锚注一体化技术在芦河矿永久煤巷支护中的应用

2023-08-08王强

煤炭与化工 2023年6期

王强

（山西兰花集团芦河煤业有限公司，山西晋城 048114）

0 引言

煤层巷道具有掘进速度快、掘巷成本低的优点，将巷道布置在煤层中，可实现快速贯通，有利于矿井及时投产。但煤层强度低、自稳能力差，支护要求高。随着支护技术的不断发展，煤层巷道的变形控制取得了理想的效果。但对裂隙发育且布置在厚煤层底板中的煤巷，常规的锚杆索支护巷道变形量大，为此锚注支护技术逐渐发展并在许多矿井得到成功应用。为提高掘进速度，芦河煤业副斜井通风联络巷布置在3 号煤层中，巷道顶板为厚度2.8 m 的煤层，为保证控制效果，减小巷道返修，开展了锚注一体化支护技术的研究。

1 工程概况

芦河煤业副斜井3 号煤层通风联络巷主要为矿井的进风、行人使用，巷道设计总长度154 m，沿3 号煤底板掘进，设计断面为矩形，规格3 700 mm×3 200 mm（宽×高）。3 号煤位于二叠系山西组中下部，煤层厚度4.75 ～7.49 m，平均6.01 m，煤层顶底板岩性如图1 所示。

图1 3 号煤顶底板岩性Fig.1 Roof and floor lithology of No.3 coal

由图1 可以看出，该联络巷的顶板为煤层，且上方存在伪顶。根据探煤巷道情况，副斜井3 号煤层通风联络巷周围顶板破碎严重，有局部小断层地质构造，采用常规锚杆索支护难以取得理想的支护效果。由于该联络巷为永久巷道，为减少巷道维修，决定采用锚注一体化的支护技术。

2 煤层松动圈测试

2.1 测试方法

在煤层中掘进巷道后，原有的应力平衡被打破，巷道周边围岩中的应力重新分布，在巷道深部一定范围内产生应力集中。当煤体极限强度小于集中应力时，煤体内部产生裂隙并逐渐发育，从而形成一定范围内的松动圈。松动圈的大小是确定支护参数的重要依据。当前常用的松动圈物理测试方法主要有声波法、多点位移计法、地震波发、地质雷达法等。与其他方法相比，声发射法技术成熟，所用仪器少、操作简单，在煤矿中得到了广泛的应用。结合芦河煤矿3 号煤的地质情况，确定采用声波法对松动圈的发育情况进行现场测量。声发射法的测定原理为在煤层中施工钻孔，安装发生探头和接收探头，通过测定不同深度声波的传播速度来判断其完整程度。

2.2 测点布置

采用CT-2 型超声波围岩裂隙探测仪进行松动圈的测试。在联络巷开口附近，同样布置于3 号煤中的集中行人大巷中布置3 个测站，测站间距为10 m，每个测站布置3 个测点，分别位于巷道两帮和顶板的中间位置，迎头方向顺时针依次编号，共布置9 个测点。

每个测点采用φ42 mm 的钻头施工，钻孔深度为3 m。钻孔施工至设计深度后，首先注水清洗钻孔，采用测杆将探头送入孔底，对钻孔进行注水。然后向外拉出测杆，同时记录数据，如图2 所示。

图2 声波测试法示意Fig.2 Schematic of sound wave test method

2.3 测试结果

对记录的数据进行处理，结果表明，3 个测站相同位置的声波传播速度变化基本一致，其中2 号测站测得的松动圈范围最大，如图3 所示。

图3 2 号测站测试结果Fig.3 Test results of station 2

由测试结果可以看出，3 个测点钻孔深度为2.0、2.4、2.3 m 处声波速度变化较大，可认为是松动圈的边界。即顶板的最大松动圈深度为2.4 m，两帮的最大深度为2.3 m。

3 锚注一体化支护技术

3.1 支护机理

煤岩体的破坏一般以剪切破坏为主，采用莫尔强度理论分析锚注一体化技术的加固机理。

抗剪强度用下式表示：

式中：σ 为正应力，MPa；C 为内聚力，MPa；φ为内摩擦角，°。

由式（1）可以看出，煤岩体的抗剪强度大小与内聚力、内摩擦角等参数有关。随着巷道掘进，周边围岩体内部产生裂隙并形成一定范围内的松动圈，是巷道失稳的主要因素。而锚注一体化技术主要就是胶结破碎围岩，提高其内聚力和内摩擦角等煤岩体的力学参数，使得其屈服包络线远离莫尔圆，减小其变形破坏（图4）。

图4 注浆前后莫尔圆对比Fig.4 Comparison of Mohr circle before and after grouting

3.2 支护方案

根据松动圈测试结果，确定锚杆的长度为2 400 mm，联络巷锚注一体化支护方案如图5 所示。

图5 锚注一体化支护方案Fig.5 Support scheme of bolt-grouting integration

（1）锚杆支护。

巷道两帮和两帮均采用φ22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶锚杆间排距为800 mm×800 mm，每排布置5 根，中间3 根垂直顶板，靠近两帮的顶锚杆向外倾斜15°。巷道两帮每侧4 根锚杆，最上位锚杆距顶板250 mm，向上倾斜15°，巷帮下端锚杆间距550 mm，距底300 mm，其余3 根与巷帮垂直布置。

锚杆采用K2360、Z2360 锚固剂各1 卷，托盘为150 mm×150 mm×10 mm 的钢板托盘，每排锚杆采用梯子梁连接。网为φ6.0 mm 的钢筋网，采用16 号铅丝连网，网格间距100 mm×100 mm，规格为1 700 mm×900 mm，搭接长度不小于100 mm。

锚杆预紧力不低于150 N·m。

（2）锚索支护。

顶锚索为φ17.8 mm×7 300 mm 的钢绞线，采用“五花”布置，间排距为2 400 mm×1 600 mm，每排布置2 根。锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm，每根锚索采用2 卷K2360、1 卷Z2360 锚固剂锚固。

锚索预拉力不低于150 kN。

3.3 注浆参数及工艺

注浆材料为425 普通硅酸盐水泥，水灰比为0.7∶1。锚杆注浆孔为浅部注浆，注浆深度为1.0 m，注浆压力为3 MPa，锚索注浆孔为深部注浆，注浆深度为5.0 m，注浆压力为7 MPa，注浆压力可视现场漏浆情况及时调整。为保证注浆效果，浅部锚杆注浆孔采用φ30 mm 钻头掘进1 m，锚索注浆孔首先φ34 mm 钻头钻进3 m，然后用φ30 mm钻头钻进至7 m 深度。

联络巷锚注一体化的工艺流程如图6 所示。