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注浆锚索在孤岛工作面巷道补强支护中的应用

2023-10-20 51 上传者：管理员

摘要：孤岛工作面受相邻工作面采掘扰动影响，围岩应力集中压力大，沿空留巷变形破坏严重，易引发冲击地压，威胁工作面的安全回采。基于此，以镇城底矿22605孤岛工作面为研究对象，针对控制围岩变形提出补强支护方案，设计了中空注浆锚索进行高压注浆加固，在回采过程中取得良好的支护效果，为孤岛工作面两巷支护积累了经验。

关键词：
围岩变形
围岩应力
孤岛工作面
沿空掘巷
补强支护
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随着矿井开采强度和采掘深度的不断加大，煤矿开采地质环境更为复杂，深部开采的特点就在于深部岩体所处的“三高”特殊环境，即高地应力、高地温、高岩溶水压，同时掘进及采煤过程还会对深部岩体造成扰动影响，因此对深部资源开采过程中的巷道支护提出了严峻的挑战。动压区下回采巷道在掘巷后因变形释放大量能量，原有的围岩平衡再次被打破，同时产生新的裂隙，围岩变形量大，来压强烈，流变时间长。如果邻近上煤层工作面正在回采，巷道围岩变形更加剧烈，最终将导致巷道破坏，给巷道维修带来极大困难。在控制巷道流变机理支护基础上，引进中空注浆锚索进行高压注浆加固[1,2,3,4,5]，取得了较为显著的支护效果，对安全生产和高产高效将起到极大推动作用。

1、矿井概况

镇城底矿位于山西省古交市西北处，井田面积约16.63 km2，矿井西北走向6.6 km、南北走向平均宽度约为3.6 km，年设计生产能力为190万t。其22605工作面地表位于八字山村北东、保温材料厂以西、八字山回风井以北、歇马村以东，南东为赤泥岩村，地表为山丘沟谷，无村庄。地面标高+1 153～+1 240 m，井下标高+883.8～+931.2 m。22605工作面位于南二盘区东翼，南为22603采空区，北为22604采空区，西邻二盘区回风巷及盘区保护煤柱，东为工业广场保护煤柱。运输巷与22604工作面之间留有34 m煤柱，回风巷与22603工作面之间留有13 m煤柱。22605工作面走向长度1 133 m，倾斜长度242 m。22605工作面所开采的的煤层为石炭二叠纪太原组2号煤层，以褐煤为主，其次为暗煤，煤层的倾角在3.2°～9.5°，平均倾角为6.5°；地质结构简单；煤层厚度在3.20～4.90 m，平均厚度为4.05 m；煤岩体硬度为2～3。

2、巷道原始支护形式

2.1 运输巷

顶板支护形式为单数排全锚杆布置，双数排全锚索布置；帮部支护形式为全锚杆布置；钢带采用单数排在顶部布置一根T140-4100/7型钢带；铁托盘规格300 mm×300 mm×10 mm；顶板锚杆采用Φ20 mm×2 500 mm左旋螺纹钢锚杆，配套使用球形垫圈和阻尼垫圈，帮部采用Φ20 mm×3 500 mm左旋螺纹钢锚杆，顶板间排距650 mm、700 mm，帮部间排距650 mm、700 mm，每孔2节MSZ2360树脂锚固剂，锚固长度1 200 mm，锚杆扭矩240 N·m；锚索在双数排顶板每排布置6根Φ21.8 mm×8 300 mm防腐锚索配合铁托盘支护，间排距1 300 mm、1 400 mm，每孔3节MSZ2360锚固剂，锚固长度1 800 mm，预紧力240 kN；网片采用全断面挂双层8号铁丝网，规格1 000 mm×10 000 mm，网间压茬不小于100 mm，连网间距不大于200 mm。

2.2 回风巷

顶板支护形式为单数排全锚杆布置，双数排全锚索布置；帮部支护形式为全锚杆布置；钢带采用单数排在顶部布置一根T140-3400/6型钢带；铁托盘规格300 mm×300 mm×10 mm；顶板锚杆采用Φ20 mm×2 500 mm左旋螺纹钢锚杆，配套使用球形垫圈和阻尼垫圈，帮部采用Φ20 mm×3 500 mm左旋螺纹钢锚杆，顶板间排距650 mm、700 mm，帮部间排距650 mm、700 mm，每孔2节MSZ2360树脂锚固剂，锚固长度1 200 mm，锚杆扭矩240 N·m；锚索在双数排顶板每排布置5根Φ21.8 mm×8 300 mm防腐锚索配合铁托盘支护，间排距1 300 mm、1 400 mm，每孔3节MSZ2360锚固剂，锚固长度1 800 mm，预紧力240 kN；网片采用全断面挂双层8号铁丝网，规格1 000 mm×10 000 mm，网间压茬不小于100 mm，连网间距不大于200 mm。

3、补强支护原因

虽然在回采巷道支护方面积累了一些经验，但从以往工作面回采情况来看，巷道在回采期间矿压显现较剧烈，尤其是临近采空区的回风巷收敛十分严重，直接制约工作面正常回采。镇城底矿孤岛工作面开采还没有类似经验，而鉴于相邻矿井孤岛工作面开采所遇到的初次来压所表现的超常规矿压显现，不得不重新评估22605孤岛工作面原始支护状况，以便针对性地进行补强支护。

4、补强支护方案

工作面正常回采必须最大限度控制围岩变形，一般来说控制围岩变形主要有三个因素：一是具有较高的预应力；二是具有适合围岩大变形的能力；三是能够实现全长锚固。

从原始支护方案来看，锚杆、锚索已达到较高预应力，受锚杆、锚索材质限制，延伸率不可能无限制适应围岩变形，因此加强支护只能从全长锚固入手，控制围岩变形。因常规锚杆、锚索全长锚固施工难度大，所以本次加强支护使用注浆锚索及自旋锚注管。

4.1 运输巷补强支护方案

运输巷补强支护从距切眼100 m处开始施工，见图1。运输巷顶板布置2根注浆锚索，间排距为1600mm、2 800 mm，采用T140-1800/2型钢带。运输巷煤柱侧帮部支护分为两种，一是正常段巷道，采用2排注浆锚索配合300 mm×300 mm×12 mm铁托盘；二是来压段巷道，来压前20 m到来压后50 m采用3排注浆锚索配套使用300 mm×300 mm×12 mm铁托盘。采用Φ22 mm×4 500 mm型注浆锚索，每根锚索使用2节Z2360锚固剂，预紧力80 kN。采面侧保持原支护。注浆以注浆口出浆或者压力达到5 MPa为准。

4.2 回风巷补强支护方案

回风巷补强支护从距切眼100 m处开始施工，见图2。回风巷煤柱侧帮部支护采用3排注浆锚索配合300 mm×300 mm×12 mm铁托盘。采用Φ22 mm×4 500 mm型注浆锚索，每根锚索使用2节Z2360锚固剂，预紧力80 kN。采面侧试验1根自旋锚注管，以便对围岩变形控制。采用Φ45 mm×4 500 mm型自旋锚注管施工，布置方式为走步式。顶板布置2根注浆锚索，间排距1 600 mm、2 800 mm，顶板钢带T140-1800/2。注浆以注浆口出浆或者压力达到5 MPa为准。

图1 运输巷补强支护（单位：mm)

图2 回风巷补强支护（单位：mm)

5、巷道变形动态监测分析

为验证巷道支护效果，在22605工作面巷道掘进过程中对巷道顶底板的围岩变形进行动态监测，分别在巷道内设立6个监测点，每个监测点间隔距离250m。并采用十字布点法，分别动态监测巷道在掘进过程中顶板、底板和两帮的移近量。巷道掘进期间围岩变形实测值见表1。

表1 巷道掘进期间围岩变形监测数据

由表1观察分析可以看出，巷道在掘进过程中顶底板的最小移近量为26 mm，最大移近量为130 mm，平均移近量为82.5mm；巷道两帮的最小移近量为69mm，最大移近量为152 mm，平均移近量为110.5 mm。由此看出，巷道变形破坏形式以两帮移近为主。

为研究巷道变形破坏趋势，以2号测点的监测数据为依据进行分析，对巷道掘进前后的巷道围岩变形破坏趋势进行分析。2号测点随掘进头掘进围岩变形情况如图3所示。

由图3分析可知，巷道在掘进至200 m左右时，巷道围岩变形的速率逐步呈现上升的趋势，且区域范围内受采掘扰动影响较明显。待巷道掘进至距离750m左右时，巷道围岩变形破坏逐步减小趋于平稳。

6、支护效果分析

1）镇城底矿22605孤岛工作面目前已回采3个来压长度，初次来压段矿压显现最为明显，运输巷煤墙侧顶板局部下沉，顶板出现水平位移，造成顶板中部2根锚索受剪切力影响在锁具上方破断；两帮位移量最大927 mm，最大位移速度217 mm/d，顶板下沉量最大368 mm，最大移动速度为169 mm/d。其余两次来压范围煤墙侧顶板出现局部下沉，但无锚索破断现象。

图3 2号测点随掘进头掘进变化趋势

2）通过回采期间两巷煤墙侧帮部情况对比，回风巷煤墙侧帮部使用的自旋锚注管效果不明显，且回采期间自旋锚注管经常缠绕在煤机滚筒上，处理难度大，后期孤岛工作面补强支护可考虑去掉煤墙侧自旋锚注管。

3）从注浆锚索注浆期间出浆情况来看，部分区域注浆扩散半径重合，结合回采期间两巷帮部整体性较好的情况，后期可考虑适当加大注浆锚索间排距。

4）回采期间，两巷除起底量大以外，均未进行过扩帮、挑顶作业，围岩变形量在可控范围内，补强支护效果良好。

7、结语

镇城底矿22605孤岛工作面补强支护形式基本满足安全生产需求，后期类似条件的孤岛工作面两巷支护可在此基础上进行优化，在保证安全的前提下降低支护成本。

参考文献:

[1]王国威.注浆锚索在孤岛工作面两巷支护中的应用[J].煤矿现代化,2018(5):46-47,50.

[2]周中平,张承冉,王东亮.注浆锚索在半孤岛工作面两巷超前支护中的应用[JJ.内蒙古煤炭经济,2019(16):83-84.

[3]穆利斌,付玉军.注浆锚索在沿空留巷工作面超前支护中的应用研究[J].能源与环保,2020,42(7):188-193.

[4]许小永.中空注浆锚索在综采工作面超前支护中的应用研究[J].机械管理开发,2021,36(11):189-190.

[5]臧德梁.注浆锚索在采煤工作面超前支护中的应用[J].山东煤炭科技,2020(9):10-12,15.