強烈動壓巷道全長預應力注漿錨索加固技術

霍振龍,孫志勇,郭相平

(1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司寺河礦，山西 晉城 048205；2.煤體科學研究總院北京開采設計研究分院，北京 100013)

1 礦井工程地質條件

寺河煤礦東四盤區膠帶巷處于巷道集中區，東側為東四盤區輔撤巷，西側為東四盤區輔助運輸巷和回風巷，均已發生明顯的底臌變形。東四盤區膠帶巷要經受4302、4305兩個工作面回采多次動壓影響，并且其兩側都是采空區，留巷難度非常大。如不在原有支護基礎上對東四盤區膠帶巷進行綜合加固處理，很難確保巷道的安全使用。

東四盤區膠帶巷沿3#煤層底板掘進，斷面形狀為矩形，掘進寬度為5.0m，高度為3.8m，掘進斷面積為19.00m2。巷道掘進范圍內3#煤層厚度6.68m，傾角為1～13°，條帶狀結構，縱向裂隙發育，充填方解石脈，煤層總體結構穩定。根據地質力學測試結果，煤層上方有一層厚度0.20m的炭質泥巖偽頂；直接頂為砂質泥巖，厚度4.14m，灰黑色，層理發育，不堅硬，含豐富的植物化石；其上方老頂為細砂巖，厚度3.20m，灰、深灰色細砂巖，含白云母片，具交錯層理，含豐富植物碎屑化石。詳細頂底板巖層狀況見圖1。

東四盤區膠帶巷西側依次為東四盤區輔助運輸巷、東四盤區集中回風三巷、東四盤區集中回風二巷和4305工作面，各巷之間中-中保留煤柱寬度(或停采線)分別為30m、35m、30m和60m。膠帶巷東側依次為東四輔撤運輸巷、4302輔撤運輸巷和4302工作面，各巷之間中-中保留煤柱寬度(或停采線)分別為30m、40m和60m。巷道具體的布置情況詳見圖2。

圖1 頂底板巖層狀況圖

圖2 東四盤區膠帶巷附近巷道布置情況

2 目前巷道支護方案

東四盤區膠帶巷在掘進期間采用樹脂加長錨固高強錨桿錨索組合支護的方式進行巷道支護。

1) 頂板支護：頂板錨桿桿體采用22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為BHRB400，錨桿長度2400mm，極限拉斷力217kN，屈服力152kN，延伸率18%。桿尾螺紋規格M24，采用滾壓加工工藝成型。錨桿均垂直頂板打設，每排6根錨桿，排距1000mm，間距900mm。錨桿采用樹脂加長錨固，錨固長度為1200mm，并用φ16mm，寬80mm，長4600mm的鋼筋托梁配合菱形網護頂。錨索材料為φ22mm，1×19結構高強度、低松弛預應力鋼絞線，長度7300mm；錨索托板采用300mm×300mm×16mm高強度可調心托板及配套鎖具，承載能力不低于600kN。錨索為樹脂端部錨固，錨固長度1970mm，每兩排錨桿打2根錨索，錨索間距1800mm，排距2000mm，垂直頂板巖層打設。

2) 巷幫支護方案：幫錨桿形式和規格與頂錨桿相同。巷幫每排布置4根錨桿，錨桿排距1000mm，間距1000mm。所有巷幫錨桿均垂直巷幫打設，靠近頂板和底板的巷幫錨桿安設角度與水平線允許10°的偏差。錨桿采用端部錨固方式，錨固長度762mm，并用280mm×350mm×4mm的W鋼護板配合菱形網護幫。

由掘進期間支護參數以及相鄰巷道變形情況進行綜合評價，容易得出，現有的支護強度，在掘進期間或者在受極小采動影響的情況下可以保證安全并滿足生產要求，但是在受回采等動壓影響情況下很難保證巷道安全使用。4302、4305兩個工作面回采過程中，膠帶巷要經受多次強烈動壓影響，并且膠帶巷兩側都是采空區，屬于極難維護巷道。另外由于工作面礦山壓力顯現劇烈，膠帶巷相鄰巷道均已出現嚴重變形，巷道甚至不能滿足生產需求，可見掘進期間的支護不足以與劇烈的回采動壓相抗衡，故對膠帶巷進行補強加固是必須的更是必要的。

3 加固支護方案

為了對即將加固的巷道的圍巖及支護狀況進行更加全面的了解，分別對東四盤區膠帶巷頂板和兩幫進行了鉆孔窺視。

從窺視圖3的窺視照片可以看出：東四盤區膠帶巷頂板開孔至0.6m處煤體松軟破碎，裂隙發育，1.8～2.3m之間微裂隙發育，2.4m為煤巖分界面，2.6m處巖體破碎，3.2m處為巖層分界面，3.6～3.8m之間存在三組橫向裂隙，4.7m、5.7m處存在橫向裂隙，以后段較完整。

從窺視圖4窺視照片可以看出：東四盤區膠帶巷左幫開孔處煤體極其破碎，裂隙發育，0.6m處煤體各向裂隙發育，1.0m處存在橫向大裂隙，1.5～1.9m之間煤體破碎，2.7～3.2m之間存在縱向大裂隙，5.5～5.8m之間煤體破碎，孔壁出現空洞，6.4～6.8m之間煤體破碎，7.8～9.2m之間煤體松軟，煤體內存在大量的孔隙。

從窺視圖5的窺視照片可以看出：東四盤區膠帶巷右幫0.3～0.5m之間煤體破碎，0.6～1.0m之間裂隙發育，2.1m處煤體破碎，孔壁剝落，3.0～3.5m之間各種裂隙發育，6.8m處煤體破碎，孔壁剝落。

綜上所述，東四盤區膠帶巷距巷道表面2m范圍內圍巖比較破碎，裂隙發育嚴重，深處偶有煤巖體破碎區，距巷道表面4m左右時不論頂板還是兩幫巖體相對完整，是理想的錨固區域。針對破碎的圍巖注漿無疑是最好的處理方式，而高預應力又是治理動壓巷道的有效手段，結合以上分析并針對寺河煤礦井下地質條件，本文提出全斷面全長預應力注漿錨索的巷道補強加固措施。

圖3 膠帶巷26#橫川處頂板孔窺視

圖4 膠帶巷26#橫川左側幫孔窺視

圖5 膠帶巷26#橫川右側幫孔窺視

3.1 全長預應力注漿錨索的作用機理

全長預應力注漿錨索其實質就是將預應力錨索支護與注漿加固結合在一起的一種支護方法。其具體施工工藝是樹脂錨固的方法首先將預應力錨索一端固定在巷道圍巖深部穩定圍巖中，然后進行張拉，給錨索未錨固段施加一定的主動作用力，即錨索具有較高的預應力，在此基礎上再進行錨索孔全長范圍內的高壓注漿。這就保證了錨索在全長范圍內具有較高的預應力，錨索全長范圍內的注漿也使得鉆孔周圍巖體更具有完整性，真正實現了錨索對破碎巖層的主動支護，巖體壓力荷載便通過錨索被傳遞到深部穩定的巖體，深部穩定的巖層自穩潛能得到充分發揮，從而可以有效控制巷道圍巖變形。

3.2 施工工藝

全長預應力注漿錨索的安裝示意圖如圖6所示。具體步驟為：確定錨索孔位→φ30mm鉆頭打孔→孔深4100mm，鉆孔完畢，退出鉆桿、鉆頭→換裝擴孔φ56mm鉆頭→擴孔深度500mm→退出擴孔鉆頭，壓風排渣→順序送入MSK2335、MSZ2360樹脂錨固劑→插入錨索→使用專用攪拌器將錨索與鉆機相連→旋轉攪拌錨固劑→推進、錨固錨索→攪拌樹脂錨固劑至規定時間→停止攪拌→插入鋁塑管(長度800mm，外露400mm)→錨索和鋁塑管外部用棉紗纏緊至鉆孔直徑大小和止退鋼管推入孔內→安裝錨索托板、球墊、索具張拉預緊錨索→安裝完畢卸下張拉千斤頂。

如此安裝預緊15～20根錨索→使用孔口鋁塑管，逐一連接注漿系統→錨索孔壓注水泥漿至終壓→停泵、彎折鋁塑管→拆除注漿系統，錨索孔注漿完畢→剪切或臥平錨索外露端。

圖6 注漿錨索安裝示意

3.3 正常段加固支護方案

根據寺河煤礦地質力學參數，以及東四盤區膠帶巷所處的特殊條件和圍巖狀況，確定加固參數如下所示。

1) 頂板加固：在巷道范圍內未施工錨索斷面補打4根全長預應力注漿錨索，排距1000mm，間距1400mm，靠近巷幫的頂錨索距幫400mm。掘進施工錨索斷面，在原錨索的中間和兩端各補打一根注漿錨索，全部垂直頂板打設，施工后沿巷道軸向錨索為4-5-4-5布置。所使用錨索材料為φ22mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，延伸率7%，長度4400mm配合300mm×300mm×16mm高強度可調心托板及配套鎖具，承載能力不低于600kN。施工時，首先使用一支MSK2335，兩支MSZ2360樹脂錨固劑進行錨固，并要求錨索預緊力≥250kN，其余部分進行注漿，注漿材料為水泥素漿(525#普通硅酸鹽水泥，配合XPM，添加劑用量為水泥重量的8%～10%)，水灰比0.8∶1～1∶1(根據現場注漿效果在小范圍內調整)。

2) 巷幫加固：進行巷幫加固所使用的注漿錨索以及注漿材料等均與頂板加固相關參數相同。不同的是考慮煤體本身強度因素，兩幫注漿錨索的預應力定為≥150kN。兩幫全長預應力注漿錨索布置方式為，每排每幫打設4根注漿錨索，排距2000mm，間距1000mm，起錨高度為400mm，靠近巷道頂板的幫錨索距頂板400mm。

3.4 構造帶和橫川交叉口段加固方案

1) 頂板支護：未施工錨索斷面補打5根注漿錨索，排距1000mm，間距1100mm，靠近巷幫的頂錨索距幫300mm。掘進施工錨索斷面，在原錨索的中間和兩端各補打一根注漿錨索，全部垂直頂板打設，施工后沿巷道軸向錨索為5-5布置。要求錨索預緊力≥250kN。

2) 巷幫支護：每排每幫打設4根注漿錨索，排距1000mm，間距1000mm，起錨高度為400mm，靠近巷道頂板的幫錨索距頂板400mm，錨索預緊力≥150kN。

圖7 掘進時支護方案

圖8 補強加固方案

4 礦壓監測

試驗期間在東四盤區膠帶巷24#～25#、25#～26#橫川之間分別安裝表面位移測站和錨索受力測站，觀察巷道受動壓影響后圍巖的受力和變形情況，監測結果如圖9所示。

圖9 礦壓監測曲線

由表面位移監測結果可以看出：東四盤區膠帶巷經過注漿錨索加固后，動壓影響下基本上能保持穩定。1#表面位移測站顯示兩幫移近量最大為62mm，為初始巷道兩幫寬度的1.24%，其中左幫移近量為30mm，右幫移近量為32mm；巷道頂底移近量最大為46mm，為巷道初始高度的1.2%。2#表面位移測站顯示兩幫移近量最大為72mm，為初始巷道兩幫寬度的1.44%，其中左幫移近量為34mm，右幫移近量為38mm；巷道頂底移近量最大為52mm，為巷道初始高度的1.37%。3#表面位移測站顯示兩幫移近量最大為51mm，為初始巷道兩幫寬度的1.02%，其中左幫移近量為25mm，右幫移近量為26mm；巷道頂底移近量最大為43mm，為巷道初始高度的1.13%。4#表面位移測站顯示兩幫移近量最大為55mm，為初始巷道兩幫寬度的1.1%，其中左幫移近量為26mm，右幫移近量為29mm；巷道頂底移近量最大為61mm，為巷道初始高度的1.6%。從巷道表面位移監測結果來看，加固后的東四盤區膠帶巷位移量很小。

5 結論

1) 寺河煤礦東四盤區膠帶巷處于巷道集中區，巷道服務期間受多次強烈動壓影響，巷道維護困難，原有支護不能滿足安全生產要求，通過有效的補強加固措施，保證了巷道的安全使用。

2) 全長預應力注漿錨索，不僅可以保證錨索給予圍巖足夠大的主動支護作用力，錨索全長范圍內注漿更使得鉆孔范圍內巖體得到加固，同時錨索對圍巖的變形錯動也更加敏感。

3) 東四盤區膠帶巷使用全長預應力注漿錨索進行補強加固后，巷道圍巖變形較小，有效的抑制了巷道在強烈動壓影響下的變形，保證了巷道的安全使用，可見使用全長預應力注漿錨索技術對強烈動壓影響巷道進行補強加固非常實用和有效。

[1] 李希勇,張修峰.高強度預應力注漿錨索研制與應用[J].煤礦開采,2008,13(3):48-49.

[2] 郭建剛,蔣敬平.破碎圍巖高強注漿錨索補強加固技術[J].山東煤炭科技,2002(4):25-26.

[3] 郝曉亮,孫增飛,陳大廣,等.全長錨固注漿錨索在巷道過極易破碎大斷層支護中的應用[J].煤炭工程,2010(6):24-26.

[4] 吳志祥,趙英利,梁建軍,等.預應力注漿錨索技術在加固大巷中的應用[J].煤炭科學技術,2001,29(8):10-12.

[5] 高俊峰,宋彥波.預應力注漿錨索技術在軟巖巷道底臌治理中的應用[J].煤礦安全,2008,(12):57-60.

[6] 曹凱,張飛龍.預應力注漿錨索加固復合型頂板及堵水技術實踐[J].神華科技,2011,9(4):34-37.

[7] 牛棟.注漿錨索在大斷面硐室中的應用[J].山西煤炭.2002,31(3):66-68.

[8] 康紅普，王金華，等.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007.

[9] 康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預應力強力錨索支護技術及其在動壓巷道中的應用[J].煤炭學報，2009，34(9)：1153-1159.

[10] 郭建忠.注漿錨索支護技術在大斷面硐室整體加固中的應用[J].建井技術,2009,30(6):14-15.