新型錨固材料控制巷道底鼓技術研究

景 賀

（晉能控股晉城煤炭事業部宏圣建筑工程有限公司,山西 晉城 048000）

1 工程概況

在軟巖巷道中，巷道底板受到水的弱化作用容易發生底鼓現象。采用小孔徑錨索錨固是一種解決巷道底鼓行之有效的方法[1]。東大煤礦8-20中央進風大巷位于3號煤層下部18～23 m，巷道布置層位主要為砂質泥巖和細粒砂巖。含水層主要為太原組含水層，由砂巖組成，內部裂隙為主含水空間。中央進風大巷同時受到開采擾動影響，巷道圍巖變形嚴重。另外，巷道在局部存在大量積水，導致巷道底板底鼓嚴重，影響巷道進風量，威脅到井內的通風安全。因此在巷道底鼓嚴重段開展采用小孔徑錨索錨固底板巷道的技術研究。

在錨固過程中，鉆孔不可避免的有水存在，水對樹脂錨固劑的錨固性能影響很大，不僅影響錨索的初錨固力，而且還會導致后期錨固力的衰減。另外，底板水會對錨固段的錨索進行腐蝕作用，嚴重影響錨索后期的錨固力。導致錨索錨固治理底板效果較差[2-3]。因此，深入研究底板小孔徑錨索的錨固機理，采用高強度、耐水性、耐腐蝕性的底板錨索錨固材料對巷道底板小孔徑錨索錨固具有重要意義。

2 巷道底鼓控制關鍵技術

2.1 錨索錨固原理

目前國內外底板錨索錨固絕大部分采用大孔徑錨固，但是大孔徑錨固施工速度慢、成孔效率低、攪拌效果差。而小孔徑錨索具有較強的柔韌性、施工方便、錨固深度大、可施加較大預緊力等特點，其在煤礦行業的應用越來越廣泛[4]。

一般認為，錨固類結構存在2個界面，錨桿（索）與錨固劑之間的界面稱為第1界面；錨固劑與圍巖之間的界面稱為第2界面；錨固單元受力后，在這2種界面上產生剪應力，荷載通過它們才能傳遞到穩定地層中。巷道底板錨索錨固示意圖如圖1所示。第1界面與第2界面之間的錨固劑對錨索錨固效果起到至關重要的作用，錨固劑固化后的密實程度以及強度大小能夠影響剪應力的傳遞過程。巷道底板錨索錨固過程從上到下可分為外漏段、自由段和錨固段，由于鉆孔積水以及底板含水層的存在，錨固劑受到水的影響，錨固效果會很大削弱。另外，鉆孔積水長期侵蝕鉆孔壁，導致鉆孔壁附近圍巖強度出現弱化。因此，對于含水較多巷道底板控制，需要解決錨固材料與水的不兼容問題，研究錨固材料遇水后的強度特性以及耐腐蝕性。

圖1 巷道底板錨索錨固示意圖

2.2 新型錨固材料

不同于常見的樹脂錨固劑（K235），小孔徑錨索錨固所采用的錨固劑為高強無收縮無機錨固材料，其主要成分為特種水泥、鋁酸鹽水泥、細骨料、外加劑等。

外加劑主要由硅灰、偏高嶺土、礦粉和聚丙烯纖維素組成，可以有效提高錨固材料固化后的密實程度和強度。另外，能夠消除錨固材料在固化過程中產生的離析現象。外加劑各成分的配比對錨固材料固化強度影響很大，經過試驗分析得到了最優的外加劑材料配比。

經試驗分析，水灰比為0.4時，錨固材料性能最佳。硅灰、礦粉、偏高嶺土、聚丙烯纖維素各占錨固原材料的1.5%、0.1%、12%、0.05%時錨固材料固化體性能最佳。錨固材料固化體抗壓強度達到65.75 MPa，體積膨脹率為3.24%。初期錨固材料固化體強度和體積增長速度較快，后期逐漸趨于穩定。

2? .3 錨固推進過程分析

錨桿（索）作為煤礦井下主要的主動支護手段，能夠有效加固巷道圍巖強度，改善巷道變形、冒頂、片幫、底鼓等情況。在安裝錨桿時，所用的攪拌扭矩、轉速以及推力是評價錨固效果的重要指標，合理的扭矩、轉速以及推力是實現錨桿（索）攪拌安裝時快速、高效的前提。

研究采用的新型錨固材料在錨固推進過程中具有一定的優勢。將新型錨固材料與普通的樹脂錨固劑對比分析，在錨固長度相同的情況下使用新型錨固劑其攪拌推力、扭矩相比于相同條件下樹脂錨固劑的攪拌推力、扭矩的值要小，新型錨固劑相對于樹脂錨固劑更易攪拌推進，這是由于樹脂錨固劑粘稠度較大，攪拌推進時錨索受到較大的阻力，新型錨固劑和易性較好，攪拌阻力較小。另外，使用新型錨固劑錨固時，錨索與錨固劑、錨固劑和孔壁結合較為緊密，錨固材料固化效果好，因此，錨索錨固效果較好、錨固力強。

3 工業性試驗

3.1 錨索錨固力監測

在中央進風大巷底鼓較為嚴重的一段巷道進行工業性試驗，通過布置測站監測底板錨索錨固力以及巷道底鼓量，巷道總施工量200 mm，在巷道中布置3個測點，編號為1、2、3號，相鄰2個測站間距為50 m。

根據設計在每個測站分別對用樹脂錨固劑和新型錨固劑（直徑為22 mm，長度為350 mm）錨固的錨索進行錨固力拉拔試驗，具體步驟如下：

1）首先使用底板鉆機在巷道底板鉆打錨索鉆孔，鉆孔直徑為28 mm。

2）分別將樹脂錨固劑和新型錨固劑塞入鉆孔，保證錨固長度均為1 000 mm。

3）將錨固劑攪拌均勻錨固。待錨固1 d后進行錨索拉拔試驗。

得到的錨索錨固力對比統計表如表1所示。

表1 錨索錨固力對比統計表

從表1中可以看出，當使用新型錨固材料進行錨固時，3個測站錨索拉拔力平均值為315 kN。而使用樹脂錨固劑進行錨固時錨索拉拔力均值為294 kN，由此可知看出新型錨固材料能提供更高的錨固力。

3.2 巷道支護返修設計

采用新型錨固劑對中央進風大巷底鼓嚴重段進行返修，巷道斷面支護設計圖如圖2所示。具體參數如下：

圖2 巷道斷面支護設計圖

1）錨桿采用φ22 mm×2 600 mm高強錨桿，錨桿間排距600 mm×600 mm。

2）頂部錨索采用φ17.8 mm×7 500 mm，巷道頂部錨索間排距1 000 mm×1 400 mm，巷道底板錨索間采用φ17.8 mm×5 200 mm，間排距為900 mm×1 000 mm。

3）錨盤貼緊巖面，螺絲緊固，錨桿外露10～40 mm；錨索外露長度150～250 mm。

4）巷道兩幫和頂部錨桿、錨索與巷道輪廓線的夾角不小于75°；巷道底板錨索與巷道輪廓線的夾角成90°。

5）眼孔直徑不大于錨桿、錨索直徑10 mm。

6）眼孔深度不大于錨桿、錨索有效桿體50 mm。

7）鋼笆網鋪設平整，壓茬不小于50 mm，并用12號鐵絲雙道連接，每200 mm一道。

對巷道底板變形量進行監測，監測結果如圖3所示。

圖3 巷道底板變形監測曲線圖

采用新型錨固劑進行巷道底板錨索支護，有效解決了巷道底鼓問題，從圖3中可以看出在返修維護20 d左右巷道圍巖位移趨于穩定，巷道底鼓量最大位移量控制在100 mm以下。

4 結論

1）東大煤礦中央進風大巷受巷道積水影響底鼓現象較為嚴重，采用傳統的錨索錨固治理底板，錨固劑受到水的影響，錨固效果會很大削弱。另外，鉆孔積水長期侵蝕鉆孔壁，導致鉆孔壁附近圍巖強度出現弱化。

2）研制出的新型錨固材料解決與水的不兼容問題。當水灰比為0.4時，錨固材料性能最佳。硅灰、礦粉、偏高嶺土、聚丙烯纖維素各占錨固原材料的1.5%、0.1%、12%、0.05%時錨固材料固化體性能最佳。錨固材料固化體抗壓強度達到65.75 MPa，體積膨脹率為3.24%。

3）研究采用的新型錨固材料在錨固推進過程中具有一定的優勢。其攪拌推力、扭矩相比相同條件下樹脂錨固劑要小，使用新型錨固劑錨固時，錨索與錨固劑、錨固劑和孔壁結合較為緊密，錨固材料固化效果好，通過工業性試驗。采用新型錨固劑進行巷道底板錨索支護，有效解決了巷道底鼓問題，巷道底鼓最大位移量控制在100 mm以下。