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刘家梁矿2号煤层破碎煤体支护技术研究

2024-06-11 51 上传者：管理员

摘要：为解决刘家梁矿2号煤层巷道片帮严重的问题，文章综合运用现场实测、理论分析、工业试验等研究方法，对巷道围岩工程力学参数、破坏特征及合理支护手段展开研究，结果表明：2号煤层属于软煤类型，破碎煤体锚杆锚固效果较差，设计新型机械式注浆封孔装置对其进行加固，新型注浆封孔装置使破碎煤岩体巷道围岩注浆终压得到明显提高，注浆终压在1.6～2.1 MPa之间；巷道围岩承载力明显改善，两处注浆区域锚杆拉拔力均增高了50%以上，围岩控制效果良好，可在该矿推广应用。

关键词：
注浆
煤层巷道片帮
煤巷
软弱煤层
锚固力
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1、工程概况

刘家梁矿矿区内的可采煤层厚度变化大，煤层易风化、崩解，呈现散体状，承载能力极低，煤层顶底板多为强度较低的砂质泥岩或泥岩。2215工作面属2号煤层，煤层及顶底板岩层平均倾角为12°,位于太原组顶部。2215工作面回风巷道断面为矩形，采用锚杆、锚索联合支护工艺，巷道围岩变形破坏严重。因此，如何科学有效地控制松软破碎煤岩巷道，避免煤炭资源浪费迫在眉睫。国内外此类巷道大多采取增加锚杆、锚索密度或者增设工字钢棚等措施来提升支护强度，解决措施存在一定盲目性且使成本显著增加，而关于充分发挥锚杆、锚索支护性能的相关研究和应用较少[1,2]。本文以刘家梁矿2号煤层破碎煤岩体巷道为工程背景，展开锚杆支护性能提升技术的研究，以解决松软破碎煤巷变形破坏问题。

2、松软破碎煤岩巷道顶板岩层结构特征观测

2.1 煤的坚固性系数测定

为了尽量保持实验煤体不受破坏，切实表明煤的力学特性，根据《煤与岩石物理力学性质测定方法》,在2215回风巷道迎头处进行采样。煤的f值是反映煤体抵抗外力破坏能力的一个关键指标[3],应用捣碎法测定2215回风巷道煤体强度，将所取煤样击碎成1.5～2.0 cm的小块，从中选取一些用于实验。将试样轻放于内径为7.6 cm的桶内，让23.5 N的铁锤自60 cm高的正上方自由下落，冲击n次，将其捣碎。将捣碎的煤用0.5 mm的筛网滤过，把筛下的煤粉放入量筒中，记录煤粉高度h(mm),用相同方法分别测试其它组煤样，所测数据见表1.

表1 煤的坚固性系数测定结果

把表1中的数据代入式(1)中，计算得到2215回风巷所取煤样的f值为0.64,根据煤的软硬等级划分标准，坚固性系数小于1.5的为软煤，可见2215工作面煤的软硬等级为软煤，强度不高。

2.2 覆岩岩层特性测试

在2215回风巷道顶板取芯，为了覆盖整个巷道，根据巷道走向长度，共布置3个取芯点，相邻两个取芯点间隔200 m, 分别命名为取芯点A、取芯点B和取芯点C.取芯钻孔位于巷道顶板中线附近，基本垂直于煤、岩层理，与竖直方向夹角约为12°,取芯范围为15 m(若顶煤可完整取芯，应保留，若取不到完整煤样，应取煤块代替)。岩芯直径应不小于75 mm, 完整岩芯长度应大于120 mm.由取芯管取出岩芯时，必须将钻头卸下，将岩芯轻轻倒出，防止因外力造成岩芯的不必要折断。为上述岩芯层位分组，绘制岩性柱状图如图1所示。

图1 试验点顶板岩层情况对比图

利用RQD岩石质量指标，根据钻探时的岩芯完好程度来衡量岩体的质量，即长度在10 cm(含10 cm)以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比。计算式为[4]:

式中：L为钻孔长度，m; l为10 cm(含10 cm)以上的岩芯累计长度，m.

根据岩芯质量指标大小，将岩体分为5类，见表2.

表2 岩石质量指标

依据取芯结果，取芯点A所取10 cm(含10 cm)以上的岩芯累计长度约为3.35 m, 带入式(2)中，得到RQD值为22.3%,取芯点A所在区域岩体分类为很差，此区域为高破碎区；取芯点B、取芯点C的RQD值分别为38.6%与39.3%,这两区域岩体分类均为差，此类区域为一般破碎区。鉴于此，把2215回风巷道沿走向分为高破碎区(A类围岩)和一般破碎区(B类围岩)。

3、松软破碎煤岩锚杆-锚索锚固性能试验研究

刘家梁矿2号煤松软破碎围岩支护困难、锚固力低，导致巷道锚杆(索)锚固效果难以保证。为此，选取刘家梁矿2215工作面回风巷的锚杆(索)锚固强度进行拉拔力测试，了解2215工作面回风巷围岩可锚性情况，为后期松软破碎煤岩巷道防片帮及锚固性能提升提供理论依据。试验地点为刘家梁矿2215工作面回风巷道，选择围岩较平整，未发生脱落、片帮等现象的位置进行试验。在2215工作面回风巷距巷口一定位置处布置3个锚杆测站，测站1布置在A类围岩区域(高破碎区),距工作面前方50 m的巷帮处打3根锚杆；测站2布置在B类围岩区域(一般破碎区),距工作面前方100 m的巷帮处打3根锚杆，然后进行拉拔试验。刘家梁矿锚固性能测试结果见表3.

表3 刘家梁矿锚杆锚固性能拉拔试验记录

由现场拉拔试验可以看出，在刘家梁矿巷道两帮位置处两组锚杆的平均锚固力分别为42 kN、49 kN,两组锚杆的锚固力均不太高，均不能满足巷道锚杆支护对锚杆锚固力的要求，为此，需进一步采取相应的技术措施来提升松软破碎煤岩巷道锚杆的锚固力，进而保证巷道锚杆锚固质量。

4、松软破碎煤岩锚固性能提升技术研究

通过前期对刘家梁煤矿2号煤层破碎煤体巷道支护状况调查发现，破碎煤岩巷道两帮变形严重，锚杆(索)锚固力普遍较低，巷道片帮等现象时有发生。而工作面发生片帮后，片帮区域上部煤矸石无法停留在原位，导致上部区域煤壁片帮深度过大。此外，工作面大面积片帮区域直接顶失稳加剧，进一步恶化工作面支护体工作状态，工作面片帮冒顶不仅造成更剧烈的片帮事故，使片帮冒顶范围增大，还容易导致冒顶区老顶垮落等灾害，严重威胁工作面生产安全。如果不采取合理的加固措施，将导致原来裂隙发育的围岩继续发育，锚固体不仅难以发挥锚固作用，还会使巷道支护变得更加困难。注浆加固技术可有效解决破碎煤岩巷道片帮、锚固力低下等问题。为此，研发了适应于不同破坏程度区域围岩的注浆封孔装置——机械式注浆封孔装置，该装置整体构造设计如图2所示。装置包括快速注浆部位、膨胀封孔部位、防止倒流部位和推力传动部位。快速注浆部位为中空钢管，内径12 mm, 外径20 mm; 膨胀封孔部位由橡胶套与钢垫片组成，橡胶套内径与中空钢管外径相一致，钢垫片厚度为3 mm, 内外径与橡胶套内外径一致；推力传动部位由扭矩增效部件、钢套管、螺母组成，通过扭矩增效部件旋转螺母推动钢套管压缩封孔部位橡胶套膨胀，达到封孔目的。

图2 新型机械式注浆封孔装置整体构造设计

5、井下工业性试验研究

5.1 注浆封孔试验过程

根据2117工作面回风巷道围岩破碎程度分区情况，将煤帮注浆封孔试验分为两组，A组代表高破碎区域注浆封孔试验，B组代表一般破碎区域注浆封孔试验。在2215回风巷道选定距离巷道开口175～225 m区域为A组试验区域，选定距离巷道开口375～425 m区域为B组试验区域。使用新型机械式注浆封孔装置进行注浆封孔试验，注浆封孔装置实物如图3所示。注浆孔采用7655风锤打孔，钻头直径42 mm, 钻孔深度1.8 m.在搅拌桶中放入水并逐渐加入水泥，由于是浅孔注浆，浅部破坏严重，裂隙高度发育，须采用粘度大、凝结时间短的水灰质量比，因此，根据破坏程度不同，A区域选定水灰质量比为0.6∶1,B区域选定水灰质量比为0.7∶1,之后人工均匀搅拌10 min即可。采用风动注浆机配合新型机械式注浆封孔装置对A、B区域注浆，新型机械式注浆封孔装置的长度为2.57 m, 封孔装置出浆口与孔底的距离为10 cm, 封孔段长度80 cm.此次设计注浆压力值为1.6 MPa, 注浆过程中监测注浆终压。

图3 设计的注浆封孔装置实物图

5.2 注浆效果检测

通过新型机械式注浆封孔装置在A、B两区域进行应用效果检测。注浆封孔效果检测采用两种方法，分别为注浆过程中注浆压力监测以及锚杆拉拔检测。对上述A、B区域注浆封孔过程进行压力监测，整理注浆压力结果，如图4所示。由图可知，在A、B两区域巷帮布置的100个孔中，大多数注浆孔最终注浆压力值均在1.6 MPa以上，分布在1.6～2.1 MPa之间，而传统的棉纱封孔最大注浆压力为0.8 MPa, 可见，新型封孔装置注浆封孔效果好。通过观察注浆加固区域可以看出，松软破碎煤岩巷道采用注浆加固的区域巷道变形相较于未采取注浆加固的区域明显变小，且巷道片帮发生的概率也相应减少。

图4 注浆压力监测结果

通过对比注浆区域与未注浆区域锚杆拉拔试验结果，检验新型机械式注浆封孔装置在2215回风巷道注浆封孔试验点的应用效果。为了与A、B两注浆区域形成有效对照，选择A区域前25 m与B区域后25 m的未注浆区作为试验点，分别为这两区域编号C、D,测试结果如表4所示。分析可知，A区域注浆后的锚杆拉拔力峰值平均值比C区域未注浆的锚杆拉拔力峰值平均值高22.65 kN,拉拔力提升了50.44%;B区域注浆后的锚杆拉拔力峰值平均值比D区域未注浆的锚杆拉拔力峰值平均值高27.15 kN,拉拔力提升了54.68%.表明新型机械式注浆封孔装置在2215回风巷道注浆封孔试验点的应用效果好，提升了巷道围岩承载能力，改善了锚杆(索)力学环境，对巷道围岩治理有重要意义。

表4 锚杆拉拔试验结果记录

6、结语

本文针对刘家梁煤矿2号煤层破碎煤体锚固力低下等问题，通过现场实测、理论分析及井下工业性试验相结合的方法，解决了松软破碎煤岩巷道片帮等相关问题，主要得到以下结论：

1) 对2117工作面回风巷道围岩特征进行分析，结果表明：2215工作面煤的f值为0.64,为软煤类型；进行覆岩物理力学性质测试，得到2215回风巷老顶以下存在低强度、易破碎岩层。

2) 现场拉拔试验可以看出，在刘家梁矿巷道两帮位置处平均锚固力均不能满足巷道锚杆支护对锚杆锚固力的要求。针对此类问题提出了采取注浆加固技术来提升松软破碎煤岩巷道锚杆的锚固力，设计了适应于不同破坏程度区域围岩的注浆封孔装置——机械式注浆封孔装置。

3) 应用新型机械式注浆封孔装置与新型气动式注浆封孔装置进行了井下工业性试验，试验结果表明，新型注浆封孔装置使破碎煤岩体巷道围岩注浆终压得以明显提高，注浆终压在1.6～2.1 MPa之间；巷道围岩承载力明显改善，两处注浆区域锚杆拉拔力均提高了50%以上，有效充填了围岩裂隙，解决了松软破碎煤岩巷道片帮问题。

参考文献:

[1]薛小龙.晋北煤业过断层破碎带巷道围岩注浆加固技术[J].山东煤炭科技,2023,41(7):75-77.

[2]史文龙.长平矿底抽巷破碎围岩注浆加固技术研究[J].山东煤炭科技,2023,41(7):84-86.

[3]崔贵波.破碎围岩注浆与高预应力锚索联合加固技术研究[J].煤炭与化工,2023,46(6):27-29,33.

[4]李强.松软破碎巷道围岩注浆加固技术研究[J].山西冶金,2022,45(3):287-288,321.

文章来源:张金龙.刘家梁矿2号煤层破碎煤体支护技术研究[J].煤,2024,33(06):67-69+100.