應力區(qū)巷道“注漿錨桿+大應力錨索”協(xié)同支護技術(shù)應用

馬澤源

（晉能控股集團晉城有限公司，山西 晉城 048000）

1 15111 運輸巷概況

惠陽煤礦15111 運輸順槽位于井田的東南部，西部為15111 工作面，東部為15113 工作面采空區(qū)，南部為實體煤，北部為東輔運大巷。

15111運輸順槽設(shè)計長度為1250m、寬度4200mm、高度2800 mm、掘進斷面11.76 m2。巷道掘進煤層為15 號層，煤層厚度1.3～3.6 m，平均厚度約1.86 m，部分發(fā)育0～1 層夾矸，矸厚0.10～0.35 m，結(jié)構(gòu)簡單。老頂為K2 灰?guī)r，直接頂為黑色泥巖，底板為泥巖，老底為灰?guī)r。煤層的物理性質(zhì)：黑色、條帶狀、亮煤為主，夾帶狀鏡煤，呈條帶狀結(jié)構(gòu)和層狀構(gòu)造，煤層比較穩(wěn)定。

15111 運輸順槽采用綜合機械化掘進工藝，截止2021 年4 月17 日巷道已掘進480 m，巷道掘進至470 m 處時位于巷道東部為15113 工作面采空區(qū)，間隔保安煤柱寬度為18 m，工作面掘進至475 m 處揭露一條F5 正斷層，斷層落差為1.8 m、傾角為62°，巷道掘進至475 m 后進入采空區(qū)殘余應力與構(gòu)造應力集中區(qū)，受集中應力影響，巷道出現(xiàn)圍巖應力顯現(xiàn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在頂板出現(xiàn)破碎、下沉以及局部錨桿（索）支護失效；兩幫出現(xiàn)嚴重收斂現(xiàn)象；通過礦生產(chǎn)技術(shù)部現(xiàn)場對圍巖變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，巷道掘進至480 m處時滯后迎頭10 m 范圍內(nèi)頂板最大下沉量為0.42 m，兩幫最大收斂量為0.59 m，頂板支護失效率達15%，嚴重制約著巷道安全快速掘進[1-2]。

2 巷道原支護設(shè)計

2.1 原支護方式

1）頂錨桿：初步設(shè)計中頂板主要采用螺紋鋼錨桿進行支護，桿體長度為2.0 m、直徑為20 mm，錨桿采用矩陣式布置，采用端頭錨固方式，錨桿布置間距和排距均為1.0 m，其中兩幫側(cè)錨桿與幫部呈75°夾角布置。

2）幫錨桿：位于工作面?zhèn)认飵湾^桿主要采用型號為MGSC18/1800F 的玻璃鋼錨桿，位于煤柱側(cè)主要采用MSGLW-335/18×1800 金屬錨桿，錨桿長度全部為1.8 m、直徑為20 mm，錨桿布置間排距均為1.0 m，共計布置3 排，其中第1 排距頂板間距為0.4 m，且以15°仰角布置，第3 排錨桿以15°俯角布置。

3）錨索：原頂板采用的錨索長度為5.0 m、直徑為17.8 mm，錨索采用“一二一”邁步式布置，同一排錨索間距為2.0 m、排距為1.0 m，錨索外露端主要采用拱形墊片進行預緊。

4）網(wǎng)片：頂板采用8 號鉛絲編制的金屬網(wǎng)進行護頂，頂板金屬網(wǎng)長度為5.5 m、寬度為1.5 m，巷幫金屬網(wǎng)長度為4.0 m、寬度為2.0 m，巷道每掘進100 m 進行斷網(wǎng)一次鋪設(shè)聚氨酯纖維網(wǎng)，每卷網(wǎng)長度為10 m、寬度為2.0 m。

2.2 原支護主要存在問題

1）錨固效果差：受集中應力影響巷道頂板產(chǎn)生塑性破壞區(qū)，形成圍巖“松動圈”通過對破壞區(qū)施工深度為5.0 m、直徑為75 mm 窺視孔發(fā)現(xiàn)，塑性破壞區(qū)范圍擴展至頂板2.0～2.5 m 范圍內(nèi)，而原頂板采用錨桿長度為2.0 m，錨桿錨固端位于塑性破壞區(qū)內(nèi)，導致錨桿錨固失效嚴重。

2）支護強度低：原頂板采用的錨索長度為5.0 m、直徑為17.8 mm，錨索破斷力為350 MPa，而且錨索布置數(shù)量少，在大應力作用下錨索支護強度低，很容易出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

3）鋼帶支護截面積?。涸敯逯ёo設(shè)計中頂板鋼帶采用M型鋼帶，鋼帶寬度為0.15 m，在實際應用時鋼帶支護截面積小、承載強度低，在應力作用下鋼帶很容易出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象[3]。

3 協(xié)同支護技術(shù)應用

為了解決傳統(tǒng)錨桿（索）在應力區(qū)圍巖中支護時，支護強度低、支護失效嚴重等技術(shù)難題，決定對原頂板支護進行優(yōu)化改進，提出了注漿錨桿、大應力錨索聯(lián)合協(xié)同支護技術(shù)。

3.1 注漿錨桿支護技術(shù)

3.1.1 注漿錨桿支護原理

錨桿（索）支護時通過錨固劑錨固作用形成預應力傳遞通道，然后對桿體施加預應力形成預應力支護拱（梁），從而對不穩(wěn)定圍巖進行支護；但是傳統(tǒng)錨桿支護、注漿支護為獨立工序，增加了破碎頂板鉆孔數(shù)量，加劇了頂板破碎力度；而注漿錨桿支護是對圍巖進行錨桿支護后對桿體進行注漿，從而對鉆孔壁裂隙圍巖進行加固，同時實現(xiàn)了桿體全長錨固支護作用；注漿錨桿支護減少了鉆孔施工數(shù)量，簡化了支護工序，降低了勞動作業(yè)強度[4]。

3.1.2 注漿錨桿結(jié)構(gòu)

1）注漿錨桿采用中空無縫鋼管焊制而成，桿體長度為3.5 m、直徑為30 mm，中部孔直徑為15 mm，桿體壁厚為7.5 mm，桿體底端部為錨固端，采用實芯結(jié)構(gòu)長度為1.0 m，錨固端至桿體端頭處共計焊制5 排外圍圓孔，圓孔直徑為8 mm，布置排距為0.5 m，如圖1 所示。

圖1 注漿錨桿支護及結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2）桿體外露端安裝1 塊長度為4.5 m，寬度為0.32 m“JW”型鋼帶，并采用螺母進行固定，注漿時在桿體中部埋入1 根直徑為10 mm 注漿軟管，軟管一端與注漿泵連接。

3）注漿材料采用馬麗散與催化劑配比為1∶1混合漿液，在注漿錨桿端頭采用膨脹水泥進行封堵，封堵長度為0.5 m。

3.1.3 支護工藝

1）注漿錨桿與原頂板螺紋鋼錨桿交錯布置，采用“一二一”布置方式，即第1 排錨桿中第2、第4 根為注漿錨桿，第2 排錨桿中第3 根為注漿錨桿，第3 排與第1 排錨桿相同，如圖2 所示；注漿錨桿布置間距為2.0 m、排距為1.0 m，如圖2 所示。

圖2 15111 運輸順槽應力區(qū)頂板優(yōu)化后支護示意圖（單位：mm）

2）采用錨索鉆機對頂板施工1 排支護鉆孔，注漿錨桿支護孔直徑為35 mm、深度為3.5 m，注漿錨桿支護孔施工完后對鉆孔內(nèi)安裝兩支錨固劑并對注漿錨桿進行錨固。

3）注漿錨桿錨固后對孔口處采用膨脹水泥封堵，封堵15 min 后在同一排錨桿外露端安裝JW 型鋼帶，并采用螺母進行預緊，預緊力不得低于200 N·m。

4）在注漿錨桿內(nèi)安裝注漿軟管，連接注漿泵進行注漿施，注漿壓力為3.0 MPa，單孔注漿量為10 kg，注漿穩(wěn)壓時間不得低于10 min，注漿完成后及時采用止?jié){塞對桿體端頭進行堵塞[5]。

3.2 大應力錨索支護

為了進一步提高錨桿（索）懸吊及組合拱（梁）支護作用，將原頂板錨索更換為大應力錨索支護。

3.2.1 大應力錨索結(jié)構(gòu)

大應力錨索主要由恒阻大變形錨索、讓壓器、鎖具、JW 鋼梁等部分組成；錨索長度為8.3 m、直徑為21.8 mm，錨索采用“九股一芯”預應力鋼絞線；讓壓器主要由漲壓管、預應力彈簧等部分組成，讓壓器安裝在鋼梁與頂板巖體之間，最大讓壓行程為0.2 m；JW型鋼梁長度為0.5 m、寬度為0.32 m，鋼梁橫截面成JW 型，如圖3 所示。

圖3 JW 型鋼梁剖面結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

3.2.2 支護工藝

1）大應力錨索每排布置3 根，錨索布置間距為1.5 m、排距為3.0 m，錨索支護孔直徑為30 mm、深度為8.0 m。

2）錨索支護孔施工完后鉆孔內(nèi)填裝3 支錨固劑，錨固長度為1.55 mm，采用端頭錨固方式，錨索錨固后外露長度為0.3 m；錨固后進行預緊，在預緊時確保讓壓器具有一定讓壓行程，確保圍巖下沉時讓壓器能夠?qū)崿F(xiàn)自壓動作。

4 應用效果分析

1）簡化了施工工序：與傳統(tǒng)注漿支護相比，注漿錨桿支護時錨桿支護孔兼做注漿孔，減少了頂板支護孔數(shù)量，縮短了支護時間，降低了勞動作業(yè)強度。

2）提高了支護質(zhì)量：傳統(tǒng)單錨桿支護時由于頂板破碎產(chǎn)生“松動圈”，支護體錨固端在松動圈內(nèi)錨桿質(zhì)量差，很容易出現(xiàn)支護失效現(xiàn)象；而注漿錨桿支護時實現(xiàn)了桿體全長錨固支護作用，同時支護鉆孔破碎圍巖進行注漿加固，提高了圍巖穩(wěn)定，保證了支護質(zhì)量。

3）大應力錨索抗壓、抗拉強度高，能夠?qū)Σ环€(wěn)定圍巖實現(xiàn)懸吊作用，避免了支護不足時造成不穩(wěn)定圍巖出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

4）支護優(yōu)化后在應力區(qū)頂板安裝YH-300 型數(shù)字顯示離層儀，并進行15 d 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，應力區(qū)頂板采取協(xié)同支護技術(shù)后提高了頂板抗壓能力，頂板下沉量控制在0.14 m 以下，兩幫收斂量控制在0.25 m以下。

5 結(jié)語

通過對惠陽煤礦15111 運輸順槽應力區(qū)頂板支護進行優(yōu)化后，在降低支護成本費用的同時提高了頂板整體穩(wěn)定性，解決了大應力頂板支護難度大、支護效果差等技術(shù)難題，為類似地質(zhì)條件下巷道支護提供了實踐依據(jù)，取得了顯著應用成效。