软岩支护技术在下石节煤应用

陕西彬长矿业集团胡家河矿业公司 任军产

软岩支护技术在下石节煤应用

陕西彬长矿业集团胡家河矿业公司 任军产

下石节煤矿隶属于陕西省铜川矿务局焦平矿区，主采煤系为4-2#煤层，是一个年产180万吨的国有重点高产高效矿井.其井筒开拓方式为三条斜井中央并列式开拓，三条主井筒围岩以泥岩、根土岩和炭质泥岩、花斑泥岩、粉沙岩及砂质泥岩为主，其厚度达10m以上，极为破碎，团块状结构，遇水及易膨胀，易冒落。每年因井筒的维修耗费大量的人力、财力，而且极大的制约着通风安全及生产。

软岩支护技术将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体的强度，使巷道围岩保持稳定而不易产生破坏。此项技术的推广应用，取得良好的社会经济效益。

软岩 支护技术 应用

下石节煤矿由于以往三条主井筒大多都采用以砌碹为主的被动支护形式，这种支护形式基本不具备初阻力，只是在围岩变形后，随着围岩变形的增加，支护阻力随之增大，由于围岩变形后，支护阻力急速上升，造成碹帽变形破坏，常出现巷道底臌、帮臌、局部碹帽下沉、出现尖顶、平顶现象，且碹帽被挤压破碎。在软岩巷道内采用砌碹支护，巷道返修率高，资金投入量大，平均每2～3年就得返碹维修一次。严重影响矿井通风安全及生产，且由于反复维修，使碹帽顶部软岩多次松动、脱层、离层，局部冒顶区在一次次的维修中，顶板软岩不断跨落，而冒顶顶部没有好的办法充填、接顶，使风井围岩的松动圈不断扩大，巷道顶部跨落自然拱加高加宽，最高处达10m以上，最宽处达6m左右，。这些都给以后巷道维修带来了很大困难。

局矿多方考察研究，确定在下石节煤矿风井进行软岩支护试验，即锚注支护试验，大力推进锚注技术和管理创新，深挖潜力，强化管理，认真组织职工学习，现场实习操作，并重新购买了两台喷浆机、两台注浆泵，增加施工队伍，使锚注支护这一新技术在下石节矿迅速应用推广。

一、锚注支护概述

软岩动压巷道是煤矿巷道支护的难点，它的特点是围岩破裂范围大且围岩变形量大。为扩大锚杆支护的范围，近几年来我国煤矿在软岩动压巷道中曾多次试验锚喷支护、可拉伸锚杆、全长锚固锚杆、组合锚杆、桁架锚杆及高强度树脂锚杆，但软岩巷道的破裂区通常宽达2～3m，单纯使用锚杆或组合锚杆，使破裂区完全处于受压状态而形成平衡拱是较难实现的。利用锚杆兼做注浆管，实现外注内锚，是扩大锚杆在软岩动压巷道中使用范围的一项新的途径。

对于节理裂隙发育的软岩，注浆可改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，封闭裂隙阻止水对岩体侵蚀，使岩体强度显着提高。注浆加固还可为锚杆提供可靠的着力基础，使锚杆对松散围岩的锚固作用得以发挥。但是注浆只能在围岩的一定深度进行，软岩巷道围岩表面往往破裂，形成了一定宽度的破裂层，所以注浆无法在围岩表面进行，还需与锚喷支护共同维持巷道围岩周边的稳定。因此，采取锚喷与注浆相结合的方法，使锚喷和注浆各自的范围得到扩展，大大提高对软岩的支护效果，扩大了锚杆的使用范围。

二、锚注支护施工工艺

（一）、锚注施工工艺确定

在下石节煤矿采用锚注支护工艺施工过程中，开始采用的施工工艺为：临时架棚加固原碹体—破碹、扩帮、挑顶至设计断面—打锚杆、挂网、打锚索—安装注浆锚杆—喷浆（≮50mm）—注浆—复喷。

但这种施工工艺在施工中存在问题较多：a、打眼使用的风动钻机，带水作业时，软岩遇水后迅速膨胀、风化、脱落且频繁出现夹钎现象。B、采用挂菱形金属网，网孔小，在以前锚喷巷道中使用，效果不好，很容易出现网包、离层。C、破除碹体后，再生伪顶很不稳定，锚杆还未打完就会自行跨落下来，跨落高度为2～3m。

这些原因都严重影响着施工的正常进行，后经各部门共同研究，并总结经验教训，制定了切实可行的措施、办法和施工工艺,使锚注施工顺利开展进行。现锚注支护施工工艺过程为：

临时架棚加固原碹体—破除碹体顶部碹帽—清渣、初喷（50mm）—打顶部锚杆—破除原碹体两帮墙体并初喷（50mm）—打两帮锚杆—在锚杆上挂纵横钢丝绳或金属网形成组合锚杆—复喷（至巷道成形规整)—打注浆锚杆孔—安装注浆锚杆—注浆。

1、临时架棚加固原碹体：即在原碹体施工正头架棚加固,棚距750mm。

2、破除碹体顶部碹帽、清渣、初喷50mm厚：即在破除原碹体顶部碹帽后，一边清渣，一边喷浆50mm厚，作为临时支护，浆液配合比为水泥：沙子：石子=1：2：2（重量比）。

3、打顶部锚杆：即在初喷50mm厚的喷体上打锚杆，锚杆采用Φ20mm的螺纹钢加工，锚杆长2250mm，锚杆布置间排距为750×750mm。

4、破除原碹体两帮墙体、初喷50mm厚，打两帮部锚杆：即在把顶板控制后，再破除两巷帮墙体，初喷50mm厚，再在喷体上打两帮部锚杆，锚杆规格及间排距同上，两帮最下面一排锚杆（即底角锚杆）要有30~45度的下扎角。

5、在锚杆上挂纵横钢丝绳：即用废旧钢丝绳纵横固定在锚杆上，并用鼓形托板将钢丝绳拉紧、压实，鼓形托板规格为：120*120*10mm的铁托板。

6、复喷100mm厚：即喷浆直至将锚杆外露部分、钢丝绳覆盖严，并喷浆至巷道成形规整，因此喷浆最大厚度可达500mm。

7、打注浆锚杆孔、安装注浆锚杆：即滞后施工正头10m开始打注浆锚杆，注浆锚杆长1.5m，用4分有缝钢管加工，注浆锚杆布置间排距为1500*1500mm；安装注浆锚杆封孔采用空心式快硬膨胀水泥药卷。规格：长250mm，其外径为38mm，内径为23mm。

8、注浆：注浆材料选用煤矿常用的525#硅酸盐水泥，考虑到风井花斑泥岩有遇水崩解泥化的倾向，因此，风井锚注加固时必须控制好水泥浆液的水灰比，减少非饱和水的含量，则水灰比取0.75：1。注浆压力定为3～4Mpa。根据我矿做的注浆记录，每孔最大注浆量为2吨。平均每孔注浆量为500kg。注浆系统由：注浆泵、主干软管、快速连接头、三通阀异径连接头、截止阀等组成。

（二）、注浆锚杆及注浆

注浆锚杆由锚杆杆体、托板等部分组成。锚杆杆体为4分空心钢管，分为注浆段、锚固段和尾部的螺纹段，在注浆段上钻有交叉分布的注浆孔,锚固段的外面为快硬、高强的水泥锚固剂，其前部为挡环。

锚注支护的关键技术是注浆锚杆与钻孔岩壁之间的密封。要求密封方法既有良好的密封性，能提供足够的抵抗注浆压力的能力，又具有简便、快捷、低廉等优点。试验采用圆环体状快硬、高强的密封锚固卷，密封锚固卷长度可按围岩的裂隙发育程度和注浆压力大小随意调节。这种方法不仅结构简单，操作方便，成本低廉，由于密封锚固卷密封长度较长且随意调节，可有效防止高压浆液从岩体裂隙向巷道空间外泄，而且密封锚固卷巧妙地将密封与锚固融为一体，不仅实现了“锚注一体化”，而且实现了“锚封一体化”，密封效果十分理想。

三、支护机理分析

锚注支护是以适应软岩变形特征的先柔后刚的支护形式，先通过锚喷的组合拱原理，形成一个松散的组合拱以达到允许一定变形及卸压的作用，在通过对围岩的注浆加固获取足够的岩体强度来抗拒围岩的变形，达到巷道围岩的稳定。

围岩注浆的主要作用：

1、注浆后浆液将松散破碎的围岩胶结成整体,即把原岩体内存在的裂隙注入高强度浆液后形成强筋骨，从而提高了岩体自身强度,有效地改变岩体的力学物理性质，实现利用围岩本身作为支护结构的一部分,充分调动围岩的自承能力。

2、采用注浆锚杆注浆，可以利用浆液封堵围岩裂隙,隔绝空气，防止围岩风化，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度，提高围岩的稳定性。

3、利用注浆锚杆注浆充填围岩裂隙，配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱，锚杆压缩组合拱及浆液扩散加固拱，从而扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力。

4、注浆加固后能使普通端锚固实现全长锚固，从而提高了锚杆的锚固性和可靠性，保证了支护结构的稳定，且注浆锚杆的本身为全长锚固锚杆，他们共同将多层组合拱连成一个整体，共同承载，提高了支护结构的整体性。

5、注浆后使得作用在拱顶上的压力能有效的传递到墙，通过对墙的加固，又能把载荷传递到底板，同时由于组合拱厚度的加大，这样又能减少作用在底板上的载荷集中度，有利于减少底板岩石中的压力，减轻底臌，从而提高了支护结构的承载能力，扩大支护结构的适应性。

四、施工设备（按一个施工点进行配备）

序号 设备名称 设备型号 单位 数量1 风钻 YT-24 台 2 2 风镐 台 2 3 喷浆机 ZHP-70 台 1 4 注浆机 QZB-50/6 台 1

五、锚注支护效果分析

自下石节矿采用锚注支护加固以来，同时对锚注段巷道进行了矿压观测，根据观测结果液压枕读数为零、测力锚杆读数变化不大可知：注浆后围岩的可锚性明显提高，提高幅度在18.65%～264%之间，且巷道基本无变化，围岩位移最大为2～3mm。

六、锚注支护社会经济效益分析

虽然每米巷道支护成本比现有砌碹支护高，但避免了巷道反复修复的恶性循环，从长远分析各项费用也明显降低。为下石节矿软岩巷道支护提供了新途径，也为扩大锚杆支护的应用范围、降低巷道支护成本，减轻工人劳动强度找到了一种新方法。已有的锚注支护实验结果表明，该项技术在铜川焦坪矿区具有广阔的应用前景，必将取得显着的社会经济效益。

七、注浆锚杆的技术管理

锚注支护四分技术六分管理，管理不到位则技术不可能指导生产，由于锚注支护隐蔽工程的特殊性，因此技术管理尤为重要。

1、组合锚杆安装

锚杆间排距按设计要求，挂绳要直、紧、规范，锚杆眼深与锚杆配套，并且垂直于围岩表面，安装锚杆应保证树脂的搅拌时间，并上紧托盘。

2、喷射混凝土：

（1）喷射混凝土应尽量作到厚度均匀，并满足参数要求，杜绝漏喷、毛喷现象，以防止注浆时漏浆跑浆影响施工；

（2）喷射混凝土所用材料的标号、规格、材质，配比应符合设计要求，并混合均匀，保证喷层强度；

（3）喷浆手要正确掌握好喷浆头与岩帮、顶的距离和喷头方向、以保证材料消耗并达到预定喷层的强度要求；

（4）喷浆后24小时的养护必须认真实施，以保证混凝土的强度及防止脱水龟裂的出现，影响注浆效果；

3、注浆作业

（1）要保证注浆锚杆孔的设计间排距，并要求垂直与岩面，底角注浆锚杆下扎30～45度，要严格控制孔深，使其与注浆锚杆长度配套；

（2）使用快硬水泥药卷应按规程作业，严格控制浸泡水时间，并保证夯实以满足注浆压力要求；

（3）浆液配比、水灰比和注浆终压应满足设计要求；

（4）开机前应检查喷层和管路，检查阀门是否完全开启，管路接头要牢靠、严密、有效；

（5）注浆作业应组成专门正规队伍，注浆机械由专人负责，有专人监督压力表，注浆要加强信号联系，保证注、停及时，反应快速；

（6）遇到漏、跑浆时，可暂停注浆，采取措施封堵漏浆处，过30分钟后即可再注；

（7）注浆的空口阀应在注浆后6小时拆除，可在第二班进行，拆下的阀门要及时清洗干净，然后抹上机油备用；

（8）每班注浆完毕，要及时清洗注浆泵及其管路、及时维护；

八、体会：

1、采用锚注支护技术在空间及时间上允许采用交叉平行作业，为快速维修巷道奠定了基础，大大提高了巷道施工进度；

2、对修复巷道采用锚注支护技术，简化了修复工序，降低了劳动强度，减少了修复工程量，为高应力软岩巷道找到了一条安全快捷的修复方式；

3、采用锚注支护技术，将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体的强度，使巷道保持稳定而不易产生破坏；

4、利用注浆充填围岩裂隙，配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，极大的提高了支护结构的整体性和围岩的自身承载能力；

5、将锚注支护技术应用于高应力软岩巷道，为解决类似条件下巷道支护问题提供了先进技术，也为下石节矿软岩巷道支护指明了方向；

6、通过在下石节矿锚注支护试验中，平均每孔注浆量为500kg，可以肯定采用锚注支护技术是很适合该矿软岩巷道支护的一种先进形式。锚注支护技术，已在下石节矿迅速推广应用，并将取得良好的社会经济效益。