小回沟煤业构造带大变形巷道围岩加固技术

2023-09-09武星文

山东煤炭科技 2023年8期

关键词：锚索底板锚杆

武星文

（山西小回沟煤业有限公司，山西太原 030400）

1 概况

小回沟煤业目前主采的2#煤层平均厚度2.7 m（2.58～2.75 m）、倾角0°～8°，上覆03#煤平均厚度0.6 m，为不可采煤层，2#煤与上覆03#煤平均间距5.3 m。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板结构

目前正在掘进2204 回采工作面运输巷，在设备安装、运输、通风、行人等方面满足服务回采期间的需要。2204 运输巷位于二采区北翼中部，西邻2301 回风巷（已施工完成），平行相距135 m，东侧为2301 运输巷（已施工完成），平行相距40 m，南侧为四条大巷保护煤柱，北侧为G339 国道保护煤柱。巷道断面设计为矩形，掘宽5.0 m，掘高3.4 m，设计掘进长度为1222 m。2204 运输巷向北施工过程中存在多处背斜及向斜构造，褶皱构造在轴部时对巷道掘进影响较大。

2204 运输巷设计每排布置13 根Φ22 mm×2400 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶板锚杆间排距800 mm×900 mm，帮部锚杆间排距1200 mm×900 mm；顶板布置3 根Φ21.8 mm×8300 mm 的锚索，锚索间排距为2000 mm×1800 mm。顶部锚杆垂直于巷道顶板布置（顶部两侧锚杆与顶板夹角为80°），帮部锚杆垂直于帮部煤体（肩窝、底角锚杆分别与水平方向夹角为10°）。在该支护方式下，巷道掘进过构造带时围岩变形量较大，主要表现为底鼓和两帮变形，其中底鼓量达到了1500 mm，两帮变形量达到了1000 mm 左右。

2 巷道围岩破坏原因分析

1）构造带影响。2204 工作面回风巷沿煤层掘进，煤层整体呈南高北低，自开口向南构造形态依次为宽缓的背斜-向斜-背斜。其中，背斜轴部在挤压作用下，应力集中程度较高，巷道开挖后，高应力释放，巷道底板受垂直向上的应力作用，底板围岩裂隙发育并贯通，岩体体积膨胀，进而造成底鼓量大。另外，构造带附近的水平应力较大，导致巷道两帮出现张拉破坏，造成巷帮移进量较大。

2）围岩破碎。2204 运输巷沿2#煤层底板布置，巷道两帮均为实体煤，由于煤体强度较低、裂隙发育程度高，导致巷帮承载力较差，加剧了巷道的变形。另外，巷道底板为砂质泥岩，强度较低。对巷道底板的变形情况进行了钻孔窥视，得出底板下方3 m 内的岩层破坏严重，离层情况明显。

3）原支护方案不合理。原支护方案未对巷道底板进行有效的加固，导致底板围岩无约束破坏，并影响加剧了巷道两帮的变形破坏。

3 巷道加固技术[1-5]

3.1 底板加固方案

巷道底板采用注浆锚索的形式进行加固。注浆锚索具有强度高、预应力高、延伸率大等特点，可有效控制底板岩层的变形离层。另外，注浆锚索二次注浆时为带压注浆，浆液能够充填密实底板围岩中的裂隙，提高岩层的完整性及承压能力，进而提升加固支护的效果。

3.1.1 底板加固参数

注浆材料为硅酸盐水泥及添加剂的混合料，浆液水灰比为0.8:1。底板注浆锚索钻孔直径为56 mm，钻孔深度5000 mm，钻孔间距为1500 mm，钻孔排距为2000 mm，每排布置3 个钻孔，最外侧钻孔距巷帮370 mm。底板加固方案如图1。

图1 底板加固方案示意图（mm）

底板注浆锚索直径为21.6 mm，长5300 mm，外露端长度为300 mm，锚索拉断载荷大于520 kN，延伸率高于6%。锚索配合高强度拱形托盘，保证预紧力不低于200 kN。支护完成后，在底板铺设300 mm 的硬化层，强度为C30，如图2。

图2 底板注浆锚索（mm）

3.1.2 底板加固施工工艺

底板注浆锚索分两次注浆，初次为锚索端头2000 mm 注浆，进行锚索的锚固，二次为全段注浆。具体施工工艺如下：打孔→清渣→置入锚索→插入注浆管→无压力注浆10 L →水玻璃+水泥浆封孔→7 d 后进行二次注浆，注浆压力为2～3 MPa。底板注浆锚索施工如图3。

图3 底板注浆锚索施工图

3.2 巷帮加固方案

3.2.1 巷帮加固参数

巷帮同样采用注浆的方式进行加固，巷帮注浆材料与底板注浆材料相同，注浆方式分为两次，初次为浅部无压力注浆，二次注浆为深部高压注浆。钻孔布置参数如下：浅孔深度为2500 mm，深孔深度为8000 mm，两种类型钻孔沿巷道走向在巷帮呈交错布置，钻孔排距均为2000 mm；浅孔间距为1500 mm，钻孔直径为36 mm，一排布置3 个，上下两个钻孔距顶底板410 mm，中间钻孔垂直于巷帮施工，上下两个钻孔分别向顶底板倾斜15°施工；深孔间距为2000 mm，钻孔直径为56 mm，一排布置2 个，上下两个钻孔距顶底板910 mm，并分别向顶底板倾斜15°和5°施工，如图4。

图4 巷帮注浆钻孔布置图（mm）

巷帮注浆施工完成7 d 后，采用注浆锚索进行进一步加固，锚索长度为6300 mm，外露长度为300 mm，排距为2000 mm，间距为900 mm，一排布置4 个锚索。锚索先采用2 节树脂药卷进行端锚，随后采用注浆材料进行全长锚固，并配备高强度拱形托盘，保证其预应力不低于250kN，如图5。

图5 巷帮锚索布置图（mm）

待注浆及锚索加固施工结束后，在巷道两帮及顶板喷射一层厚度为120 mm 的混凝土，强度为C20，加强对围岩表面变形的控制。

3.2.2 巷帮加固施工工艺

巷帮钻孔注浆工艺流程为：布置钻孔→调节钻机钻进方位→钻孔→排渣→插入注浆管及孔口管（外露长度在150～200 mm）→水泥浆封孔→24 h后在孔口安装截止阀→连接注浆系统→进行注浆→达到终压后稳压10 min →关闭注浆系统→拆除管路，开始下一钻孔作业。注浆时先完成浅部注浆，再进行深部注浆，施工工艺相同。

巷帮注浆锚索工艺流程：采用Φ30 mm 钻头打孔→钻进至6000 mm →退钻并排渣→置入树脂锚固剂→置入锚索→连接搅拌器并旋转锚索进行端锚→在孔内安设注浆管及止浆塞→注浆至终压→安装托盘等护表构件→张拉锚索，如图6。