关于端锚式注浆锚杆的应用

　　艾友煤矿主采煤层为上、下两层,厚度均为4m。两主采煤层之间夹石层的平均厚度为1.5m,上煤层已采空,回采下煤层,由于作为下层煤顶板的夹石层薄且裂隙发育,虽然采用U型钢支架以及U型钢支架与喷射混凝土联合支护。但是,在向上邻近采空区隅角处仍然严重漏风、且发生过火灾,顶板有冒落危险。如巷道掘进后不久,表面喷层开裂,重新返修巷道,耗费大量人力、物力和财力,也给工作面准备和接续工作带来困难,影响正常生产。

　　为了保证矿井安全生产和矿工的人身安全,应隔离上面邻近采空区隅角处易发生火灾区。寻求有效的巷道支护方式,防止向采空区隅角处漏风,消除事故隐患。

　　1支护方式的确定

　　经过方案对比,确定采用端锚式注浆锚杆支护,封堵裂隙,加固顶板,提高围岩强度。

　　1.1端锚式注浆锚杆

　　端锚式注浆锚杆由端锚式锚头,注浆锚杆杆体,隔离架,封水套,凸形托盘等部分组成。锚头材料为阻燃塑料,其结构由空心锥锥体锚芯和四瓣式胀壳组成,安装时,使胀壳膨胀顶住孔壁,起到锚固作用。为了适应不同的围岩条件,设计了4种形式的胀壳,即光壁式,正台阶锯齿形,倒台价锯齿形和V形台阶。注浆锚杆杆体用加厚钢管焊接而成,管长根据现场情况而定,外径21.4mm,内径15mm,注浆段长0.5m,外露长度60～80mm,外露部分加工成M22普通螺纹,注浆段钻有若干交叉射浆孔。

　　1.2支护机理

　　由于围岩裂隙比较发育,巷道开挖后围岩产生松动,导致强度降低。经过锚杆注浆加固后,围岩强度等力学性能得到改善和提高,使巷道围岩胶结成拱形连续体加固圈;注浆锚杆又起到悬吊、挤压、楔固等作用,使巷道围岩沿径向挤压的围岩压力转换成切向压力,防止围岩松动范围进一步扩展,从而使巷道径向应力减小到仅用较小支护阻力就能维护围岩长期处于稳定状态。

　　锚注支护巷道的作用:(1)采用端锚式注浆锚杆,可以利用浆液封堵围岩的裂隙,隔绝空气,起到防、灭火作用,并且能防止围岩被水浸湿而本身强度降低;(2)注浆后将松散的岩石胶结成整体,可以增大岩体的内聚力和内摩擦角,提高岩体的强度,实现利用岩体作为支护结构的一部分;(3)注浆使锚杆由端头锚固改变为全长锚固,锚杆与围岩形成一个整体,充分发挥锚杆的作用,形成有效的组合拱。

　　2锚注支护施工工艺

　　2.1注浆锚杆布置

　　根据现场的实际情况,锚杆长度1.2m,锚固力60kN/根,支护强度120～130kN/m2。

　　工作面运输巷锚注支护断面布置5根锚杆,顶板锚杆排距1.2m;备用断面布置4根锚杆,顶板锚杆间距1.0m;锚注支护断面与备用断面间隔布置,间距(锚杆间距)1.0m(图1和图2)。

　　工作面回风巷锚注支护断面布置4根锚杆,顶板锚杆排距1.2m;备用断面布置3根锚杆,顶板锚杆间距1.0m,锚注支护断面与备用断面间隔布置,锚杆间距1.0m。如果有火情危险时,可利用备用断面锚杆对巷道进行注浆(图3和图4)。

　　2.2注浆材料和工艺参数

　　注浆浆液用用粘土浆和粘土水泥浆,粘土浆配比:水∶膨润土为1.5∶1;粘土水泥浆配比:水∶膨润土∶水泥为1.3∶1∶0.2;注浆压力3MPa,浆液扩散半径1.0m,每孔浆液注入量30～50L。

　　2.3锚注支护施工

　　首先钻注浆锚杆孔,孔径42～43mm;孔深1.12～1.15m,成孔后将装配好的锚杆送至孔底,用捣紧筒冲紧锚头,拧紧托盘。

　　锚注支护施工工序:打注浆锚杆孔-安装注浆锚杆-注帮部锚孔-注顶部锚孔。

　　注浆采用由下向上、左右交替作业方式,备用断面的注浆锚杆可供补注浆,局部2次注浆或灌注阻化剂灭火。每米巷道锚杆费用及注浆材料消耗见表1:

　　表1每米巷道锚杆费用及注浆材料消耗

　　巷 道

　　名 称 锚杆数

　　/根 锚杆费用

　　/元 粘土浆膨润土用量/kg 粘土水泥浆原材料用量/kg

　　 膨润土 水泥

　　工作面运输巷 5.625 118.125 108 108 22

　　工作面回风巷 4.375 91.875 84 84 17

　　注:锚杆单价21元(不含紧固螺母和托盘)

　　2.4技术经济效果分析

　　采用端锚式注浆锚杆共施工工作面运输巷和回风巷130m,巷道锚注试验段两帮位移量为25.3～49mm;巷道非锚注试验段两帮位移量达116mm以上,是前者的2.4～5.5倍,非锚注段顶板下沉量达52mm以上,是锚注段顶板下沉量3～12mm的几倍或十几倍。锚注加固后,巷道围岩的物理力学性能得到很大程度的改善,单轴抗压强度由29.0～30.8MPa增加到51.7～72.6MPa,提高0.77～1.44倍;抗拉强度由1.2～2.31MPa增加到1.59～3.05MPa,提高0.32～0.61倍;围岩内聚力由2.89MPa增加到6.94～14.45MPa,提高1.4～4.0倍;内摩擦角由26.9°增大到31.5°～41.9°,提高4.6°～15°;静弹性模量由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。工作面产量与未采用端锚式注浆锚杆支护前相比,由平均月产量5～7万吨提高了10.2万吨,创该矿投产以来的最高纪录。

　　3结语

　　采用端锚式注浆锚杆注浆加固巷道围岩,不仅能够提高破碎顶帮的整体强度,增加围岩自身的承载力,而且注浆浆液充填压密裂隙,可防止漏风,避免发火,并具有堵水作用。

　　实践表明,端锚式注浆锚杆注浆加固节理化围岩技术的经济效果显著,具有较好的推广应用价值。