浅谈沿小煤柱掘进注浆锚索支护技术的应用.pdf

第 1 期2022 年 8 月铁法科技采矿工程1工程概述1.1巷道与煤层关系东二 1504 运顺所掘煤层为 15 煤层，复合煤层。煤层厚度最大为 2.20m，最小为 1.49m，平均厚度 1.79m。煤类主要为不粘煤，长焰煤次之，煤质较好，煤层稳定。15 煤层上覆为 14 煤层,层间距平均33.74m。14 煤层最大厚度为 1.45m，最小为 0.82m，平均为 1.14m。下伏 16 煤层，层间距平均 37.78m，最大厚度为 1.50m，最小为 0.82m，平均为 1.13m。煤层自燃倾向性等级为类自燃煤层。1.2相邻巷道关系东二 1504 运顺东侧有东二 1502 采空区，煤柱间距平均 7m，对掘进施工有影响。2注浆锚索2.1注浆锚索结构与组成注浆锚索由注浆螺栓、注浆锚索锁具、注浆锚索托盘、注浆锚索外部杆体、注浆锚索内部注浆管、注浆孔、止浆垫组成（图 1）。图 1 注浆锚索结构图2.2锚索注浆锚索采用规格为 椎21.84200mm 的中空型锚索，锚索直径为 21.8mm，长度 4200mm，安装孔径 42mm、28mm。锚索孔深度为 39004000mm，锚固剂采用 Z2370 型锚固剂 1 支，锚索注入后外露长度不得超过 300mm，托盘采用钢板制作规格为300mm300mm10mm。2.3注浆、喷浆材料喷浆材料选用 425#普通硅酸盐水泥、中粗砂、粒径小于 15mm 碎石，配比 1：2：2，速凝剂用量为水泥用量 4%。喷浆含中粗砂的混凝土强度不小于C20。浅谈沿小煤柱掘进注浆锚索支护技术的应用大隆矿赵磊童帅秦龙杨茂奎摘要煤矿巷道沿小煤柱掘进时，受小煤柱的应力集中、尤其受采动压的影响后，巷道位移量较大，采用常规的锚杆、锚索、金属网进行支护，效果不理想，后期需要复修加固，综合投入大。大隆矿在东二 1504运顺采用注浆锚索支护技术对小煤柱加固，有效地控制小煤柱的位移量，效果显著。关键词小煤柱注浆锚索支护技术掘进窑窑35第 1 期2022 年 8 月铁法科技注浆液选用水固比 0.52:1 的复合可控水泥浆液锚索注浆。固料为水泥和灌浆剂的总和，灌浆剂占固料的 8%；设计选用 Po52.5 级普通硅酸盐水泥，占固料的 92；以 50kg 水泥为例计算如下：灌浆剂用量：50kg/92%=54.35kg；水的用量：54.35kg0.52=28.26kg。2.4主要设备MQTB70/1.7 型锚杆钻机或 ZQS-65/1.4 风煤钻，用于打锚索孔及安装锚索。钻头：锚索孔钻头采用 椎42mm、椎28mm 的合金钻头。注浆泵：采用 ZBY50/7-11 型风动注浆泵，出浆量 60L/min；输出力 7MPa；额定功率 11kW；重量420kg；外形尺寸 1.01.00.98m。水泥浆搅拌机：采用 YBPB-11/6-2/4 型搅拌设备。3支护原理3.1锚索锚索采用端锚锚固在煤柱帮中，配用锚索托盘及锁具，将松动围岩与稳定岩体紧密连结为一体，对围岩施加预应力作用来稳固围岩。3.2喷浆喷浆及时封闭围岩，一是为了防止注浆时浆液渗漏，二是提高围岩强度，混凝土以较高的速度注入张开的节理裂隙，产生如同石墙灰缝一样的黏结作用，从而提高了岩体的粘结力和内摩擦角，也就是提高了围岩的强度，同时也能防止因水和风化作用造成的围岩破坏、剥落。三是能改善围岩应力状态，增加围岩的稳定性。喷射混凝土能填平围岩表面，消除因岩面不平引起的应力集中现象。一方面，由于喷射层粘结强度大且较薄具有一定柔性，可随围岩紧密地连结在一起共同作用，在围岩变形中可以有效提供支护反力，抑制围岩产生过大的变形，防止围岩松动破碎。另一方面，喷射的混凝土使围岩的粘结力和抗剪切强度足以抵抗围岩的局部破坏，喷浆层与围岩间形成组合拱结构，使松动围岩间相互咬合结构保持平衡。3.3注浆注浆锚索通过注入浆液让索体与孔壁间充满混凝土，待浆液凝固后，使锚索锁体与围岩形成一个整体，从以往端头锚固转变为锚索全长锚固，注浆后索体与凝固的水泥浆形成钢筋混凝土结构，提高了支护性能、改善支护效果，同时注浆锚索通过进行注浆，使浆液对孔内部的围岩裂隙进行灌注填充，固结内部围岩，增强围岩强度。浆液对孔隙填充隔绝了空气与煤的接触，也起到了防止瓦斯与煤炭自燃的作用。4施工工艺注浆锚索施工工序：施工注浆锚索眼孔安装锚固剂、注注浆锚索安装止浆塞安装托盘、锁具锁固锚索喷浆注浆4.1注浆锚索施工方法锚索施工在钢带空且与巷道煤壁垂直，距顶板14001600mm，排距 1800mm。使用锚杆钻机或风煤钻施工注浆锚索孔。施工时先使用 椎42 钎头施工3m，然后再使用 椎28 钎头施工 9001000mm，锚索孔打完后配用 Z23701 支锚固剂注入注浆锚索，待锚固剂凝固后安装止浆塞并上托盘、锁具锁固锚索，锚索外露在 200300mm 之间，预紧力不小于50kN，锚固力不小于 100kN。4.2喷浆施工方法1）对施工注浆锚索的巷帮进行喷浆作业。2）喷浆施工工艺流程：施工前准备（敲帮问顶、检查喷浆机等）安全确认先给风后给水上料、喷浆喷浆结束，先停水后停风现场标准化。3）喷射前必须清洗巷帮，喷射要均匀，喷浆质窑窑36第 1 期2022 年 8 月铁法科技量要求喷严、喷平，不得有孔洞和裂隙。4）喷射手要控制好水灰比，喷浆厚度不小于50mm。4.3注浆锚索注浆1）锚索注浆前，打开注浆螺栓，将连接变头与锚索尾部拧紧，连接变头与高压胶管连接可靠，上好 U 型销，并在锚索上重新安设一个锁头作为二次保护固捆绑的固定点，高压胶管头与注浆锚索之间需要用 10#铁线进行捆绑固定形成二次保护，在两个锁头中间固定二次保护的另一端。或者使用二次保护卡箍将锚索外端与注浆浆高压胶管固定形成二次保护，检查高压胶管与注浆泵连接是否畅通，高压胶管与各类截止阀之间用双股 10#铁线形成有效二次保护后方可开始注浆。2）连接注浆管路、注浆泵、进行配浆、注浆，注浆压力达到了 8MPa，则该注浆锚索可定位注浆结束。3）注浆完成后，将注浆器从注浆锚索末端取下，上紧注浆螺栓封闭锚索末端注浆孔。5使用效果与分析5.1注浆锚索支护效果（1）巷道在施工注浆锚索后，使破碎围岩有效的结合成为一个整体，大幅提高了巷道围岩的整体支护强度。采用 CXK12A 矿用钻孔成像仪对孔内注浆效果进行观察。注浆前后对比详见图 2。（2）通过对巷道施工注浆锚索工艺，使巷道围岩整体结构稳定，加强了围岩本身支护强度；同时提高了巷道施工速度和工作效率；降低了巷道施工中的安全隐患问题。（3）在注浆锚索施工完毕的初期，由于注入的浆液还未完全固化，围岩还会继续出现少量的变形，当浆液完全固化后顶底板的位移量几乎为零，说明巷道围岩基本稳定，围岩位移量不会继续变大，围岩稳定性明显增强，在施工后两周内顶、底板位移只有 5mm 左右，两帮移进量只有 10mm 左右，两周后围岩基本没有位移量，这说明注浆锚索的效果起到了作用。围岩观测详见图 3。图 3 围岩观测5.2注浆锚索支护技术成本大隆矿东二 1503 回顺工作面同样延小煤柱掘进，在巷道施工过程中，巷道两帮变形严重，不仅面临帮顶支护问题，还需要重新进行开帮拉底工作，额外增加了巷道施工成本。东二 1503 回顺复修时，需要开帮 600800mm 宽、拉底 200300mm 深，需要投入的人工成本 660 元/m，开帮支护成本 263 元/m。全图 2 注浆前后对比注浆前注浆后顶、底板位移量两帮位移量窑窑37第一作者简介：徐爱国（1971-），男，高级工程师。2011年毕业于辽宁科技学院煤矿开采专业，现任大强煤矿综维队主任工程师。联系电话：[phone]。首先水平应力与巷道方位平行时对巷道影响最小，巷道顶板较稳定；其次水平应力与巷道掘进方位垂直时对巷道影响最大，对巷道顶板稳定较差；第三水平应力与巷道有一定斜交角度时，一侧出现应力集中另一侧应力释放，集中的一侧应力影响较大，另一侧则较小。围岩强度较低，水平应力会造成顶板破坏的范围在不断加深，即破坏范围向顶板深部逐渐转移。5结论与建议5.1结论最大主应力的方位角在 177.45182.64，应力值大小在 34.8539.38MPa，倾角在-10.9710.48。中间主应力的方位角集中在 63.2669.07，应力值大小在 22.9826.38MPa；最小主应力的方位角在 91.1996.68，应力值为 16.6221.30MPa。经计算水平应力是垂直应力的 1.411.59 倍，实测最大水平主应力为最小水平主应力的 1.852.11 倍。5.2建议在矿井巷道支护设计、冲击地压防治工作中，巷道的掘进方位尽可能与最大水平应力的方位一致，可以消减水平地应力对掘进井巷的破坏。当水平应力大，垂直应力小时，动力现象可能加大，可以对动力区预测，划分为较重危险性区域，加强巷道支护。随着开采的深度加深岩体地应力加大，地应力叠加产生集中区，地应力集中是冲击动力破坏的根源，建议在矿山压力显现严重区布置应力监测传感器，掌握应力集中的动态过程和应力集中程度，为防冲工作提供科学依据。（上接第 17 页）第 1 期2022 年 8 月铁法科技第一作者简介：赵磊（1983-），男，工程师。2011 年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，现任大隆矿综掘一队主任工程师。联系电话：[phone]。长 2200m 的巷道投入复修人工成本 145.2 万元，支护成本为 57.86 万元，共计 203.06 万元。采用注浆锚索支护技术的巷道，不仅围岩移进量小，支护安全系数高，同时为巷道施工及维护节省了极大成本。6总结通过采用注浆锚索支护技术在大隆矿东二1504 运顺工作面的实际应用，对小煤柱进行喷浆注浆锚固支护，解决了小煤柱因受采动影响导致巷道变形严重及采空区积水、瓦斯等制约的生产难题，保证了工作面安全生产。为将来遇到类似情况提供宝贵经验。窑窑38