端錨式注漿錨桿的應(yīng)用研究

   艾友煤礦主采煤層為上、下兩層,厚度均為4m。兩主采煤層之間夾石層的平均厚度為1.5m,上煤層已采空,回采下煤層,由于作為下層煤頂板的夾石層薄且裂隙發(fā)育,雖然采用U型鋼支架以及U型鋼支架與噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)。但是,在向上鄰近采空區(qū)隅角處仍然嚴(yán)重漏風(fēng)、且發(fā)生過火災(zāi),頂板有冒落危險。如巷道掘進(jìn)后不久,表面噴層開裂,重新返修巷道,耗費大量人力、物力和財力,也給工作面準(zhǔn)備和接續(xù)工作帶來困難,影響正常生產(chǎn)。

　　為了保證礦井安全生產(chǎn)和礦工的人身安全,應(yīng)隔離上面鄰近采空區(qū)隅角處易發(fā)生火災(zāi)區(qū)。尋求有效的巷道支護(hù)方式,防止向采空區(qū)隅角處漏風(fēng),消除事故隱患。

　　1支護(hù)方式的確定

　　經(jīng)過方案對比,確定采用端錨式注漿錨桿支護(hù),封堵裂隙,加固頂板,提高圍巖強(qiáng)度。

　　1.1端錨式注漿錨桿

　　端錨式注漿錨桿由端錨式錨頭,注漿錨桿桿體,隔離架,封水套,凸形托盤等部分組成。錨頭材料為阻燃塑料,其結(jié)構(gòu)由空心錐錐體錨芯和四瓣式脹殼組成,安裝時,使脹殼膨脹頂住孔壁,起到錨固作用。為了適應(yīng)不同的圍巖條件,設(shè)計了4種形式的脹殼,即光壁式,正臺階鋸齒形,倒臺價鋸齒形和V形臺階。注漿錨桿桿體用加厚鋼管焊接而成,管長根據(jù)現(xiàn)場情況而定,外徑21.4mm,內(nèi)徑15mm,注漿段長0.5m,外露長度60～80mm,外露部分加工成M22普通螺紋,注漿段鉆有若干交叉射漿孔。

　　1.2支護(hù)機(jī)理

　　由于圍巖裂隙比較發(fā)育,巷道開挖后圍巖產(chǎn)生松動,導(dǎo)致強(qiáng)度降低。經(jīng)過錨桿注漿加固后,圍巖強(qiáng)度等力學(xué)性能得到改善和提高,使巷道圍巖膠結(jié)成拱形連續(xù)體加固圈;注漿錨桿又起到懸吊、擠壓、楔固等作用,使巷道圍巖沿徑向擠壓的圍巖壓力轉(zhuǎn)換成切向壓力,防止圍巖松動范圍進(jìn)一步擴(kuò)展,從而使巷道徑向應(yīng)力減小到僅用較小支護(hù)阻力就能維護(hù)圍巖長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

　　錨注支護(hù)巷道的作用:(1)采用端錨式注漿錨桿,可以利用漿液封堵圍巖的裂隙,隔絕空氣,起到防、滅火作用,并且能防止圍巖被水浸濕而本身強(qiáng)度降低;(2)注漿后將松散的巖石膠結(jié)成整體,可以增大巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角,提高巖體的強(qiáng)度,實現(xiàn)利用巖體作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分;(3)注漿使錨桿由端頭錨固改變?yōu)槿L錨固,錨桿與圍巖形成一個整體,充分發(fā)揮錨桿的作用,形成有效的組合拱。

　　2錨注支護(hù)施工工藝

　　2.1注漿錨桿布置

　　根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,錨桿長度1.2m,錨固力60kN/根,支護(hù)強(qiáng)度120～130kN/m2。

　　工作面運輸巷錨注支護(hù)斷面布置5根錨桿,頂板錨桿排距1.2m;備用斷面布置4根錨桿,頂板錨桿間距1.0m;錨注支護(hù)斷面與備用斷面間隔布置,間距(錨桿間距)1.0m(圖1和圖2)。

　　工作面回風(fēng)巷錨注支護(hù)斷面布置4根錨桿,頂板錨桿排距1.2m;備用斷面布置3根錨桿,頂板錨桿間距1.0m,錨注支護(hù)斷面與備用斷面間隔布置,錨桿間距1.0m。如果有火情危險時,可利用備用斷面錨桿對巷道進(jìn)行注漿(圖3和圖4)。

　　2.2注漿材料和工藝參數(shù)

　　注漿漿液用用粘土漿和粘土水泥漿,粘土漿配比:水∶膨潤土為1.5∶1;粘土水泥漿配比:水∶膨潤土∶水泥為1.3∶1∶0.2;注漿壓力3MPa,漿液擴(kuò)散半徑1.0m,每孔漿液注入量30～50L。

　　2.3錨注支護(hù)施工

　　首先鉆注漿錨桿孔,孔徑42～43mm;孔深1.12～1.15m,成孔后將裝配好的錨桿送至孔底,用搗緊筒沖緊錨頭,擰緊托盤。

　　錨注支護(hù)施工工序:打注漿錨桿孔-安裝注漿錨桿-注幫部錨孔-注頂部錨孔。

　　注漿采用由下向上、左右交替作業(yè)方式,備用斷面的注漿錨桿可供補(bǔ)注漿,局部2次注漿或灌注阻化劑滅火。每米巷道錨桿費用及注漿材料消耗見表1:

　　表1每米巷道錨桿費用及注漿材料消耗

　　巷 道

　　名 稱 錨桿數(shù)

　　/根 錨桿費用

　　/元 粘土漿膨潤土用量/kg 粘土水泥漿原材料用量/kg

　　 膨潤土 水泥

　　工作面運輸巷 5.625 118.125 108 108 22

　　工作面回風(fēng)巷 4.375 91.875 84 84 17

　　注:錨桿單價21元(不含緊固螺母和托盤)

　　2.4技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果分析

　　采用端錨式注漿錨桿共施工工作面運輸巷和回風(fēng)巷130m,巷道錨注試驗段兩幫位移量為25.3～49mm;巷道非錨注試驗段兩幫位移量達(dá)116mm以上,是前者的2.4～5.5倍,非錨注段頂板下沉量達(dá)52mm以上,是錨注段頂板下沉量3～12mm的幾倍或十幾倍。錨注加固后,巷道圍巖的物理力學(xué)性能得到很大程度的改善,單軸抗壓強(qiáng)度由29.0～30.8MPa增加到51.7～72.6MPa,提高0.77～1.44倍;抗拉強(qiáng)度由1.2～2.31MPa增加到1.59～3.05MPa,提高0.32～0.61倍;圍巖內(nèi)聚力由2.89MPa增加到6.94～14.45MPa,提高1.4～4.0倍;內(nèi)摩擦角由26.9°增大到31.5°～41.9°,提高4.6°～15°;靜彈性模量由23.5GPa增加到26.4～39.7GPa,提高0.12～0.69倍;松比由0.25～0.27降低到0.18～0.22。工作面產(chǎn)量與未采用端錨式注漿錨桿支護(hù)前相比,由平均月產(chǎn)量5～7萬噸提高了10.2萬噸,創(chuàng)該礦投產(chǎn)以來的最高紀(jì)錄。

　　3結(jié)語

　　采用端錨式注漿錨桿注漿加固巷道圍巖,不僅能夠提高破碎頂幫的整體強(qiáng)度,增加圍巖自身的承載力,而且注漿漿液充填壓密裂隙,可防止漏風(fēng),避免發(fā)火,并具有堵水作用。

　　實踐表明,端錨式注漿錨桿注漿加固節(jié)理化圍巖技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效果顯著,具有較好的推廣應(yīng)用價值。