大倾角煤层沿空掘巷锚注支护技术研究

文/朱世奎（淮北矿业股份有限公司）

煤炭是一种不可再生资源，为了节约能源及提高煤炭回采率，矿井布置回采巷道时多采用沿空掘巷技术，但随着煤层倾角的增大，沿空掘巷后巷道矿山压力显现剧烈，巷道变形量较大，极易发生片帮和冒顶等事故，给煤炭资源安全开采带来严峻挑战。

近年来，众多学者针对不同条件下沿空掘巷围岩变形破坏机理和稳定性控制技术等方面展开了深入的研究，取得了丰硕的成果。基于此，本文以桃园矿II1044 风巷为工程背景，在分析大倾角沿空巷道变形破坏机理的基础上，提出针对性的巷道支护技术，为矿井的安全高效生产提供有力的保障。

一、工程地质概况

桃园煤矿位于淮北平原中部，区内地势平坦，大多为农田，采区范围内地面标高+23.0～+25.0m。II4 采区位于桃园煤矿补3 线北100m 至F2 断层，浅部以-520m 为界，深部至-800m 水平。采区走向长约2200m，倾斜宽约900～1500m，面积约2.5km。

Ⅱ1044 工作面位于Ⅱ4 采区二阶段，为该采区的第二工作面，上区段为Ⅱ1042 工作面，左与Ⅱ2 采区相邻，右至京沪铁路保护煤柱。该工作面10 煤层属二叠系山西组，煤层厚为2.5～4.3m，局部含有一层夹矸，厚0～0.4m，平均0.2m；煤层倾角28°～44°，平均38°，煤层顶板为泥岩或细砂岩，底板为泥岩。Ⅱ1044 风巷采用沿空掘巷方式掘进，锚网支护，锚杆型号为GM20/2400-490高强螺纹钢锚杆，每根锚杆2 卷MSZ2550 型树脂药卷，钢筋网规格为2500mm×1000mm 或1900mm×1000mm，网格150mm×150mm。

二、巷道变形破坏机理分析

1. 围岩应力高

围岩应力是巷道围岩变形破坏的根源。由于Ⅱ1044风巷受Ⅱ1042 工作面和即将回采的Ⅱ1044 工作面采动压力影响，巷道围岩应力较高。在高围岩应力的作用下，巷道产生较大变形，严重影响巷道正常使用。

2. 煤层倾角大及沿空掘巷布置方式

一方面，Ⅱ1044 工作面煤层倾角为28°～44°，平均为38°，煤层倾角较大，Ⅱ1044 风巷采取沿煤层顶板布置的方式，断面呈斜梯形状，巷道围岩在梯形尖角处更易产生应力集中，掘巷期间梯形尖角处煤壁易片帮；另一方面，Ⅱ1044 风巷采用沿空掘巷方式掘进，煤柱一侧不仅经受了上区段工作面回采的强动压影响，还会受到本次巷道掘进的二次影响，进一步加大了巷道的支护难度。

3. 围岩的体积膨胀特性

大量岩石力学试验结果表明，无论是在低围压还是高围压情况下，岩石在破坏后均会出现较大的体积膨胀，即在残余强度阶段，即使不增加载荷，体积也会不断增大，其峰后体积应变比峰值前一般大1～2 个数量级。因此，Ⅱ1044 风巷围岩变形破坏后会产生明显的体积膨胀现象，增加了巷道变形量。

三、巷道支护方案设计

由于Ⅱ1044 风巷在梯形尖角处极易产生应力集中，开挖后围岩自稳能力差，易诱发煤壁片帮，因此，本文提出了以“三维立体注浆”为核心的大倾角煤层沿空掘巷围岩控制技术，即在掘巷前利用注浆锚索对巷道断面梯形尖角处围岩进行超前注浆预控制，巷道掘出后，采用“锚网索喷注”对巷道围岩整体加固，使支护结构和注浆后的围岩形成一个整体承载结构，维持巷道的长期稳定。

1. 超前注浆支护

超前注浆时，首先施工超前注浆钻孔，孔深12m，外插角5°，仰角2°，距巷道壁300mm，距巷帮最高点700mm，排距9000mm，具体位置如图1 所示。然后在注浆孔中置入Φ22mm×12250mm 的注浆锚索，外露250mm。

图1 注浆锚索超前注浆示意图

2.“锚网索喷注”联合支护

巷道掘出后，设计采用“锚网索喷注”对巷道进行整体加固，以维持巷道的长期稳定性，其支护结构如图2 所示。锚杆采用GM20/2400-490 高强螺纹钢锚杆，每孔采用两节MSZ2550 树脂药卷锚固剂，锚杆预紧力不小于300Nm，锚固力不小于80kN。每排螺纹钢锚杆在横向采用钢筋梯子梁连接，为增加煤壁稳定性，对巷道右帮从上往下数第二排螺纹钢锚杆沿巷道轴线方向挂M 型钢带。锚索由螺旋肋钢绞线组成，其中顶板锚索规格为Φ17.8mm×6300mm，每个断面3 根，煤柱一侧帮部锚索规格为Φ17.8mm×4000mm，每个断面1 根。注浆锚杆选用规格为Φ25mm×2500mm 的高强螺纹钢中空注浆锚杆，破断力≥15t，杆体上顺序钻有Φ6mm 出浆孔，封孔采用快硬水泥药卷。

图2 Ⅱ1044 回风巷支护断面图

主要注浆参数：水泥采用425#普通硅酸盐水泥，浆液水灰比为0.7∶1～1∶1。为了增加水泥浆液的和易性、流动性、微膨胀性，提高水泥浆液的结石率和锚注岩体的强度，采用ACZ-1 型水泥添加剂，用量为水泥重量的4%～6%。超前注浆的注浆压力为6.0～8.0MPa，单孔注浆时间为1000～1200s。注浆锚杆的注浆压力为2.0～3.0MPa，注浆时间为250～400s。

四、现场观测

1.锚杆受力监测结果分析

在Ⅱ1044 风巷试验段随机拉拔了5 根锚杆，每根锚杆的锚固力均在85kN 以上，表明锚固效果良好。

2.巷道表面位移监测结果分析

在Ⅱ1044 风巷布置了2 个巷道表面位移监测断面，监测结果如图3 所示，从图中可以看出，监测期间巷道两帮移近量最大值为142mm，顶底板移近量最大值为158mm，且在40 天后巷道变形趋于稳定，说明设计的支护方案有效地控制了巷道围岩的变形，保持了巷道的长期稳定，满足了工作面的安全回采要求。

图3 巷道围岩表面位移监测结果

五、结语

针对大倾角煤层沿空掘巷巷道支护难题，通过对桃园矿Ⅱ1044 风巷采取“超前注浆+锚网索喷注”的三维立体注浆支护技术后，巷道围岩变形量和变形速度得到了有效控制，满足了工作面的回采要求，为煤矿的安全高效生产提供了有力的保障。