金能煤業(yè)2號煤松動圈測試及應用

任澤明

（霍州煤電集團金能煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 035100）

由于巷道的開挖，煤巖體中的應力狀態(tài)發(fā)生改變，導致巷道周邊的應力重新分布，部分區(qū)域產(chǎn)生應力集中。如果煤巖體強度較低，受應力集中的影響會發(fā)生變形破壞，并在巷道周邊形成一定范圍的松動圈。根據(jù)巷道松動圈的大小可以對巷道圍巖進行分類，指導巷道支護設計［1-4］。為加快掘進速度并降低掘進成本，金能煤業(yè)東翼集中回風巷布置在2 號煤中，由于服務年限較長，為保證巷道穩(wěn)定，對2 號煤圍巖的松動圈進行了測試。基于測試結(jié)果，采用高強錨桿和注漿錨索聯(lián)合支護方式控制巷道圍巖變形，取得了較好的效果。

1 工程概況

霍州煤電集團金能煤業(yè)有限公司東翼集中回風上山為礦井回風大巷，設計長度1 306 m，地面標高+1 382～+1 450，開口底板標高為+919.5 m，巷道沿2 號煤底板掘進，煤層厚度及頂?shù)装鍘r性見圖1。

圖1 2號煤層頂?shù)装鍘r性

金能煤業(yè)屬低瓦斯礦井，礦井絕對瓦斯涌出量0.11 m3/min，掘進工作面絕對瓦斯涌出量0.06 m3/min，2 號煤具有爆炸危險性，自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬自燃煤層。

根據(jù)巖石力學參數(shù)測試結(jié)果，2 號煤層的強度較低，單軸抗壓強度為5.7 MPa左右，頂板泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，自然條件下單軸抗壓強度為37 MPa，層狀分布，整體性較差。

為保證礦井的回風，集中回風上山的規(guī)格為5.5 m×4.8 m（寬×高），斷面為直墻半圓拱形。

2 松動圈測定

2.1 測定方法

目前國內(nèi)外松動圈測試的主要方法有聲波法、鉆孔窺視法、位移計法和地震波法等［5-6］。結(jié)合金能煤業(yè)的設備情況和實際地質(zhì)條件，確定2 號煤采用單孔聲波法測試。

聲波法測試的實質(zhì)是利用超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度來測定圍巖的破壞情況。根據(jù)彈塑性理論，超聲波在不同介質(zhì)中的波速計算見式（1）：

式中：Vp為縱波傳播速度；Vs為橫波傳播速度；E為傳播介質(zhì)的彈性模量；μ為傳播介質(zhì)的泊松比；ρ為傳播介質(zhì)的密度。

由上式可以看出，超聲波的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量、泊松比和密度有關，而這些參數(shù)也是強度的影響因素。因此，不同的傳播速度可間接反映其內(nèi)部的破壞情況，從而確定松動圈的大小。

2.2 測點布置

采用BA-Ⅱ型松動圈測定儀，共布置4 個測點，測點間距為20 m，每個測點布置三個測孔，分別位于巷道正中以及巷道兩幫處，共計12 個測孔。鉆孔方位垂直于巷道，采用Φ42 mm 的鉆頭打孔，孔深不小于4 m，為防止卡壞探頭，全部采用濕式打眼方式。

成孔后，首先用水將鉆孔進行沖洗，然后將提前預熱的探頭用推桿伸至孔底，同時用膠皮管向鉆孔中注水，并逐漸向外拉出探頭，拉伸過程中每隔200 mm 讀數(shù)一次，直至全部拉出。

2.3 測定結(jié)果

對測得的數(shù)據(jù)進行整理，修正剔除異常數(shù)據(jù)，得到不同測孔中的超聲波速度變化情況。各個測點的波速變化規(guī)律基本一致，與鉆孔深度呈近似正比例關系，但在某一點速度會發(fā)生較大波動，該點的深度即為圍巖松動圈的邊界。測試結(jié)果表明，3 號測點處的圍巖松動圈最大，其三個測孔的結(jié)果見圖2。

圖2 三號測點測試結(jié)果

由圖2 可以看出，三號測點位于巷道中部頂板的2 號測孔的松動圈范圍最大，為2.4 m。巷道兩幫松動圈的范圍相對較小，但也在2 m 以上。根據(jù)圍巖松動圈理論可知，金能煤業(yè)2 號煤圍巖屬于不穩(wěn)定圍巖，巷道變形相對劇烈，應適當加大支護強度。

3 巷道支護設計

3.1 控制原則

針對金能煤業(yè)2號煤松動圈范圍大、圍巖不穩(wěn)定的實際情況，特提出以下控制對策：

（1）采用強力錨桿索支護

以錨桿支護為主，采用高強度錨桿及支護構(gòu)件，提高支護系統(tǒng)的支護能力，配合錨索支護，將上覆巖層錨固為完整的預應力承載結(jié)構(gòu)，減少頂板的下沉。

（2）提高圍巖的自承能力

由于2 號煤的松動圈深度超過2 m，最大為2.4 m，超過了錨桿錨固的深度，采用單純的錨桿支護難以取得理想的支護效果。為此，應當采用注漿等措施，在提高圍巖承載能力的同時，將錨桿索等支護體與圍巖結(jié)合到一起，同時封閉圍巖中的裂隙，保證頂板的穩(wěn)定。

綜合分析，決定采用高強錨桿和中空注漿錨索聯(lián)合支護的方式控制圍巖的變形。

3.2 支護設計

與普通錨索相比，中空注漿錨索采用籠型中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有注漿管，在采用常規(guī)的錨固劑錨固后可以注入水泥漿液，實現(xiàn)全長錨固，在膠結(jié)破碎圍巖的同時進一步提高其支護強度，支護效果更好。

以中空注漿錨索和高強錨桿為主的支護設計見圖3。

圖3 中空注漿錨索支護方案

錨桿為BHRB500 高強螺紋鋼制作，規(guī)格為Φ22 mm×2 400 mm，其屈服強度為500 MPa，拉斷載荷為254.7 kN，每根錨桿配CK2335 和CK2360 樹脂藥卷各一卷，排距為900 mm，每個斷面布置錨桿17 根。

錨索采用Φ21.6 mm×7 300 mm 的鋼絞線制作，每根錨索采用四根K2360 樹脂藥卷錨固，每個斷面布置5 根，位置見圖3，排距為900 mm。

3.3 主要注漿參數(shù)

（1）注漿壓力

中空注漿錨索的注漿壓力為5～7 MPa，一般不得小于4.5 MPa，最大不得超過8 MPa。注漿管路為專用高壓注漿管，內(nèi)徑8 mm，外徑11 mm。

（2）鉆孔孔徑

為方便注漿錨索施工，錨索鉆孔采用Φ30 鉆頭，鉆孔深度為7 000 mm。

（3）封孔方式

采用化學材料封孔，將孔口以里400 mm 的錨索用棉紗纏繞，待樹脂錨固劑凝固后，利用專用吸管吸取適量的化學材料，然后注入到棉紗中，化學材料發(fā)生膨化反應，將鉆孔封住。

錨索注漿施工結(jié)束后對巷道進行噴漿封閉，初噴結(jié)束2 h后進行復噴，兩次噴漿累計厚度不得小于120 mm。

3.4 施工工藝

中空注漿錨索在按常規(guī)錨索的安裝方式錨固后，需要進行注漿，其施工的流程見圖4。

圖4 中空注漿錨索施工流程

3.5 現(xiàn)場應用效果

該集中回風巷自2019年10月15日開始施工，從開口以里30 m 開始設置測點，對巷道表面位移進行觀測，其中3 號測點位于開口以里130 m處，自2019年11月10日開始觀測，其觀測結(jié)果見圖5。

圖5 巷道表面位移觀測結(jié)果

由觀測結(jié)果可以看出，集中回風巷的變形比較平緩，施工31 d后巷道變形基本穩(wěn)定，頂板最大下沉量為120 mm，兩幫最大移近量為98 mm，變形量較小，對生產(chǎn)無影響，中空注漿錨索取得了較好的支護效果。

4 結(jié)論

1）金能煤業(yè)2 號煤的頂板最大松動圈范圍為2.4 m，兩幫松動圈最大值超過2.0 m，屬于不穩(wěn)定圍巖。

2）金能煤業(yè)集中回風巷采用高強錨桿和中空注漿錨索聯(lián)合支護的方式，巷道表面位移小，最大頂板下沉量為120 mm，兩幫最大移近量為98 mm，支護效果較好，可為類似條件下的巷道支護提供參考。