大埋深三軟煤層沿空掘巷小煤柱中空注漿錨索裸注加固技術(shù)

陳泉建

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦，河南省平頂山市，467000)

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★ 煤炭科技·開拓與開采★

大埋深三軟煤層沿空掘巷小煤柱中空注漿錨索裸注加固技術(shù)

陳泉建

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦，河南省平頂山市，467000)

針對大埋深三軟煤層沿空掘巷小煤柱支護(hù)難題，平煤股份六礦在丁5.6-22240孤島工作面沿空掘巷掘進(jìn)中引進(jìn)中空注漿錨索對小煤柱裸巷進(jìn)行高壓注漿加固，有效控制了巷道的收斂變形，取得了較為顯著的支護(hù)效果，較正常支護(hù)增加材料投入210元/m，但避免了采面安裝前重新翻修，可節(jié)約人工、材料、輔助費(fèi)用3500元/m，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

三軟煤層 沿空掘巷 小煤柱裸注加固 中空注漿錨索

沿空掘巷小煤柱一直是困擾煤礦巷道支護(hù)的難題，中國平煤神馬集團(tuán)在小煤柱支護(hù)工藝中，先后探索了架棚、錨網(wǎng)、錨網(wǎng)索、錨網(wǎng)索梁、 錨網(wǎng)+金屬支護(hù)以及錨網(wǎng)索+錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)，由于效果均不明顯，往往是工作面掘進(jìn)期間巷道已經(jīng)收縮變形嚴(yán)重，需要返修，造成大量重復(fù)投入，特別是在回采過程中運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷收斂變形嚴(yán)重，嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化和高產(chǎn)高效。

2016年，平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦率先在丁5.6-22240風(fēng)巷沿空巷道小煤柱支護(hù)中引進(jìn)了中空注漿錨索加固，采用低水灰比、高壓裸巷注漿，有效控制了巷道收斂變形，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

1 概況

丁5.6-22240工作面埋深760～790 m，設(shè)計走向長度1997 m，風(fēng)巷一切眼向外長度為960 m，風(fēng)巷一切眼向里長度為1037 m，采面傾向長度150 m，丁5.6煤層厚3.2～3.8 m，夾矸厚0.5～1.1 m，煤層普氏系數(shù)f為1.5，頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖，普氏系數(shù)f為3～5。淺部為丁5.6-22220采空區(qū)，深部為丁5.6-22260采空區(qū)，屬于典型的大埋深、高應(yīng)力、突出、三軟煤層孤島工作面。其中丁5.6-22240風(fēng)巷與丁5.6-22220采面之間的凈煤柱寬度為 5 m，并受87600 m3老空水影響，煤體松軟破碎，受12條落差1～4.2 m斷層影響，掘進(jìn)期間支護(hù)難度劇增。具體情況見圖1。

2 原支護(hù)方案及效果

丁5.6-22240風(fēng)巷設(shè)計斷面規(guī)格為5.0 m×3.3 m，一切眼向外采用普通錨網(wǎng)索支護(hù)，具體支護(hù)方案見圖2，自2016年1月開工，工作面施工一周后變形量在531～754 mm之間，平均變形量為636 mm；工作面施工15 d后變形量在823～1434 mm之間，平均變形量為1038 mm；工作面施工一月后變形量在1332～1856 mm之間，平均變形量1523 mm；施工3個月后收斂變形已達(dá)到1512～2150 mm，平均變形量為1781 mm，3個月后巷道趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場表現(xiàn)為煤墻整體外移，錨桿支護(hù)失效，巷道收縮嚴(yán)重。已不能滿足采面搬家和安全生產(chǎn)需要，移交前必須進(jìn)行擴(kuò)修，未注漿段巷道現(xiàn)場情況見圖3。

在中切眼向里施工過程中，上幫小煤柱在錨網(wǎng)支護(hù)基礎(chǔ)上先后嘗試了多種補(bǔ)強(qiáng)手段，均以失敗告終。2016年5月采用了中空注漿錨桿裸注(裸注即不噴漿就進(jìn)行注漿)，工作面施工一周后變形量在211～433 mm之間，平均變形量為331 mm；工作面施工15 d后變形量在326～647 mm之間，平均變形量為581 mm；工作面施工1個月后變形量在433～862 mm之間，平均變形量為653 mm；施工3個月后收斂變形已達(dá)到472～1054 mm，平均變形量為755 mm。巷道變形量有所減少，但仍不能滿足安全生產(chǎn)的需要。

2016年7月開始采用中空注漿錨索對小煤柱裸注加固，至風(fēng)巷施工結(jié)束，共施工760 m，巷道收斂變形情況為：工作面施工一周后變形量在104～283 mm 之間，平均變形量為210 mm；工作面施工15 d后變形量在183～485 mm之間，平均變形量為293 mm；工作面施工1個月后變形量在203～574 mm之間，平均變形量為423 mm；施工3個月后收斂變形已達(dá)到223～630 mm，平均變形量為457 mm。整體巷道收縮量控制在223～630 mm之間，可以滿足安全生產(chǎn)需要。

圖2 原設(shè)計斷面圖

圖3 未注漿段巷道現(xiàn)場圖

3 破壞機(jī)理及支護(hù)對策

(1)巷道開挖以后改變了原巖應(yīng)力狀態(tài)，垂直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，形成垂直應(yīng)力在兩幫集中，水平應(yīng)力在頂、底板集中的現(xiàn)象，見圖4。垂直應(yīng)力的影響主要顯現(xiàn)于兩幫煤體，而水平應(yīng)力主要顯現(xiàn)于頂、底板巖層。

(2)雖然小煤柱沿空掘巷避開了垂直應(yīng)力峰值(見圖5)，但隨著開采深度的增加，非峰值區(qū)垂直應(yīng)力仍顯現(xiàn)比較明顯。

(3)在高圍壓下深部巖(煤)體的脆弱塑性轉(zhuǎn)化具有較強(qiáng)的時間效應(yīng)，表現(xiàn)為明顯的蠕變或流變。沿空掘巷小煤柱蠕變到一定程度，幾乎不具備承壓能力，使得頂板的簡支梁轉(zhuǎn)化為懸臂梁狀態(tài)，更易造成頂板斷裂破壞；另一方面也加劇了對實體側(cè)煤柱的壓力，產(chǎn)生更大的塑性流變，如此惡性循環(huán)，使巷道整體破壞。

(4)沿空掘巷控制兩幫是關(guān)鍵，一是提高小煤柱的強(qiáng)度，二是提高對兩幫煤體的約束效應(yīng)，控制小煤柱的塑性流變。

圖4 巷道開挖后巷道受力示意圖

圖5 掘進(jìn)期間沿空掘巷垂直應(yīng)力分布示意圖

4 中空注漿錨索裸注加固技術(shù)方案設(shè)計

根據(jù)以上小煤柱沿空掘巷巷道破壞機(jī)理和支護(hù)對策，選擇中空注漿錨索對小煤柱進(jìn)行加固，具體方案如下：

4.1 注漿錨索支護(hù)參數(shù)

通過對上幫小煤柱松動圈測試和擴(kuò)散半徑試驗，選擇規(guī)格為?22 mm×4000 mm的中空注漿錨索，間排距按1.2 m×1.6 m布置。注漿錨索每排布置3根，最上部的注漿錨索位于頂板以下0.6 m處，中間一根距頂板以下1.8 m處，下部一根距頂板3 m。巷道頂板錨桿采用?22 mm×2600 mm高強(qiáng)錨桿，間排距為800 mm×800 mm；幫錨桿采用?20 mm×2600 mm左旋錨桿，間排距為800 mm×800 mm；頂板錨索采用?21.6 mm×6500 mm鋼絞線，間排距為1600 mm×2400 mm。(詳見圖6)

圖6 中空注漿錨索支護(hù)方案設(shè)計

4.2 注漿材料及配比

注漿采用水泥單液漿，選用42.5級硅酸鹽水泥，漿液中水與水泥的配比為1：2，并按水泥質(zhì)量的8%加入ACZ-1型混凝土注漿添加劑，攪拌均勻。

4.3 注漿壓力

注漿孔口壓力為8～10 MPa，注漿泵出口壓力一般為18～20 MPa。

4.4 持續(xù)時間及注漿量

從注漿開始直到漿液注不進(jìn)去或從周邊錨桿孔出漿為止，然后待壓力穩(wěn)定30 s左右，注漿持續(xù)時間一般為5 min左右，每孔注漿量為0.1～0.4 m3，其中水泥量為100～400 kg。

5 中空注漿錨索支護(hù)原理

5.1 注漿錨索結(jié)構(gòu)圖

中空注漿錨索結(jié)構(gòu)見圖7，該錨索具有以下特點(diǎn)：首先是內(nèi)置封孔，確保在松軟煤體的封孔效果；其次是反向注漿，消除了產(chǎn)生氣穴空洞的可能；第三是該錨索不用排氣管和專用接頭，工藝大為簡化；第四是錨注結(jié)合，安裝后立即承載；最后該錨索不受作業(yè)空間限制，根據(jù)需要可以隨意調(diào)整索體長度。

①注漿專用連接器; ②KM22型錨具; ③300 mm×300 mm×14 mm錨索盤;④外封孔管; ⑤內(nèi)封孔管; ⑥擋環(huán); ⑦中空注漿錨索索體圖7 中空注漿錨索圖

5.2 支護(hù)原理

(1)中空注漿錨索采用樹脂錨固劑端頭錨固，錨索安裝后即可張拉施加預(yù)緊力，實現(xiàn)主動支護(hù)，阻止圍巖的變形破壞。

(2)中空注漿錨索采用高預(yù)緊力緊固及深部封孔，在不噴漿的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓注漿，大大提高了漿液的擴(kuò)散半徑和對破碎圍巖的擠壓效果，更好的發(fā)揮漿液充填裂隙、網(wǎng)絡(luò)骨架、擠密圍巖、補(bǔ)強(qiáng)加固作用，從而提高圍巖的整體性和自身承載能力。

(3)中空注漿錨索的主動支護(hù)和注漿加固的共同作用極大提高了錨索的錨固強(qiáng)度和可靠性，提高了支護(hù)體的軸向和徑向約束力，避免錨索在動壓作用下卸載或剪斷。

(4)ACZ-1型混凝土注漿添加劑可提高漿液流動性，降低水灰比，增加水泥量，從而提高注漿強(qiáng)度，同時具有微膨脹性，防止混凝土凝固后塌落產(chǎn)生新的裂隙而影響注漿效果。

通過采取中空注漿錨索對小煤柱高壓注漿加固，提高了自身強(qiáng)度和承載能力，有效控制了大埋深高應(yīng)力作用下的塑形流變，從而使巷道的收斂變形顯著減小。

6 施工工序及施工管理

6.1 注漿錨索施工工序

注漿錨索緊跟迎頭隨掘隨打，根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，在掘進(jìn)機(jī)后距迎頭50～80 m處開始注漿。

注漿工藝流程為：施工準(zhǔn)備→配置漿液→開泵注漿→觀察注漿情況→穩(wěn)壓30 s左右→關(guān)閉注漿泵→關(guān)閉注漿導(dǎo)管閥門→拆除注漿泵與導(dǎo)管連接裝置→清洗設(shè)備。

6.2 注漿錨索施工管理

(1)根據(jù)打眼、鉆孔窺視情況，確定松動圈范圍，合理選擇注漿錨索長度。

(2)根據(jù)封孔效果，調(diào)整封孔位置。

(3)根據(jù)漿液擴(kuò)散情況，選定注漿壓力和錨索間排距、漿液配比等技術(shù)參數(shù)。

(4)現(xiàn)場嚴(yán)格監(jiān)控材料質(zhì)量、漿液配比、漿液攪拌、封孔質(zhì)量、注漿壓力及注漿擴(kuò)散效果，考核工作量以注漿水泥量代替注漿錨索數(shù)量，定期在注漿錨索四周布置鉆孔，利用鉆孔窺視儀、鉆孔注水等方法檢查漿液擴(kuò)散情況，用錨桿無損檢測儀檢測注漿前后錨桿、錨索受力狀態(tài)，確保注漿效果。

7 支護(hù)效果

小煤柱中空注漿錨索裸注加固技術(shù)，首先創(chuàng)新性地把常規(guī)用于巖巷的中空注漿錨索引入煤巷，并根據(jù)小煤柱的松動圈情況設(shè)計錨索長度。該技術(shù)打破了傳統(tǒng)注漿必噴、先噴后注的支護(hù)習(xí)慣，在不噴漿的情況下直接進(jìn)行裸注加固，而且注漿壓力可以達(dá)到8 MPa以上，保證了漿液能夠充分?jǐn)U散。

沿空掘巷的支護(hù)重點(diǎn)是小煤柱加固，避免頂板處于懸臂梁狀態(tài)，同時可對實體幫強(qiáng)化支護(hù)，減小對小煤柱的壓力。中空注漿錨索裸注加固技術(shù)為一項簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的手段。注漿加入ACZ-1注漿添加劑可以提高漿液流動性，降低水灰比，提高支護(hù)強(qiáng)度。

通過在丁5.6-22240風(fēng)巷的實施，對沿空掘巷小煤柱采用中空注漿錨索裸注加固技術(shù)，使巷道的收斂變形量由原來的1512～2150 mm控制到了320～630 mm，取得了較好的支護(hù)效果，破解了沿空掘巷前掘后翻的支護(hù)困局，大幅度降有低了成本投入，減少了職工大量的重復(fù)勞動，節(jié)約成本3500元/m，緩解了采掘人員嚴(yán)重不足的局面。加快了工作面移交進(jìn)度，同時為安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化奠定了良好的基礎(chǔ)，具有很好的推廣利用價值。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Technology of naked grouting reinforcement with hollow grouting cable anchor in small coal pillar of gob-side entry driving in soft coal seam with large burial depth, soft roof and floor

Chen Quanjian

(No. 6 Coal Mine of Pingdingshan Tianan Coal Industry Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China)

Aiming at the small coal pillar support problem in gob-side entry driving in soft coal seam with large burial depth, soft roof and floor, hollow grouting cable anchor was introduced for high-pressure grouting reinforcement to coal pillar roadway without guniting in process of gob-side entry driving in D5.6-22240 isolated working face of No. 6 Coal Mine of Pingdingshan Tianan Coal Industry Co., Ltd., it controlled roadway convergence and deformation effectively and achieved remarkable supporting effect, material input of this support technology increased 210 yuan per meter more than normal support, while the support method avoided roadway rebuilding before working face installing and saved labor, material and auxiliary expenses 3500 yuan per meter, achieved remarkable economical benefit.

soft coal seam with soft roof and floor, gob-side entry driving, grouting reinforcement for coal pillar without guniting, hollow grouting cable anchor

陳泉建. 大埋深三軟煤層沿空掘巷小煤柱中空注漿錨索裸注加固技術(shù)[J]. 中國煤炭，2017,43(6)：57-61,71. Chen Quanjian. Technology of naked grouting reinforcement with hollow grouting cable anchor in small coal pillar of gob-side entry driving in soft coal seam with large burial depth, soft roof and floor[J]. China Coal, 2017, 43(6):57-61,71.

TD353.5

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陳泉建(1969-)，男，河南南陽人，高級工程師，中國煤炭工業(yè)協(xié)會支護(hù)專業(yè)委員會聘任支護(hù)專家，現(xiàn)任平煤股份六礦開掘副總工程師，主要從事開掘技術(shù)和管理工作。