中空錨索注漿加固技術(shù)在2-107 工作面超前支護(hù)的應(yīng)用

韓 偉 趙 奇

（1.山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 霍州 031400；2.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)，北京 100013）

1 工程概況

干河煤礦2-107 工作面是一L 型工作面，工作面兩順槽掘?qū)?.0 m，高3.8 m，屬于大斷面巷道。如果工作面兩巷超前支護(hù)采用傳統(tǒng)的單體柱+π 型鋼超前支護(hù)形式，不但超前支護(hù)強(qiáng)度低，而且支護(hù)工作難度大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度極高，必將限制工作面的回采速度。為此，干河煤礦在2-107 工作面采用中空注漿錨索加固超前支護(hù)新技術(shù)[1-4]，設(shè)計(jì)了技術(shù)方案，并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)和礦壓監(jiān)測(cè)。

2 巷道控制理論基礎(chǔ)

2.1 動(dòng)壓巷道穩(wěn)定控制方法

（1）提高巷道圍巖的強(qiáng)度。主要有三種方法：① 提高支護(hù)阻力；② 錨桿（錨索）加固；③ 注漿加固。

（2）充分調(diào)動(dòng)圍巖的承載能力。主要有兩方面：① 二次支護(hù)，一次支護(hù)主要是通過(guò)加固圍巖從而提高其殘余強(qiáng)度，二次支護(hù)則以變形的形式釋放圍巖應(yīng)力；② 調(diào)動(dòng)巷道深部圍巖強(qiáng)度，巷道淺部圍巖強(qiáng)度低，通過(guò)錨索錨入深部圍巖后，通過(guò)改善圍巖的力學(xué)性能和應(yīng)力狀況，從而有效地控制圍巖變形。

2.2 中空錨索注漿加固機(jī)理

中空注漿錨索結(jié)構(gòu)如圖1，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 中空注漿錨索結(jié)構(gòu)

表1 中空注漿錨索主要技術(shù)參數(shù)

中空注漿錨索支護(hù)加固機(jī)理：（1） 形成多層組合拱結(jié)構(gòu)支護(hù)體系；（2） 耐候性水侵；（3） 提高支護(hù)體-圍巖的整體承載力；（4） 提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和平衡性；（5） 支承體受力平衡，避免應(yīng)力集中；（6）機(jī)械與物理雙重加固。

3 方案設(shè)計(jì)及支護(hù)強(qiáng)度校核

3.1 支護(hù)參數(shù)選擇

（1）錨索型號(hào)。選用SKZ22-1/1860 型中空注漿錨索，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）錨索長(zhǎng)度。2#煤層頂板15.6 m 處存在厚度1.7 m 的K8 細(xì)粒砂巖，雖然巖層強(qiáng)度較高，利于錨固，但距離巷道頂板太遠(yuǎn)，不適合選擇在此層位錨固。根據(jù)綜合柱狀圖和實(shí)際鉆孔窺視頂板巖層層位巖性證實(shí)，2#煤層上部6.5 m 處存在厚度1.2 m的細(xì)砂巖，強(qiáng)度相對(duì)較高?；诖耍x擇錨索長(zhǎng)度L=7300 mm，錨固深度7000 mm，外露300 mm。

（3）錨索布置。根據(jù)兩巷原支護(hù)參數(shù)，超前注漿錨索呈“二·二”型布置。2-107B1 巷錨索間距2400 mm，排距1800 mm；2-107B2 巷錨索間距2400 mm，排距1600 mm。

注漿錨索布置如圖2、圖3 所示。

圖2 2-107B1 巷超前支護(hù)圖

圖3 2-107B2 巷超前支護(hù)圖

（4）錨索托盤(pán)、錨固劑、預(yù)緊力、注漿漿液選擇。

① 托盤(pán)。原支護(hù)使用了W 鋼帶，護(hù)頂面積滿(mǎn)足要求，故注漿錨索不加“梁“或“帶”，選用高強(qiáng)錳鋼鼓型托盤(pán)，其規(guī)格為300 mm×300 mm×14 mm。

② 錨固劑?？紤]錨索出漿孔位置，每孔用1 條Z2360 和2 條CKb2340 型樹(shù)脂錨固劑。

③ 注漿漿液。采用水泥物理漿液，水泥采用PO.42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比0.6～1.0。

④ 錨索預(yù)緊力。錨索預(yù)緊力設(shè)計(jì)為150 kN。

3.2 支護(hù)強(qiáng)度校核

通過(guò)對(duì)2-107 臨近工作面礦壓監(jiān)測(cè)，超前動(dòng)載系數(shù)為3.5 左右。

根據(jù)自然平衡拱理論，巷道在靜壓時(shí)頂板載荷：

巷道在動(dòng)壓時(shí)載荷：（實(shí)測(cè)動(dòng)載系數(shù)3.5，為安全起見(jiàn)，動(dòng)載系數(shù)取4）

每米巷道頂板總壓力：

原支護(hù)錨索每米承受載荷（其工作效率按85%計(jì)）：

中空錨索支護(hù)每米巷道承載的頂板壓力：

由以上計(jì)算可以看出，2-107B1 巷需要增加中空錨索支護(hù)，而2-107B2 巷道原支護(hù)強(qiáng)度已經(jīng)滿(mǎn)足超前支護(hù)的要求，無(wú)需再補(bǔ)打中空注漿錨索。所以，只對(duì)2-107B1 巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度校核如下。

中空注漿錨索工作效率按85%計(jì)，則每米巷道需要注漿錨索數(shù)為：

設(shè)計(jì)方案中，支護(hù)密度為：

N2-107B1設(shè)計(jì)一=2/（2×0.9）=1.11 根/m

N設(shè)計(jì)一＞N注，k=N設(shè)計(jì)一/N注=1.11/0.49=2.3 ＞2，安全系數(shù)大于2，支護(hù)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

3.3 工業(yè)性試驗(yàn)及超前支護(hù)效果評(píng)價(jià)

工業(yè)性試驗(yàn)由2-107B 面開(kāi)始實(shí)施，于2-107B切巷前設(shè)置礦壓監(jiān)測(cè)站，觀(guān)測(cè)了注漿錨索錨固力和巷道表面位移隨工作面開(kāi)采推進(jìn)的變化規(guī)律。通過(guò)觀(guān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理，獲得各觀(guān)測(cè)值隨工作面推進(jìn)距離變化曲線(xiàn)如圖4、圖5。

圖4 巷道表面收斂量變化曲線(xiàn)

圖5 錨索錨固力變化曲線(xiàn)

從以上礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道兩幫收斂和頂?shù)装逡苿?dòng)量不大，中空注漿錨索錨固力僅達(dá)到額定錨固力的70%左右，安全系數(shù)足夠。工業(yè)性試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)方案安全可行。

4 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)的單體支柱+π 型鋼超前支護(hù)技術(shù)相比較，中空注漿錨索加固超前支護(hù)技術(shù)具有主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度高，工藝簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于工作面兩巷斷面大，采用傳統(tǒng)的單體支柱+π 型超前支護(hù)難度大的情況下，選用中空注漿錨索加固超前支護(hù)新技術(shù)更具有針對(duì)性和實(shí)用性。

（2）在設(shè)計(jì)超前支護(hù)參數(shù)時(shí)，即要考慮到原支護(hù)體的支護(hù)能力，還要顧及動(dòng)載系數(shù)和中空注漿錨索的額定錨固力，并通過(guò)留有安全系數(shù)進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度校核來(lái)確定。注漿質(zhì)量對(duì)巷道頂板整體性提高和錨固增錨效果影響很大，應(yīng)注重注漿質(zhì)量這一工藝環(huán)節(jié)。

（3）干河煤礦采用中空注漿錨索加固超前支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)方案的工業(yè)性試驗(yàn)及成功應(yīng)用，是對(duì)傳統(tǒng)的超前支護(hù)技術(shù)的改革，大大地降低了超前支護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了超前巷道的環(huán)境，促進(jìn)了工作面的高效安全開(kāi)采。