薄巖柱及斷層破碎帶巷道注漿加固支護技術研究

馬勇 胡安峰 王建軍

棗莊礦業(yè)集團高莊煤業(yè)有限公司 山東棗莊 277605

1 研究背景

回采工作面在掘進準備期間，在3下煤沿空掘進巷道的薄巖柱區(qū)、斷層破碎帶，采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)梯索支護非常困難。沖擊地壓礦井巷道嚴禁采用剛性支護，能否找到一種有效的支護方式就顯得尤為緊迫，開展了薄巖柱及斷層破碎帶巷道注漿加固支護技術研究。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 高預應力支護理論體系

針對復雜困難巷道支護難題，提出以應力場為主線，將原巖體、采動體與支護體有機結合為整體的研究思路，對巷道原巖應力場與采動應力場，圍巖變形與破壞特征及支護原理進行了深層次研究。

2.2 注漿錨索支護技術

利用高壓泵，把破碎圍巖的縫隙和孔體充實，利用漿液封堵圍巖裂隙，具有隔絕空氣、防止圍巖風化的作用，并且能防止圍巖被水侵蝕而降低圍巖的固有強度，提高煤巖體的自撐能力從而提高圍巖的整體性和其力學性能。

2.3 “雙網(wǎng)錨桁噴注”支護法

在近距離煤層開采條件下，下層巷道的圍巖條件發(fā)生較大變化，頂板產(chǎn)生一定的破壞，應力也隨著距離上層煤的距離發(fā)生增大或降低的變化。

3 具體研究方法

3.1 現(xiàn)場地質(zhì)力學測試

測試區(qū)域應力場在量值上屬于中等應力值區(qū)域，應力場類型以垂直應力為主，垂直應力在區(qū)域應力場中占優(yōu)勢，最大水平主應力為11.07MPa，最小水平主應力為6.08MPa，垂直應力為12.93MPa，最大水平主應力方向為N12.9°W，近似南北向。

3.2 礦壓顯現(xiàn)特征及圍巖變形機理

（1）深部巷道圍巖破碎分析。采深加大后巷道變形趨于嚴重，但由于巖性、布置、開采影響和開采形成的邊界條件不同，深部巷道變形破壞差異很大，同一深度上的巷道變形破壞情況本身就相差很大。（2）近距離煤層開采特點。煤層開采引起回采空間圍巖應力重新分布，導致回采空間周圍的煤柱上出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。煤柱上的集中應力將向底板深部巖層傳遞，導致下部煤層巷道變形和破壞十分嚴重。煤層開采后，引起上覆巖層垮落和變形，開采煤層底板巖(煤)層也會產(chǎn)生一定的卸壓變形和破壞，同時采場圍巖中應力重新分布，形成采場周圍的高應力和低應力區(qū)。（3）上部煤層開采后底板應力分布規(guī)律及破壞分析。近距離煤層采用單層逐層下行開采后，上部煤層工作面載荷、工作面支承壓力、采空區(qū)垮落矸石形成的載荷共同構成了下部煤層開采時的主要力源，而采空區(qū)垮落狀況又影響著煤柱載荷以及工作面支承壓力和采空區(qū)底板載荷。

3.3 巷道支護方法

（1）復雜困難巷道高強預應力支護原則。①及時、一次支護原則。錨桿錨索支護應盡量做到一次支護就能有效控制圍巖的變形與破壞。②高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關鍵因素，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。③“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度（加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度）、剛度（提高錨桿預應力、全長預應力錨固），降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度。④臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度與剛度，設計錨桿支護系統(tǒng)的強度與剛度應大于臨界值。⑤相互匹配原則。錨桿各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學性能應相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學性能應相互匹配。（2）桁架支護理論。桁架支護是根據(jù)巖體力學的基本原理，立足于發(fā)揮圍巖的自承力，改善圍巖與支架應力狀態(tài)的一種漲拉式支架結構。桁架支護屬于一種主動加固圍巖的支護形式。（3）注漿錨索支護技術。注漿錨索核心技術就是利用高壓泵，把破碎圍巖的縫隙和孔體充實，防止圍巖被水侵蝕而降低圍巖的固有強度，對出現(xiàn)松動的煤巖體產(chǎn)生粘結固化作用，提高圍巖的整體性和其力學性能。注漿充填圍巖裂隙，配合錨網(wǎng)支護，可以形成一個多層有效組合拱，即錨網(wǎng)組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴散加固拱，提高了支護結構的整體性和承載能力。注漿后在頂板上的垂直載荷能有效地傳遞至兩幫，通過對幫的加固，又能把荷載傳遞到底板。（4）“雙網(wǎng)錨桁噴注”支護法。近距離煤層條件下，困難巷道主要有兩種類型：一是，上層煤開采破壞的底板即下層巷道的頂板受采動影響發(fā)生破壞，巷道開挖在破壞范圍內(nèi)或者開挖形成的破壞區(qū)與上層煤采動形成的破壞區(qū)形成交叉，連在一起；二是，上層煤開采遺留的煤柱等在下部煤巖體中形成一定范圍的應力集中區(qū)，如若巷道開挖在應力增高區(qū)內(nèi)，則巷道的支護變得困難?！半p網(wǎng)錨桁噴注”支護法用于采空區(qū)下巷道的支護，改變之前傳統(tǒng)支護方法變形大、容易失穩(wěn)的狀況。在巷道淺部圍巖內(nèi)實行強力錨固，形成淺部一定程度自承載組合拱的整體穩(wěn)定結構。

雙網(wǎng)錨桁噴注支護法

3.4 支護設計

錨桿形式和規(guī)格：桿體為20#左旋無縱筋全螺紋鋼，鋼材為500#鋼，長度2.2m。

錨固方式：樹脂端部錨固，采用一支樹脂錨固劑，規(guī)格為MSK2350，鉆孔直徑為28mm，錨固長度為570mm。設計錨固力不低于85kN。

鋼筋托梁規(guī)格：采用Φ10mm的鋼筋焊接而成，寬度80mm，長度1700mm。

托板：采用拱型高強度托板，鋼材強度不低于Q235，配合減阻尼龍墊圈。錨桿墊片：采用廢舊皮帶截取，規(guī)格為200×200mm。

網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬菱形網(wǎng)+高分子網(wǎng)護幫，網(wǎng)前后左右采用鉤接方式連接，并將鉤接處捏緊。

錨桿布置：錨桿排距900mm，每排5根錨桿，間距900mm。錨桿角度：垂直巷幫煤巖面打設；外側幫頂角錨桿考慮施工需要。

噴漿：沿空側幫部及肩窩以里1000mm范圍內(nèi)進行噴漿，噴漿厚度為100mm，噴射混凝土強度為C20。

注漿錨索型號為SKZ22-1/1770，直徑為22mm，抗拉強度為1770Mpa，安裝鉆孔直徑30mm，長度為3500mm。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支樹脂錨固劑，一支規(guī)格為MSCK2335，另一支規(guī)格為MSK2350，鉆孔直徑為30mm，錨固長度為1080mm。

錨索托板：采用高強度拱形托板及配套鎖具，錨索托板尺寸要求不小于300×300mm，高度不低于56mm，厚度不小于14mm。

錨索布置：注漿錨索與錨桿、普通錨索均不布置在同一排，每排以巷道中心為基準布置兩顆錨索，排距1800mm，間距2000mm。

錨索角度：垂直頂板煤巖面打設。

注漿：泵選用ZBQ—27/1.5煤礦用氣動注漿泵及配套攪拌桶。水泥注漿液，選用強度PO42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比W/C=0.5，添加水泥用量8%的注漿加固專用添加劑，以增加漿液的可注性、密實性并提高注漿強度。注漿從零開始應緩慢升壓，正常為0.5-1.5MPa，錨索達到4.0 MPa可停止注漿。

4 主要創(chuàng)新點

（1）應用巷道“預案支護技術”，檢測了巷道收斂變形量和時間關系，研究了位移變形曲線中巷道的破壞規(guī)律；準確的把握了二次加固時機與錨注技術參數(shù)，有效的采用了高強中空注漿錨索，獲得了十分明顯的支護效果。（2）研究“再生巖體”強度變化機理，提高了圍巖的抗拉及抗剪切強度，改善了“再生巖體”的韌性特征，使整體支護強度增加兩倍。（3）“雙網(wǎng)錨桁噴注”支護法用于采空區(qū)下巷道的支護。在巷道淺部圍巖內(nèi)實行強力錨固，形成淺部一定程度自承載組合拱的整體穩(wěn)定結構。