錨噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在沿空掘巷工程中的研究與應(yīng)用

趙晶

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引言

隨著我國煤炭資源的大規(guī)模持續(xù)產(chǎn)出，越來越多的礦井資源逐步向深部開采發(fā)展，尤其是東部城市型礦井，受礦井地理位置影響，礦區(qū)井田面積普遍較小，隨著服務(wù)年限的增加，開采深度逐步向深部延伸，且多為沿空掘巷。這些礦區(qū)在掘進(jìn)過程中，普遍存在受高地應(yīng)力及采空區(qū)側(cè)向支撐應(yīng)力的聯(lián)合影響，巷道支護(hù)系統(tǒng)極易出現(xiàn)失穩(wěn)、變形，進(jìn)而影響巷道斷面使用，造成進(jìn)尺效率低等問題。邢東礦1222 運(yùn)輸巷圍巖煤體呈典型的松軟、破碎特征，為了維持巷道圍巖的穩(wěn)定，避免進(jìn)尺后路頻繁整巷造成掘進(jìn)效率降低，提出采用改進(jìn)后的錨噴注聯(lián)合支護(hù)快速施工技術(shù)對1222 運(yùn)輸巷沿空掘巷圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

1 工程背景

邢東礦-760 水平1222 工作面為單側(cè)臨空工作面，其運(yùn)輸巷緊鄰1224 工作面采空區(qū)，1224 工作面為超高水充填工作面，采空區(qū)采用高水材料進(jìn)行充填，但高水材料抗壓強(qiáng)度小于1 MPa，側(cè)向殘余支承壓力較大，區(qū)間煤柱寬度為6.0 m。1222 運(yùn)輸巷尺寸為5 000 mm×3 500 mm（寬×高），為沿煤層頂板掘進(jìn)的沿空掘巷。

1222 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中采用的支護(hù)方式為錨網(wǎng)支護(hù)，頂板采用φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿配合φ21.8 mm×8 500 mm 鋼絞線錨索及φ14 mm 鋼帶梁加強(qiáng)支護(hù)，兩幫采用φ20 mm×2 400 mm 全螺紋錨桿配合φ6 mm 冷拔絲金屬網(wǎng)及φ12 mm 鋼帶梁加強(qiáng)支護(hù)。這一支護(hù)方式在正常巷道掘進(jìn)過程中有較好的效果，掘進(jìn)后巷道變形小，能夠滿足日常使用需求。因此，在1222 運(yùn)輸巷仍然沿用了以上支護(hù)方式，但受高應(yīng)力和采空區(qū)疊加影響，區(qū)間6 m 煤柱圍巖松軟破碎程度高，給區(qū)段圍巖穩(wěn)定性控制帶來了極大的困難，巷道掘進(jìn)過程中后路在較短時間內(nèi)發(fā)生持續(xù)大變形，主要表現(xiàn)為局部錨網(wǎng)支護(hù)損壞失效，造成兩幫不斷收斂、底板鼓起等影響后路巷道斷面的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響進(jìn)尺過程中的運(yùn)料、出煤等工藝，需要不停地進(jìn)行后路擴(kuò)修，影響進(jìn)尺效率，變形與整修情況如圖1 所示。

圖1 1222 運(yùn)輸巷圍巖大變形與整修情況Fig.1 Large deformation and renovation of surrounding rock in 1222 transport roadway

錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在巷道修復(fù)方面有較為成功和成熟的應(yīng)用案例，且這一技術(shù)施工便利、成本較低，鑒于此，提出采用錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)來緩解沿空巷道掘進(jìn)期間的后路持續(xù)大變形難題，降低巷道修復(fù)頻率，提高巷道進(jìn)尺效率。

2 沿空巷道后路圍巖持續(xù)變形原因分析及解決方案

2.1 巷道探測情況

邢東礦1222 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中，后路巷道幫部煤體發(fā)生嚴(yán)重松散、破碎、甚至粉化，且含極多的細(xì)小顆粒，呈塊狀- 碎末狀，具有高疏松和多孔隙的特性，為典型的松軟煤體，強(qiáng)度極低、易破碎、離散性極強(qiáng)，無法通過取芯獲取用于試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)原煤試樣。為分析1222 運(yùn)輸巷掘進(jìn)后路支護(hù)失效原因，采用TYGD12 型巖層鉆孔探測儀，探測煤壁破碎深度及裂隙分布情況，如圖2 所示。

圖2 1222 運(yùn)輸巷圍巖軟碎煤體實(shí)物Fig.2 The soft broken coal body of surrounding rock in 1222 transportation roadway

1222 運(yùn)輸巷煤體強(qiáng)度低，巷幫深度為3 m 時，煤體依然表現(xiàn)為破碎狀態(tài)，如圖2（a） 所示；當(dāng)巷幫還未發(fā)生大變形時，巷幫的松軟煤體即在有效支護(hù)的情況下發(fā)生剝落現(xiàn)象，如圖2（b） 所示；煤體的低強(qiáng)度、弱自承能力是1222 運(yùn)輸巷產(chǎn)生大變形的主要原因。而煤體破碎的原因主要是因?yàn)?222 運(yùn)輸巷臨側(cè)為已采的1224 高水充填采空區(qū)，其形成的側(cè)向殘余支承壓力對窄煤柱側(cè)的運(yùn)輸巷圍巖破壞造成較大影響。

2.2 支護(hù)失效原因分析及解決方案

結(jié)合現(xiàn)場巷道支護(hù)破壞情況分析原因?yàn)?222運(yùn)輸巷單側(cè)臨空，且留設(shè)煤柱僅為6 m，煤柱受采空區(qū)側(cè)向殘余支承壓力影響，嚴(yán)重松散、破碎、甚至粉化，圍巖原生結(jié)構(gòu)被破壞，無法產(chǎn)生足夠的自承能力，巷道開掘后，在高應(yīng)力影響下，由于支護(hù)體系無法與圍巖形成完好的支護(hù)體系，原有支護(hù)首先從某一部位（稱為關(guān)鍵部位） 開始松動，單個錨桿在破碎圍巖中的可錨性變差、錨固力變小，導(dǎo)致單個錨桿的錨固失效，受采空區(qū)側(cè)應(yīng)力持續(xù)影響逐漸整體支護(hù)體系失效。而煤柱區(qū)煤體持續(xù)運(yùn)移至巷道空間并作用于錨固區(qū)圍巖支撐系統(tǒng)使其整體位移。

因此，控制沿空巷道圍巖的變形必須滿足巷道圍巖與支護(hù)體強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)上的耦合。針對這一原因分析及支護(hù)改進(jìn)要求，提出了以下解決方案。一是尋求強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)與材料以及更優(yōu)異的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的支護(hù)剛度與強(qiáng)度，提升支護(hù)效能和圍巖抗剪能力，減少圍巖強(qiáng)度降低；二是研究改進(jìn)不同注漿模式下漿液滲流規(guī)律與改性機(jī)理以及注漿工藝與材料性能，加大其對破裂與損傷區(qū)圍巖的固結(jié)修復(fù)能力，提高支護(hù)效果。在此基礎(chǔ)上，研究和試驗(yàn)成本和施工效率都能滿足快速掘進(jìn)的巷道修復(fù)方案。

3 錨噴注快速施工方案及優(yōu)點(diǎn)

在針對深部軟碎煤體巷道圍巖強(qiáng)礦壓條件下的支護(hù)方案，多采用增強(qiáng)圍巖自承能力與加強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)相結(jié)合的技術(shù)方案，其中，較為成熟且工藝較為簡單、成本低的技術(shù)方案為錨網(wǎng)、噴漿、注漿結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。但錨噴注聯(lián)合支護(hù)較多應(yīng)用于永久巷道支護(hù)，在成本和工序上相較回采巷道增加較多，需要在傳統(tǒng)錨噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，調(diào)整工序及材料，在滿足回采巷道使用的基礎(chǔ)上，使成本和施工時間降低至可接受水平。

錨噴注快速施工方案主要針對修復(fù)圍巖的注漿和噴漿工序及材料，以及保障支護(hù)體強(qiáng)度的錨網(wǎng)工序及材料進(jìn)行研究。分析邢東礦1222 運(yùn)輸巷圍巖變形速率，掘進(jìn)完成后，圍巖在7 d 內(nèi)具備一定的自穩(wěn)能力，7 d 后支護(hù)松動，穩(wěn)固結(jié)構(gòu)破壞。鑒于此，考慮將注漿工序延后進(jìn)行，在掘進(jìn)機(jī)后方10～20 m 處進(jìn)行壁后注漿，修復(fù)煤柱自承能力的同時，不會影響掘進(jìn)效率；為保障注漿效果，需要進(jìn)行全斷面噴漿，考慮圍巖具備一定的自穩(wěn)能力，將噴漿分3 次進(jìn)行，在確保噴漿質(zhì)量的同時，縮短每次噴漿時間以保障掘進(jìn)效率；此外，考慮將掛繩與噴漿結(jié)合代替原有的掛金屬網(wǎng)支護(hù)方式，在確保支護(hù)強(qiáng)度的同時，兼顧了成本和快速施工。即由掛繩及噴漿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的掛金屬網(wǎng)支護(hù)。這一施工方案較傳統(tǒng)錨注工藝更為簡便，在施工效率上有了較大提高、整體承載能力更強(qiáng)。

邢東礦回采巷道的使用壽命一般為12 個月以內(nèi)，因此可以在材料使用上進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)實(shí)際情況和需要，噴漿及注漿采用標(biāo)號325 水泥代替?zhèn)鹘y(tǒng)標(biāo)號425 水泥，強(qiáng)度可滿足使用要求；掛繩采用廢舊鋼絲繩將所有錨桿組合起來，互相牽制、共同作用，代替掛網(wǎng)，降低成本。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

試驗(yàn)段在邢東礦1222 運(yùn)輸巷開口后800～850 m 處，埋深為-862—-871 m，一側(cè)為實(shí)體煤，一側(cè)為高水充填后的采空區(qū)。試驗(yàn)段采用EBZ-160型掘進(jìn)機(jī)正常截割，每循環(huán)進(jìn)尺0.7 m，進(jìn)尺2 排后進(jìn)行初噴，然后進(jìn)行錨噴注聯(lián)合支護(hù)，每班進(jìn)尺4 排，每天進(jìn)行三班正規(guī)循環(huán)作業(yè)，注漿工程安排在掘進(jìn)機(jī)后10 m 開始，最遠(yuǎn)不得滯后20 m。注漿完成后在巷道十字布點(diǎn)，進(jìn)行圍巖變形觀測，觀測周期不小于45 d。與正常進(jìn)尺支護(hù)段圍巖變形進(jìn)行對比，觀測方案實(shí)施后的抗形變效果。

4.1 錨網(wǎng)支護(hù)方式

相較正常錨網(wǎng)支護(hù)，增加長錨索支護(hù)以提高錨固體與圍巖耦合效果，如圖3 所示。采用頂板及巷幫錨索梁桁架加強(qiáng)支護(hù)，巷道頂板每排打設(shè)3 根φ21.8 mm×8 500 mm 長錨索，外端錨索與頂板夾角約75°，錨索間距約1.6 m，排距為1.6 m，使用H 型雙股鋼帶梁并配合方形大托盤（400 mm×400 mm） 及小托盤（200 mm×200 mm） 聯(lián)鎖加強(qiáng)支護(hù)，錨索預(yù)應(yīng)力施工至120 kN 以上。

圖3 巷道頂板及幫部錨索梁桁架支護(hù)Fig.3 Roadway roof and side anchor beam truss support

巷道兩幫通過施工錨索梁桁架加強(qiáng)支護(hù)，1222運(yùn)輸巷兩幫分別打設(shè)4 根錨索梁桁架，錨索規(guī)格為φ21.8 mm×4 500 mm，最上一排施工時上仰10°，最下一排施工時下俯10°，使幫錨索能夠同時錨固在頂、底板堅(jiān)硬巖層中，錨索間距為1.0 m，排距為1.2 m，錨索預(yù)應(yīng)力施工至120 kN 以上。幫部錨索通過配合方形反弧托盤（400 mm×400 mm） 及小托盤（200 mm×200 mm） 聯(lián)鎖加強(qiáng)支護(hù)，形成幫部錨索梁桁架聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化對巷道煤柱側(cè)采空區(qū)支撐應(yīng)力的抵御。

4.2 噴漿注漿工藝參數(shù)

（1） 施工工序?yàn)榻馗顢嗝妗鯂?0 mm—打錨桿、掛繩—復(fù)噴60 mm—打錨索、掛繩—再次復(fù)噴60 mm—壁后注漿。

（2） 掛繩的鋼絲繩采用5"以上兩股繩，橫向應(yīng)以巷道輪廓長度為準(zhǔn)，縱向每根不小于10 m 為宜；掛繩過程中注意做好搭接并使用繩卡子鎖緊，掛繩間排距相較掛網(wǎng)時的孔眼放大5～6 倍為宜。既可以保持足夠的強(qiáng)度及掛漿效果，又最大限度節(jié)約了成本。

（3） 噴漿。采用3 層噴漿的施工方式，第一次初噴厚度50 mm，目的是給與剛截割出的圍巖進(jìn)行表面及時封閉以及找平，為后續(xù)施工錨索及掛繩奠定基礎(chǔ)；初噴后及時施工錨桿、錨索、掛繩，并進(jìn)行第一次復(fù)噴，噴厚50 mm，將錨桿、錨索、鋼絲繩連接成整體；然后進(jìn)行第二次復(fù)噴，噴厚50 mm，為注漿做基礎(chǔ)，確保注漿過程中不會產(chǎn)生漏漿現(xiàn)象。

（4） 注漿。注漿采用全斷面注漿的方式，將圍巖自承能力補(bǔ)強(qiáng)，先打設(shè)一排φ22 mm×2 000 mm 的注漿錨桿，并封孔至1.5 m 深度，間排距均為1.5 m，確保注漿擴(kuò)散半徑能覆蓋到全巷道。

為了加大注漿對圍巖的固結(jié)修復(fù)能力，采用了化學(xué)注漿配合棉絲對注漿孔1.5 m 深度封孔的方式，使得注漿孔壁有較強(qiáng)的粘接強(qiáng)度，達(dá)到防止?jié){液從管壁滲出，進(jìn)而有較強(qiáng)的注漿壓力的目的，注漿終壓可達(dá)8 MPa。

4.3 圍巖變形觀測

變更支護(hù)前后的巷道圍巖變形觀測情況如圖4、圖5 所示。

圖4 1222 運(yùn)輸巷支護(hù)變更前后兩幫變形對比Fig.4 Comparison of deformation of two sides before and after support change of 1222 transport roadway

圖5 1222 運(yùn)輸巷支護(hù)變更前后底鼓量對比Fig.5 Comparison of floor heave before and after support change of 1222 transport roadway

由觀測曲線圖可以看到，在完成支護(hù)后的一周內(nèi)，兩種支護(hù)方式均有較好的效果，此時支護(hù)體系均處于完整狀態(tài)；隨著采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力的持續(xù)作用，未注漿的支護(hù)體系發(fā)生了破壞，整體失衡，圍巖形變量呈指數(shù)增高，而實(shí)施了錨噴注聯(lián)合支護(hù)的巷道，由于修復(fù)了圍巖的自身承載能力，整體呈現(xiàn)緩慢形變趨勢，雖然仍舊無法達(dá)到穩(wěn)定不形變的狀態(tài)，但控制效果已相當(dāng)明顯，在巷道掘進(jìn)期間斷面滿足使用要求，避免了二次甚至多次翻修，提高了掘進(jìn)效率。

5 結(jié)論

（1） 針對邢東礦1222 運(yùn)料巷沿空掘巷時后路圍巖失穩(wěn)及支護(hù)失效的情況，通過分析圍巖特性和應(yīng)力分布特征，提出在原有支護(hù)方式基礎(chǔ)上通過掛繩、噴漿、注漿的錨噴注聯(lián)合支護(hù)方式修復(fù)圍巖自承能力，并適當(dāng)提高支護(hù)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)軟巖巷道沿空掘巷的快速、有效支護(hù)。應(yīng)用于1222 運(yùn)輸巷后支護(hù)效果比較明顯，通過礦壓顯現(xiàn)觀測巷道變形雖未達(dá)到穩(wěn)定趨勢，但該技術(shù)對巷道圍巖的控制相比原有支護(hù)已起到明顯效果。

（2） 在方案實(shí)施前，巷道斷面每7 d 需要臥底一次，每20 d 需要擴(kuò)幫重新支護(hù)一次，受后路擴(kuò)修影響，日進(jìn)尺效率僅為6.3 m；方案實(shí)施后，通過圍巖變形觀測分析，巷道在掘進(jìn)期間不再需要對后路進(jìn)行整修，日進(jìn)尺提高至8.4 m，大大提高了掘進(jìn)效率。通過降低噴漿注漿水泥標(biāo)號，采用掛繩噴漿代替掛網(wǎng)，使用廢舊鋼絲繩等方式，在滿足巷道使用壽命的基礎(chǔ)上，保障了掘進(jìn)效率，節(jié)約了掘進(jìn)成本。

（3） 錨噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)工藝簡單，可在不增加或小幅增加支護(hù)時間及成本的基礎(chǔ)上，有效解決深部巷道沿空掘巷支護(hù)難題，為提高礦井進(jìn)尺效率，制定衰竭礦井資源高效回收方案提供數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗(yàn)借鑒。