綠塘煤礦軟巖巷道錨注支護(hù)技術(shù)研究

楊華富

（大方綠塘煤礦有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

軟巖巷道圍巖大變形一直是困擾綠塘煤礦安全生產(chǎn)的難點(diǎn)問(wèn)題，劇烈底鼓和支護(hù)體破壞是綠塘煤礦軟巖巷道圍巖非線性大變形的主要表現(xiàn)形式，需要安排專門的隊(duì)伍來(lái)修復(fù)巷道，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的進(jìn)度。為此，急需要尋求一種安全高效的手段來(lái)解決軟巖巷道變形的問(wèn)題。在軟巖巷道支護(hù)技術(shù)中，注漿和錨固是解決圍巖大變形的主要技術(shù)手段。趙海峰[1]采用了漸進(jìn)注漿方式對(duì)斷層影響巷道進(jìn)行注漿加固，在斷層影響明顯的區(qū)域巷道變形程度明顯減輕，使工作面安全通過(guò)斷層。唐永[2]針對(duì)千米深井山腳樹礦大地壓，強(qiáng)采動(dòng)，圍巖完整性差的特點(diǎn)，首先借助鉆孔窺視儀分析了圍巖的裂隙發(fā)育情況，據(jù)此提出了“鋼網(wǎng)+噴漿+錨梁+中空錨索+注漿”的聯(lián)合支護(hù)體系，新支護(hù)體系降低了巷道變形程度和返修頻率。康紅普[3]在口孜東礦結(jié)合地應(yīng)力測(cè)試、鉆孔窺視、圍巖力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)、錨桿索錨固力測(cè)試等對(duì)圍巖特性和支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)，闡述了軟巖巷道大變形機(jī)理，提出了巷道支護(hù)-改性-卸壓的控制思路。靳敏捷[4]針對(duì)掘進(jìn)工作面過(guò)采空區(qū)頂板冒頂嚴(yán)重的問(wèn)題，采用超前預(yù)注漿的形式來(lái)加固掘進(jìn)工作面頂板，有效控制了頂板冒落。綜放開采會(huì)對(duì)回采順槽產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)壓影響，王莊煤礦通過(guò)注漿來(lái)改善回采順槽圍巖的特性，強(qiáng)化頂板，圍巖變形量大幅降低，能夠滿足生產(chǎn)需要[5]。寺河礦復(fù)用巷道容易出現(xiàn)大變形問(wèn)題，圍巖變形嚴(yán)重，采用深淺孔注漿加固技術(shù)后有效降低復(fù)用巷道的變形量[6]。綠塘煤礦雖然埋深淺，但巷道頂板為復(fù)合層頂板，層理發(fā)育，巖層之間粘結(jié)力弱，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易發(fā)生離層、變形甚至冒頂，同時(shí)，圍巖中泥質(zhì)成分含量高，裂隙發(fā)育，具有注漿加固巷道的客觀條件，遂決定在6中S105回風(fēng)順槽掘進(jìn)面掘進(jìn)后采用注漿加固的形式進(jìn)行支護(hù)。

1 工程地質(zhì)概況

6中S105回風(fēng)順槽位于南一采區(qū)，工作面采煤層為龍?zhí)督M6中煤層，煤層頂板巖性為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層，底板為泥巖，煤層厚2.8～3.5 m，平均煤厚3.2 m，為中厚煤層，煤層穩(wěn)定。平均埋深219 m，煤層傾角-2°～4°，平均為3°，屬近水平煤層，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層硬度系數(shù)f=1.1，圍巖整體應(yīng)力環(huán)境較差。

6中S105回風(fēng)順槽為直墻圓弧拱形斷面，巷道永久支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索鋼帶噴聯(lián)合支護(hù)，采用等強(qiáng)（左旋）螺紋鋼樹脂錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm，錨桿間排距800 mm×800 mm。W鋼帶采用長(zhǎng)×寬×厚=4 600 mm×280 mm×3 mm鋼帶。錨索采用φ17.8 mm的鋼絞線，其長(zhǎng)度為8 300 mm。在巷道頂板布置4根錨索，錨索間排距1 400 mm×2 400 mm。混凝土強(qiáng)度為C20，噴漿所用水泥為325號(hào)普通硅酸鹽水泥?；仫L(fēng)順槽原支護(hù)如圖1所示。

圖1 6中S105回風(fēng)順槽原支護(hù)示意圖

2 巷道破壞影響因素分析

通過(guò)對(duì)綠塘煤礦現(xiàn)有錨桿索支護(hù)效果現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果表明，現(xiàn)有錨桿預(yù)緊力矩從以前的不足130 N·m，錨索預(yù)緊力為80～100 kN，且錨桿索錨固長(zhǎng)度較短，錨桿索錨固力偏低，對(duì)圍巖約束效果差。

利用探地雷達(dá)對(duì)6中S105回風(fēng)順槽松動(dòng)圈進(jìn)行探測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，煤柱幫松動(dòng)圈的深度在1.8～2.0 m之間，實(shí)體煤幫松動(dòng)圈在1.6～1.8 m之間，頂板松動(dòng)圈在2.0～2.2 m之間，底板松動(dòng)圈在1.6～1.7 m之間，很明顯頂板和實(shí)體煤幫的原支護(hù)2.2 m的錨桿長(zhǎng)度基本位于松動(dòng)圈范圍內(nèi)，致使錨桿生根困難，不能充分發(fā)揮錨桿的錨固作用。

對(duì)綠塘煤礦圍巖變形進(jìn)行分析，變形破壞原因主要受到以下幾個(gè)方面：

1）工作面回采側(cè)向應(yīng)力影響。受到相鄰工作面采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力影響，回風(fēng)順槽受到應(yīng)力轉(zhuǎn)移和集中破壞，整體應(yīng)力環(huán)境較差，煤柱承載頂板斜跨梁結(jié)構(gòu)而被壓酥變形，底板受到應(yīng)力集中整體鼓起，而實(shí)體煤側(cè)受到應(yīng)力轉(zhuǎn)移集中影響，也片幫破碎。

2）錨桿支護(hù)范圍和錨固強(qiáng)度不足。受到應(yīng)力集中作用影響，頂板在高水平應(yīng)力的作用下容易發(fā)生離層，巖石發(fā)生破碎，破碎巖石產(chǎn)生的碎脹力對(duì)下位巖層產(chǎn)生擠壓作用，原支護(hù)采用2.2 m長(zhǎng)錨桿基本錨固在煤體內(nèi)，在煤體破碎情況下，錨桿失去可靠著力點(diǎn)，錨固強(qiáng)度不足致其與煤體整體片幫內(nèi)擠失效。

3）兩幫變形嚴(yán)重，失去對(duì)頂板的支承作用。沿空巷道的巷道兩幫煤體的松動(dòng)范圍和松動(dòng)程度都比實(shí)體煤巷道明顯加大，巷幫煤體松動(dòng)后，對(duì)頂板的支撐作用降低，導(dǎo)致頂板的實(shí)際跨度增大，巷道支護(hù)體整體性能降低。

4）底板遇水膨脹，泥化嚴(yán)重?，F(xiàn)場(chǎng)底板及幫部底角處均受采空區(qū)涌水影響，同時(shí)底板為以泥巖為主，膨脹性強(qiáng)，巖層結(jié)構(gòu)較差，遇水泡軟膨脹，造成底鼓嚴(yán)重。

5）U型鋼支護(hù)主動(dòng)性差，抗彎能力低。由于架棚支護(hù)方式屬于被動(dòng)支護(hù)，在巷道變形初期無(wú)法提供有效初阻力，不能從根本上解決巷道圍巖不斷剪脹擴(kuò)容和蠕變破碎的發(fā)展趨勢(shì)，巷道斷面收縮量大，特別是經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)清底，鋼棚支腿處受到兩側(cè)煤幫擠壓變形，造成巷道擴(kuò)修難度大。

3 工程應(yīng)用實(shí)施方案

為了解決綠塘煤礦軟巖巷道圍巖大變形的問(wèn)題，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)巷道原有支護(hù)形式進(jìn)行優(yōu)化，提出了加強(qiáng)錨桿索初次支護(hù)、局部鋼架棚加強(qiáng)支護(hù)和注漿加固的聯(lián)合控制思路。

錨桿預(yù)緊力矩提高到500 N·m以上，錨索預(yù)緊力提高到了180～200 kN，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道的主動(dòng)控制。改變煤礦原有的錨桿(索)錨固力參數(shù)，將錨固劑長(zhǎng)度由350 mm提高到500 mm，錨桿錨固長(zhǎng)度由不足700 mm提高到1 000 mm以上，錨索錨固長(zhǎng)度由不足1 200 mm提高到2 000 mm以上。采用連接構(gòu)件(如鋼筋梯)將錨桿進(jìn)行橫向連接，將關(guān)鍵部位錨索進(jìn)行縱向連接，從而形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀承載結(jié)構(gòu)，使錨桿(索)對(duì)巷道圍巖形成整體錨固作用。

遇到高應(yīng)力、強(qiáng)流變、穩(wěn)定性極差等特殊情況，只依靠錨桿、錨索錨固圍巖不能滿足安全生產(chǎn)的要求，還需要采用架棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)?？梢园彦^桿、錨索所控制的巖體作為錨固巖體系統(tǒng)，架棚作為支護(hù)系統(tǒng)，使錨固巖體與金屬支架能夠形成一個(gè)整體，共同提高巷道圍巖控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

選擇2.5 m的中空注漿錨桿以及5.3 m的中空注漿錨索對(duì)煤柱幫進(jìn)行注漿加固。因?yàn)樵撥泿r巷道頂板沒(méi)有穩(wěn)定錨固層，在頂板選擇8.3 m的注漿錨索進(jìn)行加固，一方面發(fā)揮注漿錨索錨固的優(yōu)勢(shì)，另一方面通過(guò)注漿來(lái)加固頂板。通過(guò)對(duì)煤柱幫和巷道頂板進(jìn)行高壓注漿，使?jié){液充分在煤層的節(jié)理、裂隙、夾層中流動(dòng)，待漿液凝固后，提高圍巖的強(qiáng)度和完整性，同時(shí)，完成注漿區(qū)域的錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨固力可以進(jìn)一步的提高，降低圍巖變形。

3.1 錨注支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)6中S105回風(fēng)順槽生產(chǎn)地質(zhì)條件和地質(zhì)現(xiàn)狀，提高巷道圍巖的強(qiáng)度，采用注漿加固方式，改變圍巖的松散結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，封閉裂隙，使巖體強(qiáng)度顯著提高。發(fā)揮圍巖的自承能力是進(jìn)行巷道破碎圍巖支護(hù)的關(guān)鍵。

中空注漿錨桿主要由螺母、托板、止?jié){塞、中空桿體、錨頭等組成，結(jié)構(gòu)見圖2。錨桿規(guī)格為MZGK200-32/27，桿體直徑25 mm，安裝孔徑32～38 mm，屈服強(qiáng)度不小于500 MPa，破斷強(qiáng)度不小于700 MPa，破斷力不小于210 kN，延伸率不小于15%。

圖2 中空注漿錨桿實(shí)物圖

桿體選用Q345級(jí)及其以上級(jí)無(wú)縫鋼管為原材料，采用熱軋工藝形成連續(xù)梯形螺紋，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工便捷，可以將錨固、注漿分開施工，具有以下特點(diǎn)：①采用厚壁無(wú)縫鋼管為材料、表面螺紋成形工藝以及做工精良的配件，真正實(shí)現(xiàn)了注漿、錨固的統(tǒng)一。②錨桿桿體具有連續(xù)的波形螺紋，提高漿液與桿體的結(jié)合力，也可以作為鉆桿配合鉆頭完成鉆孔。③作為鉆桿的錨桿體無(wú)需拔出，其中空可作為注漿通道，從里至外進(jìn)行注漿。④止?jié){塞使注漿能保持較強(qiáng)的注漿壓力，充分地充填空隙，固定破碎巖體，高強(qiáng)度的墊板、螺母可以將深層圍巖應(yīng)力均勻地傳遞到周壁圍巖上，達(dá)到圍巖與錨桿互為支護(hù)的目的。

中空注漿礦用錨索，規(guī)格為SKZ22-1/1860，直徑22±0.4 mm，抗拉強(qiáng)度不小于1 860 MPa，延伸率不小于3.5%，拉拔力不小于265 kN，鋼絞線最大力不小于395 kN，托盤承載力不小于379 kN，錨具錨固極限荷載下總應(yīng)變不小于2%，錨具效率系數(shù)不小于0.95，如圖3所示，采用預(yù)應(yīng)力鋼絲為原材料，高強(qiáng)度柔性塑管為注漿管，具有強(qiáng)度高、預(yù)應(yīng)力大、錨固可靠、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)錨、注結(jié)合的支護(hù)效果，已廣泛應(yīng)用于煤礦井巷支護(hù)和加固。中空注漿錨索具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：錨索強(qiáng)度高，索體為中空結(jié)構(gòu)，自帶注漿芯管，反向出漿，無(wú)需排氣即可全錨；錨索上部采用樹脂端錨，施加預(yù)應(yīng)力，安裝后可以及時(shí)承載；中空芯管孔徑增大，孔徑截面積提高70 %，顯著降低稠漿流動(dòng)阻力。

圖3 中空注漿錨索實(shí)物圖

煤柱側(cè)幫部采用φ25 mm×2 500 mm中空注漿錨桿，間排距800 mm×800 mm，采用2根MSK2350型樹脂錨固劑進(jìn)行端錨，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm。中空注漿錨桿布置于樹脂錨桿排距中間位置，每排布置3根，最上端錨桿上扎30°，中間1根錨桿水平布置，最下端錨桿下扎30°且距離底板不大于300 mm。煤柱幫部采用φ22 mm×5 300 mm中空注漿錨索，排距800 mm，采用3根MSK2350型樹脂錨固劑進(jìn)行端錨，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。中空注漿錨索布置于最上端中空注漿錨桿正上800 mm處，每排布置1根。而頂板將2根普通錨索替換為2根φ22 mm×8 300 mm的中空注漿錨索，排距為2 400 mm。支護(hù)斷面圖如圖4所示，支護(hù)平面圖如圖5所示。

圖4 支護(hù)斷面圖

中空注漿錨桿/錨索支護(hù)完成1 d后或距離迎頭10 m開展注漿工作，注漿壓力不低于7 MPa。注漿加固采用MZM-70型高強(qiáng)無(wú)機(jī)注漿料，膨脹率為0.1%～0.3%，水料比為1∶3，對(duì)金屬桿體（鋼筋）無(wú)銹蝕，無(wú)毒，無(wú)污染。它是一種可實(shí)現(xiàn)支護(hù)材料全錨加固的新型礦用注漿材料，見圖6，其與煤體具有較好的粘結(jié)性能和強(qiáng)度，具有常溫固化、早強(qiáng)高強(qiáng)、高流動(dòng)性、觸變性和微膨脹性等優(yōu)勢(shì)，顯著解決了現(xiàn)有注漿材料在注漿過(guò)程中“稠漿易堵，稀漿易漏”的問(wèn)題，滿足支護(hù)材料在難以實(shí)現(xiàn)有效封孔情況下的全錨加固，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①稠漿受擾動(dòng)液化流動(dòng)，泵送阻力低；②靜止觸變性好，可泵停漿停，錨固料不會(huì)從孔口自動(dòng)流出；③硬化不收縮，錨索孔充填密實(shí)；④初凝時(shí)間長(zhǎng)，泵送時(shí)間充足；⑤早期強(qiáng)度高，1 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)25 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)70 MPa。

圖5 中空注漿錨桿/錨索支護(hù)平面圖

圖6 高強(qiáng)注漿錨固料實(shí)物及漿液效果

3.2 施工工藝

采用幫錨桿鉆機(jī)配合φ32 mm鉆頭施工，鉆孔時(shí)應(yīng)按照先下后上的順序依次進(jìn)行，孔位誤差不大于100 mm，鉆孔角度誤差不大于5°，鉆孔深度2 400 mm±50 mm，并將孔內(nèi)水、雜物等清理干凈，把2根MSK2350樹脂錨固劑送入鉆孔內(nèi)，用錨桿頂住樹脂錨固劑向鉆孔里推，錨桿外露長(zhǎng)600 mm左右時(shí)用帶有專用套筒的幫部錨桿鉆機(jī)卡住錨桿，開動(dòng)錨桿鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)攪拌樹脂錨固劑，直到樹脂錨固劑凝固，卸去鉆機(jī)及攪拌器。整體施工流程見圖7。

3.3 巷道變形監(jiān)測(cè)

在全錨支護(hù)加固巷道段布置表面位移測(cè)站，測(cè)站采用十字星布點(diǎn)法布置和測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置見圖8。

圖7 中空錨注錨桿索安裝示意圖

圖8 表面位移測(cè)點(diǎn)布置

圖9 注漿后圍巖表面位移變形量

采用錨注支護(hù)技術(shù)后，圍巖變形量得到了很大的改善，從工作面前方250 m左右圍巖開始出現(xiàn)緩慢的變形，但是變形量和變形速率都較小，隨著工作面的推進(jìn)，變形量開始逐漸的增大，到工作面前方50 m處由于臥底而破壞監(jiān)測(cè)點(diǎn)，無(wú)法繼續(xù)測(cè)量。圍巖底鼓變化量為283 mm，煤柱側(cè)移進(jìn)量為120 mm，頂板下沉量為72 mm，而實(shí)體煤側(cè)變形量最小，達(dá)到了63 mm。從圍巖變形量來(lái)看，即使受到超前支承壓力影響，巷道仍然能夠保持正常的使用。

4 結(jié)論

錨注支護(hù)技術(shù)在6中S105回風(fēng)順槽應(yīng)用效果良好，圍巖變形量明顯減小，巷道斷面能夠滿足運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等要求。通過(guò)試驗(yàn)證明，對(duì)于軟巖巷道沿空掘巷工作面，單純采用普通的樹脂錨桿支護(hù)＋U型鋼聯(lián)合支護(hù)有很大的局限性。錨注支護(hù)技術(shù)能夠改變圍巖的力學(xué)性質(zhì)，有效控制巷道變形量，提高了勞動(dòng)效率和節(jié)約生產(chǎn)成本。