“膨脹注漿錨桿+L 型鋼棚”在巷道修復(fù)中的應(yīng)用

曹利強(qiáng)

（山西柳林興無煤礦有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033300）

1 概述

興無煤礦5206 工作面位于二采區(qū)5#煤層右翼第四個工作面，該工作面上部為42206、42209 采空區(qū)，東南部為4#煤層北回風(fēng)下山、二采軌道下山、二采皮帶下山、南回風(fēng)下山，東部為5205 采空區(qū)，西部為實(shí)體。5206 工作面設(shè)計(jì)走向長1500 m，傾向長200 m，回采的5#煤層為二疊系下統(tǒng)山西組。根據(jù)周邊各工作面及鉆孔資料分析，5#煤層厚度1.3～1.9 m，平均1.6 m，煤層結(jié)構(gòu)為煤0.2 m、夾矸0.2 m、煤1.2 m。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 5206 工作面回采的5#煤層頂?shù)装鍘r性表

2 巷道支護(hù)現(xiàn)狀及圍巖破碎機(jī)理

2.1 巷道支護(hù)現(xiàn)狀

2021 年6 月工作面已回采至557 m 處，6 月15 日夜班工作面推進(jìn)至535 m 處時，位于工作面前方20～30 m 處回風(fēng)順槽非煤壁側(cè)巷幫出現(xiàn)局部幫錨桿斷裂，伴隨著局部巷道“隆起”收縮現(xiàn)象；6月16 日早班工作面推進(jìn)至538 m 處時，位于巷道560～565 m 段巷幫與頂板肩角煤柱出現(xiàn)垮落，最大垮落深度為1.2 m，且垮落區(qū)不斷向回采方向延伸；當(dāng)工作面推進(jìn)至557 m 處時，560～585 m 巷幫支護(hù)失效率達(dá)17%，巷幫最大收縮量達(dá)0.57 m，局部出現(xiàn)底鼓、斷裂現(xiàn)象，最大底鼓量達(dá)0.46 m，失穩(wěn)煤柱側(cè)頂板下沉、破碎。

通過現(xiàn)場調(diào)查判斷該區(qū)域應(yīng)力大，6 月17 日早班從560 m 處開始對非煤側(cè)巷幫采取單錨桿、單錨索支護(hù)進(jìn)行修復(fù)。錨桿、錨索各一排，錨索長4.5 m，直徑17.8 mm，錨索施工在距頂1.0 m 處，以20°仰角布置；錨桿長2.0 m，直徑20 mm，施工在距頂2.0 m 處，垂直巷幫布置。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)施工后，兩幫收斂、支護(hù)失效等現(xiàn)象未能完全控制，錨桿（索）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)無法完全控制圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，支護(hù)效果差。

2.2 巷幫圍巖破碎機(jī)理

1）5206 回風(fēng)順槽回采的5#煤層整體穩(wěn)定性差，煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而巷幫圍巖主要以5#煤層為主，煤層承載強(qiáng)度低，單軸抗壓強(qiáng)度小，在二次動壓作用下出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

2）根據(jù)巷道掘進(jìn)前期資料顯示，巷道560～620 m 段為斷層群區(qū)域，共揭露7 條逆斷層，斷層平均落差為1.2 m，傾角為42°。受斷層影響，該區(qū)域圍巖受構(gòu)造應(yīng)力剪切破壞。東部的5205 采空區(qū)，預(yù)留保安煤柱寬度為18 m，斷層造成圍巖產(chǎn)生裂隙，形成采空區(qū)殘余應(yīng)力傳遞通道，從而造成圍巖內(nèi)部破碎，力學(xué)性質(zhì)降低，煤柱垮落嚴(yán)重。

3）巷幫煤柱受集中應(yīng)力破壞后，煤巖體內(nèi)部形成塑性破壞區(qū)，而巷道掘進(jìn)期間采用單錨桿支護(hù)，后期錨桿（索）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)利用錨固劑錨固后對桿體施加預(yù)應(yīng)力，而圍巖形成塑性破壞區(qū)后，一方面降低了桿體錨固效果，另一方面對桿體施加的預(yù)應(yīng)力無法連續(xù)穩(wěn)定地傳遞至穩(wěn)定巖層中，導(dǎo)致支護(hù)效果差。

3 “膨脹注漿錨桿+L 型鋼棚”支護(hù)技術(shù)[1-5]

3.1 膨脹注漿錨桿支護(hù)

3.1.1 膨脹注漿錨桿結(jié)構(gòu)

1）膨脹注漿錨桿主要由金屬桿體、拱形玻璃鋼墊片、止?jié){塞、讓壓管、膨管等部分組成，如圖1。

圖1 膨脹注漿錨桿結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

2）金屬桿體采用高錳鋼磨具澆筑而成，桿體長度為3.0 m，直徑為30 mm，桿體底端部為實(shí)芯削尖狀，長度為0.5 m，其余部分為中空狀，中部孔直徑為15 mm。在中空部桿體上布置若干個注漿小孔。

3）在桿體端部安裝一個長度為0.8 m 的膨管，膨管底部為正臺階鋸齒形膨殼。膨管安裝在桿體外部，膨管內(nèi)部孔為變徑結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔直徑為25～30 mm，從而保證桿體在支護(hù)過程中能夠快速使膨殼膨脹開裂形成自鎖結(jié)構(gòu)。

4）在桿體實(shí)芯區(qū)與中空區(qū)之間安裝一個讓壓管，讓壓管長度為0.3 m，主要由兩端固定座和中部高應(yīng)力彈簧組成。讓壓管套在桿體上，讓壓管通過桿體變徑自鎖固定，在支護(hù)過程中主要對變形圍巖起到讓壓作用。在桿體端部安裝一個橡膠止?jié){塞，止?jié){塞為圓錐結(jié)構(gòu)。

3.1.2 膨脹注漿錨桿支護(hù)作用

1）封堵隔絕作用。注漿液可以快速將圍巖裂隙區(qū)進(jìn)行封堵，既起到了隔絕空氣防止煤體氧化以及防滅火作用，又能起到堵水作用，避免裂隙煤體在水潤濕作用下出現(xiàn)軟化，從而降低煤巖體自身抗壓強(qiáng)度。

2）改變圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)。通過注漿粘接作用，實(shí)現(xiàn)破碎圍巖二次重組，能夠增加巖體間的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，提高圍巖單軸抗壓強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了圍巖與支護(hù)體協(xié)同作用。

3）提高支護(hù)強(qiáng)度。注漿可實(shí)現(xiàn)桿體全長錨固，利用膨脹殼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了桿體機(jī)械自鎖加固，利用讓壓管實(shí)現(xiàn)了桿體與蠕動變形圍巖讓壓耦合支護(hù)，大大提高了桿體支護(hù)強(qiáng)度。

3.1.3 注漿材料及支護(hù)工藝

由于考慮到5206 回風(fēng)順槽巷幫煤柱與5205 采空區(qū)存在貫穿裂隙，采用丙烯酰胺類、木質(zhì)素類、聚氨酯類等有機(jī)化學(xué)注漿材料時反應(yīng)產(chǎn)熱量大，易出現(xiàn)煤體自燃，所以決定采用黏土漿和黏土水泥漿混合無機(jī)水泥漿液。其中，黏土漿液中水與膨潤土配比為1.5:1，黏土水泥漿液中水、膨潤土、水泥配比為1.3:1:0.2。為了保證注漿擴(kuò)散半徑不低于1.0 m，注漿壓力不得低于3.0 MPa，單孔注漿量為25～40 L。

3.1.4 支護(hù)工藝

1）5206 回風(fēng)順槽從565 m 處開始對巷幫使用膨脹注漿錨桿支護(hù)，共計(jì)布置兩排，第一排布置在距頂板0.8 m 處，第二排布置在距頂板1.8 m 處，布置間距為2.0 m，兩排錨桿成邁步式布置。如圖2。

圖2 5206 回風(fēng)順槽應(yīng)力區(qū)巷幫支護(hù)示意圖（mm）

2）首先采用手持式鉆機(jī)配套直徑為32 mm“八”字型鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔深度為3.0 m。鉆孔完成后對鉆孔內(nèi)安裝一支MSK23/35 型錨固劑，然后安裝膨脹注漿錨桿。安裝時先將桿體插入鉆孔底部，然后采用鉆機(jī)轉(zhuǎn)動桿體。桿體在錨注過程中打開膨管形成自鎖結(jié)構(gòu)。

3）桿體安裝到位后，在桿體外露端安裝玻璃鋼托板，初次施加預(yù)應(yīng)力為150 N·m。對中空桿體進(jìn)行注漿施工，注漿3 h 后第二次對桿體進(jìn)行預(yù)緊，使預(yù)緊力達(dá)到300 N·m。

3.2 L 型鋼棚支護(hù)

1）L 型鋼棚由12#槽鋼焊制而成，鋼棚短邊長度為1.0 m，長邊長度為1.5 m，在鋼棚邊及對角處各焊制一個直徑為30 mm 的錨索支護(hù)孔。每架L 型鋼棚采用三根長度為4.5 m、直徑為17.8 mm 錨索進(jìn)行錨固。

2）L 型鋼棚支護(hù)排距為2.0 m，短邊固定在頂板上，長邊固定在巷幫上，對角處錨索布置仰角為45°。工作面回采時L 型鋼棚超前工作面2 排提前退錨回收。

3.3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

在5206 回風(fēng)順槽590～595 m 范圍內(nèi)布置一個測點(diǎn)（超前工作面30 m），觀測測點(diǎn)與工作面不同距離下圍巖的變化情況：

1）當(dāng)測點(diǎn)距工作面30 m 時，5206 回風(fēng)順槽巷幫煤柱受采動影響小，未出現(xiàn)圍巖變形現(xiàn)象；工作面推進(jìn)后與測點(diǎn)距離為20 m 時，巷幫煤柱出現(xiàn)應(yīng)力顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在出現(xiàn)網(wǎng)兜、巷幫中部出現(xiàn)局部鼓起變形現(xiàn)象，實(shí)測幫煤柱最大收斂量為0.12 m，但肩角煤柱未出現(xiàn)變形、垮落現(xiàn)象。

2）隨著工作面推進(jìn)與測點(diǎn)間距越來越小時，巷幫煤柱變形越來越嚴(yán)重。當(dāng)工作面與測點(diǎn)間距為5.0 m時，巷幫煤柱變形最嚴(yán)重，實(shí)測巷幫收斂量達(dá)0.24 m，局部出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，最大底鼓量為0.12 m，巷幫未出現(xiàn)垮落，巷幫錨桿失效率低于3%。由此可見采取的聯(lián)合支護(hù)措施達(dá)到控制圍巖變形的目的。

4 結(jié)語

1）對5206 回風(fēng)順槽受采動影響區(qū)巷幫煤柱采取膨脹注漿錨桿支護(hù)后，改善了圍巖強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)，在圍巖內(nèi)部形成連續(xù)體加固圈，通過桿體楔固、擠壓等支護(hù)作用向圍巖施加擠壓應(yīng)力，控制塑性變形范圍擴(kuò)大，使圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）L 型鋼棚支護(hù)后，解決了肩角煤柱支護(hù)強(qiáng)度不足、支護(hù)效果差等難題，有效減弱了肩角煤柱在大應(yīng)力作用下出現(xiàn)剝離破壞，避免因肩角煤柱垮落導(dǎo)致巷幫煤柱支撐強(qiáng)度降低而出現(xiàn)垮落、頂板下沉等現(xiàn)象。