全長錨固支護技術在沖擊地壓沿空巷道中的應用

李軍偉 孫文峰 李建建

（1.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 鄆城 274705；2.山東安科礦山支護技術有限公司，山東 濟南 250033）

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤（巖）體由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動力現(xiàn)象[1]。兗州礦區(qū)和巨野煤田大部分深部礦井開采均不同程度的面臨沖擊地壓的威脅，沖擊礦壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制已成為工作面回采過程中一個急需解決的難題。

針對沖擊地壓巷道圍巖控制問題，國內(nèi)外學者進行了相關研究并取得了一定進展。竇林名、高明仕等建立了高應力區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性控制的強弱強（3S）結構力學模型[2]，強調(diào)在巷道淺部破碎區(qū)建立自身承載強度要高的加固層，在中部人為設置松散破碎區(qū)?？导t普提出了以全長預應力錨固、高強度、高沖擊韌性錨桿與錨索支護為主，以金屬支架為輔的復合支護方式[3]。潘一山等提出了提高支護剛度和快速吸能讓位支護的設計思路[4]。

大量的理論研究和工程實踐表明，采用全錨支護可以增強破碎圍巖力學性能，強化支護-圍巖系統(tǒng)可靠性，改善巷道受力狀態(tài)，符合復雜條件下巷道圍巖控制要求。

1 全長錨固支護技術優(yōu)勢

全錨支護由端部錨固變?yōu)槿L錨固，使得錨桿、錨索原先的自由段與圍巖緊密連接為一體，使得整個圍巖-支護系統(tǒng)相比端錨支護更具有以下技術優(yōu)勢：

（1）隔絕水氣影響，延長服務年限。全長錨固后的支護材料隔絕了空氣和水分，阻止了對其持續(xù)銹蝕侵害，保證支護材料強度性能穩(wěn)定，延長支護材料服務年限。

（2）改變支護材料承載模式，提高了整體支護系統(tǒng)的剛度。全長錨固材料變形主要集中在巖層弱面的局部范圍內(nèi)，僅對支護材料小范圍區(qū)域的承載特性產(chǎn)生影響，能及時控制圍巖變形，圍巖-支護系統(tǒng)剛度高。

（3）提高了巖體抗拉拔和剪切能力。全長錨固支護消除了支護材料與鉆孔之間的自由空間，使得支護材料與巖層面上的摩擦阻力顯著增大，可以明顯抑制巖體的軸向位移和橫向位移，巖體的抗拉拔和剪切能力顯著增加[5]。

（4）強化支護材料與圍巖之間力學聯(lián)系。全長錨固將圍巖與錨索固化粘結為一體，消除了錨索自由段滯后、被動受力狀態(tài)，減輕應力集中程度，提高了錨索整體承載狀態(tài)，使得錨索及時主動與圍巖變形相耦合。

2 全長錨固支護施工材料

（1）預應力全錨錨索

以前所采用注漿錨索封孔止?jié){工藝技術要求高、施工難度大，注漿材料和注漿設備技術不過關，稀漿容易漏，稠漿容易堵塞注漿設備。改進的預應力全錨錨索采用中空結構，芯管孔徑截面積提高70%，顯著降低稠漿流動阻力，其采用樹脂端錨，施加預應力，安裝后可以及時承載，滿足巷道支護初期強度要求。

圖1 全錨錨索實物

（2）MZM-70 無機注漿錨固料

新型注漿錨固料克服傳統(tǒng)注漿料稠度低、流動性高、與破碎煤巖體注漿擴散造成漏漿和粘結性差的缺點，新型無機錨固料具有以下優(yōu)點：

① 料水比高達3～3.5，但漿液受擾動液化流動，泵送阻力低；

② 漿液靜止觸變性好，可泵停漿停，錨固料不會從孔口自動流出，取消封孔工序；

③ 漿液硬化不收縮，錨索孔充填密實；

④ 早期強度高，固結強度高，1d 抗壓強度可達25MPa，28d 抗壓強度可達70MPa。

（3）高壓注漿設備

ZBQ-8/7 型礦用氣動注漿泵，該泵具有壓力高（7MPa）、體積小、重量輕、移動方便、易拆卸清洗等優(yōu)點，適應于頻繁移動的高壓注稠漿錨固料施工。

圖2 MZM-70 無機注漿錨固料

3 工業(yè)性試驗技術方案

趙樓煤礦5304 軌道順槽為沿頂全煤巷道，埋深850m 左右，巷道西側為實體煤，東側為沿空，沿空煤柱4.5m。5304 軌順采用梯形斷面，掘高4100mm，上掘?qū)?000mm，下掘?qū)?400mm，原支護設計采用錨網(wǎng)＋鋼帶＋錨索的支護形式。巷道掘進過程中受到沿空應力轉(zhuǎn)移和集中影響，巷道斷面收斂，煤柱側幫部片幫嚴重，底鼓量較大，后期受到工作面回采動壓疊加破壞，錨桿、錨索隨圍巖呈整體性移出，巷道支護可靠性差，嚴重影響了礦井的運輸和安全。

全長錨固支護設計方案見圖3，具體參數(shù)如下：

（1） 錨 桿 支 護 參 數(shù)： 頂 部 采 用Φ22×2400mm KMG500 高 強 度 螺 紋 鋼 錨 桿，幫部采用Φ20×3000mm KMG500 左旋無縱筋全螺紋錨桿，均配套一個FZJ-R1/1 單泡讓壓環(huán)，間排距均采用850×800mm，并采用規(guī)格為4800m×140mm×10mm 的T 型鋼帶護表，預緊力均為200N·m。

（2）錨索支護參數(shù)：頂板采用Φ22×6300mm預應力全錨錨索，間排距1700×1600mm，幫部采用Φ22×3800mm 預應力全錨錨索，間排距1200×1600mm，均采用29U 型鋼錨索梁護表加固，預緊力不低于120kN。

（3）注漿參數(shù)和要求：采用MZM-70 無機注漿錨固料為注漿材料，料水比3:1，注漿時機為緊跟迎頭注漿，滯后距離不超過10m，注漿泵額定壓力不低于7MPa。在注漿材料從錨索孔托盤或周邊裂隙流出時即可停止注漿，漿液自身粘滯作用不會持續(xù)漏漿。

4 應用效果

（1）錨固拉拔性能

在MZM-70 高強無機注漿錨固料固化7d 后，采用錨索拉拔儀對預應力全錨錨索進行拉拔力測試。檢驗采用全長錨固支護后預應力全錨錨索的錨固性能和拉拔強度，分析在設計拉拔強度50MPa（約300kN）條件下錨索錨固可靠性能和變形破壞情況。

圖3 全錨支護設計技術方案

表1 5304 軌順全錨錨索拉拔試驗結果

從拉拔試驗結果可以看出，5304 軌順全長錨固支護試驗段，全錨錨索通過注漿加固并經(jīng)過7d 漿液固化，錨索拉拔強度均不低于50MPa，未能將錨索拉出，施工質(zhì)量達到預期目標。

（2）巷道表面位移觀測

根據(jù)十字觀測法對原錨網(wǎng)索支護和全錨支護段圍巖表面變形監(jiān)測，見圖4。在巷道掘出兩個半月時間內(nèi)，巷道變形主要體現(xiàn)在煤柱側幫部，其次是實體煤幫部，而頂板變形相對較小。采用原錨網(wǎng)索支護段巷道煤柱側幫部位移量達到125mm，實體煤幫部位移量達到85mm，頂板下沉量為30mm。采用全錨支護巷道相應煤柱側幫部、實體煤幫部和頂板位移量分別為60mm、40mm 和20mm。對比原錨網(wǎng)索支護效果分析得到，采用全錨支護效果優(yōu)于原錨網(wǎng)索支護方案，巷道成巷效果良好，特別是在頂板和煤柱幫部的穩(wěn)定性上，全錨支護的變形量不到原錨網(wǎng)索支護方案的50%，可見全錨支護強化了巷道整體性，增強了對頂板應力集中的承載能力。

5 結語

針對高應力沖擊危險沿空巷道研發(fā)的預應力全錨錨索，實現(xiàn)端錨后能立即承載，滿足了支護的主動性和及時性，采用高稠度、高粘滯型新型高強注漿材料，通過高壓注漿實現(xiàn)漿液的擴散固化，提高了圍巖的整體性和承載能力，使錨索由端錨轉(zhuǎn)變?yōu)槿^，強化了與圍巖體的力學聯(lián)系，達到了全錨支護預期的技術指標，取得了較好的支護效果，形成適用于高應力沖擊沿空巷道圍巖加固的全錨支護技術體系，是一種極具潛力的巷道圍巖控制技術，在技術經(jīng)濟上具有很大的優(yōu)越性，值得進一步推廣應用。

圖4 全錨支護與原錨網(wǎng)索支護巷道表面位移對比圖