注漿加固錨索在切頂卸壓沿空留巷超前支護中的應(yīng)用研究

潘 永

（棗莊礦業(yè)集團有限責(zé)任公司柴里煤礦，山東 棗莊 277000）

柴里煤礦采煤工作面順槽超前支護目前主要使用超前液壓支架，相較于傳統(tǒng)的單體柱+Π 型梁支護，大幅提高了順槽超前支護強度，降低了職工勞動強度，但仍存在超前支架移動困難、反復(fù)支撐降低頂板完整性、巷道斷面使用率低等問題，尤其是切頂卸壓沿空留巷的超前巷段受動壓影響，圍巖變形較大，超前支架的使用不利于留巷工藝的實施。

1 概況

23上631 工作面位于236 采區(qū)東北部，工作面北部為373、374 工作面采空區(qū)，南部為井田保護煤柱，西部為徐莊斷層，東部為未開采區(qū)（23上632工作面）。工作面走向長度378.9～390.1 m，傾斜長度93.5～172.6 m，開采標(biāo)高-199.7～-226.1 m。開采二疊系山西組3 煤，煤層賦存穩(wěn)定，平均煤厚5.09 m。工作面采用ZY6800/24/50/115 型液壓支架。23上631 工作面沿空留巷范圍為23上631 軌道巷里段及其通道段，總長290 m。煤層頂?shù)装迕簬r力學(xué)性質(zhì)見表1。

2 沿空留巷超前應(yīng)力分布

由采場礦山壓力理論可知，隨著工作面回采推進，直接頂冒落充填采空區(qū)，上覆基本頂巖梁在直接頂冒落一定長度達(dá)到其初次來壓步距后破斷，并隨推采在采空區(qū)上方發(fā)生“O-X”周期性破斷特征，而采場兩側(cè)順槽根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)特點形成如圖1 所示的“砌體梁”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，沿空留巷正處于這種基本頂自穩(wěn)結(jié)構(gòu)下方。因此，沿空留巷上覆基本頂形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，尤其是弧形三角塊（B 塊）的受力特點，是影響留巷圍巖及其構(gòu)筑墻穩(wěn)定的主要力源。體的承載力是決定巷道圍巖變形程度的關(guān)鍵因素。

圖1 沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布特征

4）圍巖變形穩(wěn)定階段。當(dāng)工作面推進遠(yuǎn)離一定范圍時，采動影響基本消失，采空區(qū)內(nèi)上覆頂板垮落結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。由于擾動應(yīng)力源消失，沿空留巷圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。

沿空留巷自順槽成巷、切頂留巷至采后封閉的整個服務(wù)周期內(nèi)，主要經(jīng)歷1 次掘巷擾動和2 次回采擾動影響，拋開第二次采動影響時巷道已經(jīng)廢棄，其圍巖應(yīng)力變化及變形特點可分為4 個階段，具體如圖2。

圖2 沿空留巷圍巖變形階段劃分

1）掘巷期間的弱變形階段。受掘巷擾動應(yīng)力場作用，巷道周圍原巖應(yīng)力重新分布并形成應(yīng)力集中，巷道圍巖在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性變形，隨著順槽掘進延伸，擾動影響逐漸遠(yuǎn)離，巷道應(yīng)力場建立新平衡，圍巖變形趨于穩(wěn)定。通常該階段擾動影響有限，圍巖表現(xiàn)弱變形特點。

2）超前采動影響階段。工作面回采期間，受超前支承壓力作用，掘進期間建立的巷道圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，圍巖塑性區(qū)較第一階段發(fā)生顯著變化，圍巖變形明顯增大。該階段內(nèi)巷道圍巖變形發(fā)生區(qū)域一般在工作面100 m 以內(nèi)，特別是在工作面超前20 m 以內(nèi)。

3）留巷漸次變形階段。工作面推進至沿空留巷段后，由于強開采擾動影響，巷道變形速度較前一階段顯著提高，并在工作面后部附近達(dá)到峰值。此后，隨著工作面逐漸遠(yuǎn)離，采空區(qū)頂板在一定時間內(nèi)周期性坍塌，巷道的變形速度也呈現(xiàn)逐漸衰減的變化。在這一階段，沿空留巷的支護方式和充填

3 注漿加固錨索支護

3.1 注漿錨索的加固機理

普通錨索具有抗拉強度高、延展性好的優(yōu)點，而受漿體包裹的注漿錨索強度較于普通錨索可提高20%～30%。注漿錨索施工預(yù)緊后，通過其中間內(nèi)置的空心注漿管向鉆孔及周邊裂隙灌漿，破碎圍巖在漿液黏聚作用下形成具有一定強度的完整巖體，從而為錨索錨固提供受力物理基礎(chǔ)，并提高巖體的自承特性。而漿液進入鉆孔后可實現(xiàn)錨索自由端的全長錨固，進一步加強錨索與圍巖的整體支護作用，提升錨索全長受力的均勻性，達(dá)到提高巷道圍巖和支護體系強度的雙重目的。頂板注漿加固后，圍巖整體性和致密性得到強化，輔以巷道支護體系中原有的錨桿、錨索支護材料，可促進頂板“組合梁”結(jié)構(gòu)的建立，增強頂板巖體的剛度和抗沖性，并保證上覆巖層荷載向兩幫及底板的有效傳遞，避免頂板應(yīng)力集中造成的圍巖變形和破壞。

3.2 巷道支護方案

23上631 工作面軌道巷里段及通道通過預(yù)裂切縫爆破，將工作面頂板與順槽頂板預(yù)裂，利用注漿錨索梁進行超前支護和補強加固[1-7]，控制頂板下沉量，使所留巷道圍巖能最大限度地發(fā)揮自身的承載能力，保證留巷效果。

23上631 工作面軌道巷里段及通道設(shè)計斷面尺寸為寬4.2 m，高3.8 m，采用錨網(wǎng)梯支護方式。頂部使用MSGLW-500/18×2400 mm 左旋預(yù)應(yīng)力高強錨桿，間排距900 mm×900 mm，鋼筋梯規(guī)格為長×寬=4000 mm×80 mm，設(shè)計錨固力為10 t，螺母扭矩為200 N·m。幫部使用MSGLW-500/18×2000 mm 左旋預(yù)應(yīng)力高強錨桿，間排距為800 mm×900 mm，護幫皮帶規(guī)格為長× 寬=3600 mm×200 mm，設(shè)計錨固力為5 t，螺母扭矩為200 N·m。頂部使用Q1860-Ф17.8 mm×6000 mm 錨索加強支護，每排一棵，錨固力20 t，鋼筋梯使用Ф14 mm 的鋼筋加工制作，使用8#鐵絲金屬菱形網(wǎng)護頂、護幫。支護圖如圖3。23上631 軌道巷及通道超前和補強支護采用注漿錨索梁支護，“一梁三索”，注漿錨索規(guī)格為Ф22 mm×6000 mm，工字鋼梁為12#礦用工字鋼，長度為4.0 m。錨索布置間排距為1600 mm×900 mm，超前支護長度不低于20 m。

3.3 應(yīng)用效果

為分析采用注漿錨索支護后留巷圍巖在工作面推進過程中的變形特征，在留巷內(nèi)間隔一定長度設(shè)置十字觀測站，觀測巷道橫向（兩幫）、縱向（頂?shù)装澹┳冃瘟浚贸鰷y點典型變形曲線如圖4。

從圖4 中可以看出，隨著工作面推進，該測點處圍巖變形表現(xiàn)出先迅速增大后逐漸穩(wěn)定的特點，并在距工作面120 m 后，其頂?shù)装遄冃畏€(wěn)定在150 mm，兩幫變形穩(wěn)定在94 mm，表明頂板結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，巷道變形速率逐漸趨于零。

4 結(jié)論

以柴里煤礦23上631 工作面軌道巷里段及通道沿空留巷為背景，分析了沿空留巷超前應(yīng)力分布特點和擾動變形影響階段，闡述了沿空留巷服務(wù)期間四個階段的應(yīng)力和變形特征，提出采用注漿加固錨索代替超前支架進行主動支護方式控制留巷圍巖變形，通過現(xiàn)場觀測得出留巷頂?shù)装搴蛢蓭褪諗苛烤刂圃?00 mm 以內(nèi)，頂板控制效果較好。