赵庄煤业破碎巷帮锚索锚固力提高技术研究

时间：2024-07-28

刘许亭

（晋城煤业集团赵庄煤业，山西晋城 048000）

巷道围岩变形破坏问题在井工煤矿开采中普遍存在，原因复杂多样，而一次支护质量对于巷道围岩稳定性具有关键意义[1-2]。新掘进巷道围岩相对完整，为实施锚索支护的最佳时机，后期围岩出现变形破坏后，施工锚索会出现成孔困难、锚固力大幅衰减、受力状态改变等[3]。山西晋城地区主采3#煤层，多采用底抽巷预抽掩护回采巷道掘进，且抽放钻孔不进行回填处理，导致将来回采巷道掘进时巷帮遗留大量的空洞，一次支护十分困难[4]。以晋煤集团赵庄煤业1310工作面13102回采巷道为研究对象，以期提高锚索锚固力和一次支护效果。

1 工程背景

赵庄煤业一盘区开采3#煤层，1310工作面走向长度2860m，倾向长度220m，煤层厚度4.5m，采用一次采全高后退式采煤方法，布置13103巷、13101巷、13102巷3条顺槽，13102巷为下一1310工作面复用。13102巷与13101巷之间保护煤柱宽度55m，在保护煤柱下方提前掘进一条底抽巷，向13101巷和13102巷布置抽放钻孔进行预抽，掩护两条巷道掘进。如图1、图2所示。

图1 工作面巷道位置关系图

由于底抽巷瓦斯抽放钻孔密度大，平均间距1.5m，且采用水力冲孔，在13101巷南帮和13102巷北帮形成大量的空洞、破碎区，且赵庄煤业煤体酥软，掘进时采用5.4m长锚索，发现锚固困难，锚固力不足10MPa，严重影响一次支护质量。13101巷和13102巷后期将受强烈采动影响，尤其是13102巷将受两次采动影响，一次支护效果差，将会严重影响安全使用。

图2 底抽巷瓦斯抽放钻孔布置示意图

试验巷道为13102巷，宽5m，高4.5m，锚网索联合支护。顶板全锚索支护，锚索长8.4m，排距1200mm，每排5根，间距1150mm。帮部锚杆加锚索支护，锚杆长2.4m，排距1200mm，每排5根，间距950mm，锚索初始设计长度5.4m，排距1200mm，每排3根，间距1500mm。如图3所示。

图3 13102巷支护设计示意图

2 前期试验工作及解决思路

2.1 前期试验工作

前期采取了树脂加长锚固、加长锚索、孔口扩孔注浆加长锚固3种方法进行试验。

（1）树脂加长锚固。采用SKP22-1/1720-5400锚索，孔径Ф28mm，正常采用一支规格为MSK2335，一支规格为MSZ2360，现加长采用2～3支MSZ2360。共试验5根锚索，数据较为离散，平均锚固力12MPa，锚固力增长十分有限。

（2）加长锚索。采用5.4m、7.4m、8.4m、9.4m、10.4m共6种型号锚索，每种长度试验5根，发现8.4m锚索显著大于5.4m、7.4m锚索，但与9.4m、10.4m锚索差别不大，表明8.4m锚索较为合适。数据较为离散，平均锚固力15MPa，虽然比原5.4m锚索有明显提升，但仍不能满足“锚固力不低于25MPa”的要求。

（3）孔口扩孔注浆加长锚固。采用8.4m锚索，孔口采用Ф50mm钻头扩孔，利用扩孔段插管注浆，扩孔深度即为注浆加长锚固长度，如图4所示。试验孔口扩孔1m、2m、4m共3个长度，每种长度试验5根，发现随着注浆锚固长度增大，锚固力显著提高，当注浆锚固长度达到4m时，部分锚索锚固力甚至达到30MPa。但数据较为离散，分别为 12MPa、15MPa、26MPa、25MPa、31MPa。

图4 8.4m锚索孔口扩孔注浆加长锚固示意图

2.2 解决思路

上述试验发现，采用扩孔法注浆能够有效提高锚索锚固力，但都存在数据离散的问题。分析认为：

（1）浆圈厚度及摩擦力。锚索正常孔径Ф28mm，锚索直径Ф17.2mm，不论采用树脂锚固剂或者注浆材料，锚索与孔壁之间浆圈厚度约5～6mm，且煤体自身强度极低，在进行拉拔时，难以提供足够摩擦力，极容易拉脱。扩孔方式增大了浆圈厚度，提高了与煤壁之间摩擦力，提高了锚固效果。

（2）巷帮内部空洞随机分布。瓦斯抽放孔形成的空洞集中在煤帮中部和下部，平均间距1.5m。在施工试验锚索时，锚索随机打设，部分锚索受空洞影响极大，部分锚索不受影响，造成同种试验方式数据离散。必须首先对巷帮进行整体注浆。

因此，整体注浆提高巷帮内部完整性、扩孔加长锚固，是提高软煤锚索锚固力的有效方式。

但扩孔后树脂药卷直径与孔径不匹配，难以搅拌，不能采用树脂药卷加长锚固，需要改为注浆方式，注浆材料可以选用粘接性能优异的马丽散化学浆。同时，在孔口扩孔注浆锚固，会导致锚索有效张拉范围很小，采用孔底注浆加长锚固方式较为合理。

3 锚固力提高综合方案

3.1 注浆加固

每排4个钻孔，矩形布置。第1钻孔距离顶板0.5m，仰角5°；第2个钻孔距离第1个钻孔1.1m，仰角0°；第3个钻孔距离第2个钻孔1.1m，仰角0°；第4个钻孔距离第3个钻孔1.1m，仰角0°；孔深均为8m，孔径均为42mm，钻孔排距2m。钻孔布置如图5所示。

图5 注浆布置平面图

注浆材料采用双液注浆材料，约3min失去流动性，10～15min完全固化，可有效解决漏浆问题。2h强度10MPa以上，1d强度15MPa以上，可以实现注浆1个班后立即施工锚索。

注浆设备采用2ZBQ40/11气动注浆泵和QB200型搅拌桶。

3.2 全长扩孔孔底加长锚固

（1）钻孔施工。钻孔施工深度8.15m，整孔采用Ф50mm钻头替换原来的Ф28mm钻头。

（2）锚索安装。将8.4m锚索与1根铝塑管捆扎，在锚索上距离尾端4m位置缠绕棉纱，棉纱长度不小于200mm，整体送入孔内，棉纱用于阻隔浆液流出。如图6所示。

图6 全长扩孔孔底加长锚固示意图

（3）每个班集中安装锚索，最后集中注浆。注浆材料采用马丽散化学浆，通过铝塑管进行注浆，上压后即可停止。

（4）1d后，安装托盘锁具，张拉预紧，测试锚固力。

4 效果考察

（1）锚索安装滞后于注浆进行，每天2班安装锚索，半班注浆，半班张拉，每天约施工60根锚索。

（2）随机选取10根锚索进行拉拔试验，试验数据分别为：29MPa、28MPa、28MPa、32MPa、34MPa、29MPa、28MPa、29MPa、31MPa、33MPa。可以看出，10根试验锚索锚固力均达到要求，数据在28～34MPa之间，较为集中。说明注浆后巷帮内部比较完整、均质，锚索锚固力显著提高。

（3）13102巷为复用巷道，经历两次采动影响，以往巷帮锚索支护较差，两帮变形量在1200～2000mm，顶板下沉量500～1000mm，需要扩帮以满足通风需求，局部还需要挑顶，严重影响巷道安全使用和采掘衔接。而采用注浆加固和全长扩孔孔底加长锚固方式后，巷帮支护强度明显提高，两帮变形量降低到600～800mm，顶板下沉量控制在300mm以内，无需进行返修。