掘進巷道破碎區(qū)支護優(yōu)化應用

秦 沛

（晉能控股煤業(yè)集團燕子山礦，山西 大同 037001）

1 工程概述

1.1 巷道四鄰關系

燕子山礦5200 巷位于C3 號層302 盤區(qū)，北部為C3號2200 巷，南部為礦井邊界，東部為C3 號層302 盤區(qū)大巷，西部為C3 號實煤區(qū)[1]。5200 巷設計走向長度2482m，服務年限為3 號層302 盤區(qū)8200 工作面回采結束。

1.2 煤層賦存情況

C3 號層302 盤區(qū)5200 巷掘進煤層結構復雜，有2～6 層厚0.17～0.89 m 的夾石；煤層厚度為4.5～6.53 m，屬于厚煤層；煤厚變異系數(shù)為20.5%，屬于穩(wěn)定煤層；煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定走向大致呈東西，傾向東，傾角平均3°。煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 5200 巷掘進煤層頂?shù)装鍘r性

1.3 巷道掘進現(xiàn)狀

5200 巷原頂板主要采用錨桿（索）支護，巷幫采用單錨桿支護，巷道掘進至240 m 處進入斷層群區(qū)，在240～320 m 段預計共揭露7 條正斷層，平均落差為1.1 m，巷道進入斷層區(qū)后受構造應力影響，圍巖變形嚴重，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在應力區(qū)內圍巖支護質量差，頂板及幫部多處出現(xiàn)網(wǎng)兜，且局部錨桿（索）出現(xiàn)支護失效現(xiàn)象，制約著巷道安全快速掘進[2]。

2 應力區(qū)支護優(yōu)化應用

為了提高斷層應力區(qū)支護質量，控制應力區(qū)圍巖變形、支護失效現(xiàn)象，決定對原支護進行優(yōu)化應用，提出了“自鎖式錨桿+注漿錨索”聯(lián)合支護技術。

2.1 自鎖式錨桿支護

2.1.1 支護結構

1）5200 巷采用的自鎖式錨桿主要由螺紋鋼桿體、讓壓機構、自鎖機構螺母等部分組成，如圖1所示。

圖1 自鎖式錨桿結構剖面示意圖

2）讓壓機構主要由錨桿碗型托盤、讓壓彈簧、減摩墊等部分組成，其中碗型托盤下口為封閉狀，直徑為150 mm，安裝一塊厚度為5 mm 的鋼板，在碗型托盤內部安裝3 根讓壓彈簧，托盤底部安裝設有劈裂槽的碗型讓壓板。

3）螺紋鋼桿體長度為3.0 m、直徑為25 mm，桿體端頭穿過讓壓機構，下端頭設置為銷尖狀錨固段，錨固段長度為0.8 m；桿體最大屈服強度為455 MPa，延展率為7%。

4）自鎖機構主要由連接套、彈簧、自鎖片、推桿、螺紋套桿等部分組成，自鎖結構通過螺紋套桿固定安裝在桿體下端頭1.0 m 處，自鎖片通過彈簧與螺紋套管連接。

2.1.2 支護工藝

1）施工工序。自鎖式錨桿與普通錨桿支護工藝相同，施工鉆孔深度為3.0 m，鉆孔施工后對鉆孔內安裝2 支錨固劑，然后對桿體進行錨固，錨固后對桿體安裝自鎖機構，當自鎖機構安裝至指定位置后，通過彈簧及托桿作用將自鎖片打開實現(xiàn)桿體自鎖固定作用，最后在桿體外露端安裝讓壓機構。

2）支護原理。自鎖式錨桿安裝后當頂板出現(xiàn)離層或蠕動變形下沉時，通過自鎖機構作用防止桿體拉伸破斷，同時頂板下沉后讓壓機構變形，并通過內部高壓彈簧作用實現(xiàn)讓壓支護作用。

2.3 支護參數(shù)設計

5200 巷進入斷層應力區(qū)后開始對頂板支護自鎖式錨桿，為了降低支護成本費用[3]，決定對原頂板錨桿與自鎖式錨桿交替布置方式，原頂板中每排布置5根普通單錨桿，優(yōu)化后頂板自鎖式錨桿采用“一二一”布置方式；即第一排錨桿中第二、第四根普通錨桿替換為自鎖式錨桿，第二排中第三根錨桿替換為自鎖式錨桿。

2.2 注漿錨索支護

由于傳統(tǒng)錨桿（索）支護通過錨固劑錨固在巖體中，巷道在過應力區(qū)時圍巖破碎嚴重，圍巖內部形成“松動圈”，而錨桿（索）在松動圈內支護時很容易造成支護失穩(wěn)現(xiàn)象，所以決定對5200 巷應力區(qū)頂板采取注漿錨索支護[4]。

2.2.1 注漿錨索結構

1）5200 巷頂板采用的注漿錨索主要由注漿錨索、止?jié){塞、注漿管、楔頭芯桿等部分組成，如圖2 所示。

圖2 5200 巷施工的注漿錨索剖面結構示意圖

2）注漿錨索長度為8.3 m，錨索采用九股鋼絲編織而成，中空狀，在注漿錨索端部設置輔助出漿口和主出漿口，輔助出漿口安裝金屬脹環(huán)，在注漿壓力超過脹環(huán)承載壓力時，金屬脹環(huán)打開通過輔助注漿孔注漿。

3）直降塞采用橡膠材質，長度為0.5 m，止?jié){塞中部安裝注漿管，注漿管主要由注漿軟管和注漿鋼管組成，注漿管直徑為10 mm。

2.2.2 注漿材料

為了降低注漿成本，同時避免采用化學注漿材料注漿施工時產(chǎn)生大量熱量且對作業(yè)環(huán)境污染嚴重，決定采用水泥砂漿無機注漿材料，該注漿材料主要成份為水泥和石英砂等部分組成，其中水泥與石英砂質量比為（0.5～1）∶1，該注漿材料注漿后在4 h 內巖塊單軸抗壓強度可提高至15 MPa 以上。

2.2.3 支護參數(shù)設計

1）注漿錨索代替原頂板單錨索支護，注漿錨索布置排距為3.0 m，布置間距為1.5 m，每排布置3 根，其中中部注漿錨索垂直頂板布置，兩側注漿錨索以15°水平角向幫部對稱布置，每根錨索采用3 支錨固劑進行錨固。

2）首先在頂板施工3 個注漿鉆孔，鉆孔深度為8.2 m，注漿鉆孔施工完后對鉆孔內安裝注漿錨索，注漿錨索安裝后錨索外露長度控制在0.2～0.3 m 范圍內；然后對錨索外露端安裝鋼托盤并采用鎖具預緊；最后對中空錨索內安裝注漿軟管及止?jié){塞，將注漿管一段與注漿泵連接，并進行高壓注漿施工，注漿壓力為6.0 MPa。

3 實際應用效果分析

對5200 巷應力區(qū)頂板采取聯(lián)合支護后，在巷道240 m 和260 m 處頂板各布置一個測站，測站編號為1 號、2 號，其中1 號測站頂板采用傳統(tǒng)錨桿（索）支護方式，2 號測站頂板采用“自鎖式錨桿+注漿錨索”支護，分別通過20 d 現(xiàn)場觀察，觀察結果如圖3 所示。

圖3 5200 巷斷層應力區(qū)頂板支護優(yōu)化前后頂板變形曲線圖

1）通過圖3 可知，1 號測站采用傳統(tǒng)錨桿（索）支護后12 d 范圍內頂板蠕動變形量呈急劇上升趨勢，在12～18 d 范圍頂板下沉速率減小，在18 d 后頂板區(qū)域穩(wěn)定，實測頂板最大下沉量為0.34 m，且伴隨著頂板出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，頂板錨桿失效率達18%；而兩幫在頂壓作用下出現(xiàn)嚴重收斂現(xiàn)象，最大收斂量為0.84 m，巷幫上部垮落嚴重[5]。

2）2 號測站采取“自鎖式錨桿+注漿錨索”支護后在8 d 范圍內頂板同樣出現(xiàn)蠕動大變形現(xiàn)象，但是變形量相比1 號測站頂板相對較小，說明在該時間段內頂板支護與蠕動變形圍巖未實現(xiàn)完全耦合支護作用；在8～14 d 范圍內頂板下沉速率逐漸減小，在14 d后頂板穩(wěn)定性，實測14 d 后頂板最大下沉量為0.21 m，頂板未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，頂板錨桿失效率為2%；同時通過監(jiān)測2 號測站兩幫收斂量發(fā)現(xiàn)，兩幫收斂現(xiàn)象得到了明顯控制，最大收斂量為0.27 m。

4 結語

燕子山礦針對5200 巷在過斷層區(qū)圍巖破碎嚴重提出了自鎖錨桿與注漿錨索聯(lián)合支護措施，通過現(xiàn)場應用效果來看，支護優(yōu)化后成功解決了大應力圍巖破碎嚴重支護難度大、圍巖控制效果差等技術難題，對應力區(qū)蠕動變形圍巖起到了明顯控制效果，取得了顯著應用成效。