煤巷過斷層應力影響區注漿錨桿支護技術應用

吳 波

（山西潞安集團左權五里堠煤業有限公司，山西 晉中 032600）

巷道掘進過程中主要通過錨桿、錨索、鋼帶等支護體對圍巖進行維護控制，但是當巷道頂板在應力作用下出現破碎后，破碎巖體內產生圍巖松動圈，造成頂板整體穩定性降低；由于破碎巖體力學結構發生變化[1]，采用傳統的錨網索支護不能達到預期的支護效果，而且破碎頂板高密度支護加劇了頂板破碎程度，不利于頂板安全管理。因此，對于破碎頂板必須根據頂板巖體結構，分析傳統支護存在的問題，根據實際生產情況采取合理有效的支護方式，對提高破碎頂板穩定性具有重要意義。以五里堠煤業有限公司2101 軌道巷掘進工作面為例，本文對破碎頂板注漿錨桿支護技術進行分析。

1 概述

2101 軌道巷位于盤區南翼，巷道南北走向布置，北部為下組煤集中回風、膠帶、輔助運輸3 條下山，東部、南部為實體煤，西部為2101 運輸順槽。

2101 軌道巷設計長度為1 400 m，設計斷面規格為寬×高=4.5 m×4.0 m，沿15#煤層底板掘進。15#煤層平均厚度為6.17 m，預留頂煤厚度為2.17 m。15#煤層直接頂以砂質泥巖為主，平均厚度為4.4 m，基本頂以細砂巖為主，平均厚度為8.7 m。2101 軌道巷采用綜掘施工工藝，已掘進420 m。據地質資料432 m處揭露F4正斷層，斷層落差為2.3 m，傾角為55°。受斷層影響，巷道掘進至411 m處時進入斷層應力影響區，頂板相對破碎，頂板支護失效現象嚴重且維護困難，當巷道掘進至420 m處頂板破碎嚴重，傳統錨網索支護效果差。

2 原支護方案及問題分析

2.1 破碎頂板原支護方案

（1）巷道掘進至411 m處為了維護破碎頂板，頂板每排布置6 根長度為2.5 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間距×排距=0.8 m×0.9 m，同一排錨桿外露端安裝一根“W” 型鋼帶，鋼帶規格為長×寬=4.8 m×0.24 m。

（2）頂板每兩排鋼帶施工一排11#工字鋼錨索（4 根）吊棚，吊棚長度為4.2 m，排距為1.8 m，吊棚錨索間距為1.2 m。

（3）破碎頂板施工一排注漿鉆孔，每排三個鉆孔，孔深為5.0 m，孔間距為2.0 m，排距為3.0 m，鉆孔施工完后采用鉆機對鉆孔內高壓注入馬麗散粘接材料。

2.2 原支護存在的主要問題

（1）勞動作業強度大。原支護方案中在破碎區巷道平均每掘進1.0 m需支護6 根錨桿，2 根錨索，以及一個注漿鉆孔，鉆孔施工及支護時間達2.7 h，支護時間長，支護效率低； 同時原支護工程中需6人配合施工，勞動定員數量多，勞動成本及支護強度高[2]。

（2）支護擾動破壞嚴重。由于2101 軌道巷頂煤為15#煤層，在F4斷層應力作用下破壞了頂板整體承載梁結構，頂煤破碎嚴重，采用錨索梁、密集錨桿以及注漿加強支護過程中，支護孔施工時產生的擾動影響導致頂板產生二次破壞作用[3]，進一步加劇了頂板破壞力度。

（3）支護錨固效果差。原支護設計中頂板錨桿長度為2.5 m，采用端頭錨固方式，錨固長度為0.6 m，而2101 軌道巷頂煤厚度為2.17 m，錨桿錨固端位于頂煤與砂質泥巖之間，進入斷層應力影響區后，頂板蠕動變形導致頂煤與砂質泥巖出現離層現象，離層量在170～25 mm范圍內。當頂板出現破碎離層時，錨桿錨固效果差，觀察發現，在破碎區處頂板錨桿失效率高達12%。

3 注漿錨桿支護技術應用

為了解決應力區破碎頂板傳統支護設計存在的問題，進一步提高破碎頂板穩定性，決定對2101軌道巷破碎頂板采取注漿錨桿支護技術，施工范圍為斷層面前后各20 m。

3.1 注漿錨桿支護應用

（1）注漿錨桿結構

注漿錨桿主要由長度為3.5 m，直徑為30 mm中空高錳鋼管制成，該錨桿屈服強度為210 MPa，承載能力為488 kN；錨桿中部孔徑為15 mm，錨桿往里0.5 m處兩側各焊制一排射漿孔，每排5 個，孔徑為10 mm，間距為0.5 m，見圖1。

圖1 注漿錨桿支護剖面

（2）注漿設備及材料

采用型號為ZBQ50/2.5 型雙桶注漿泵進行注漿施工，注漿液采用馬麗散材料，該化學材料具有填充效果好、膨脹率高、粘接強度高等優點。

（3）注漿錨桿施工工藝

①首先對頂板采用液壓鉆機配套直徑為33 mm八字形鉆頭進行鉆孔施工，每排施工5 個鉆孔，鉆孔直徑為35 mm，鉆孔深度為3.5 m，鉆孔間距為1.0 m，排距為1.2 m；

②鉆孔施工完后對鉆孔內錨固注漿錨桿，錨固長度為0.9 m；

③錨桿錨固后對鉆孔與錨桿之間處安裝一根長度為0.3 m環形封孔器；

④對注漿錨桿中空處埋入一根直徑為10 mm注漿軟管，軟管另一端與ZBQ50/2.5 型雙桶注漿泵連接進行注漿施工，注漿壓力控制在0～1.3 MPa范圍內；

⑤注漿后在同一排注漿錨桿外露端安裝一根長度為4.2 m（5 眼），寬度為0.32 m“JW”型鋼帶并進行預緊，見圖2。

圖2 2101 軌道巷過斷層破碎帶頂板支護方式

3.2 注漿錨桿支護優點

（1）注漿錨桿支護技術主要利用錨桿兼做注漿管，在錨桿支護作業時進行注漿施工，實現了錨桿全長錨固效果，在注漿過程中漿液可快速沿孔壁裂隙滲透擴張，對巖體裂隙進行粘接填充，提高了破碎巖體膠結強度[4]，使得錨桿與鉆孔壁圍巖嵌為一體，起到了有效的錨桿抗滑作用，大大提高了錨桿支護效果，降低了錨桿錨固失效現象。

（2）注漿錨桿支護在懸吊支護作用的同時，可將馬麗散注漿液在鉆孔壁裂隙進行擴散，擴散半徑在0.5～1.0 m范圍內，對松散不穩定煤巖體充分粘結，提高了破碎煤巖體內摩擦力，提高了圍巖自身支護作用。

（3）注漿錨桿支護時注漿液在巖體裂隙擴散、凝固過程中，致使錨桿與巖體之間產生自鎖效應，支護強度及支護范圍遠遠超過普通單錨桿支護。

（4）注漿錨桿支護實現了錨桿施工與注漿支護同步施工，簡化了頂板支護工藝，減少了破碎頂板支護鉆孔數量，防止了支護鉆孔施工時對頂板產生的擾動破壞作用，解決了傳統支護與注漿施工分步施工時，鉆孔數量多、作業工序復雜[5]、頂板擾動破壞嚴重等技術難題，進一步提高了頂板穩定性。

4 應用效果

2101 軌道巷對F4斷層應力影響區破碎頂板采取注漿錨桿支護技術后，巷道破碎頂板得到有效控制，頂板最大下沉量控制在140 mm之內，錨桿錨固失效率不足3%； 同時采用注漿錨桿后降低了頂板錨桿支護數量，降低道過斷層期間支護成本費用降低了5.2 萬元，縮短了支護時間，破碎區巷道掘進效率由原來的3.6 m/d提高至7.7 m/d，取得了顯著應用成效。