中空注漿錨索、錨桿在石炭系破碎圍巖支護中的應用

孫占成 周保平

1 概述

挖金灣煤業(yè)公司山4#煤層結構復雜、煤厚總厚為3.69 m～5.10 m，平均4.46 m，含三至五層夾石，夾矸厚度0.18 m～0.40 m，單層厚度0.05 m～0.3 m(頂、底板巖性特征見表1)。山4#二盤區(qū)南回風巷沿煤層布置，設計長度1 589 m，掘進斷面為：4.70 m×4.10 m。巷道采用錨網(wǎng)噴支護，在掘進到300 m處遇1條正斷層，落差6 m，由于工作面頂板的炭質(zhì)泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育性松軟，易破碎，以及斷層帶的影響，現(xiàn)有支護方式難以滿足要求（見圖1），為此本文采用中空注漿錨索、錨桿對原有巷道進行補強支護，較好地控制了高應力軟巖巷道的大變形，，取得了良好的效果。

表1 頂、底板巖性特征表

圖1 南回風巷變形破壞

2 中空注漿錨索、錨桿簡介

2.1 中空注漿錨索的結構形式

中空注漿錨索主要由錨索索體、索具、托盤、止?jié){塞部件組成。索體由以下三部分組成，頂端實心段用于攪拌樹脂實現(xiàn)端錨，中間部分內(nèi)有軟性芯管（柔性注漿管），便于使錨索彎曲和注漿，中間部與頂端實心段具有出漿口，錨索尾端為緊固段，內(nèi)用高強合金管（剛性注漿管），當錨具緊固時索體不收縮。止?jié){塞采用錐形橡膠止?jié){塞。中空注漿錨索結構形式及力學參數(shù)見圖2及表2。

圖2 中空注漿錨索結構形式

表2 中空注漿錨索力學性能、參數(shù)

2.2 中空注漿錨索的封孔方式

中空注漿錨索的封孔方式按從下到上順序依次為化學法深部封孔、物理法深部封孔和物理法淺部封孔，依次為為封堵螺帽、硬管、軟管、限位環(huán)和雙組份化學材料[1]。

2.3 中空注漿錨桿

中空注漿錨桿通過桿部（錨頭）向孔口返漿，可實現(xiàn)壓力注漿，使?jié){液更好充填裂隙，以固化巖體和改善圍巖力學性能，發(fā)揮巖體自身承載能力，進而達到良好的支承載荷[2]。該錨桿力學性能、參數(shù)見表3。

表3 中空注漿錨桿力學性能、參數(shù)

2.4 注錨劑

注錨劑是為液態(tài)高分子改性樹脂，是由A、B組分組成，凝膠時間：3～15 min，抗壓強度：56 MPa。

3 巷道支護方案

依據(jù)石炭系山4#層南回風大巷現(xiàn)場地質(zhì)情況，通過理論研究、調(diào)研及分析，鑒于該巷道原支護方案難以控制巷道圍巖穩(wěn)定性，現(xiàn)采用中空注漿錨索進行補強加固的方式（見圖2）：

（1）頂板采用支護形式鋼帶+注漿錨索+網(wǎng)聯(lián)合支護，中空注漿錨索(φ22×8 000 mm)間距1 000 mm，排距900mm，布置5 排，托盤規(guī)格為：150 mm×150 mm×5.5 mm、W 型鋼帶規(guī)格為：3 900 mm×250 mm×3 mm，菱形金屬網(wǎng)規(guī)格為6 000 mm×1 200 mm；

（2）幫部采用采用φ22×2200mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護，布置3排，排間距為1 000 mm×1 000 mm、托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×5.5 mm。

（3）超前支護中空注漿錨桿(φ25×3 500 mm)間距800 mm，排距2 000 mm，角度為斜向上15°，每兩個循環(huán)支一排。

圖3 南回風大巷補強加固支護示意圖

4 應用情況

4.1 現(xiàn)場施工流程

（1）中空注漿錨索安裝、施工流程：確定巷道拱部錨索位置打孔→裝樹脂錨固劑→安裝錨索→攪拌藥卷→待凝固20 s～30 s→安裝止?jié){塞→上緊托盤、螺母→第一次張拉→連接混合槍與連接錨桿端頭→開泵注漿→檢查注漿泵壓力→觀察注漿量→漿液注滿→快速停泵→二次張拉小于160 kN →依次完成其它的頂板錨索的輸注。

（2）中空注漿錨桿安裝、施工流程：確定巷幫錨桿位置打孔→裝樹脂錨固劑→安裝錨桿→攪拌藥卷待凝固20 s～30 s→安裝止?jié){塞→上緊托盤、螺母→連接混合槍與連接錨桿端頭→開泵注漿→檢查注漿泵壓力→觀察注漿量→返漿停泵→預緊力80 kN.→由下而上依次完成輸注。

4.2 礦壓觀測結果分析

本次設計從南回風巷300 m 開始試驗，試驗長度為60 m。為了更好掌握圍巖活動規(guī)律，科學評價圍巖控制效果，為石炭系類似以上圍巖條件下采取科學、有效合理的支護技術提供理論支撐，特對本次注漿加固技術效果從巷道表面位移、巷道圍巖深部位移、注漿錨桿、錨索實際工況監(jiān)測及巷道圍巖松動圈監(jiān)測四方面進行觀測分析，分析結果如下：

（1）南回風巷左幫圍巖主要以剪脹變形受力為主，右?guī)蛧鷰r主要以壓縮變形受力為主；通過深基點位移計觀測結果發(fā)現(xiàn)：0～1.0 m 范圍內(nèi)圍巖主要以壓縮變形作用較為明顯；右?guī)蛶湍_0～1.5 m 范圍內(nèi)圍巖以拉壓變形交替作用，1.5 m～2.5 m 范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生剪脹變形。

（2）巷道右?guī)蛶湍_、右?guī)图绺C及左幫幫腳錨桿錨固力較大，是容易發(fā)生支護局部失穩(wěn)的部位，需要加強支護。

（3）左幫肩窩、右?guī)图绺C錨索的初期張拉力不大，隨著巷道擴修的不斷推進，錨索受力逐漸增大，主要是兩幫圍巖位移較大，為了維護整個支護承載結構的穩(wěn)定，錨索的受力較大。

（4）通南回風巷表面位移速度左幫變形速度最大，右?guī)妥冃未沃敯逑鲁了俣茸钚。煌瑫r，注漿充填裂隙，改善了裂縫尖端的應力集中環(huán)境，使受集中載荷轉變?yōu)槭芫驾d荷，大大提高了圍巖自身的承載能力。

4.3 效果

現(xiàn)場應用結果表明，采用以“中空注漿錨桿+中空注漿錨索”為核心的綜合支護技術可以較好地控制高應力軟巖巷道的大變形，盡快形成注漿承載拱結構，充填圍巖裂隙，減小兩幫巖體破壞程度，減緩兩幫和底板鼓出，并從根本上控制巷道圍巖變形量，以達到最佳注漿支護效果。巷道補強支護后現(xiàn)場效果見圖4。

圖4 南回風巷補強支護現(xiàn)場效果

5 結論

（1）該中空注漿錨桿、錨索，雖然在機理上有類似的加固效應，但錨桿還是側重于通過大管徑、大流量輸注，在滲流量上略優(yōu)于錨索，在破碎圍巖中注漿加固效能方面也十分突出。而錨索在注錨一體上，固結效果較強，在自身承載力上也優(yōu)于錨桿。

（2）可以利用其自身較“短”的優(yōu)勢，在巷道兩幫或工作面迎頭安設注漿，封堵巖石裂隙、隔絕空氣，有效防止圍巖風化，同時將破碎松散的圍巖膠結固化成一體，進而提高巖體的內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力和彈性模量。在繼續(xù)配合以往的錨噴支護工藝形成多層有效的組合拱，能更好地擴大現(xiàn)有支護體系的承載區(qū)域，進而更有利于提高支護結構的整體自身承載能力，極大改善圍巖的受力狀態(tài)。

6 結束語

采用中空注漿錨桿、錨索為核心的綜合注漿支護技術在石炭系山4#層南回風大巷過松軟破碎圍巖帶取得了較好的效果，日進可達4 m，僅用半個月時間就安全通過斷層破碎帶，比原有的“短掘短支+架棚支護”方式提高將近1倍的速度，而且施工現(xiàn)場安全可靠、工人勞動強度低。該技術不但可以抑制巷道松軟破碎圍巖的變形，而且施工工藝較為簡單，施工工藝易于掌握，具有較強的推廣應用價值。