注漿加固錨索在切頂卸壓沿空留巷超前支護(hù)中的應(yīng)用研究

潘 永

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司柴里煤礦，山東 棗莊 277000）

柴里煤礦采煤工作面順槽超前支護(hù)目前主要使用超前液壓支架，相較于傳統(tǒng)的單體柱+Π 型梁支護(hù)，大幅提高了順槽超前支護(hù)強(qiáng)度，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，但仍存在超前支架移動(dòng)困難、反復(fù)支撐降低頂板完整性、巷道斷面使用率低等問(wèn)題，尤其是切頂卸壓沿空留巷的超前巷段受動(dòng)壓影響，圍巖變形較大，超前支架的使用不利于留巷工藝的實(shí)施。

1 概況

23上631 工作面位于236 采區(qū)東北部，工作面北部為373、374 工作面采空區(qū)，南部為井田保護(hù)煤柱，西部為徐莊斷層，東部為未開采區(qū)（23上632工作面）。工作面走向長(zhǎng)度378.9～390.1 m，傾斜長(zhǎng)度93.5～172.6 m，開采標(biāo)高-199.7～-226.1 m。開采二疊系山西組3 煤，煤層賦存穩(wěn)定，平均煤厚5.09 m。工作面采用ZY6800/24/50/115 型液壓支架。23上631 工作面沿空留巷范圍為23上631 軌道巷里段及其通道段，總長(zhǎng)290 m。煤層頂?shù)装迕簬r力學(xué)性質(zhì)見表1。

2 沿空留巷超前應(yīng)力分布

由采場(chǎng)礦山壓力理論可知，隨著工作面回采推進(jìn)，直接頂冒落充填采空區(qū)，上覆基本頂巖梁在直接頂冒落一定長(zhǎng)度達(dá)到其初次來(lái)壓步距后破斷，并隨推采在采空區(qū)上方發(fā)生“O-X”周期性破斷特征，而采場(chǎng)兩側(cè)順槽根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)形成如圖1 所示的“砌體梁”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，沿空留巷正處于這種基本頂自穩(wěn)結(jié)構(gòu)下方。因此，沿空留巷上覆基本頂形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，尤其是弧形三角塊（B 塊）的受力特點(diǎn)，是影響留巷圍巖及其構(gòu)筑墻穩(wěn)定的主要力源。體的承載力是決定巷道圍巖變形程度的關(guān)鍵因素。

圖1 沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布特征

4）圍巖變形穩(wěn)定階段。當(dāng)工作面推進(jìn)遠(yuǎn)離一定范圍時(shí)，采動(dòng)影響基本消失，采空區(qū)內(nèi)上覆頂板垮落結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。由于擾動(dòng)應(yīng)力源消失，沿空留巷圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。

沿空留巷自順槽成巷、切頂留巷至采后封閉的整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)，主要經(jīng)歷1 次掘巷擾動(dòng)和2 次回采擾動(dòng)影響，拋開第二次采動(dòng)影響時(shí)巷道已經(jīng)廢棄，其圍巖應(yīng)力變化及變形特點(diǎn)可分為4 個(gè)階段，具體如圖2。

圖2 沿空留巷圍巖變形階段劃分

1）掘巷期間的弱變形階段。受掘巷擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)作用，巷道周圍原巖應(yīng)力重新分布并形成應(yīng)力集中，巷道圍巖在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性變形，隨著順槽掘進(jìn)延伸，擾動(dòng)影響逐漸遠(yuǎn)離，巷道應(yīng)力場(chǎng)建立新平衡，圍巖變形趨于穩(wěn)定。通常該階段擾動(dòng)影響有限，圍巖表現(xiàn)弱變形特點(diǎn)。

2）超前采動(dòng)影響階段。工作面回采期間，受超前支承壓力作用，掘進(jìn)期間建立的巷道圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，圍巖塑性區(qū)較第一階段發(fā)生顯著變化，圍巖變形明顯增大。該階段內(nèi)巷道圍巖變形發(fā)生區(qū)域一般在工作面100 m 以內(nèi)，特別是在工作面超前20 m 以內(nèi)。

3）留巷漸次變形階段。工作面推進(jìn)至沿空留巷段后，由于強(qiáng)開采擾動(dòng)影響，巷道變形速度較前一階段顯著提高，并在工作面后部附近達(dá)到峰值。此后，隨著工作面逐漸遠(yuǎn)離，采空區(qū)頂板在一定時(shí)間內(nèi)周期性坍塌，巷道的變形速度也呈現(xiàn)逐漸衰減的變化。在這一階段，沿空留巷的支護(hù)方式和充填

3 注漿加固錨索支護(hù)

3.1 注漿錨索的加固機(jī)理

普通錨索具有抗拉強(qiáng)度高、延展性好的優(yōu)點(diǎn)，而受漿體包裹的注漿錨索強(qiáng)度較于普通錨索可提高20%～30%。注漿錨索施工預(yù)緊后，通過(guò)其中間內(nèi)置的空心注漿管向鉆孔及周邊裂隙灌漿，破碎圍巖在漿液黏聚作用下形成具有一定強(qiáng)度的完整巖體，從而為錨索錨固提供受力物理基礎(chǔ)，并提高巖體的自承特性。而漿液進(jìn)入鉆孔后可實(shí)現(xiàn)錨索自由端的全長(zhǎng)錨固，進(jìn)一步加強(qiáng)錨索與圍巖的整體支護(hù)作用，提升錨索全長(zhǎng)受力的均勻性，達(dá)到提高巷道圍巖和支護(hù)體系強(qiáng)度的雙重目的。頂板注漿加固后，圍巖整體性和致密性得到強(qiáng)化，輔以巷道支護(hù)體系中原有的錨桿、錨索支護(hù)材料，可促進(jìn)頂板“組合梁”結(jié)構(gòu)的建立，增強(qiáng)頂板巖體的剛度和抗沖性，并保證上覆巖層荷載向兩幫及底板的有效傳遞，避免頂板應(yīng)力集中造成的圍巖變形和破壞。

3.2 巷道支護(hù)方案

23上631 工作面軌道巷里段及通道通過(guò)預(yù)裂切縫爆破，將工作面頂板與順槽頂板預(yù)裂，利用注漿錨索梁進(jìn)行超前支護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)加固[1-7]，控制頂板下沉量，使所留巷道圍巖能最大限度地發(fā)揮自身的承載能力，保證留巷效果。

23上631 工作面軌道巷里段及通道設(shè)計(jì)斷面尺寸為寬4.2 m，高3.8 m，采用錨網(wǎng)梯支護(hù)方式。頂部使用MSGLW-500/18×2400 mm 左旋預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿，間排距900 mm×900 mm，鋼筋梯規(guī)格為長(zhǎng)×寬=4000 mm×80 mm，設(shè)計(jì)錨固力為10 t，螺母扭矩為200 N·m。幫部使用MSGLW-500/18×2000 mm 左旋預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿，間排距為800 mm×900 mm，護(hù)幫皮帶規(guī)格為長(zhǎng)× 寬=3600 mm×200 mm，設(shè)計(jì)錨固力為5 t，螺母扭矩為200 N·m。頂部使用Q1860-Ф17.8 mm×6000 mm 錨索加強(qiáng)支護(hù)，每排一棵，錨固力20 t，鋼筋梯使用Ф14 mm 的鋼筋加工制作，使用8#鐵絲金屬菱形網(wǎng)護(hù)頂、護(hù)幫。支護(hù)圖如圖3。23上631 軌道巷及通道超前和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)采用注漿錨索梁支護(hù)，“一梁三索”，注漿錨索規(guī)格為Ф22 mm×6000 mm，工字鋼梁為12#礦用工字鋼，長(zhǎng)度為4.0 m。錨索布置間排距為1600 mm×900 mm，超前支護(hù)長(zhǎng)度不低于20 m。

3.3 應(yīng)用效果

為分析采用注漿錨索支護(hù)后留巷圍巖在工作面推進(jìn)過(guò)程中的變形特征，在留巷內(nèi)間隔一定長(zhǎng)度設(shè)置十字觀測(cè)站，觀測(cè)巷道橫向（兩幫）、縱向（頂?shù)装澹┳冃瘟?，得出測(cè)點(diǎn)典型變形曲線如圖4。

從圖4 中可以看出，隨著工作面推進(jìn)，該測(cè)點(diǎn)處圍巖變形表現(xiàn)出先迅速增大后逐漸穩(wěn)定的特點(diǎn)，并在距工作面120 m 后，其頂?shù)装遄冃畏€(wěn)定在150 mm，兩幫變形穩(wěn)定在94 mm，表明頂板結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，巷道變形速率逐漸趨于零。

4 結(jié)論

以柴里煤礦23上631 工作面軌道巷里段及通道沿空留巷為背景，分析了沿空留巷超前應(yīng)力分布特點(diǎn)和擾動(dòng)變形影響階段，闡述了沿空留巷服務(wù)期間四個(gè)階段的應(yīng)力和變形特征，提出采用注漿加固錨索代替超前支架進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)方式控制留巷圍巖變形，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出留巷頂?shù)装搴蛢蓭褪諗苛烤刂圃?00 mm 以內(nèi)，頂板控制效果較好。