薄巖柱及斷層破碎帶巷道注漿加固支護(hù)技術(shù)研究

馬勇 胡安峰 王建軍

棗莊礦業(yè)集團(tuán)高莊煤業(yè)有限公司 山東棗莊 277605

1 研究背景

回采工作面在掘進(jìn)準(zhǔn)備期間，在3下煤沿空掘進(jìn)巷道的薄巖柱區(qū)、斷層破碎帶，采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)梯索支護(hù)非常困難。沖擊地壓礦井巷道嚴(yán)禁采用剛性支護(hù)，能否找到一種有效的支護(hù)方式就顯得尤為緊迫，開展了薄巖柱及斷層破碎帶巷道注漿加固支護(hù)技術(shù)研究。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論體系

針對復(fù)雜困難巷道支護(hù)難題，提出以應(yīng)力場為主線，將原巖體、采動體與支護(hù)體有機結(jié)合為整體的研究思路，對巷道原巖應(yīng)力場與采動應(yīng)力場，圍巖變形與破壞特征及支護(hù)原理進(jìn)行了深層次研究。

2.2 注漿錨索支護(hù)技術(shù)

利用高壓泵，把破碎圍巖的縫隙和孔體充實，利用漿液封堵圍巖裂隙，具有隔絕空氣、防止圍巖風(fēng)化的作用，并且能防止圍巖被水侵蝕而降低圍巖的固有強度，提高煤巖體的自撐能力從而提高圍巖的整體性和其力學(xué)性能。

2.3 “雙網(wǎng)錨桁噴注”支護(hù)法

在近距離煤層開采條件下，下層巷道的圍巖條件發(fā)生較大變化，頂板產(chǎn)生一定的破壞，應(yīng)力也隨著距離上層煤的距離發(fā)生增大或降低的變化。

3 具體研究方法

3.1 現(xiàn)場地質(zhì)力學(xué)測試

測試區(qū)域應(yīng)力場在量值上屬于中等應(yīng)力值區(qū)域，應(yīng)力場類型以垂直應(yīng)力為主，垂直應(yīng)力在區(qū)域應(yīng)力場中占優(yōu)勢，最大水平主應(yīng)力為11.07MPa，最小水平主應(yīng)力為6.08MPa，垂直應(yīng)力為12.93MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N12.9°W，近似南北向。

3.2 礦壓顯現(xiàn)特征及圍巖變形機理

（1）深部巷道圍巖破碎分析。采深加大后巷道變形趨于嚴(yán)重，但由于巖性、布置、開采影響和開采形成的邊界條件不同，深部巷道變形破壞差異很大，同一深度上的巷道變形破壞情況本身就相差很大。（2）近距離煤層開采特點。煤層開采引起回采空間圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致回采空間周圍的煤柱上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。煤柱上的集中應(yīng)力將向底板深部巖層傳遞，導(dǎo)致下部煤層巷道變形和破壞十分嚴(yán)重。煤層開采后，引起上覆巖層垮落和變形，開采煤層底板巖(煤)層也會產(chǎn)生一定的卸壓變形和破壞，同時采場圍巖中應(yīng)力重新分布，形成采場周圍的高應(yīng)力和低應(yīng)力區(qū)。（3）上部煤層開采后底板應(yīng)力分布規(guī)律及破壞分析。近距離煤層采用單層逐層下行開采后，上部煤層工作面載荷、工作面支承壓力、采空區(qū)垮落矸石形成的載荷共同構(gòu)成了下部煤層開采時的主要力源，而采空區(qū)垮落狀況又影響著煤柱載荷以及工作面支承壓力和采空區(qū)底板載荷。

3.3 巷道支護(hù)方法

（1）復(fù)雜困難巷道高強預(yù)應(yīng)力支護(hù)原則。①及時、一次支護(hù)原則。錨桿錨索支護(hù)應(yīng)盡量做到一次支護(hù)就能有效控制圍巖的變形與破壞。②高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。③“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強度（加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度）、剛度（提高錨桿預(yù)應(yīng)力、全長預(yù)應(yīng)力錨固），降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。④臨界支護(hù)強度與剛度原則。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強度與剛度，設(shè)計錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強度與剛度應(yīng)大于臨界值。⑤相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配。（2）桁架支護(hù)理論。桁架支護(hù)是根據(jù)巖體力學(xué)的基本原理，立足于發(fā)揮圍巖的自承力，改善圍巖與支架應(yīng)力狀態(tài)的一種漲拉式支架結(jié)構(gòu)。桁架支護(hù)屬于一種主動加固圍巖的支護(hù)形式。（3）注漿錨索支護(hù)技術(shù)。注漿錨索核心技術(shù)就是利用高壓泵，把破碎圍巖的縫隙和孔體充實，防止圍巖被水侵蝕而降低圍巖的固有強度，對出現(xiàn)松動的煤巖體產(chǎn)生粘結(jié)固化作用，提高圍巖的整體性和其力學(xué)性能。注漿充填圍巖裂隙，配合錨網(wǎng)支護(hù)，可以形成一個多層有效組合拱，即錨網(wǎng)組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴散加固拱，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。注漿后在頂板上的垂直載荷能有效地傳遞至兩幫，通過對幫的加固，又能把荷載傳遞到底板。（4）“雙網(wǎng)錨桁噴注”支護(hù)法。近距離煤層條件下，困難巷道主要有兩種類型：一是，上層煤開采破壞的底板即下層巷道的頂板受采動影響發(fā)生破壞，巷道開挖在破壞范圍內(nèi)或者開挖形成的破壞區(qū)與上層煤采動形成的破壞區(qū)形成交叉，連在一起；二是，上層煤開采遺留的煤柱等在下部煤巖體中形成一定范圍的應(yīng)力集中區(qū)，如若巷道開挖在應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)，則巷道的支護(hù)變得困難。“雙網(wǎng)錨桁噴注”支護(hù)法用于采空區(qū)下巷道的支護(hù)，改變之前傳統(tǒng)支護(hù)方法變形大、容易失穩(wěn)的狀況。在巷道淺部圍巖內(nèi)實行強力錨固，形成淺部一定程度自承載組合拱的整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

雙網(wǎng)錨桁噴注支護(hù)法

3.4 支護(hù)設(shè)計

錨桿形式和規(guī)格：桿體為20#左旋無縱筋全螺紋鋼，鋼材為500#鋼，長度2.2m。

錨固方式：樹脂端部錨固，采用一支樹脂錨固劑，規(guī)格為MSK2350，鉆孔直徑為28mm，錨固長度為570mm。設(shè)計錨固力不低于85kN。

鋼筋托梁規(guī)格：采用Φ10mm的鋼筋焊接而成，寬度80mm，長度1700mm。

托板：采用拱型高強度托板，鋼材強度不低于Q235，配合減阻尼龍墊圈。錨桿墊片：采用廢舊皮帶截取，規(guī)格為200×200mm。

網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬菱形網(wǎng)+高分子網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)前后左右采用鉤接方式連接，并將鉤接處捏緊。

錨桿布置：錨桿排距900mm，每排5根錨桿，間距900mm。錨桿角度：垂直巷幫煤巖面打設(shè)；外側(cè)幫頂角錨桿考慮施工需要。

噴漿：沿空側(cè)幫部及肩窩以里1000mm范圍內(nèi)進(jìn)行噴漿，噴漿厚度為100mm，噴射混凝土強度為C20。

注漿錨索型號為SKZ22-1/1770，直徑為22mm，抗拉強度為1770Mpa，安裝鉆孔直徑30mm，長度為3500mm。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支樹脂錨固劑，一支規(guī)格為MSCK2335，另一支規(guī)格為MSK2350，鉆孔直徑為30mm，錨固長度為1080mm。

錨索托板：采用高強度拱形托板及配套鎖具，錨索托板尺寸要求不小于300×300mm，高度不低于56mm，厚度不小于14mm。

錨索布置：注漿錨索與錨桿、普通錨索均不布置在同一排，每排以巷道中心為基準(zhǔn)布置兩顆錨索，排距1800mm，間距2000mm。

錨索角度：垂直頂板煤巖面打設(shè)。

注漿：泵選用ZBQ—27/1.5煤礦用氣動注漿泵及配套攪拌桶。水泥注漿液，選用強度PO42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比W/C=0.5，添加水泥用量8%的注漿加固專用添加劑，以增加漿液的可注性、密實性并提高注漿強度。注漿從零開始應(yīng)緩慢升壓，正常為0.5-1.5MPa，錨索達(dá)到4.0 MPa可停止注漿。

4 主要創(chuàng)新點

（1）應(yīng)用巷道“預(yù)案支護(hù)技術(shù)”，檢測了巷道收斂變形量和時間關(guān)系，研究了位移變形曲線中巷道的破壞規(guī)律；準(zhǔn)確的把握了二次加固時機與錨注技術(shù)參數(shù)，有效的采用了高強中空注漿錨索，獲得了十分明顯的支護(hù)效果。（2）研究“再生巖體”強度變化機理，提高了圍巖的抗拉及抗剪切強度，改善了“再生巖體”的韌性特征，使整體支護(hù)強度增加兩倍。（3）“雙網(wǎng)錨桁噴注”支護(hù)法用于采空區(qū)下巷道的支護(hù)。在巷道淺部圍巖內(nèi)實行強力錨固，形成淺部一定程度自承載組合拱的整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。