红庙矿采准巷道全锚索支护技术研究与应用

红庙矿采准巷道全锚索支护技术研究与应用王大伟 摘要 在对红庙六区生产地质条件详细分析和总结已有研究成果的基础上，提出“三软”破碎煤层采准巷道支护原则，提出了“全断面锚索支护、底板锚索注浆与破碎围岩体注浆加固“相结合的巷道围岩综合维护技术。现场试验与应用结果表明，该巷道围岩综合维护技术实现了”三软”破碎煤层采准巷道的一次支护，虽然初始支护材料陈本有所增加，但大大减少了巷道使用期间的返修工程量和综合维护成本，取得了良好的技术经济效益。关键词“三软”煤层；采准巷道；全断面支护；底板锚索；注浆加固平庄矿区是我国典型的软岩矿区，其中红庙煤矿于1989年正式投产，设计生产能力1.20Mt/a，目前核定生产能力1.8Mt/a。矿井可采煤层共6层，分别为5-1、5-2、5-3、6-1、6-2、6-3。划分为7个采区，其中一、二、三、四采区已回采完毕，五、六采区正在回采，七区尚未开拓。红庙煤矿六区围岩松散破碎、巷道开挖后变形破坏严重，特别是采准巷道在受工作面采动影响的作用下表现尤为明显，成为阻碍矿井安全生产的关键问题。1 矿井生产与地质条件红庙煤矿含煤地层为元宝山组，五、六煤组为主要可采煤组，开采煤层为复合煤层，层理、节理比较发育。煤层顶底板均以细砂岩、粉砂岩为主、中砂岩、粗砂岩、泥岩次之。砂岩多为泥质胶结，含水率在9%左右，岩石平均孔隙率24%，抗压强度在15MPa之间，同时部分砂岩具有明显的遇水泥化显现，岩石胶结差。泥岩的粘土矿物成分是蒙脱石、伊利石、高岭石的混合物，蒙脱石的含量占9.9%52.12%。煤层抗压强度为14MPa。煤层及其顶底板均为软弱岩层，为典型的“三软”煤层矿井。煤巷特别是采准巷道围岩普遍具有结构松散破碎、易风化、遇水膨胀,自身承载能力低的特点。巷道服务期间变形破坏严重，其中底鼓量、顶板下沉和两帮收敛量较大，致使巷道支护非常困难。其中尤以六区更为严重。软岩巷道支护形式主要有全刚性支护、刚性支护+柔体垫层、U钢可缩性支架、锚（注）网喷支护等多种形式12。红庙煤矿为解决软岩巷道支护难题，进行了许多有益的探索工作，试验了多种支护形式。从架设金属棚支护到锚网（索）支护，最后到锚网和架设U25钢支架联合支护等多种支护方式，均未彻底解决软岩巷道支护难题。针对矿井五区生产条件，采用高预紧力强力锚杆锚索联合支护系统对采准巷道进行支护，取得了显著的支护效果，基本解决了矿井五区支护的难题3。在进行六区采准巷道开拓时，继续采用五区的支护形式，由于地质条件的变化，支护效果并不理想。工作面回采期间，两巷出现了严重的变形破坏，服务期间不得不进行多次修复，给安全生产带来了很大隐患，导致六区5-1N二片工作面提前撤出，造成矿井生产效益的较大损失。2 六区采准巷道支护原则为解决矿井六区支护难题，在总结多年支护经验的基础上，将以“三高一低”为技术特征的强力锚杆锚索一次支护理论4与以锚索注浆为核心的永久巷道底板治理技术相结合，提出采用锚杆（索）、喷射混凝土、底板锚索注浆、围岩注浆加固的联合支护方式进行六区采准巷道支护。其支护参数设计原则主要有：（1）一次支护与临界支护强度刚度原则。对六区采准巷道尽量做到一次支护就能有效控制围岩变形，避免在巷道服务期间进行二次或多次支护。在初始支护时，充分考虑服务期间各种巷道矿压显现的影响，将巷道开挖后的初始支护强度和刚度高于巷道支护所需的临界强度和刚度。实现对巷道围岩的及时、有效支护，避免因巷道初始支护强度和刚度较低，而造成围岩长期处于不稳定状态，出现持续变形破坏。（2）高预应力有效扩散与支护构件相互匹配原则。预应力被认为是充分发挥锚杆锚索支护作用的关键参数，合理的锚杆锚索预应力能够显著提高巷道支护效果5。除了施工时及时施加合理的预应力外，预应力在围岩中的扩散效果尤为重要。锚杆（索）各构件的几何参数与力学性能必须相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。（3）松动圈理论原则6 7。上世纪70年代末，以董方庭为代表的专家学者对松动圈理论进行了深入的研究并在很多矿区进行了现场试验。围岩松动圈支护理论要求锚杆（索)的支护长度要大于松动圈的深度。辽宁工程技术大学对红庙六区巷道围岩松动圈测试结果显示，该采取巷道围岩松动圈深度在2.62.8m之间。（4）及时封闭与围岩强度强化原则。由于围岩体极易风化，且遇水具有明显的软化和膨胀特性，巷道开挖后应进行及时封闭，避免煤岩体长时间的暴露。同时，六区巷道节理裂隙发育，围岩的自身承载能力低，必须对破碎围岩体进行注浆加固，一方面提高巷道围岩的完整性，另一方面强化破碎围岩体的强度和承载能力。(5)全断面支护原则。软岩巷道矿压显现的显著特点是四周来压，对巷道进行全断面支护，避免因巷道局部破坏而造成整个支护系统的失稳。控制巷道底鼓成为软岩巷道支护的关键，相关学者在底鼓治理方面进行了大量的研究与试验工作8。3 现场试验3.1试验点地质条件红庙煤矿六区5-3N一片工作面位于六区北翼，地面标高+573+584m，井下标高+128+185m。工作面走向长度525m，倾斜宽150m，可采长455m。北为五、六区边界，南至六区轨道下山，西为未开采地域，东至六区运输大巷及F44断层。地表为荒山林地，无任何建筑物及水体。设计回风巷长556m，坡度0-7。运输巷494m，坡度09，工作面巷道布置如图1所示。图1 红庙煤矿六区5-3N一片工作面巷道布置图六区北翼5-3煤层最小厚度4.03m，最大厚度6.41m，平均5.88m，含数层夹矸。煤层倾角2021。5-3煤层单轴抗压强度为4.8MPa，层理、节理较发育，煤层自然发火期13个月。直接底为砂质泥岩，单轴抗压强度为23.5MPa，具有膨胀性。煤层综合柱状如图2。图2煤层综合柱状图根据矿井水压致裂法测定的该处最大水平主应力H=14.62MPa，方向为N72E，最小水平主应力h=7.35MPa，垂直主应力V=9.68MPa，为中等偏低地应力水平。3.2巷道断面及支护参数选取（1）巷道断面选择在巷道断面选择时，考虑到巷道围岩松散破碎，自承能力差的特点，选择受力状态较好的直墙半圆拱形断面。同时，考虑到设备运输和通风的要求并预留一定的巷道变形量，设计六区5-3N一片工作面回风巷、运输巷断面巷宽分别为4.5m、5.0m，墙高均为1.2m，净断面积分别为13.35m2和15.81m2。 （2) 支护形式与参数选取巷道选用全断面锚索支护、底板锚索注浆与破碎围岩体注浆加固相结合的围岩综合支护与加固技术进行维护。1）顶板及两帮支护巷道顶板及两帮锚索选用直径为f22mm，119股的高强度低松弛预应力钢绞线，锚索长度按照松动圈理论公式（式1）计算确定。经计算锚索长度L=6.9m，取7.0m。锚索托板采用规格为300mm300mm16mm的高强度可调心拱形托板。锚索孔直径为30mm，采用两支规格为K25120的低粘度树脂药卷进行锚固。 （式1）式中：L-锚索长度，m；-锚索锚入稳定岩层的深度，m；取1.0m；-锚索外露长度，m，取0.3m；松动圈深度，m。根据测试结果：红庙六区松动圈深度为2.6-2.8m，取H=2.8m；安全系数，取k=2.0。锚索间排距根据巷道支护的悬吊理论公式（式2）进行确定。经计算，锚索间排距=1.035m。为保证支护效果，取锚索间排距=0.8m。所有锚索均垂直于巷道表面打设。设计要求锚索初始预紧力为120200kN之间。 （式2）式中：锚杆（索）的间排距，m；锚杆（索）设计锚固力，t；-岩石容重，t/m3巷道顶板及两帮铺设钢筋网护表，钢筋网采用f6.5mm的钢筋焊接而成，网孔规格不大于100100mm。巷道开挖后及时喷射厚度不低于150mm的混凝土。2）底板支护巷道底板采用锚索组进行注浆加固。锚索组选用规格为直径f17.8mm，长度8500mm的钢绞线制作而成，3根一组制作成多极鼠笼型，并配有导向帽。在锚索组锚入底板后对锚索孔进行注浆。底板铺设4001200mm的11#矿用工字钢底梁，在底梁上放置三孔锚索大托板，然后对锚索组分别进行单独张拉。底板锚索孔呈五花布置，排距2.5m，每排12个孔，孔深8.0m,孔径80mm。单根钢绞线张拉力120KN。注浆材料选用水泥-水玻璃双液浆，注浆压力控制在2.03.0MPa。3）注浆加固由于巷道围岩破碎松散，自承能力弱，为改善围岩性质，提高围岩的自承能力，特对围岩进行注浆加固。选用水泥-水玻璃双液浆进行注浆，注浆孔排距3.0m，每排布置5个深度为6.0m的注浆孔。注浆管为直径16mm，长度3.0m的钢管或铝塑管。水泥浆液的水灰比控制在（0.650.9）：1，水玻璃浓度一般在30Be左右,水泥浆与水玻璃之比为1:（0.10.15）。注浆压力23MPa。3.3支护成果分析掘进期间，回风巷两帮移近量累计79mm，顶底板移近量149mm，其中顶板下沉量43mm，底鼓量106mm。运输巷两帮移近量55mm，顶底板移近量82mm，其中顶板下沉量45mm，底鼓量37mm。两巷整体收敛率均小于5%。六区5-3N一片工作面回采期间，受动压影响，巷道变形量有明显增加，以回风巷变形量最为显著。在距回采工作面5m位置时，回风顺槽两帮移近量445mm，顶板下沉量150mm，累计底鼓量540mm，有效抵抗了回采动压影响，取得了良好的支护效果，大大减小巷道维修量，基本实现了六区工作面顺槽巷道的一次支护。4 经济效益分析（1）初始支护材料成本增加六区工作面顺槽巷道原支护形式为“锚网索+U型钢棚”联合支护，回风巷和运输巷支护材料成本分别为3421.4元/m和3798.3元/m，采用“全断面锚索支护+注浆加固”的支护方式后，平均支护费用分别为7807.8元/m和8246.6元/m，回风巷和运输巷分别增加初始支护材料费用4386.4元/m和4448.3元/m。按回风巷长度550m，运输巷长度495m计算，工作面两巷初始支护增加材料成本461.4万元。（2）综合维护费用降低原支护形式下，工作面顺槽巷道服务期间至少需要套修3次。以六区5-1N二片工作面为例，在回采期间，工作面两巷共占用3支掘进队，共248人进行了为期5个月的起底套修工作。严重巷道段返修次数最高达到8次，平均套修次数为3次。采用新型全断面锚索支护和注浆加固后，巷道服务期间基本没有套修工作。分别节省套修材料费用815.1万元，人工费用723.3万元，节约综合维护费用超过1500万元。（3 )原煤生产效率提高原支护条件下，六区工作面平均单产6万吨/月，新支护条件下，减少了巷道维护工作量，平均月产达到15万吨以上，大大提高了原煤生产效率。考虑到吨煤成本、销售费用，平均每月提高经济效益1060.2万元。（4）资源回收率提高以六区5-1N二片工作面为例，由于巷道变形量大，为保证生产安全，在工作面距设计终采线180m时提前撤出，丢弃了大量的资源。采用新的支护形式，将多回收原煤26万吨，创造经济效益约3000万元。5 结 语红庙煤矿六区工作面顺槽巷道采用全断面锚索支护、底板锚索注浆与破碎围岩体注浆加固相结合的方式，实现了对巷道围岩变形破坏的有效控制，成功抵抗了巷道服务期间各种矿压显现，杜绝了矿井六区采准巷道回采期间需要反复维修的状况，取得了显著的技术经济效益。同时，该支护技术的应用，为平庄矿区软岩支护技术发展探索了新的方向，具有广泛的推广应用价值。参考文献：1伍永平，于水，高喜才，等.深部软岩煤巷底鼓控制技术J.煤炭科学技术，2012，40（6）：5-7，65.2范明建.浅谈煤矿软岩巷道支护技术C/采矿工程学新论北京开采所研究生论文集C.北京：煤炭工业出版社，2005：273-278.3林健，范明建，司林坡，等.近距离采空区下松软破碎煤层巷道锚杆锚索支护技术研究J.煤矿开采，2010（04）：45-62.4康红普，王金华，林健.煤矿巷道支护应用实例分析J.岩石力学与工程学报， 2010，29（4）：649-664.5范明建.锚杆预应力与巷道支护效果的关系研究D.北京：煤炭科学研究总院，2007：7879.6董方庭，宋宏伟， 郭志宏，等.巷道围岩松动圈支护理论J.煤炭学报，1994（1）：21-32.7宋宏伟，郭志宏，周荣章，等.围岩松动圈巷道支护理论的基本观点J.建井技术，1994（4、5）：3-98康红普.软岩巷道底鼓机理及防治M.北京：煤炭工业出版社，1993.