綜放工作面破碎頂板注錨一體化控制技術(shù)

郝文敏

（山西汾西正文煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 032300）

0 引 言

我國(guó)厚煤層占比40%以上，綜放開(kāi)采是厚煤層開(kāi)采的重要開(kāi)采技術(shù)，在條件適宜的情況下能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，是一種高產(chǎn)、高效、安全、低耗的采煤方法。采用綜放開(kāi)采技術(shù)時(shí)，一般沿煤層底板開(kāi)掘工作面軌道巷、皮帶巷和回風(fēng)巷，巷道的頂板和兩幫全部為煤體，為全煤巷道。這類巷道是為綜放工作面采煤服務(wù)的，稱為綜放回采巷道。新《煤礦安全規(guī)程》要求綜采工作面運(yùn)輸巷的凈斷面不小于12 m2，以及對(duì)應(yīng)用放頂煤綜采技術(shù)的高效工作面在煤炭運(yùn)輸、通風(fēng)等方面的特殊要求，綜放回采巷道的斷面往往很大。加上綜放回采巷道的圍巖為松散、破碎的煤體，因此，一般情況下巷道維護(hù)極其困難。

綜放開(kāi)采的研究中，對(duì)綜放頂煤放頂冒放性研究較多，而對(duì)綜放綜采中的工作面護(hù)巷煤柱和回采巷道穩(wěn)定性研究的較少。綜放巷道多為煤巷，在綜放強(qiáng)采動(dòng)、大采高影響下，上覆巖層運(yùn)動(dòng)劇烈，波及范圍與影響程度增加，綜放巷道頂板易發(fā)生非連續(xù)性、非協(xié)調(diào)大變形。而為滿足綜放生產(chǎn)面運(yùn)輸、通風(fēng)、行人需要，必須保持巷道斷面面積，故此要明確綜放巷道破碎頂板支護(hù)機(jī)理，對(duì)此類巷道的支護(hù)具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。從綜放巷道圍巖控制論角度分析，巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律、巷道圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)特征及巷道支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)的合理性是影響巷道圍巖穩(wěn)定性、巷道圍巖變形量大小的三大關(guān)鍵影響要素。綜放破碎圍巖采用傳統(tǒng)支護(hù)，錨桿索會(huì)出現(xiàn)錨固力降低，甚至脫錨現(xiàn)象，對(duì)于破裂圍巖，特別是綜放開(kāi)采強(qiáng)采動(dòng)破碎頂板，破裂圍巖難以對(duì)錨桿索施加有效預(yù)應(yīng)力，這就需要采用注漿技術(shù)，增強(qiáng)圍巖自承載強(qiáng)度。

1 破碎頂板注錨一體化控制機(jī)理

在破碎頂板支護(hù)中采用中空注漿錨索改善破碎圍巖自承載性能，實(shí)現(xiàn)錨桿索與圍巖錨固一體化的控制理念，破碎頂板只采用錨桿、錨索支護(hù)后，難以在淺部與深部圍巖形成以錨桿錨索錨固端為邊界的壓應(yīng)力區(qū)，此時(shí)錨桿錨索只形成局部的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，局部范圍增強(qiáng)淺部與深部圍巖的承載能力，如圖1所示。

圖1 破碎頂板注錨一體化Fig.1 Grouting and anchoring integrated control for broken roof

（1）錨桿索周邊破裂圍巖是近零壓力區(qū)，注漿對(duì)破碎頂板裂化部分進(jìn)行修復(fù)，注漿加固增強(qiáng)破碎頂板錨桿索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)中有效壓應(yīng)力的擴(kuò)散范圍。注漿、錨桿、錨索與破裂圍巖構(gòu)成支圍一體結(jié)構(gòu)，注漿液修復(fù)破裂圍巖整體結(jié)構(gòu)，注漿液在破裂圍巖中擴(kuò)散開(kāi)，沿破裂圍巖破裂滑移面延伸并形成多支樹(shù)杈狀分布，增強(qiáng)與圍巖整體結(jié)合范圍。

（2）凝固注漿液、錨桿及錨索組合形成支護(hù)整體架構(gòu)，對(duì)頂板圍巖中裂化滑移面、切向與徑向拉伸破壞、剪切破壞形成限定，抑制圍巖裂化擴(kuò)展導(dǎo)致錨桿索錨固力降低或失效，減免破裂圍巖自由面加大發(fā)生頂板災(zāi)變。

（3）頂板破碎狀態(tài)下，頂板圍巖淺部與深部裂隙寬度及裂化程度分布不同。淺部圍巖裂化不僅增大了頂板的自由面，還將造成錨索預(yù)應(yīng)力釋放，降低錨索支護(hù)強(qiáng)度；深部圍巖裂化，直接導(dǎo)致錨索錨固承載層的缺失，懸吊作用的失效。選用高強(qiáng)中空注漿錨索，其注漿壓力可以通過(guò)理論計(jì)算獲得，基于達(dá)西定律的注漿壓力P的理論計(jì)算公式為：

式中：μ為注漿液體流動(dòng)粘度，為1.17×10-8；Q為單位時(shí)間內(nèi)注漿量，為40 L/min；r為注漿孔半徑，取0.05 m；R為注漿擴(kuò)散半徑，取0.97 m；h為注漿的巖層厚度，取值為4.5 m；K為巖層滲透系數(shù)，取值為70×10-12～60×10-12m2；PR為漿液擴(kuò)散至R時(shí)的壓力，取值為0.1～0.2 MPa。通過(guò)計(jì)算可得出注漿壓力為1.2～1.5 MPa。工程實(shí)踐中要求考慮到注漿壓力與注漿高度關(guān)聯(lián)性，注漿壓力較高時(shí)，漿液出現(xiàn)在采空區(qū)層位，易出現(xiàn)跑漿問(wèn)題。在工程實(shí)踐中，注漿壓力為1.2～1.5 MPa時(shí)，注漿錨索附近0.5～1 m打孔觀測(cè)注漿漿液覆蓋高度，判斷注漿高度與注漿壓力的合理性。

2 工程實(shí)踐

2.1 工程地質(zhì)條件

工作面位于一采區(qū)西翼軌道巷北部，開(kāi)采10+11號(hào)煤層，基本頂為7 m厚的k2堅(jiān)硬石灰?guī)r，裂隙發(fā)育，富水性弱—中等。根據(jù)以往地質(zhì)條件，受上方采空影響，老頂下沉破碎，直接頂為1.0 m厚的泥質(zhì)巖層理均為水平層理，顏色灰黑色，泥狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)極細(xì)粒。工作面上方為原水峪5413工作面采空區(qū)（9號(hào)煤層已采），東鄰正文煤業(yè)11002工作面采空區(qū)（9號(hào)、10+11號(hào)煤層采空），西鄰原水峪3318工作面采空區(qū)（9號(hào)、10+11號(hào)煤上分層已采，10+11號(hào)中分層巷道形成），南部為正文煤業(yè)采區(qū)大巷，北部為井田邊界，井田邊界北側(cè)為原水峪5113工作面采空區(qū)（9號(hào)、10+11號(hào)煤采空），采空區(qū)內(nèi)向斜低洼處可能存有積水。工作面掘進(jìn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)采空區(qū)積水的探放，嚴(yán)格執(zhí)行物探、鉆探（長(zhǎng)探+短探）、化探手段，并配備排水能力不小于50 m3/h的排水設(shè)施，水泵一用一備。

2.2 注錨一體化巷道支護(hù)參數(shù)

回采巷道斷面為矩形，掘?qū)?.5 m，掘高2.8 m。采用鋼帶、錨桿、中空注漿錨索、六邊型網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，回采巷道斷面如圖2所示。

圖2 區(qū)段回采巷道支護(hù)斷面Fig.2 Support of section mining roadway

（1）頂板支護(hù)。頂板錨桿用φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm。頂板鋼帶規(guī)格4 200 mm×320 mm×4.5 mm，頂錨托盤為150 mm×150 mm×10 mm的中孔φ24 mm可調(diào)心拱形高強(qiáng)度錨桿托盤配用減磨墊片，位于鋼帶兩端的2根頂錨桿為角錨桿，與水平線成75°，其余均垂直頂板，呈矩形布置。頂板錨桿用鋼帶托板疊加安裝，鋼帶密貼頂板，不松勁。每根頂錨桿用2根錨固劑，1根CK2355錨固劑在上（孔底），1根K2355錨固劑在下。

錨索選用規(guī)格為φ21.8 mm×4 500 mm的注漿錨索配用300 mm×300 mm×16 mm的拱形注漿錨索托盤安裝。沿巷道掘進(jìn)方向每2 m布置1組，錨索呈三花布置，第一排布置2根，間距2 m；第二排于巷道正中布置1根。錨索均垂直頂板布置，每根錨索用2根錨固劑，1根CK2355錨固劑在上（孔底），1根K2355錨固劑在下。

（2）實(shí)體煤幫及煤柱幫支護(hù)。各施工3排幫錨桿，幫錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿配合400 mm×320 mm×4.5 mm的鋼帶與可調(diào)心拱形高強(qiáng)度錨桿托盤配用減磨墊片疊加安裝。其中最上一排幫錨桿距頂板500 mm，幫錨桿均垂直巷幫布置。錨桿間排距為900 mm×1 000 mm。每根幫錨桿用2根錨固劑，1根K2355錨固劑在上（孔底），1根K2355錨固劑。

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)注漿后錨索與錨桿做拉拔試驗(yàn)，得出注漿后錨索錨固力增強(qiáng)為240 kN與錨桿錨固力增強(qiáng)為120 kN，巷道圍巖位移量小，綜放工作面破碎頂板圍巖變形破壞得到有效控制，增強(qiáng)了破碎頂板圍巖錨桿索錨固力及錨固安全性、可靠性，實(shí)現(xiàn)錨桿索與圍巖錨固一體化的控制。

3 結(jié) 論

（1）注漿對(duì)破碎頂板裂化部分進(jìn)行修復(fù)，注漿、錨桿、錨索與破裂圍巖構(gòu)成支圍一體結(jié)構(gòu)。注漿液在破裂圍巖中擴(kuò)散開(kāi)，沿破裂圍巖破裂滑移面延伸并形成多支樹(shù)杈狀分布，增強(qiáng)與圍巖整體結(jié)合范圍。

（2）破碎頂板注錨一體化結(jié)構(gòu)對(duì)頂板圍巖中裂化滑移面、切向與徑向拉伸破壞、剪切破壞形成限定，抑制圍巖裂化擴(kuò)展導(dǎo)致錨桿索錨固力降低或失效，減免破裂圍巖自由面加大發(fā)生頂板災(zāi)變。

（3）中空注漿錨索在破碎頂板巷道支護(hù)中，注漿壓力為1.2～1.5 MPa，注漿擴(kuò)散效果好，注漿后錨索錨固力增強(qiáng)為240 kN與錨桿錨固力增加為120 kN，巷道圍巖位移量小，綜放工作面破碎頂板圍巖變形破壞得到有效控制，增強(qiáng)破碎頂板圍巖錨桿索錨固力及錨固安全性。