綠塘煤礦軟巖巷道錨注支護技術研究

楊華富

（大方綠塘煤礦有限責任公司，貴州 畢節 551700）

0 引言

軟巖巷道圍巖大變形一直是困擾綠塘煤礦安全生產的難點問題，劇烈底鼓和支護體破壞是綠塘煤礦軟巖巷道圍巖非線性大變形的主要表現形式，需要安排專門的隊伍來修復巷道，嚴重影響生產的進度。為此，急需要尋求一種安全高效的手段來解決軟巖巷道變形的問題。在軟巖巷道支護技術中，注漿和錨固是解決圍巖大變形的主要技術手段。趙海峰[1]采用了漸進注漿方式對斷層影響巷道進行注漿加固，在斷層影響明顯的區域巷道變形程度明顯減輕，使工作面安全通過斷層。唐永[2]針對千米深井山腳樹礦大地壓，強采動，圍巖完整性差的特點，首先借助鉆孔窺視儀分析了圍巖的裂隙發育情況，據此提出了“鋼網+噴漿+錨梁+中空錨索+注漿”的聯合支護體系，新支護體系降低了巷道變形程度和返修頻率。康紅普[3]在口孜東礦結合地應力測試、鉆孔窺視、圍巖力學特性實驗、錨桿索錨固力測試等對圍巖特性和支護結構強度進行了全面評價，闡述了軟巖巷道大變形機理，提出了巷道支護-改性-卸壓的控制思路。靳敏捷[4]針對掘進工作面過采空區頂板冒頂嚴重的問題，采用超前預注漿的形式來加固掘進工作面頂板，有效控制了頂板冒落。綜放開采會對回采順槽產生強烈的動壓影響，王莊煤礦通過注漿來改善回采順槽圍巖的特性，強化頂板，圍巖變形量大幅降低，能夠滿足生產需要[5]。寺河礦復用巷道容易出現大變形問題，圍巖變形嚴重，采用深淺孔注漿加固技術后有效降低復用巷道的變形量[6]。綠塘煤礦雖然埋深淺，但巷道頂板為復合層頂板，層理發育，巖層之間粘結力弱，結構復雜，容易發生離層、變形甚至冒頂，同時，圍巖中泥質成分含量高，裂隙發育，具有注漿加固巷道的客觀條件，遂決定在6中S105回風順槽掘進面掘進后采用注漿加固的形式進行支護。

1 工程地質概況

6中S105回風順槽位于南一采區，工作面采煤層為龍潭組6中煤層，煤層頂板巖性為泥質粉砂巖和粉砂質泥巖互層，底板為泥巖，煤層厚2.8～3.5 m，平均煤厚3.2 m，為中厚煤層，煤層穩定。平均埋深219 m，煤層傾角-2°～4°，平均為3°，屬近水平煤層，內生裂隙發育，煤層硬度系數f=1.1，圍巖整體應力環境較差。

6中S105回風順槽為直墻圓弧拱形斷面，巷道永久支護方式采用錨網索鋼帶噴聯合支護，采用等強（左旋）螺紋鋼樹脂錨桿，規格為φ20 mm×2 200 mm，錨桿間排距800 mm×800 mm。W鋼帶采用長×寬×厚=4 600 mm×280 mm×3 mm鋼帶。錨索采用φ17.8 mm的鋼絞線，其長度為8 300 mm。在巷道頂板布置4根錨索，錨索間排距1 400 mm×2 400 mm?；炷翉姸葹镃20，噴漿所用水泥為325號普通硅酸鹽水泥?；仫L順槽原支護如圖1所示。

圖1 6中S105回風順槽原支護示意圖

2 巷道破壞影響因素分析

通過對綠塘煤礦現有錨桿索支護效果現場實測，測試結果表明，現有錨桿預緊力矩從以前的不足130 N·m，錨索預緊力為80～100 kN，且錨桿索錨固長度較短，錨桿索錨固力偏低，對圍巖約束效果差。

利用探地雷達對6中S105回風順槽松動圈進行探測時發現，煤柱幫松動圈的深度在1.8～2.0 m之間，實體煤幫松動圈在1.6～1.8 m之間，頂板松動圈在2.0～2.2 m之間，底板松動圈在1.6～1.7 m之間，很明顯頂板和實體煤幫的原支護2.2 m的錨桿長度基本位于松動圈范圍內，致使錨桿生根困難，不能充分發揮錨桿的錨固作用。

對綠塘煤礦圍巖變形進行分析，變形破壞原因主要受到以下幾個方面：

1）工作面回采側向應力影響。受到相鄰工作面采空區側向應力影響，回風順槽受到應力轉移和集中破壞，整體應力環境較差，煤柱承載頂板斜跨梁結構而被壓酥變形，底板受到應力集中整體鼓起，而實體煤側受到應力轉移集中影響，也片幫破碎。

2）錨桿支護范圍和錨固強度不足。受到應力集中作用影響，頂板在高水平應力的作用下容易發生離層，巖石發生破碎，破碎巖石產生的碎脹力對下位巖層產生擠壓作用，原支護采用2.2 m長錨桿基本錨固在煤體內，在煤體破碎情況下，錨桿失去可靠著力點，錨固強度不足致其與煤體整體片幫內擠失效。

3）兩幫變形嚴重，失去對頂板的支承作用。沿空巷道的巷道兩幫煤體的松動范圍和松動程度都比實體煤巷道明顯加大，巷幫煤體松動后，對頂板的支撐作用降低，導致頂板的實際跨度增大，巷道支護體整體性能降低。

4）底板遇水膨脹，泥化嚴重。現場底板及幫部底角處均受采空區涌水影響，同時底板為以泥巖為主，膨脹性強，巖層結構較差，遇水泡軟膨脹，造成底鼓嚴重。

5）U型鋼支護主動性差，抗彎能力低。由于架棚支護方式屬于被動支護，在巷道變形初期無法提供有效初阻力，不能從根本上解決巷道圍巖不斷剪脹擴容和蠕變破碎的發展趨勢，巷道斷面收縮量大，特別是經過幾次反復清底，鋼棚支腿處受到兩側煤幫擠壓變形，造成巷道擴修難度大。

3 工程應用實施方案

為了解決綠塘煤礦軟巖巷道圍巖大變形的問題，通過大量現場測試，對巷道原有支護形式進行優化，提出了加強錨桿索初次支護、局部鋼架棚加強支護和注漿加固的聯合控制思路。

錨桿預緊力矩提高到500 N·m以上，錨索預緊力提高到了180～200 kN，從而實現對高應力軟巖巷道的主動控制。改變煤礦原有的錨桿(索)錨固力參數，將錨固劑長度由350 mm提高到500 mm，錨桿錨固長度由不足700 mm提高到1 000 mm以上，錨索錨固長度由不足1 200 mm提高到2 000 mm以上。采用連接構件(如鋼筋梯)將錨桿進行橫向連接，將關鍵部位錨索進行縱向連接，從而形成縱橫交錯的網狀承載結構，使錨桿(索)對巷道圍巖形成整體錨固作用。

遇到高應力、強流變、穩定性極差等特殊情況，只依靠錨桿、錨索錨固圍巖不能滿足安全生產的要求，還需要采用架棚進行加強支護。可以把錨桿、錨索所控制的巖體作為錨固巖體系統，架棚作為支護系統，使錨固巖體與金屬支架能夠形成一個整體，共同提高巷道圍巖控制系統的穩定性。

選擇2.5 m的中空注漿錨桿以及5.3 m的中空注漿錨索對煤柱幫進行注漿加固。因為該軟巖巷道頂板沒有穩定錨固層，在頂板選擇8.3 m的注漿錨索進行加固，一方面發揮注漿錨索錨固的優勢，另一方面通過注漿來加固頂板。通過對煤柱幫和巷道頂板進行高壓注漿，使漿液充分在煤層的節理、裂隙、夾層中流動，待漿液凝固后，提高圍巖的強度和完整性，同時，完成注漿區域的錨桿等支護結構的錨固力可以進一步的提高，降低圍巖變形。

3.1 錨注支護設計

針對6中S105回風順槽生產地質條件和地質現狀，提高巷道圍巖的強度，采用注漿加固方式，改變圍巖的松散結構，提高粘結力和內摩擦角，封閉裂隙，使巖體強度顯著提高。發揮圍巖的自承能力是進行巷道破碎圍巖支護的關鍵。

中空注漿錨桿主要由螺母、托板、止漿塞、中空桿體、錨頭等組成，結構見圖2。錨桿規格為MZGK200-32/27，桿體直徑25 mm，安裝孔徑32～38 mm，屈服強度不小于500 MPa，破斷強度不小于700 MPa，破斷力不小于210 kN，延伸率不小于15%。

圖2 中空注漿錨桿實物圖

桿體選用Q345級及其以上級無縫鋼管為原材料，采用熱軋工藝形成連續梯形螺紋，結構簡單，施工便捷，可以將錨固、注漿分開施工，具有以下特點：①采用厚壁無縫鋼管為材料、表面螺紋成形工藝以及做工精良的配件，真正實現了注漿、錨固的統一。②錨桿桿體具有連續的波形螺紋，提高漿液與桿體的結合力，也可以作為鉆桿配合鉆頭完成鉆孔。③作為鉆桿的錨桿體無需拔出，其中空可作為注漿通道，從里至外進行注漿。④止漿塞使注漿能保持較強的注漿壓力，充分地充填空隙，固定破碎巖體，高強度的墊板、螺母可以將深層圍巖應力均勻地傳遞到周壁圍巖上，達到圍巖與錨桿互為支護的目的。

中空注漿礦用錨索，規格為SKZ22-1/1860，直徑22±0.4 mm，抗拉強度不小于1 860 MPa，延伸率不小于3.5%，拉拔力不小于265 kN，鋼絞線最大力不小于395 kN，托盤承載力不小于379 kN，錨具錨固極限荷載下總應變不小于2%，錨具效率系數不小于0.95，如圖3所示，采用預應力鋼絲為原材料，高強度柔性塑管為注漿管，具有強度高、預應力大、錨固可靠、安裝方便等優點，可實現錨、注結合的支護效果，已廣泛應用于煤礦井巷支護和加固。中空注漿錨索具有以下突出優點：錨索強度高，索體為中空結構，自帶注漿芯管，反向出漿，無需排氣即可全錨；錨索上部采用樹脂端錨，施加預應力，安裝后可以及時承載；中空芯管孔徑增大，孔徑截面積提高70 %，顯著降低稠漿流動阻力。

圖3 中空注漿錨索實物圖

煤柱側幫部采用φ25 mm×2 500 mm中空注漿錨桿，間排距800 mm×800 mm，采用2根MSK2350型樹脂錨固劑進行端錨，托盤規格為150 mm×150 mm×8 mm。中空注漿錨桿布置于樹脂錨桿排距中間位置，每排布置3根，最上端錨桿上扎30°，中間1根錨桿水平布置，最下端錨桿下扎30°且距離底板不大于300 mm。煤柱幫部采用φ22 mm×5 300 mm中空注漿錨索，排距800 mm，采用3根MSK2350型樹脂錨固劑進行端錨，托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm。中空注漿錨索布置于最上端中空注漿錨桿正上800 mm處，每排布置1根。而頂板將2根普通錨索替換為2根φ22 mm×8 300 mm的中空注漿錨索，排距為2 400 mm。支護斷面圖如圖4所示，支護平面圖如圖5所示。

圖4 支護斷面圖

中空注漿錨桿/錨索支護完成1 d后或距離迎頭10 m開展注漿工作，注漿壓力不低于7 MPa。注漿加固采用MZM-70型高強無機注漿料，膨脹率為0.1%～0.3%，水料比為1∶3，對金屬桿體（鋼筋）無銹蝕，無毒，無污染。它是一種可實現支護材料全錨加固的新型礦用注漿材料，見圖6，其與煤體具有較好的粘結性能和強度，具有常溫固化、早強高強、高流動性、觸變性和微膨脹性等優勢，顯著解決了現有注漿材料在注漿過程中“稠漿易堵，稀漿易漏”的問題，滿足支護材料在難以實現有效封孔情況下的全錨加固，具有以下優點：①稠漿受擾動液化流動，泵送阻力低；②靜止觸變性好，可泵停漿停，錨固料不會從孔口自動流出；③硬化不收縮，錨索孔充填密實；④初凝時間長，泵送時間充足；⑤早期強度高，1 d抗壓強度可達25 MPa，28 d抗壓強度可達70 MPa。

圖5 中空注漿錨桿/錨索支護平面圖

圖6 高強注漿錨固料實物及漿液效果

3.2 施工工藝

采用幫錨桿鉆機配合φ32 mm鉆頭施工，鉆孔時應按照先下后上的順序依次進行，孔位誤差不大于100 mm，鉆孔角度誤差不大于5°，鉆孔深度2 400 mm±50 mm，并將孔內水、雜物等清理干凈，把2根MSK2350樹脂錨固劑送入鉆孔內，用錨桿頂住樹脂錨固劑向鉆孔里推，錨桿外露長600 mm左右時用帶有專用套筒的幫部錨桿鉆機卡住錨桿，開動錨桿鉆機旋轉，通過鉆機旋轉攪拌樹脂錨固劑，直到樹脂錨固劑凝固，卸去鉆機及攪拌器。整體施工流程見圖7。

3.3 巷道變形監測

在全錨支護加固巷道段布置表面位移測站，測站采用十字星布點法布置和測量，測點布置見圖8。

圖7 中空錨注錨桿索安裝示意圖

圖8 表面位移測點布置

圖9 注漿后圍巖表面位移變形量

采用錨注支護技術后，圍巖變形量得到了很大的改善，從工作面前方250 m左右圍巖開始出現緩慢的變形，但是變形量和變形速率都較小，隨著工作面的推進，變形量開始逐漸的增大，到工作面前方50 m處由于臥底而破壞監測點，無法繼續測量。圍巖底鼓變化量為283 mm，煤柱側移進量為120 mm，頂板下沉量為72 mm，而實體煤側變形量最小，達到了63 mm。從圍巖變形量來看，即使受到超前支承壓力影響，巷道仍然能夠保持正常的使用。

4 結論

錨注支護技術在6中S105回風順槽應用效果良好，圍巖變形量明顯減小，巷道斷面能夠滿足運輸、通風、行人等要求。通過試驗證明，對于軟巖巷道沿空掘巷工作面，單純采用普通的樹脂錨桿支護＋U型鋼聯合支護有很大的局限性。錨注支護技術能夠改變圍巖的力學性質，有效控制巷道變形量，提高了勞動效率和節約生產成本。