中孔注漿錨索在破碎頂板支護中應用分析

劉建君

（晉能控股煤業集團公司，山西 大同 037001）

1 概況

塔山煤礦三盤區2305 巷位于三盤區以西，巷道從三盤區輔運巷以5°仰角上山掘進，巷道仰斜掘進170 m 且揭露2#煤層后沿2#煤層頂底板平行掘進，2305 巷道設計總長度為2600 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5 m×3.1 m。

2305 巷掘進的石炭系2#煤層，均厚為3.05 m，平均傾角為4°，煤層結構相對復雜，煤層成層狀結構，夾雜2～3 層以泥巖為主的矸石。2#煤層無偽頂，直接頂為混合巖層，平均厚度為4.9 m，從下往上依次為炭質泥巖（厚度為2.1 m）、煤層（厚度為0.4 m，不可采）、砂質泥巖（厚度為2.4 m）；基本頂主要為粗砂巖，平均厚度為11.7 m；直接底主要為炭質泥巖，平均厚度為2.7 m。2305 巷采用綜合機械化掘進工藝，截至目前巷道已掘進至452 m。

地測資料顯示，2305 巷掘進區域水質條件復雜，地質構造主要以斷層為主，在400～540 m 段共計富含21 條斷層，形成斷層群構造區，斷層最大落差為1.5 m，最小落差為0.7 m，以正斷層為主。2305巷掘進至452 m 處已揭露4 條正斷層，受斷層影響巷道在421～452 m 段巷道頂板穩定性差，應力顯現嚴重，主要表現為頂板破碎、下沉等現象，頂板最大下沉量達0.47 m，且局部頂板支護失效現象嚴重，威脅著巷道安全掘進。

2 巷道原支護設計及問題分析

2.1 原頂板支護

原巷道頂板采用“錨桿（索）網+W 型鋼帶”聯合支護。

（1）頂板錨桿。頂板錨桿采用高強度螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.5 m，直徑為22 mm，錨桿間排距為1.0 m。錨桿采用加長錨固方式，錨固長度為0.95 m，錨固力為190 kN。

（2）頂板鋼帶。采用長度4.4 m、寬度0.25 m的“W”型鋼帶，鋼帶抗壓強度為420 MPa/m2，鋼帶上均勻布置5 個錨桿支護圓孔，孔間距為1.0 m。

（3）頂板錨索。錨索采用長度為5.3 m、直徑為17.8 mm 鋼絞線，延展率為12%。錨索采用端頭錨固方式，錨固長度為1.5 m，錨固力為220 kN，每排布置3 根錨索，錨索間距為1.5 m，排距為3.0 m。

2.2 頂板破碎機理

由于2305 巷直接頂主要以混合巖層為主，巖體整體成層狀結構，局部鱗狀結構，混合巖體平均單軸抗壓強度低于27 MPa，在斷層應力作用下，直接頂破碎嚴重，裂隙發育充分，在頂板內形成圍巖松動圈，在應力持續作用下，對裂隙帶產生擴張破壞作用，從而進一步擴大松動圈范圍，破壞了頂板整體穩定性，降低了頂板承載能力。

2.3 支護問題分析

（1）支護錨固效果差。原頂板錨索采用端頭錨固，錨固長度1.5 m，錨桿盡管采用了加長錨固，但錨固長度僅0.95 m，錨桿（索）的錨固端均位于頂板裂隙松動圈內，該處巖體破碎嚴重，導致錨固效果差，降低了支護效果。

（2）支護效果差。錨桿（索）支護主要作用為懸吊作用以及組合梁作用，而原頂板破碎嚴重，整個頂板出現失穩現象，錨桿（索）支護變為點性支護，支護范圍小，且無法形成穩固的組合梁，起不到預期的支護效果。

3 中空注漿錨索支護

3.1 中空注漿錨索結構

（1）中空注漿錨索主要由中空錨索體、止漿塞、鋼性注漿管、柔性注漿管等部分組成，如圖1。2305巷采用的注漿錨索型號為SKZ160-1/1770，錨索直徑為21.8 mm，錨索破斷力740 kN，延展率為18%。

（2）注漿材料：采用A、B 兩種成分混合雙性聚氨酯材料。該材料遇水后能夠快速形成泡沫狀固結體，遇水后膨脹率達25%，凝固時間為15 min，凝固后抗壓強度達70 MPa。

（3）錨索托盤。為了提高注漿錨索支護效果，錨索配套“JW”型鋼梁，鋼梁長度為3.2 m，寬度為0.35 m，厚度為5 mm，鋼梁上均勻布置兩個錨索孔，孔間距為2.2 m。

3.2 支護方案

（1）原巷道頂板錨桿支護間距不變，支護排距變為1.2 m，頂板錨索更換為中空注漿錨索，每排2 根，錨索間距為2.2 m，排距為3.6 m。

（2）首先采用液壓錨桿鉆機在相鄰兩排錨桿之間施工兩個錨索鉆孔，孔間距為2.2 m，孔徑為28 mm，鉆孔深度為6.0 m。錨索鉆孔施工完后，對鉆孔內裝一根中空注漿錨索。

（3）中空注漿錨索安裝后，將雙液注漿泵、注漿管與錨索尾部連接，并采用連接套固定，然后進行注漿施工。注漿壓力控制在0～1.5 MPa 范圍內，單孔注漿時間為15 min，注漿完成后及時采用止漿塞進行堵孔。

（4）同一排中空注漿錨索注漿1.5 h 后，在錨索外露端安裝一根“JW”型鋼梁，并采用鎖具進行預緊，預緊力不低于320 kN。

圖1 中空注漿錨索結構示意圖

3.3 支護優點

（1）降低了支護成本。2305 巷破碎頂板采用中空注漿錨索代替了傳統普通錨索，每百米巷道頂板可減少錨索數量45 根、錨桿數量80 根，減少了頂板支護數量，降低支護成本費用達1.25萬元/百米。

（2）支護效果好。與傳統錨索支護相比，中空注漿錨索支護實現了錨索支護作用與注漿加固作用同步進行。注漿加固了裂隙圍巖穩定性，控制了圍巖裂隙擴張破壞作用，保證了錨索錨固作用，提高了支護效果。

（3）降低了頂板擾動破壞。頂板采用中空注漿錨索支護后，減少了頂板支護鉆孔數量，從而避免了鉆孔施工時對不穩定頂板產生擾動破壞作用。

（4）實用性強。該支護不僅可用于采掘工作面破碎頂板中，而且還可用于橋梁、隧道等領域中，應用區域廣，實用性強。

4 結語

2305 巷掘進至455 m 時對巷道頂板采用了中空注漿錨索支護，該支護有效控制了頂板破碎現象，巷道在后期掘進過程中頂板下沉量控制在0.12 m 以下，大大提高了應力區頂板整體穩定性，頂板支護失效率由原來的14%降低為2%，保證了巷道安全快速掘進，取得了較好效果。