掘進巷道應力破壞區支護優化

周利峰

（晉能控股煤業集團虎龍溝煤礦，山西 朔州 038300）

巷道在過斷層應力區時受構造應力影響，巷道圍巖易產生應力破壞現象，頂板破碎下沉、煤壁片幫，從而導致巷道成型差、掘進效率低、圍巖支護難度大。對于應力區巷道傳統主要采用注漿加固、減小錨桿（索）間排距或施工工字鋼錨索吊棚等技術手段進行控制維護。但是在實際應用中發現，單一的注漿或錨桿（索）支護無法及時對圍巖起到有效控制作用，甚至加劇頂板破壞力度，如在應力破碎區施工錨索吊棚，很容易對頂板產生切頂破壞等，起不到有效的支護效果。本文以21517 巷為例，對巷道過F1 斷層應力區時提出了注漿錨桿支護[1-5]。

1 概況

晉能控股煤業集團虎龍溝煤礦21517 巷東部、西部尚未開拓，南部與盤區運輸大巷相接，北部鄰近塔山礦礦界。21517 巷掘進煤層為5#煤層，煤層總厚度為9.65～14.11 m，平均煤厚11.98 m。由于火成巖順層侵入煤層，上部變質煤厚1.50～6.46 m，平均4.71 m 厚，下部正常煤厚6.02～8.15 m，平均煤厚7.27 m。煤層結構復雜，厚度變化穩定，中含泥巖及火成巖。

21517 巷采用綜合機械化掘進工藝，設計長度為954 m，巷道沿5#煤層底板掘進。巷道規格：矩形巷道，掘寬×掘高=5.0 m×4.0 m，掘進斷面18.2 m2。巷道掘進過程中在運輸大巷口往里867 m處，遇到落差1.70 m 的正斷層F1。受其影響，斷層附近煤層較疏松，對掘進有一定影響。具體斷層基本參數見表1。

表1 F1 斷層基本參數匯總表

21517 巷掘進至860 m 處時受F1 斷層影響，巷道圍巖變形相對嚴重，導致原巷道頂板支護效果差，對斷層影響區起不到有效的控制作用。

2 原巷道支護設計及問題分析

2.1 原巷道支護設計

21517 巷采用錨桿+鋼帶+單錨索聯合支護方式，頂板錨桿長度為2.0 m，直徑為22 mm，每排布置6 根，錨桿間距為1.0 m，排距為1.0 m，錨桿外露端安裝一根長度為5.0 m“W”型鋼帶；巷道每隔3.0 m 施工一排單錨索，每排3 根，錨索長度為6.0 m，直徑為17.8 mm，錨索間距為2.0 m。

2.2 原支護主要存在的問題

（1）支護錨固效果差。21517 巷掘進煤層為5#層，煤層厚度為7.27 m，巷道掘進高度為3.5 m，巷道沿煤層頂板進行掘進，巷道留頂煤厚3.27 m。5#煤層穩定差，頂煤在F1 斷層影響下煤體破壞嚴重，煤體內裂隙發育，而錨桿在煤體內進行支護時，錨固效果差，錨桿支護失效現象嚴重。

（2）擾動破壞嚴重。原頂板支護設計中，錨桿布置相對密集，在進行錨桿鉆孔施工時，鉆具對煤壁產生嚴重擾動破壞作用，導致鉆孔壁及附近煤巖體破碎加劇，從而降低了錨桿支護效果。

3 注漿錨桿支護應用

為了提高應力區頂板穩定性，解決傳統錨桿支護存在的問題，通過技術研究決定對巷道原頂板支護進行優化，采用注漿錨桿支護。

3.1 注漿錨桿支護原理

注漿錨桿支護主要采用中空錨桿作為支護體。首先對破碎頂板采用錨桿進行錨注，然后對錨桿進行注漿施工。錨桿在注漿施工過程中，注漿液在鉆孔壁巖體內進行擴散，從而對破碎巖體進行粘接作用，同時注漿液可對錨桿與孔壁進行粘接，實現錨桿全長錨固，大大提高錨桿支護效果。注漿錨桿支護斷面、剖面示意圖如圖1。

圖1 注漿錨桿支護斷面、剖面示意圖

3.2 支護設備

（1）注漿錨桿。21517 巷破碎頂板采用的中空注漿錨桿長度為3.5 m，錨桿直徑為30 mm，錨桿中部注漿孔直徑為12 mm，注漿錨桿錨固端長為1.0 m。從錨桿端頭往里0.5 m 處開始在桿體兩側均勻布置一排注漿射孔，孔直徑為10 mm，間距為0.5 m。

（2）注漿設備。采用2ZBQ 氣動注漿泵進行注漿施工，注漿泵主要由注漿軟管、泵體、吸液管、液桶以及高壓風管等部分組成。

（3）注漿材料。注漿液采用水泥漿-水玻璃混合液，水泥漿水灰比為0.8:1。為了提高水泥漿凝固強度，水泥漿中添加XPM 添加劑，添加劑為水泥量的10%。采用的水玻璃濃度為50°Be'，水泥漿與水玻璃配比為1:0.5。

3.3 支護工序

（1）巷道掘至860 m 處時，首先采用液壓鉆機在頂板施工一排支護鉆孔，孔深度為3.5 m，直徑為30 mm，鉆孔間距為1.2 m，排距為1.1 m。

（2）支護鉆孔施工完后，對鉆孔內錨注注漿錨桿。每根錨桿采用一長一短兩支錨固劑錨固，其中一支快速MSK23/35 型，一支中速MSZ23/60 型，錨桿錨固長度為0.95 m。

（3）注漿錨桿施工完成后，對注漿錨桿內填塞一根長度為2.0 m 注漿軟管，軟管直徑為8 mm，然后在錨桿端頭處安裝一個止漿塞，將注漿軟管與2ZBQ 氣動注漿泵連接，并進行注漿施工，注漿壓力控制在2.0 MPa 左右。同一排注漿錨桿注漿完成后，在錨桿外露端安裝一根長度為5.0 m、寬度為0.28 m“JW”鋼帶，并采用螺母進行預緊。

3.4 注漿錨桿支護優點

（1）支護工藝簡單。與傳統架棚相比，注漿錨桿支護工藝相對簡單，支護勞動強度低；與傳統注漿施工相比，簡化了注漿工序，縮短了支護時間。

（2）支護效果好。與傳統單錨桿以及注漿支護相比，注漿錨桿支護實現了錨桿支護與注漿支護同步施工。注漿施工可對鉆孔壁圍巖裂隙進行充分粘接，同時對錨桿進行全長錨固作用，支護效果好，降低了錨桿支護失效率。

（3）避免擾動破壞作用。采用注漿錨桿支護后，每排布置5 個支護鉆孔，鉆孔排距為1.1 m。與傳統支護設計相比，百米巷道可減少鉆孔數量達150個，不僅減少了鉆孔施工時間，而且避免了鉆孔施工時對不穩定頂板產生的擾動作用。

3.5 支護效果分析

21517 巷施工注漿錨桿支護后，在應力區頂板每隔15 m 施工一個數顯頂板離層儀，并安排專人對離層儀進行觀察，同時在858 m 處頂板同樣安裝一個頂板離層儀用于對比分析。通過20 d 現場觀察發現：應力區巷道頂板施工注漿錨桿支護9 d 范圍內，由于注漿凝固體與破碎圍巖未完全膠合作用，頂板出現應力塑性變形現象，頂板中部出現局部下沉，通過實測下沉量為0.15 m；在9～15 d 范圍內變形圍巖與注漿錨桿支護逐漸達到耦合支護作用，頂板下沉量為0.21 m，在15 d 后頂板變形現象得到完全控制，如圖2。

圖2 注漿錨桿支護后應力區圍巖變形曲線圖

4 結語

注漿錨桿支護目前被廣泛應用于煤礦、隧道等不穩定、應力圍巖中，該支護技術在錨注作用的同時可及時對圍巖裂隙帶進行填充加固，實現了錨桿全長錨固，對破碎圍巖變形、破碎現象進行有效的支護，在大變形、大應力采掘工作面中具有很好的應用效果。