过补打锚索、支设单体等方式进行补强支护；当巷道顶板较为破碎时，选用槽钢或钢带与注浆锚索组成锚索梁进行加强支护；锚索安装2 d后，如果出现预紧力大幅度降低现象，应及时补充支护；注浆锚索自工作面煤壁向外施工距离不得小于70 m。

对现场注浆锚索进行受力监测发现，支护强度超过了400 kN，施工工艺上实现了锚注协同作业。一体化成套工艺与设备的应用，提高了巷道围岩支护效率，提升了围岩控制效果。对试验巷道区域进行顶板钻孔窥视，注浆前后顶板裂隙分别如图3和图4所示。

由图3、图4可知：从巷道顶板钻孔孔口位置处向上至3.0 m范围为围岩裂隙区，裂隙较为发育，多为水平裂隙，孔壁的部分岩层较为破碎，可以看到明显的软岩碎屑。3 m以上层位岩石完整性较好，无明显裂隙。采用注浆锚索支护后围岩破碎程度大大减小，横向、纵向裂隙发育均不明显，孔壁完整性较好，因此可以判断注浆锚索对保障巷道围岩稳定具有良好的作用。