孤島工作面沿空掘巷注漿錨索支護技術(shù)

申榕容

（山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

新村煤業(yè)開采期間受采掘接續(xù)緊張及前期開采順序不合理等因素影響，11080工作面在回采時，其兩側(cè)的工作面已開采完畢，受兩側(cè)采空區(qū)支撐應(yīng)力疊加影響，工作面巷道在掘進期間兩幫變形明顯，采用原傳統(tǒng)的U型鋼架支護或錨網(wǎng)索支護方式已達不到支護要求，工作面回采期間巷道變形嚴(yán)重。以11080工作面運輸巷為例，對巷道圍巖變形破壞原因進行研究分析，提出針對性的支護加固方案，能夠有效控制圍巖變形，達到支護效果要求。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

11080工作面位于11采區(qū)東翼，西部為11070工作面采空區(qū)，東部為11090工作面采空區(qū)，北部為井田邊界煤柱，南部為東翼回風(fēng)大巷保護煤柱，巷道下方為已掘巷道11070軌道順槽底板巷。11080工作面膠帶順槽設(shè)計走向長1059 m，設(shè)計為矩形斷面，巷高3300 mm，巷寬5400 mm。巷道沿煤層頂板掘進，開采煤層為二1煤，平均厚度4.0 m，煤層傾角4°～20°，平均傾角5°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 工作面煤層頂?shù)装鍘r性特征表

1.2 原巷道支護參數(shù)

原11080工作面運輸巷采用的支護方式為錨網(wǎng)索支護，其主要參數(shù)如下：

（1）巷道頂部布置6根錨桿配合金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁進行支護，錨桿采用高強度螺紋鋼，規(guī)格為Ф22 mm×2400 mm，間排距為900 mm×900 mm；每間隔2排錨桿施工2根錨索，錨索規(guī)格為Ф22 mm×5000 mm鋼絞線，間排距為1800 mm×2700 mm。

（2）巷道幫部采用錨桿規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm高強度螺紋鋼錨桿，間排距布置為800 mm×900 mm，每幫共計布置4根錨桿，并采用金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁進行聯(lián)合支護。為加強巷道兩幫支護強度，在采空區(qū)側(cè)每間隔2排錨桿布置1根規(guī)格為Ф22 mm×3000 mm的鋼絞線錨索，其排距為2700 mm；在實煤體側(cè)每間隔2排錨桿布置2根規(guī)格為Ф22 mm×5200 mm錨索，間排距設(shè)計為1100 mm×2700 mm。

2 巷道圍巖位移變化特征及變形原因分析

2.1 巷道圍巖位移變化特征

為便于對巷道圍巖變形情況進行觀測，在11080運輸巷開口向里100～400 m范圍內(nèi)，每間隔100 m采用“十”字布點法布置一個測站，共計布置4個測站。根據(jù)觀測收集的數(shù)據(jù)進行整理分析發(fā)現(xiàn)，其主要破壞變形特征如下：

（1）在掘進過程中巷道開始發(fā)生較大變形，且達到穩(wěn)定狀態(tài)需要時間較長。巷道在完成掘進施工后，其頂?shù)装搴蛢蓭桶l(fā)生劇烈移近變形，巷道頂板下沉移近速度在6 mm/d左右，巷道幫部移近速度達到32 mm/d，在一周以后以上變形速度才開始出現(xiàn)減緩現(xiàn)象，但頂部下沉速度仍在4 mm/d，幫部變形速度仍處于22 mm/d左右。在一個月以后巷道才逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時巷道頂板下沉量達到150 mm左右，兩幫移近量達到600 mm左右。

（2）巷幫移近變形量比頂板下沉量要大得多。巷道在掘進施工2個月以后，測點4個測站巷道兩幫移近量都在700 mm以上，其中變形最大的地段達850 mm，各個測站處巷道下沉量均在300 mm以下。

2.2 基本頂破壞變形特征

在巷道開口位置向里350 m處的頂板位置施工一個觀測鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝TYGD10型鉆孔探測儀，對巷道基本頂內(nèi)部圍巖受應(yīng)力作用后發(fā)生的破壞變形情況進行觀測。通過觀測發(fā)現(xiàn)，在不同時間掘進施工的巷道其基本頂內(nèi)部的裂隙發(fā)育程度存在較大差異，表明基本頂在巷道掘進施工期間就一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)。基本頂在巷道剛開始掘進時比較完整，無明顯裂隙發(fā)育，隨著巷道掘出時間的不斷增加，基本頂開始不斷發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，在縱向方向上出現(xiàn)裂隙發(fā)育并逐漸形成較大裂隙直至基本頂發(fā)生破斷。

2.3 巷道圍巖變形原因分析

巷道在剛開始掘進施工時，其圍巖基本結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖1。基本頂中的巖塊B一端與巖塊A咬合，一端與巖塊C咬合，其下方受到直接頂?shù)闹巫饔谩Ｔ趲r塊B與巖塊C的鉸接處形成的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，隨著巷道的繼續(xù)向前掘進，該處頂板將會出現(xiàn)回轉(zhuǎn)下沉，在其下方被冒落的矸石充填支撐后才會逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)。巖體B在發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉?xí)r需要擠壓巷道圍巖中的小空間結(jié)構(gòu)來得到巖體下沉空間[1-3]，因此會造成巷道圍巖小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈變形，這是造成巷道在掘進過程中發(fā)生變形破壞的主要原因。

圖1 老頂巖梁破斷結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)巖塊B破斷后，在直接頂及采空區(qū)冒落矸石的支撐和巖塊A、C左右夾持作用下，基本達到了穩(wěn)定狀態(tài)（如圖2）。雖然此時巷道圍巖結(jié)構(gòu)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，但巷幫煤體已遭到嚴(yán)重破壞，特別是留設(shè)的窄煤柱，當(dāng)巷道開始掘進施工時煤巖體就全部處于塑性變形區(qū)，其承載能力大大降低，極易發(fā)生劇烈的流變性[4]。巷道煤柱的淺部破碎區(qū)在基本頂?shù)膸r體回轉(zhuǎn)下沉作用下逐漸向深部塑性延伸，因此造成部分幫部錨桿在煤體中失去著力基礎(chǔ)出現(xiàn)支護體失效，使錨桿對煤體的加固支護作用強度降低，加快煤巖體破碎區(qū)的延展，從而進一步降低了煤柱的承載能力，造成圍巖應(yīng)力向?qū)嶓w煤側(cè)傾斜，實體煤受到的壓力作用增大，使實體煤產(chǎn)生較大的破壞變形。

圖2 巷道圍巖三角塊穩(wěn)定結(jié)構(gòu)圖

3 雙股籠形注漿錨索支護技術(shù)方案

3.1 加固支護方案

因在掘進過程中巷道圍巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)較大變形，為防止因巷道變形量過大影響工作面正常回采，在工作面回采前需要對該巷道進行加固支護。根據(jù)上述分析可知，巷道出現(xiàn)較大變形主要發(fā)生在巷道幫部，頂部變形量較小，頂板相對比較完整；而巷道實體煤幫的壓力增大的主要原因是采空區(qū)幫的窄煤柱承壓能力減弱造成的。因此，本次支護加固的重點是提高采空區(qū)側(cè)窄煤柱的自承能力[5]。由于采空區(qū)側(cè)留設(shè)的煤柱寬度窄且已被破壞較為嚴(yán)重，打設(shè)的錨桿或錨索不能找到穩(wěn)固的著力基礎(chǔ)，極易出現(xiàn)失效，不能對煤柱起到有效的穩(wěn)固作用，因此提出利用雙股籠形注漿錨索對采空區(qū)側(cè)煤柱進行加固支護。

3.2 加固原理

采用雙股籠形注漿錨索對煤體進行加固，實質(zhì)利用注漿錨索向煤體中注入水泥漿液，水泥漿液一方面將煤體中的裂隙進行充填，使裂隙周圍的煤體重新凝結(jié)起來形成一個整體，提高煤體自承能力；另一方面，注入的水泥漿液將錨桿、錨索形成全長錨固并與煤體膠結(jié)凝固形成一個整體，增強錨桿錨索錨固點煤體的著力基礎(chǔ)，使支護效果減弱或失效的錨桿錨索重新起到錨固作用。

3.3 施工方案

雙股籠形錨索是由特殊加工工藝制作而成，其單股鋼絞線直徑為15.24 mm，采用1×7標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線，強度為1860 MPa，單股鋼絞線破斷載荷達到250 kN以上。采空區(qū)側(cè)煤柱加固時采用的錨索長度為2200 mm，錨固深度為2000 mm，錨索外露長度200 mm，錨索布置間排距為1600 mm×1600 mm，最上一根錨索距巷道頂板間距為700 mm，與水平方向夾角為30°（如圖3）。采用標(biāo)號為425#普通硅酸鹽水泥進行注漿，水玻璃配比為水泥重量的4%，水灰比為1:2。

圖3 雙股籠形注漿錨索支護加固布置示意圖

4 應(yīng)用效果分析

對11080運輸巷巷道進行加固支護后，通過“十”字測點法布置的1～4#測站對巷道頂板和兩幫移近量進行定期觀測，通過對觀測的數(shù)據(jù)進行整理分析，得到的結(jié)果見表2。

表2 11080運輸巷加固前后巷道表面位移觀測結(jié)果

由表2可知，采用雙股籠形注漿錨索對巷道進行加固支護后，巷道幫部移近量均小于260 mm，頂板下沉量均小于70 mm。工作面回采時在該段巷道進入工作面超前支護段時，巷高保持在2800 mm以上，寬度保持在4200 mm以上，滿足工作面安全生產(chǎn)的需求。表明該支護加固方案能夠?qū)ρ乜站蜻M期間巷道圍巖變形破壞情況進行有效控制，滿足工作面安全生產(chǎn)的要求，說明該方案是合理有效的。

5 結(jié)語

（1）由于沿空巷道基本頂巖體在回轉(zhuǎn)下沉?xí)r需要擠壓巷道圍巖中的小結(jié)構(gòu)來獲得空間，因此會造成巷道圍巖小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈變形，這是造成巷道在掘進過程中發(fā)生變形破壞的主要原因。而采空區(qū)側(cè)留設(shè)的煤柱在巖體回轉(zhuǎn)下沉作用下遭到嚴(yán)重破壞，自承能力極大減弱造成圍巖應(yīng)力向?qū)嶓w煤側(cè)傾斜，使實體煤受到的壓力作用增大發(fā)生較大的破壞變形。

（2）利用注漿錨索對采空區(qū)煤柱進行注漿支護加固，提高煤體自承能力同時增強錨桿錨索錨固點煤體的著力基礎(chǔ)，使支護效果減弱或失效的錨桿錨索重新起到錨固作用，從而降低巷道圍巖變形量，保證了工作面回采期間的安全。