武月江

（西山煤电集团有限责任公司西曲矿， 山西 太原 030053）

引言

随着煤矿机械化程度的不断提升及综采技术的广泛应用，当前矿井采掘深度不断增加，对矿井采掘生产工艺提出了更高的要求。在煤矿生产中，能否有效控制巷道围岩应力，在一定程度上影响着煤矿开采安全。如果巷道围岩应力超出其支护强度，则会使巷道围岩处在不稳定的状态，容易出现底鼓、片帮、冒顶等问题，威胁工作面生产安全[1]。常规锚杆支护方法无法满足煤矿深部巷道的生产、通风要求，应对中空注浆锚索支护进行有效应用。

1 中空注浆锚索支护技术

中空注浆锚索支护是将锚索组合起来，用钻机将锚索打入钻孔，并进行注浆，通过注浆锚索的孔，少部分浆液进入到围岩的裂隙之中，而大部分进入到更深部的围岩裂缝中。注浆段浆液凝固之后，对锚索施加预应力，并用托盘等锁具将外锚固段锁紧[2-3]。采取点载荷形式，将应力转化为面载荷，并在更广阔的支护物结构面上均匀分布，被支护体受到的挤压也更加均匀。围岩在预应力的影响下应力状态得到了明显的改善，抗变形破坏的性能得到了有效提高。相比较于普通锚杆支护方法，中空注浆锚索支护技术可以使浆液完全充满巷道围岩裂隙，有利于提高围岩体的强度，并能有效控制围岩体的变形，同时也使深部围岩胶结变成一个整体，实现了围岩自稳能力的提高。

2 28306 工作面概况

西曲矿位于太原西山煤田北缘，设计生产能力为400 万t/年，煤层倾角3°～15°，平均5°左右，现主要开采煤层8 号、9 号，矿井面积为15.7 km2。28306工作面现主要开采太原组8 号煤层，煤层平均厚度3.9 m。工作面总走向长度为8.5 km，其中倾斜工作面长度为4.7 km。其顶底板类型如下：老顶，主要成分为细砂岩，平均厚度为4.32 m，岩层主要为深灰色，中间夹杂植物根部化石，硬度较大，质地相对紧密；直接顶，主要成分为泥岩，平均厚度为1.60 m，岩层主要为黑灰色，中间夹杂植物根部化石，且已变成碳化体，分布相对均匀；直接底，主要成分为砂质泥岩，平均厚度为1.45 m，岩层主要为深灰色，中间夹杂芦木化石，硅质胶结状态。探测结果发现，该煤层工作面中包含一些平均落差为10 m 的大中型断层，是影响生产效率的主要因素。对断层进行探测发现，主要为正断层，开采时容易出现斜滑、相对位移问题。同时，该煤层工作面已经进入深部巷道开采阶段，为保障安全生产、高效生产，应确保支护的稳定性、合理性、高效性。

3 中空注浆锚索支护在矿井深部巷道的应用

3.1 方案对比

为确定支护方法的合理性，采用FLAC3D 软件，分析、比较中空注浆锚索支护、普通锚杆支护两种不同支护方法对深部巷道的支护效果。根据该煤层工作面深部巷道的实际情况建立模型，高度、长度、宽度分别为60 m、60 m、50 m。同时，根据该煤矿的地质条件，设置岩层参数，具体见表1、表2。两种支护方法对应深部巷道的破坏情况如图1 所示。

图1 中空注浆锚索与普通锚杆支护下巷道破坏情况

表1 中空注浆锚索支护方法的岩层参数

表2 普通锚杆支护方法的岩层参数

对中空注浆锚索支护、普通锚杆支护两种不同支护方法对巷道围岩的控制效果进行对比分析，得出如下结论：在开采前期，两种支护方法均可以确保深部巷道的稳定性、平衡性。但在开采过程中，普通锚杆逐渐失去着力点，使得巷道两帮出现严重的变形；采取中空注浆锚索支护方法，通过进行注浆，实现了巷道稳定性的整体改善，可有效控制围岩变形；采取普通锚杆支护方法时，深部巷道出现严重的垂直应力集中现象，最大应力可达到20 MPa。集中系数高达1.89，水平应力的集中系数可以达到2.4。采取中空注浆锚索支护方法，可以有效减轻应力集中现象，且可减少应力值。综上，西曲矿煤层工作面深部巷道采用普通锚杆支护方法，不能满足开采、运输、通风的要求，故应选择中空注浆锚索支护方法。

3.2 总体设计

在考虑地质条件的基础上，选择中空注浆锚索支护方法对改煤层工作面的深部巷道进行支护。锚索的长度8 000 mm、直径22mm、排距1 500 mm、间距1 300 mm。同时配置正方形铁托盘，尺寸为250 mm×250 mm。为保障支护效果，应将凝胶时间控制在2 min 左右，并要将锚固剂的固化时间控制在7 min 以下。

3.3 施工流程

中空注浆锚索支护的施工流程如下：

1）打孔。根据3.1 支护方案设计中锚索、锚杆的设计位置，在煤层工作面顶板、两帮进行打孔，施工人员应按照按照操作规范要求，对钻孔的方向、深度进行控制，严格控制锚索的排距1 500 mm、间距1 300 mm，误差允许范围为±80 mm。

2）制备浆料。采用PO.42.5R 硅酸盐、水、ACZ-Ⅰ/Ⅱ型水泥注浆添加剂制作浆料，三者的比例为10∶7∶0.7。锚固剂搅拌均匀后，静置1 h。

3）注浆。打孔完成后，对煤矸石进行清理，确保无杂物后，进行注浆。注浆压力为2~5 MPa。注浆过程中，应注意预防注浆孔堵塞问题，采用风筒胶、棉丝对喇叭口状的钻孔进行处理，以预防漏浆问题。需要注意的是，为确保支护效果，应合理选择注浆时机。在考虑地质条件的基础上，对围岩的应变率进行计算，确定从巷道开挖的第18 天开始进行注浆作业。

4 中空注浆锚索支护在矿井深部巷道的应用效果评估

4.1 巷道变形

对中空注浆锚索支护、普通锚杆支护两种不同支护方法下该煤层工作面深部巷道顶板、两帮的位移情况进行监测。与普通锚杆支护方法相比，采取中空注浆锚索支护方法，可有效降低深部巷道顶板、两帮的位移量。具体来说，普通锚杆支护方法下顶板最大位移量为210 mm，中空注浆锚索支护方法下降至90 mm；普通锚杆支护方法下两帮最大位移量为385 mm，中空注浆锚索支护方法下降至195 mm。

4.2 围岩应力变化

对中空注浆锚索支护、普通锚杆支护两种不同支护方法下该煤层工作面深部巷道围岩应力参数进行比较，结果如下：

1）细砂岩。中空注浆锚索支护方法下内摩擦角为28.08°，内聚力为16.90 MPa；普通锚杆支护方法下内摩擦角为21.6°，内聚力为13.0 MPa。

2）粉砂岩。中空注浆锚索支护方法下内摩擦角为37.50°，内聚力为16.30 MPa；普通锚杆支护方法下内摩擦角为29.0°，内聚力为12.5 MPa。

3）泥岩。中空注浆锚索支护方法下内摩擦角为29.44°，内聚力为7.98 MPa；普通锚杆支护方法下内摩擦角为20.3°，内聚力为5.7 MPa。

4）砂质泥岩。中空注浆锚索支护方法下内摩擦角为31.67°，内聚力为10.80 MPa；普通锚杆支护方法下内摩擦角为22.7°，内聚力为8.7 MPa。

相比较于普通锚杆支护方法，中空注浆锚索支护下巷道围岩的内摩擦角、内聚力的数值更大。煤矿深部巷道中采取中空注浆锚索支护方法，可有效控制围岩状态。

5 结语

煤矿深部巷道的支护效果，对煤矿的开采效率、安全产生着直接的影响。普通锚杆支护方法已经无法满足煤矿深部巷道开采、运输、通风等方面的要求。因此，可选择中空注浆锚索支护方法对深部巷道进行支护。本研究经过实验发现，煤矿深部巷道采用中空注浆锚索支护方法，可有效控制巷道变形问题及围岩应力状态，对于提高煤矿开采效率、保证矿井的安全开采具有重要意义。