破碎頂板注漿錨索支護及應用效果

尹寶廷

（山西焦煤山煤國際長春興煤業(yè)有限公司 山西大同037101）

巷道掘進期間受集中應力、煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造等影響，巷道頂板出現(xiàn)破碎、斷裂現(xiàn)象，傳統(tǒng)巷道頂板主要采用錨桿（索）、金屬網(wǎng)、鋼帶等聯(lián)合支護，錨桿（索）支護時主要實現(xiàn)對頂板懸吊、組合梁（拱）等支護作用，通過錨固劑將支護體錨固段錨固在穩(wěn)定巖體中，但是當頂板出現(xiàn)破碎后會形成圍巖“松動圈”[1-6]，采用錨桿（索）支護時，支護失效現(xiàn)象嚴重，而且在破碎圍巖中施工支護鉆孔時，會對頂板巖體產(chǎn)生嚴重擾動破壞作用，加急了頂板破碎力度，而采用注漿施工時，增加了頂板支護強度，以及鉆孔數(shù)量，對破碎頂板維護效果差[7-8]；本文以長春興煤礦602運輸順槽為研究對象，對巷道破碎頂板提出了注漿錨索支護。

1 概述

1.1 工作面四鄰關(guān)系

山西焦煤山煤國際長春興煤業(yè)有限公司602 回風順槽位于井田南盤區(qū)西翼，工作面東西走向布置，工作面東部為南回風大巷二段，北部為實煤區(qū)，西部為601采空區(qū)，602回風順槽與601采空區(qū)之間間隔煤柱寬度為25m。602 回風順槽設計走向長度為1700m，巷道為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=4.5m×4.0m，巷道從南輔助運輸大巷二段開口施工。

1.2 掘進煤層情況

602 回風順槽掘進煤層為22#煤層，儲量計算厚度9.5m，含3～4 層夾矸。煤層大致走向東西，傾向北。傾角較小，平均-2°。呈一單斜構(gòu)造。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 602回風順槽掘進煤層頂?shù)装鍘r性表

2 巷道支護現(xiàn)狀及問題分析

2.1 巷道原支護設計

2.1.1 永久支護設計

（1）頂錨桿支護：錨桿桿體直徑為18mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2m。外露螺母外長度為10～40mm，間排距1000mm×1000mm，每排5 根，吊掛規(guī)格為5000mm×275mm×2.5mm“W”型鋼帶（5眼）。

（2）頂錨索支護：頂板每施工兩排錨桿后對頂板施工一排單錨索，單錨索施工在兩排錨桿之間，每排布置三根錨索，錨索布置間排距為2.0m，錨索長度為6.0m，錨索外露端安裝一塊托板，采用鎖具進行預緊。

（3）金屬網(wǎng)護頂：巷道掘進后在頂板下方鋪設金屬網(wǎng)并采用錨桿（索）進行固定，金屬網(wǎng)采用5#鉛絲交錯編織而成，每卷金屬網(wǎng)長度為6.5m，寬度為1.3m，網(wǎng)與網(wǎng)搭接點處采用鉛絲捆綁，捆綁搭接寬度不低于0.2m。

2.1.2 加強支護設計

對巷道過斷層區(qū)、應力區(qū)等特殊地段時，為了提高頂板穩(wěn)定性，對巷道頂板施工錨索吊棚進行加強支護。

頂板施工的錨索吊棚長度為4.2m，吊棚采用一根長度為4.2m 工字鋼梁和3 根長度為4.5m 錨索組成，錨索吊棚與巷道走向垂直布置，吊棚布置排距為2.0m。

2.2 巷道支護現(xiàn)狀

根據(jù)601回風順槽掘進地質(zhì)資料顯示，巷道掘進至450～520m 段預計揭露9 條中小斷層，斷層以正斷層為主，斷層最大落差為1.4m，最小落差為0.9m，斷層群侵入掘進煤層后，對煤巖體產(chǎn)生剪切破壞作用，同時受鄰近601采空區(qū)殘余應力影響，巷道掘進期間頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；巷道掘進至460m 處時巷道中部頂板出現(xiàn)破碎，頂板金屬網(wǎng)出現(xiàn)“網(wǎng)兜”，局部金屬網(wǎng)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，巷道掘進至472m 處時頂板出現(xiàn)第一次冒漏，冒漏深度為1.4m，冒漏區(qū)附近頂板錨桿失效率達18%，部分錨索出現(xiàn)破斷，且頂板施工的錨索吊棚變形嚴重，原支護滿足不了巷道安全快速掘進。

2.3 原支護主要存在的問題

根據(jù)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，巷道掘進至450m后進入應力破壞區(qū)，受應力影響巷道頂板出現(xiàn)嚴重破碎現(xiàn)象，通過對頂板施工一個深度為8.0m，直徑為75mm的窺視孔并采用窺視儀觀察發(fā)現(xiàn)，在頂板往上3.0m 范圍內(nèi)鉆孔壁出現(xiàn)錯綜復雜的裂隙，且該區(qū)域內(nèi)孔壁出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，在3.0～4.5m 范圍內(nèi)孔壁裂隙不明顯，局部出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，在4.5～8.0m 范圍內(nèi)孔壁完整，未出現(xiàn)裂紋、塌孔現(xiàn)象。

（1）通過對頂板巖體窺視發(fā)現(xiàn)，在頂板0～3.0m范圍圍巖破壞嚴重，圍巖內(nèi)形成“松動圈”，該區(qū)域內(nèi)巖體成型差，承載強度低；而原頂板采用的錨桿長度為2.2m，錨桿采用一支長度為0.6m 錨固劑進行錨固，錨固端位于松動圈內(nèi)，松動圈巖體在蠕動變形過程中導致錨固端失效，造成錨桿支護失效。

（2）原頂板采用的錨索吊棚中工字鋼梁屬于線性支護，當頂板出現(xiàn)下沉、變形時鋼梁兩側(cè)邊線對頂板產(chǎn)生切頂破壞，加劇了頂板破碎力度，同時鋼梁腰部支護強度低，在大應力作用下鋼梁很容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

（3）原頂板支護時頂板布置鉆孔數(shù)量多，鉆孔采用液壓油鉆進施工，由于鉆孔數(shù)量多，在鉆孔施工過程中對破碎不穩(wěn)定頂板產(chǎn)生擾動破壞作用，導致頂板破碎加劇。

3 注漿錨索支護

為了減少頂板支護數(shù)量，提高頂板支護效果，決定對602回風順槽破碎頂板采取注漿錨索支護。

3.1 注漿錨索支護原理

傳統(tǒng)單一注漿支護時對頂板施工注漿鉆孔然后采用注漿泵對孔內(nèi)進行注漿施工，單一注漿施工時無與永久支護協(xié)同施工，支護工序復雜，成本費用高，且頂板施工鉆孔數(shù)量多；而注漿錨索支護利用支護孔兼做注漿孔，先對頂板錨注注漿錨索，錨索錨固后對中空錨索進行注漿施工[9-10]；注漿錨索支護時即可對破碎圍巖起到注漿加固作用，同時實現(xiàn)了錨索全長錨固作用，提高了錨索支護強度。

3.2 注漿錨索結(jié)構(gòu)組成

（1）602 回風順槽施工的注漿錨索采用“9 股無芯”預應力鋼絞線，錨索長度為5.0m，直徑為25mm；錨索端部為楔頭芯桿，實芯桿長度為0.8m，主要用于錨固劑錨固，如圖1所示。

圖1 602回風順槽破碎頂板注漿錨索結(jié)構(gòu)示意圖

（2）注漿錨索底部布置若干個主出漿孔，以及輔助出漿孔，輔助出漿孔安裝金屬脹環(huán)，當注漿壓力大于脹環(huán)承載壓力時脹環(huán)打開，輔助出漿口與主出漿孔協(xié)同注漿。

（3）在注漿錨索端部依次安裝止?jié){塞、注漿管，注漿孔中部孔直徑為18mm，注漿錨索外露端安裝承載件，并采用鎖具進行預緊。

3.3 注漿工序

（1）注漿錨索采用“一，二，三”布置方式，注漿錨索布置在同一排錨桿中，將錨索代替原頂板錨桿，即第一排錨桿中1#、5#錨桿替換為注漿錨桿，第二排錨桿中3#錨桿替換為注漿錨索，依次類推。

（2）首先在頂板施工錨桿后施工注漿錨索支護孔，孔深為4.8m，然后對鉆孔內(nèi)錨注注漿錨索，并采用鎖具進行預緊。

（3）對注漿錨索中部孔內(nèi)安裝直徑為10mm注漿軟管，注漿軟管長度為3.0m，在錨索外端頭采用止?jié){塞進行封堵；將注漿軟管與注漿泵連接機進行注漿施工。

（4）注漿液采用聚氨酯粘合劑，注漿壓力為3.0MPa，注漿施工可與頂板錨桿支護協(xié)同施工。

3.4 實際應用效果分析

602 回風順槽于2021 年7 月18 日已掘進至540m處，巷道已過斷層群影響帶，通過對破碎區(qū)頂板采取注漿錨索支護后，通過實際應用效果來看，圍巖變形情況得到了有效控制，如圖2所示。

圖2 注漿錨索支護前后頂板下沉量變化曲線圖

根據(jù)圖2可知，在頂板未采取注漿錨索支護前變形量大、變形速率快，頂板最大下沉量為0.33m；而采取注漿錨索支護后，頂板下沉量得到了有效控制，頂板最大下沉量為0.19m，且未出現(xiàn)頂板斷裂、冒漏現(xiàn)象，頂板錨桿（索）支護失效率降低至5%以下。

4 結(jié)語

（1）與傳統(tǒng)單一注漿支護相比，注漿錨索支護實現(xiàn)了錨桿（索）支護與注漿支護協(xié)同施工，縮短了支護時間，簡化了支護工序。

（2）注漿錨索支護減少了破碎頂板支護鉆孔數(shù)量，避免了鉆孔施工期間對破碎頂板產(chǎn)生的擾動破壞作用。

（3）注漿錨索支護不僅可對破碎圍巖進行注漿填充加固，提高圍巖單軸抗壓強度，而且實現(xiàn)了錨索全長錨固支護效果。