趙固二礦回采巷道注漿錨索超前支護技術(shù)研究與應(yīng)用

盧運良 劉 棟

（1.河南焦煤能源有限公司救護大隊；2.焦作煤業(yè)（集團）新鄉(xiāng)能源有限公司趙固二礦）

巷道圍巖穩(wěn)定狀況和控制的好壞直接關(guān)系到礦井的安全高效生產(chǎn)和經(jīng)濟社會效益。隨著煤層賦存特點的變化，開采深度不斷增加，表現(xiàn)出了地應(yīng)力水平增加且應(yīng)力水平呈現(xiàn)出非線性增加的復(fù)雜變化特點，巷道壓力顯著，變形量大，圍巖控制困難，降低回采速度［1-3］。我國從20世紀末以來錨桿支護技術(shù)得到快速發(fā)展，21世紀開始，錨桿支護技術(shù)理論開始實現(xiàn)自主發(fā)展探索，巷道圍巖支護技術(shù)水平得到不斷提升［4-7］。近年來，康紅普院士團隊［8-9］、何滿潮院士團隊［10-11］等行業(yè)學(xué)者進行了大量探索，成效顯著。本研究以趙固二礦為例，對回采巷道注漿錨索超前支護技術(shù)進行研究與應(yīng)用。

1 工作面概況

趙固二礦隸屬焦作煤田，11012工作面位于一盤區(qū)西部，兩側(cè)的11030、14011工作面已回采完成，工作面長度為167.5 m，推進長度約2 050 m，煤層埋深約700 m，傾角3°～9°，屬于近水平煤層，平均煤厚2.3 m，工作面推進速度為4～5 m/d。受上分層開采頂板發(fā)生破斷、覆巖發(fā)生運移的影響，工作面長度方向范圍內(nèi)來壓差異性較小。回采期間工作面內(nèi)存在矸石架間漏冒、煤壁片幫等現(xiàn)象。

2 巷道頂板巖石力學(xué)特性

2.1 試驗材料與方案

在11012工作面掘進期間分別在巷道不同位置收集圍巖巖石樣品，在井下預(yù)先用保鮮膜進行封裝處理，由于巷道頂板多為上分層開采后垮落壓實的巖塊，塊度較小，運至地面后將塊度較大的巖石試塊進行取心打磨，制成直徑50 mm、厚25 mm的圓盤試件進行巴西劈裂試驗，對于無法制作圓盤式件的巖塊進行點荷載試驗，所得試件如圖1所示。

巴西劈裂試驗采用120 t萬能伺服試驗機，按0.1 mm/min的加載速率進行加載，圓盤試件放置于壓力機的加圧板之間，直徑上下位置各放置1枚鋼釘墊片，以便在加載期間產(chǎn)生應(yīng)力集中，記錄巖石試件受荷載作用下試驗力與變形數(shù)據(jù)。

點荷載試驗采用HDH-1B型點荷載試驗儀，將塊度50 mm左右的試件放置于試驗儀錐頭之間，緩慢加載使得試件被2個錐頭壓裂，試驗前對試件尺寸進行測量，試驗期間記錄試件破壞時的極限試驗力。

2.2 試驗結(jié)果分析

由巴西劈裂試驗結(jié)果分析可知：頂板巖石的抗拉強度為0.77～2.12 MPa，在巖石收載變形期間經(jīng)歷了常規(guī)的壓密—彈性—裂隙發(fā)育—破壞共4個階段，在這4個階段中巖石的壓力過程用時較長表現(xiàn)出試件中的裂隙發(fā)育程度較高，破壞后圓盤的斷裂面并非集中于拉應(yīng)力集中的直徑位置，而是呈現(xiàn)出不規(guī)則破碎，破壞后形成2個以上塊體，從試驗結(jié)果的離散程度也可以發(fā)現(xiàn)，巷道頂板巖石由于前期的采掘工程擾動裂隙發(fā)育，導(dǎo)致巖石承載能力下降，破壞以裂隙為主導(dǎo)因素。

經(jīng)過點荷載強度計算可以得到頂板巖石的抗壓強度為9.57～58.28 MPa，平均強度為21.71 MPa；抗拉強度為0.48～2.91 MPa，平均強度為1.09 MPa；抗剪強度為1.16～7.07MPa，平均強度為1.63 MPa。由此可見，與巴西劈裂試驗結(jié)果相似，巖石強度受裂隙的隨機分布影響表現(xiàn)出的巖石強度離散度很大，從平均值可以發(fā)現(xiàn)巷道頂板巖石強度較弱，在施工期間需要對巷道圍巖進行高強度加固。

綜上分析可知：回采期間巷道在地應(yīng)力和采動應(yīng)力雙重作用下巖體損傷破壞，由于巖體中裂隙發(fā)育程度高，破壞后的巖塊難以形成結(jié)構(gòu)自穩(wěn)，巷道變形嚴重，用常規(guī)的支護手段難以保持巷道圍巖穩(wěn)定。

2 注漿錨索超前支護理論模型

2.1 超前影響段頂板力學(xué)模型構(gòu)建

頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是影響超前段支護的重要因素，通過構(gòu)建超前巷道頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，研究來壓期與非來壓期頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使支護體與圍巖達到強度與剛度耦合，為超前支護提供理論依據(jù)。簡化后的上覆巖層-頂板-煤柱-底板形態(tài)如圖2（a）所示。將回采煤層和保護煤柱視為Winkler假設(shè)的可變形基礎(chǔ)。沿巷道走向方向斷面建立的力學(xué)模型如圖2（b）所示。

頂板上受均布載荷q（t）作用，其中q（t）是隨著距離工作面的遠近發(fā)生變化，受采動影響較大。頂板所受到的載荷為qx，垂直應(yīng)力在煤壁邊緣達到最大值q1并在x1處降為0。

2.2 巷道頂板破壞判據(jù)

巷道頂板視為受上覆巖層隨動載荷與煤體基座支撐的Winkler梁，受到兩個相互作用的反力，據(jù)此建立的頂板撓曲線微分方程為

式中，E為頂板的楊氏模量MPa；I為慣性矩，kg·m2；y為撓度，m；k0為煤體剛度，N/m。

本研究通過基礎(chǔ)特征參數(shù)來表示基礎(chǔ)剛度與頂板抗彎剛度之間的關(guān)系，梁的撓度隨著x的增大而逐漸趨于穩(wěn)定，梁的兩端處為0，巷道頂板受隨動載荷q（x）作用、彎矩和剪應(yīng)力分別為M0、Q0，假設(shè)巷道斷面上彎矩與撓度相同，巷道頂板受上覆巖層與煤柱的相互作用，頂板發(fā)生變形，產(chǎn)生拉應(yīng)力與剪應(yīng)力。當(dāng)所處的應(yīng)力環(huán)境超過頂板自身巖石強度時將發(fā)生破壞，即：

式中，σc為頂板受到的拉應(yīng)力，MPa；[σc]為頂板巖石抗拉強度，MPA；τc為頂板受到的剪應(yīng)力，MPa；[τc]為頂板巖石抗剪強度，MPa。

彎矩最大處即為拉應(yīng)力最大位置，判斷此位置的拉應(yīng)力與巖石的抗拉強度即可得到頂板巖巖梁的拉伸破壞判據(jù)為

超前影響區(qū)巷道頂板發(fā)生剪切破壞為剪應(yīng)力最大位置處，最大剪應(yīng)力計算公式為

式中，B為頂板寬度，m；h為頂板巖梁斷面厚度，m。得到剪切破壞判據(jù)為

采動應(yīng)力超前影響區(qū)巷道頂板在采動影響下發(fā)生變形，根據(jù)得到的剪切破壞拉伸破壞判據(jù)，可獲得頂板破壞臨界點，針對影響頂板穩(wěn)定性的參數(shù)進行分析。本研究采用注漿錨索支護方法，提升巷道圍巖穩(wěn)定性，加強頂板承載能力。

3 注漿錨索超前支護施工工藝

中空注漿錨索參數(shù)取值見表1。注漿錨索索體前實后空，漿液注入鉆孔孔壁的裂隙以實現(xiàn)提升預(yù)緊力的作用，實現(xiàn)支護系統(tǒng)剛度提高5.8倍左右，抗剪強度提升0.5～0.8倍。水泥注漿材料相比化學(xué)漿液在強度、滲透性、經(jīng)濟性、防火、制備工藝、煤炭質(zhì)量損傷等方面存在優(yōu)勢。結(jié)合礦井特點，建議試驗段選用水泥基注漿材料。試驗巷道選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，配合水玻璃作為添加劑使用。注漿錨索錨固劑為樹脂錨固劑，內(nèi)外段錨固劑凝固時間需存在差異。

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本研究注漿錨索超前支護施工工藝除了包括常規(guī)錨索支護施工步驟外，還增加了止?jié){塞安裝、注漿和二次張拉3個工序。施工期間需要注意的是：工作面初次來壓前可依然采取單體支護進行超前支護，在基本頂初次來壓后，再在工作面前方留設(shè)100 m試驗段；回采期間遇到特殊地質(zhì)條件時，通過補打錨索、支設(shè)單體等方式進行補強支護；當(dāng)巷道頂板較為破碎時，選用槽鋼或鋼帶與注漿錨索組成錨索梁進行加強支護；錨索安裝2 d后，如果出現(xiàn)預(yù)緊力大幅度降低現(xiàn)象，應(yīng)及時補充支護；注漿錨索自工作面煤壁向外施工距離不得小于70 m。

對現(xiàn)場注漿錨索進行受力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，支護強度超過了400 kN，施工工藝上實現(xiàn)了錨注協(xié)同作業(yè)。一體化成套工藝與設(shè)備的應(yīng)用，提高了巷道圍巖支護效率，提升了圍巖控制效果。對試驗巷道區(qū)域進行頂板鉆孔窺視，注漿前后頂板裂隙分別如圖3和圖4所示。

由圖3、圖4可知：從巷道頂板鉆孔孔口位置處向上至3.0 m范圍為圍巖裂隙區(qū)，裂隙較為發(fā)育，多為水平裂隙，孔壁的部分巖層較為破碎，可以看到明顯的軟巖碎屑。3 m以上層位巖石完整性較好，無明顯裂隙。采用注漿錨索支護后圍巖破碎程度大大減小，橫向、縱向裂隙發(fā)育均不明顯，孔壁完整性較好，因此可以判斷注漿錨索對保障巷道圍巖穩(wěn)定具有良好的作用。

4 結(jié)論

（1）對巷道頂板巖石的強度特性進行巴西劈裂和點荷載試驗，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)離散度很大，表現(xiàn)出巖石的破壞受裂隙影響，裂隙分布的隨機性導(dǎo)致巖石力學(xué)特性的不穩(wěn)定性。

（2）建立了上覆巖層-頂板-煤柱結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型和頂板變形的微分平衡方程，分析得出彎矩最大位置和剪力最大位置分別易發(fā)生拉伸剪切破壞，并推導(dǎo)了頂板破斷的判別方法。

（3）研究了適合本工況的注漿錨索超前支護材料，所提出的注漿錨索超前支護施工工藝除了包括常規(guī)錨索支護施工步驟外，還增加了止?jié){塞安裝、注漿和二次張拉3步工序。

（4）通過使用注漿錨索支護后，巷道圍巖整體實現(xiàn)了高強全錨注一體化動態(tài)耦合控制，改善了巷道圍巖穩(wěn)定性，巷道大變形現(xiàn)象得到控制，淺層裂隙縱深發(fā)育得到了有效遏制。