大傾角煤層沿空掘巷錨注支護技術(shù)研究

文/朱世奎（淮北礦業(yè)股份有限公司）

煤炭是一種不可再生資源，為了節(jié)約能源及提高煤炭回采率，礦井布置回采巷道時多采用沿空掘巷技術(shù)，但隨著煤層傾角的增大，沿空掘巷后巷道礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，巷道變形量較大，極易發(fā)生片幫和冒頂?shù)仁鹿剩o煤炭資源安全開采帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

近年來，眾多學(xué)者針對不同條件下沿空掘巷圍巖變形破壞機理和穩(wěn)定性控制技術(shù)等方面展開了深入的研究，取得了豐碩的成果。基于此，本文以桃園礦II1044 風(fēng)巷為工程背景，在分析大傾角沿空巷道變形破壞機理的基礎(chǔ)上，提出針對性的巷道支護技術(shù)，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供有力的保障。

一、工程地質(zhì)概況

桃園煤礦位于淮北平原中部，區(qū)內(nèi)地勢平坦，大多為農(nóng)田，采區(qū)范圍內(nèi)地面標(biāo)高+23.0～+25.0m。II4 采區(qū)位于桃園煤礦補3 線北100m 至F2 斷層，淺部以-520m 為界，深部至-800m 水平。采區(qū)走向長約2200m，傾斜寬約900～1500m，面積約2.5km。

Ⅱ1044 工作面位于Ⅱ4 采區(qū)二階段，為該采區(qū)的第二工作面，上區(qū)段為Ⅱ1042 工作面，左與Ⅱ2 采區(qū)相鄰，右至京滬鐵路保護煤柱。該工作面10 煤層屬二疊系山西組，煤層厚為2.5～4.3m，局部含有一層夾矸，厚0～0.4m，平均0.2m；煤層傾角28°～44°，平均38°，煤層頂板為泥巖或細砂巖，底板為泥巖。Ⅱ1044 風(fēng)巷采用沿空掘巷方式掘進，錨網(wǎng)支護，錨桿型號為GM20/2400-490高強螺紋鋼錨桿，每根錨桿2 卷MSZ2550 型樹脂藥卷，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為2500mm×1000mm 或1900mm×1000mm，網(wǎng)格150mm×150mm。

二、巷道變形破壞機理分析

1. 圍巖應(yīng)力高

圍巖應(yīng)力是巷道圍巖變形破壞的根源。由于Ⅱ1044風(fēng)巷受Ⅱ1042 工作面和即將回采的Ⅱ1044 工作面采動壓力影響，巷道圍巖應(yīng)力較高。在高圍巖應(yīng)力的作用下，巷道產(chǎn)生較大變形，嚴重影響巷道正常使用。

2. 煤層傾角大及沿空掘巷布置方式

一方面，Ⅱ1044 工作面煤層傾角為28°～44°，平均為38°，煤層傾角較大，Ⅱ1044 風(fēng)巷采取沿煤層頂板布置的方式，斷面呈斜梯形狀，巷道圍巖在梯形尖角處更易產(chǎn)生應(yīng)力集中，掘巷期間梯形尖角處煤壁易片幫；另一方面，Ⅱ1044 風(fēng)巷采用沿空掘巷方式掘進，煤柱一側(cè)不僅經(jīng)受了上區(qū)段工作面回采的強動壓影響，還會受到本次巷道掘進的二次影響，進一步加大了巷道的支護難度。

3. 圍巖的體積膨脹特性

大量巖石力學(xué)試驗結(jié)果表明，無論是在低圍壓還是高圍壓情況下，巖石在破壞后均會出現(xiàn)較大的體積膨脹，即在殘余強度階段，即使不增加載荷，體積也會不斷增大，其峰后體積應(yīng)變比峰值前一般大1～2 個數(shù)量級。因此，Ⅱ1044 風(fēng)巷圍巖變形破壞后會產(chǎn)生明顯的體積膨脹現(xiàn)象，增加了巷道變形量。

三、巷道支護方案設(shè)計

由于Ⅱ1044 風(fēng)巷在梯形尖角處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，開挖后圍巖自穩(wěn)能力差，易誘發(fā)煤壁片幫，因此，本文提出了以“三維立體注漿”為核心的大傾角煤層沿空掘巷圍巖控制技術(shù)，即在掘巷前利用注漿錨索對巷道斷面梯形尖角處圍巖進行超前注漿預(yù)控制，巷道掘出后，采用“錨網(wǎng)索噴注”對巷道圍巖整體加固，使支護結(jié)構(gòu)和注漿后的圍巖形成一個整體承載結(jié)構(gòu)，維持巷道的長期穩(wěn)定。

1. 超前注漿支護

超前注漿時，首先施工超前注漿鉆孔，孔深12m，外插角5°，仰角2°，距巷道壁300mm，距巷幫最高點700mm，排距9000mm，具體位置如圖1 所示。然后在注漿孔中置入Φ22mm×12250mm 的注漿錨索，外露250mm。

圖1 注漿錨索超前注漿示意圖

2.“錨網(wǎng)索噴注”聯(lián)合支護

巷道掘出后，設(shè)計采用“錨網(wǎng)索噴注”對巷道進行整體加固，以維持巷道的長期穩(wěn)定性，其支護結(jié)構(gòu)如圖2 所示。錨桿采用GM20/2400-490 高強螺紋鋼錨桿，每孔采用兩節(jié)MSZ2550 樹脂藥卷錨固劑，錨桿預(yù)緊力不小于300Nm，錨固力不小于80kN。每排螺紋鋼錨桿在橫向采用鋼筋梯子梁連接，為增加煤壁穩(wěn)定性，對巷道右?guī)蛷纳贤聰?shù)第二排螺紋鋼錨桿沿巷道軸線方向掛M 型鋼帶。錨索由螺旋肋鋼絞線組成，其中頂板錨索規(guī)格為Φ17.8mm×6300mm，每個斷面3 根，煤柱一側(cè)幫部錨索規(guī)格為Φ17.8mm×4000mm，每個斷面1 根。注漿錨桿選用規(guī)格為Φ25mm×2500mm 的高強螺紋鋼中空注漿錨桿，破斷力≥15t，桿體上順序鉆有Φ6mm 出漿孔，封孔采用快硬水泥藥卷。

圖2 Ⅱ1044 回風(fēng)巷支護斷面圖

主要注漿參數(shù)：水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比為0.7∶1～1∶1。為了增加水泥漿液的和易性、流動性、微膨脹性，提高水泥漿液的結(jié)石率和錨注巖體的強度，采用ACZ-1 型水泥添加劑，用量為水泥重量的4%～6%。超前注漿的注漿壓力為6.0～8.0MPa，單孔注漿時間為1000～1200s。注漿錨桿的注漿壓力為2.0～3.0MPa，注漿時間為250～400s。

四、現(xiàn)場觀測

1.錨桿受力監(jiān)測結(jié)果分析

在Ⅱ1044 風(fēng)巷試驗段隨機拉拔了5 根錨桿，每根錨桿的錨固力均在85kN 以上，表明錨固效果良好。

2.巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果分析

在Ⅱ1044 風(fēng)巷布置了2 個巷道表面位移監(jiān)測斷面，監(jiān)測結(jié)果如圖3 所示，從圖中可以看出，監(jiān)測期間巷道兩幫移近量最大值為142mm，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?58mm，且在40 天后巷道變形趨于穩(wěn)定，說明設(shè)計的支護方案有效地控制了巷道圍巖的變形，保持了巷道的長期穩(wěn)定，滿足了工作面的安全回采要求。

圖3 巷道圍巖表面位移監(jiān)測結(jié)果

五、結(jié)語

針對大傾角煤層沿空掘巷巷道支護難題，通過對桃園礦Ⅱ1044 風(fēng)巷采取“超前注漿+錨網(wǎng)索噴注”的三維立體注漿支護技術(shù)后，巷道圍巖變形量和變形速度得到了有效控制，滿足了工作面的回采要求，為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供了有力的保障。