高預應力錨索+注漿技術應用研究

張海志

(平頂山天安煤業股份有限公司十一礦，河南 平頂山 467000)

0 引言

我國煤礦開采深度以每年8～12 m的速度增加，東部礦井則以每年10～25 m速度增加，深部開采已成為采礦業未來發展的必然趨勢。隨著開采深度的增加，帶來了一系列工程災害和技術難題，大采深復雜應力狀態下的軟巖巷道和復合頂板支護穩定性問題日益嚴重，已成為制約礦井開采向深部發展的重大瓶頸問題。國內對深部復雜巖層巷道支護技術研究主要理論有巖性轉化理論、軸變論理論、聯合支護理論、松動圈理論、主要承載區理論、應力控制理論、軟巖工程力學支護理論等。依據圍巖松動圈范圍及巷道開挖后圍巖變形量，將巷道圍巖分為Ⅰ非常穩定、Ⅱ穩定、Ⅲ中等穩定、Ⅳ不穩定、Ⅴ極不穩定五類。巷道掘進過程中留頂煤、層理、節理較發育的復合頂板、巖體松軟的Ⅳ、Ⅴ類圍巖穩定性控制問題，已成為急需解決的問題。

1 戊9-10-22080風巷概況

平煤股份十一礦戊9-10-22080風巷位于二水平戊二采區西翼，該巷道位于二水平戊二采區軌道下山四區段。該工作面南北均為原生煤體，東起戊二皮帶下山，西止56勘探線以西260.0 m。設計走向長度1 880 m，巷道掘進沿著戊9-10煤層頂板施工，采用梯形錨網支護，斷面5 200 mm×2 600 mm(寬×高)。

2 上覆圍巖鉆探及巷道失穩原因

2.1 上覆圍巖鉆探

戊9-10-22080風巷0-1 600 m施工中上覆巖層穩定，巷道支護效果較好。施工至1 600 m附近圍巖發生較大變化，單一的錨網支護已不能滿足安全生產需要，現場布置頂板離層儀觀測前7 d離層量在300 mm左右，10～20 d局部最大離層量達到800 mm，巷道基本處于失穩狀態，現場采用鉆探的方法探測了上覆巖層賦存情況，探測直接頂板為1.4 m左右泥巖，灰色，含植物化石，10 m范圍內存在2～4層厚0.10～1.0 m的薄煤層和泥巖互層。

2.2 巷道支護失穩原因

2.2.1 巖石強度低

上覆圍巖為泥巖、炭質泥巖、煤巖互層，單相抗壓強度都較低，由于巖石強度低表現在圍巖松散、軟弱，在中等或稍高應力水平狀態下就能產生較大的圍巖變形，支護困難。

2.2.2 巖石吸水膨脹

泥巖炭質泥巖親水后產生大量的體積膨脹，也是圍巖變形失穩的原因。

2.2.3 圍巖應力水平高

圍巖應力水平表現在3個方面：巷道埋深大；構造應力大；集中應力作用。

3 單一錨網支護效果及選用的新支護方案

3.1 單一錨網支護效果不理想

錨桿端部錨固在松軟煤層中，可錨性差及持續不斷的變形破壞導致部分錨固力減弱，松動圈擴大巖體整體發生位移；由于單體錨桿預應力不均衡，圍巖發生位移造成錨桿受拉力、剪切作用遭到破壞。綜合分析認為提高支護效果應從以下2個方面入手。

1)采取適當的加固措施以提高圍巖強度，既可增加破碎圍巖的穩定狀態的安全性及可持續時間，還可擴大松動性穩定狀態支護方式的使用范圍，即通過提高破碎圍巖的強度，使松動性穩定狀態支護方式適用于原本不具備條件的巷道圍巖控制。通過錨桿、錨網、W鋼帶、注漿相結合的方式使破碎頂板形成具有一定承載能力的整體錨固體，從而利用錨固體的抗壓和抗剪切能力控制圍巖的變形，有效實現高地應力向圍巖深部轉移，從而達到理想的支護效果。

2)進一步增加預緊力。選取合理長度、強度的高預應力錨索進一步將穩固的錨固體加壓懸吊于深部穩定巖層結構之中。通過高預應力錨索與原W鋼帶等高強度護表材料配合使用，增加預應力擴散效果，提高支護質量。

3.2 確定支護方案

初次錨網索支護+滯后注漿加固圍巖+施工高預應力錨索進一步強化圍巖錨固體。

4 注漿加固技術

4.1 注漿材料選取

針對深井Ⅳ類圍巖巖體松散破碎的特點，主要是漿液滲透擴散充填加固破碎煤巖裂隙，重構圍巖整體性能。因此，要保證注漿材料借助注漿泵壓力均勻充填煤巖裂隙，且避免注漿期間圍巖巖體出現大面積漏漿、跑漿現象。綜合考慮選擇化學漿液固安特作為注漿材料。

固安特是由2種成分組成的高分子聚亞胺膠脂產品，混合后2種材料組合反應發泡，生成多元網狀密彈性體，注入煤體后，低黏度混合物保持液體狀態，在高壓推力作用下滲透到細小的裂縫中膨脹膠結，從而有效加固和密封處理區域。固安特發生反應非常的迅速，對溫度的要求也不高，但是形成的固結體強度高，抗壓能力強，不會縮型變壓，固結體結構密實。

4.2 注漿施工流程

首先是準備相關材料及儀器并讓其下井，包括準備施工現場、施工儀器、風源、水和清洗劑、高壓管、風動泵、檢查槍等；其次是連接好相關儀器，并打孔；最后是進行封孔與注漿，用油和水清洗多功能泵和槍，完成施工后要關閉風源并清理現場。

5 高預應力錨索選型及支護設計

5.1 錨索型號的選擇

錨索可以將錨桿支護形成的圍巖次生承載結構與深部圍巖相連，提高掘巷擾動后重新形成的圍巖承載結構的穩定性，錨索可以比錨桿施加更大的預緊力，提供壓應力有效值更大，有效范圍更大，與錨桿形成的壓應力有效區一起，形成統一的整體支護體，共同保持圍巖及結構的完整性，減小圍巖強度降低。結合戊9-10-22080風巷1 600 m處實際鉆探頂板柱狀圖，錨索選擇Φ28.6 mm的1×19鋼絞線加工而成，長度9 m，預緊力450 kN。

5.2 錨索布置形式

錨索排距1 600 mm，間距1 600 mm ，每排布置4根錨索，錨索初始預緊力不低于450 kN。

6 支護效果檢驗

6.1 注漿效果檢驗

選擇檢測方法應綜合考慮其適用條件、檢測結果的可靠性、檢測結論的科學性，并盡可能量化檢測指標。同時考慮檢測周期、檢測費用等因素。根據平煤股份十一礦戊9-10-22080風巷注漿的具體情況，考慮到施工可能存在的主要工程問題，注漿效果檢測主要包括注漿材料與煤巖體凝結密實性、膠結的連續性。檢測方法包括：鉆孔取芯檢測和窺視鏡探測。

6.2 聯合支護效果監測

6.2.1 觀測內容

觀測巷道采用錨網+注漿+高預應力錨索聯合支護前后的圍巖變化情況，包括巷道頂板離層量、頂底板移近量、兩幫收縮量，底鼓量，通過對比判斷聯合支護效果。

6.2.2 測點布置方案

巷道每50 m布置一組測點，初次錨網支護后布置一個測點，聯合支護后每個測點重新布置1個頂板離層儀，觀測頂板位移狀況。

6.2.3 測量頻度

測站設置1周內測量為1次/d，1周后每周觀測記錄2次至變形穩定。

6.2.4 測量結果分析

通過設置十字位移和安裝頂板離層儀對單一支護和聯合支護效果進行對比。單一梯形錨網支護方式前7 d變形量高達300 mm，支護效果差，難以滿足安全生產需求。采用高預應力錨索和注漿聯合支護技術后重新布點進行觀測，49 d內頂板最大下沉量僅在0～20 mm范圍內且基本趨于穩定，巷道收斂變形得到較好的控制，支護效果理想，有效地解決了高應力區破碎松軟巖層巷道支護的難題，為高應力破碎松軟巖層大斷面巷道的支護積累了寶貴經驗，具有廣泛的推廣應用價值。