錨注一體化技術在蘆河礦永久煤巷支護中的應用

王強

（山西蘭花集團 蘆河煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048114）

0 引 言

煤層巷道具有掘進速度快、掘巷成本低的優(yōu)點，將巷道布置在煤層中，可實現(xiàn)快速貫通，有利于礦井及時投產(chǎn)。但煤層強度低、自穩(wěn)能力差，支護要求高。隨著支護技術的不斷發(fā)展，煤層巷道的變形控制取得了理想的效果。但對裂隙發(fā)育且布置在厚煤層底板中的煤巷，常規(guī)的錨桿索支護巷道變形量大，為此錨注支護技術逐漸發(fā)展并在許多礦井得到成功應用。為提高掘進速度，蘆河煤業(yè)副斜井通風聯(lián)絡巷布置在3 號煤層中，巷道頂板為厚度2.8 m 的煤層，為保證控制效果，減小巷道返修，開展了錨注一體化支護技術的研究。

1 工程概況

蘆河煤業(yè)副斜井3 號煤層通風聯(lián)絡巷主要為礦井的進風、行人使用，巷道設計總長度154 m，沿3 號煤底板掘進，設計斷面為矩形，規(guī)格3 700 mm×3 200 mm（寬×高）。3 號煤位于二疊系山西組中下部，煤層厚度4.75 ～7.49 m，平均6.01 m，煤層頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。

圖1 3 號煤頂?shù)装鍘r性Fig.1 Roof and floor lithology of No.3 coal

由圖1 可以看出，該聯(lián)絡巷的頂板為煤層，且上方存在偽頂。根據(jù)探煤巷道情況，副斜井3 號煤層通風聯(lián)絡巷周圍頂板破碎嚴重，有局部小斷層地質(zhì)構(gòu)造，采用常規(guī)錨桿索支護難以取得理想的支護效果。由于該聯(lián)絡巷為永久巷道，為減少巷道維修，決定采用錨注一體化的支護技術。

2 煤層松動圈測試

2.1 測試方法

在煤層中掘進巷道后，原有的應力平衡被打破，巷道周邊圍巖中的應力重新分布，在巷道深部一定范圍內(nèi)產(chǎn)生應力集中。當煤體極限強度小于集中應力時，煤體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙并逐漸發(fā)育，從而形成一定范圍內(nèi)的松動圈。松動圈的大小是確定支護參數(shù)的重要依據(jù)。當前常用的松動圈物理測試方法主要有聲波法、多點位移計法、地震波發(fā)、地質(zhì)雷達法等。與其他方法相比，聲發(fā)射法技術成熟，所用儀器少、操作簡單，在煤礦中得到了廣泛的應用。結(jié)合蘆河煤礦3 號煤的地質(zhì)情況，確定采用聲波法對松動圈的發(fā)育情況進行現(xiàn)場測量。聲發(fā)射法的測定原理為在煤層中施工鉆孔，安裝發(fā)生探頭和接收探頭，通過測定不同深度聲波的傳播速度來判斷其完整程度。

2.2 測點布置

采用CT-2 型超聲波圍巖裂隙探測儀進行松動圈的測試。在聯(lián)絡巷開口附近，同樣布置于3 號煤中的集中行人大巷中布置3 個測站，測站間距為10 m，每個測站布置3 個測點，分別位于巷道兩幫和頂板的中間位置，迎頭方向順時針依次編號，共布置9 個測點。

每個測點采用φ42 mm 的鉆頭施工，鉆孔深度為3 m。鉆孔施工至設計深度后，首先注水清洗鉆孔，采用測桿將探頭送入孔底，對鉆孔進行注水。然后向外拉出測桿，同時記錄數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 聲波測試法示意Fig.2 Schematic of sound wave test method

2.3 測試結(jié)果

對記錄的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果表明，3 個測站相同位置的聲波傳播速度變化基本一致，其中2 號測站測得的松動圈范圍最大，如圖3 所示。

圖3 2 號測站測試結(jié)果Fig.3 Test results of station 2

由測試結(jié)果可以看出，3 個測點鉆孔深度為2.0、2.4、2.3 m 處聲波速度變化較大，可認為是松動圈的邊界。即頂板的最大松動圈深度為2.4 m，兩幫的最大深度為2.3 m。

3 錨注一體化支護技術

3.1 支護機理

煤巖體的破壞一般以剪切破壞為主，采用莫爾強度理論分析錨注一體化技術的加固機理。

抗剪強度用下式表示：

式中：σ 為正應力，MPa；C 為內(nèi)聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°。

由式（1） 可以看出，煤巖體的抗剪強度大小與內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)有關。隨著巷道掘進，周邊圍巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙并形成一定范圍內(nèi)的松動圈，是巷道失穩(wěn)的主要因素。而錨注一體化技術主要就是膠結(jié)破碎圍巖，提高其內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等煤巖體的力學參數(shù)，使得其屈服包絡線遠離莫爾圓，減小其變形破壞（圖4）。

圖4 注漿前后莫爾圓對比Fig.4 Comparison of Mohr circle before and after grouting

3.2 支護方案

根據(jù)松動圈測試結(jié)果，確定錨桿的長度為2 400 mm，聯(lián)絡巷錨注一體化支護方案如圖5 所示。

圖5 錨注一體化支護方案Fig.5 Support scheme of bolt-grouting integration

（1） 錨桿支護。

巷道兩幫和兩幫均采用φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂錨桿間排距為800 mm×800 mm，每排布置5 根，中間3 根垂直頂板，靠近兩幫的頂錨桿向外傾斜15°。巷道兩幫每側(cè)4 根錨桿，最上位錨桿距頂板250 mm，向上傾斜15°，巷幫下端錨桿間距550 mm，距底300 mm，其余3 根與巷幫垂直布置。

錨桿采用K2360、Z2360 錨固劑各1 卷，托盤為150 mm×150 mm×10 mm 的鋼板托盤，每排錨桿采用梯子梁連接。網(wǎng)為φ6.0 mm 的鋼筋網(wǎng)，采用16 號鉛絲連網(wǎng)，網(wǎng)格間距100 mm×100 mm，規(guī)格為1 700 mm×900 mm，搭接長度不小于100 mm。

錨桿預緊力不低于150 N·m。

（2） 錨索支護。

頂錨索為φ17.8 mm×7 300 mm 的鋼絞線，采用“五花”布置，間排距為2 400 mm×1 600 mm，每排布置2 根。錨索托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，每根錨索采用2 卷K2360、1 卷Z2360 錨固劑錨固。

錨索預拉力不低于150 kN。

3.3 注漿參數(shù)及工藝

注漿材料為425 普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.7∶1。錨桿注漿孔為淺部注漿，注漿深度為1.0 m，注漿壓力為3 MPa，錨索注漿孔為深部注漿，注漿深度為5.0 m，注漿壓力為7 MPa，注漿壓力可視現(xiàn)場漏漿情況及時調(diào)整。為保證注漿效果，淺部錨桿注漿孔采用φ30 mm 鉆頭掘進1 m，錨索注漿孔首先φ34 mm 鉆頭鉆進3 m，然后用φ30 mm鉆頭鉆進至7 m 深度。

聯(lián)絡巷錨注一體化的工藝流程如圖6 所示。

圖6 錨注一體化工藝流程Fig.6 Process flowof bolt-grouting integration

注漿結(jié)束后采用C20 混凝土對巷道進行噴漿封閉和底板硬化，噴漿厚度不小于100 mm。

3.4 應用效果

在3 號煤層通風聯(lián)絡巷中布置測站，對巷道表面位移進行觀測。一共布置測站3 個，第一個位于巷道開口以里30 m 處，測站間距為50 m。其中2號測站位于巷道中部，觀測結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可以看出，采用錨注一體化注漿技術，巷道變形比較平穩(wěn)，與其他錨桿支護的煤巷相比，變形的階段性不明顯。成巷后，巷道變形緩慢增加，頂板最大變形速度為3.3 mm/d，兩幫最大收斂速度我1.4 mm/d。變形持續(xù)時間為16 d 左右，頂板最終下沉為31.2 mm，兩幫收斂值為16.4 mm。

4 結(jié) 論

（1） 松動圈測試表明，蘆河煤業(yè)3 號煤煤巷頂板的最大松動圈深度為2.4 m，兩幫的最大深度為2.3 m。

（2） 錨注一體化技術通過提高煤巖體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，使得屈服包絡線遠離莫爾圓，從而減小其變形破壞。

（3） 副斜井3 號煤層通風聯(lián)絡巷采用錨注一體化技術，巷道穩(wěn)定，變形小，保證了巷道的長期使用，可為類似煤巷的支護提供參考。