新型錨固材料控制巷道底鼓技術(shù)研究

景 賀

（晉能控股晉城煤炭事業(yè)部宏圣建筑工程有限公司,山西 晉城 048000）

1 工程概況

在軟巖巷道中，巷道底板受到水的弱化作用容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象。采用小孔徑錨索錨固是一種解決巷道底鼓行之有效的方法[1]。東大煤礦8-20中央進(jìn)風(fēng)大巷位于3號(hào)煤層下部18～23 m，巷道布置層位主要為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。含水層主要為太原組含水層，由砂巖組成，內(nèi)部裂隙為主含水空間。中央進(jìn)風(fēng)大巷同時(shí)受到開采擾動(dòng)影響，巷道圍巖變形嚴(yán)重。另外，巷道在局部存在大量積水，導(dǎo)致巷道底板底鼓嚴(yán)重，影響巷道進(jìn)風(fēng)量，威脅到井內(nèi)的通風(fēng)安全。因此在巷道底鼓嚴(yán)重段開展采用小孔徑錨索錨固底板巷道的技術(shù)研究。

在錨固過程中，鉆孔不可避免的有水存在，水對(duì)樹脂錨固劑的錨固性能影響很大，不僅影響錨索的初錨固力，而且還會(huì)導(dǎo)致后期錨固力的衰減。另外，底板水會(huì)對(duì)錨固段的錨索進(jìn)行腐蝕作用，嚴(yán)重影響錨索后期的錨固力。導(dǎo)致錨索錨固治理底板效果較差[2-3]。因此，深入研究底板小孔徑錨索的錨固機(jī)理，采用高強(qiáng)度、耐水性、耐腐蝕性的底板錨索錨固材料對(duì)巷道底板小孔徑錨索錨固具有重要意義。

2 巷道底鼓控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 錨索錨固原理

目前國內(nèi)外底板錨索錨固絕大部分采用大孔徑錨固，但是大孔徑錨固施工速度慢、成孔效率低、攪拌效果差。而小孔徑錨索具有較強(qiáng)的柔韌性、施工方便、錨固深度大、可施加較大預(yù)緊力等特點(diǎn)，其在煤礦行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛[4]。

一般認(rèn)為，錨固類結(jié)構(gòu)存在2個(gè)界面，錨桿（索）與錨固劑之間的界面稱為第1界面；錨固劑與圍巖之間的界面稱為第2界面；錨固單元受力后，在這2種界面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，荷載通過它們才能傳遞到穩(wěn)定地層中。巷道底板錨索錨固示意圖如圖1所示。第1界面與第2界面之間的錨固劑對(duì)錨索錨固效果起到至關(guān)重要的作用，錨固劑固化后的密實(shí)程度以及強(qiáng)度大小能夠影響剪應(yīng)力的傳遞過程。巷道底板錨索錨固過程從上到下可分為外漏段、自由段和錨固段，由于鉆孔積水以及底板含水層的存在，錨固劑受到水的影響，錨固效果會(huì)很大削弱。另外，鉆孔積水長(zhǎng)期侵蝕鉆孔壁，導(dǎo)致鉆孔壁附近圍巖強(qiáng)度出現(xiàn)弱化。因此，對(duì)于含水較多巷道底板控制，需要解決錨固材料與水的不兼容問題，研究錨固材料遇水后的強(qiáng)度特性以及耐腐蝕性。

圖1 巷道底板錨索錨固示意圖

2.2 新型錨固材料

不同于常見的樹脂錨固劑（K235），小孔徑錨索錨固所采用的錨固劑為高強(qiáng)無收縮無機(jī)錨固材料，其主要成分為特種水泥、鋁酸鹽水泥、細(xì)骨料、外加劑等。

外加劑主要由硅灰、偏高嶺土、礦粉和聚丙烯纖維素組成，可以有效提高錨固材料固化后的密實(shí)程度和強(qiáng)度。另外，能夠消除錨固材料在固化過程中產(chǎn)生的離析現(xiàn)象。外加劑各成分的配比對(duì)錨固材料固化強(qiáng)度影響很大，經(jīng)過試驗(yàn)分析得到了最優(yōu)的外加劑材料配比。

經(jīng)試驗(yàn)分析，水灰比為0.4時(shí)，錨固材料性能最佳。硅灰、礦粉、偏高嶺土、聚丙烯纖維素各占錨固原材料的1.5%、0.1%、12%、0.05%時(shí)錨固材料固化體性能最佳。錨固材料固化體抗壓強(qiáng)度達(dá)到65.75 MPa，體積膨脹率為3.24%。初期錨固材料固化體強(qiáng)度和體積增長(zhǎng)速度較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定。

2? .3 錨固推進(jìn)過程分析

錨桿（索）作為煤礦井下主要的主動(dòng)支護(hù)手段，能夠有效加固巷道圍巖強(qiáng)度，改善巷道變形、冒頂、片幫、底鼓等情況。在安裝錨桿時(shí)，所用的攪拌扭矩、轉(zhuǎn)速以及推力是評(píng)價(jià)錨固效果的重要指標(biāo)，合理的扭矩、轉(zhuǎn)速以及推力是實(shí)現(xiàn)錨桿（索）攪拌安裝時(shí)快速、高效的前提。

研究采用的新型錨固材料在錨固推進(jìn)過程中具有一定的優(yōu)勢(shì)。將新型錨固材料與普通的樹脂錨固劑對(duì)比分析，在錨固長(zhǎng)度相同的情況下使用新型錨固劑其攪拌推力、扭矩相比于相同條件下樹脂錨固劑的攪拌推力、扭矩的值要小，新型錨固劑相對(duì)于樹脂錨固劑更易攪拌推進(jìn)，這是由于樹脂錨固劑粘稠度較大，攪拌推進(jìn)時(shí)錨索受到較大的阻力，新型錨固劑和易性較好，攪拌阻力較小。另外，使用新型錨固劑錨固時(shí)，錨索與錨固劑、錨固劑和孔壁結(jié)合較為緊密，錨固材料固化效果好，因此，錨索錨固效果較好、錨固力強(qiáng)。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 錨索錨固力監(jiān)測(cè)

在中央進(jìn)風(fēng)大巷底鼓較為嚴(yán)重的一段巷道進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，通過布置測(cè)站監(jiān)測(cè)底板錨索錨固力以及巷道底鼓量，巷道總施工量200 mm，在巷道中布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1、2、3號(hào)，相鄰2個(gè)測(cè)站間距為50 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)在每個(gè)測(cè)站分別對(duì)用樹脂錨固劑和新型錨固劑（直徑為22 mm，長(zhǎng)度為350 mm）錨固的錨索進(jìn)行錨固力拉拔試驗(yàn)，具體步驟如下：

1）首先使用底板鉆機(jī)在巷道底板鉆打錨索鉆孔，鉆孔直徑為28 mm。

2）分別將樹脂錨固劑和新型錨固劑塞入鉆孔，保證錨固長(zhǎng)度均為1 000 mm。

3）將錨固劑攪拌均勻錨固。待錨固1 d后進(jìn)行錨索拉拔試驗(yàn)。

得到的錨索錨固力對(duì)比統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 錨索錨固力對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，當(dāng)使用新型錨固材料進(jìn)行錨固時(shí)，3個(gè)測(cè)站錨索拉拔力平均值為315 kN。而使用樹脂錨固劑進(jìn)行錨固時(shí)錨索拉拔力均值為294 kN，由此可知看出新型錨固材料能提供更高的錨固力。

3.2 巷道支護(hù)返修設(shè)計(jì)

采用新型錨固劑對(duì)中央進(jìn)風(fēng)大巷底鼓嚴(yán)重段進(jìn)行返修，巷道斷面支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。具體參數(shù)如下：

圖2 巷道斷面支護(hù)設(shè)計(jì)圖

1）錨桿采用φ22 mm×2 600 mm高強(qiáng)錨桿，錨桿間排距600 mm×600 mm。

2）頂部錨索采用φ17.8 mm×7 500 mm，巷道頂部錨索間排距1 000 mm×1 400 mm，巷道底板錨索間采用φ17.8 mm×5 200 mm，間排距為900 mm×1 000 mm。

3）錨盤貼緊巖面，螺絲緊固，錨桿外露10～40 mm；錨索外露長(zhǎng)度150～250 mm。

4）巷道兩幫和頂部錨桿、錨索與巷道輪廓線的夾角不小于75°；巷道底板錨索與巷道輪廓線的夾角成90°。

5）眼孔直徑不大于錨桿、錨索直徑10 mm。

6）眼孔深度不大于錨桿、錨索有效桿體50 mm。

7）鋼笆網(wǎng)鋪設(shè)平整，壓茬不小于50 mm，并用12號(hào)鐵絲雙道連接，每200 mm一道。

對(duì)巷道底板變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 巷道底板變形監(jiān)測(cè)曲線圖

采用新型錨固劑進(jìn)行巷道底板錨索支護(hù)，有效解決了巷道底鼓問題，從圖3中可以看出在返修維護(hù)20 d左右巷道圍巖位移趨于穩(wěn)定，巷道底鼓量最大位移量控制在100 mm以下。

4 結(jié)論

1）東大煤礦中央進(jìn)風(fēng)大巷受巷道積水影響底鼓現(xiàn)象較為嚴(yán)重，采用傳統(tǒng)的錨索錨固治理底板，錨固劑受到水的影響，錨固效果會(huì)很大削弱。另外，鉆孔積水長(zhǎng)期侵蝕鉆孔壁，導(dǎo)致鉆孔壁附近圍巖強(qiáng)度出現(xiàn)弱化。

2）研制出的新型錨固材料解決與水的不兼容問題。當(dāng)水灰比為0.4時(shí)，錨固材料性能最佳。硅灰、礦粉、偏高嶺土、聚丙烯纖維素各占錨固原材料的1.5%、0.1%、12%、0.05%時(shí)錨固材料固化體性能最佳。錨固材料固化體抗壓強(qiáng)度達(dá)到65.75 MPa，體積膨脹率為3.24%。

3）研究采用的新型錨固材料在錨固推進(jìn)過程中具有一定的優(yōu)勢(shì)。其攪拌推力、扭矩相比相同條件下樹脂錨固劑要小，使用新型錨固劑錨固時(shí)，錨索與錨固劑、錨固劑和孔壁結(jié)合較為緊密，錨固材料固化效果好，通過工業(yè)性試驗(yàn)。采用新型錨固劑進(jìn)行巷道底板錨索支護(hù)，有效解決了巷道底鼓問題，巷道底鼓最大位移量控制在100 mm以下。