應力區巷道“注漿錨桿+大應力錨索”協同支護技術應用

馬澤源

（晉能控股集團晉城有限公司，山西 晉城 048000）

1 15111 運輸巷概況

惠陽煤礦15111 運輸順槽位于井田的東南部，西部為15111 工作面，東部為15113 工作面采空區，南部為實體煤，北部為東輔運大巷。

15111運輸順槽設計長度為1250m、寬度4200mm、高度2800 mm、掘進斷面11.76 m2。巷道掘進煤層為15 號層，煤層厚度1.3～3.6 m，平均厚度約1.86 m，部分發育0～1 層夾矸，矸厚0.10～0.35 m，結構簡單。老頂為K2 灰巖，直接頂為黑色泥巖，底板為泥巖，老底為灰巖。煤層的物理性質：黑色、條帶狀、亮煤為主，夾帶狀鏡煤，呈條帶狀結構和層狀構造，煤層比較穩定。

15111 運輸順槽采用綜合機械化掘進工藝，截止2021 年4 月17 日巷道已掘進480 m，巷道掘進至470 m 處時位于巷道東部為15113 工作面采空區，間隔保安煤柱寬度為18 m，工作面掘進至475 m 處揭露一條F5 正斷層，斷層落差為1.8 m、傾角為62°，巷道掘進至475 m 后進入采空區殘余應力與構造應力集中區，受集中應力影響，巷道出現圍巖應力顯現現象，主要表現在頂板出現破碎、下沉以及局部錨桿（索）支護失效；兩幫出現嚴重收斂現象；通過礦生產技術部現場對圍巖變形監測發現，巷道掘進至480 m處時滯后迎頭10 m 范圍內頂板最大下沉量為0.42 m，兩幫最大收斂量為0.59 m，頂板支護失效率達15%，嚴重制約著巷道安全快速掘進[1-2]。

2 巷道原支護設計

2.1 原支護方式

1）頂錨桿：初步設計中頂板主要采用螺紋鋼錨桿進行支護，桿體長度為2.0 m、直徑為20 mm，錨桿采用矩陣式布置，采用端頭錨固方式，錨桿布置間距和排距均為1.0 m，其中兩幫側錨桿與幫部呈75°夾角布置。

2）幫錨桿：位于工作面側巷幫錨桿主要采用型號為MGSC18/1800F 的玻璃鋼錨桿，位于煤柱側主要采用MSGLW-335/18×1800 金屬錨桿，錨桿長度全部為1.8 m、直徑為20 mm，錨桿布置間排距均為1.0 m，共計布置3 排，其中第1 排距頂板間距為0.4 m，且以15°仰角布置，第3 排錨桿以15°俯角布置。

3）錨索：原頂板采用的錨索長度為5.0 m、直徑為17.8 mm，錨索采用“一二一”邁步式布置，同一排錨索間距為2.0 m、排距為1.0 m，錨索外露端主要采用拱形墊片進行預緊。

4）網片：頂板采用8 號鉛絲編制的金屬網進行護頂，頂板金屬網長度為5.5 m、寬度為1.5 m，巷幫金屬網長度為4.0 m、寬度為2.0 m，巷道每掘進100 m 進行斷網一次鋪設聚氨酯纖維網，每卷網長度為10 m、寬度為2.0 m。

2.2 原支護主要存在問題

1）錨固效果差：受集中應力影響巷道頂板產生塑性破壞區，形成圍巖“松動圈”通過對破壞區施工深度為5.0 m、直徑為75 mm 窺視孔發現，塑性破壞區范圍擴展至頂板2.0～2.5 m 范圍內，而原頂板采用錨桿長度為2.0 m，錨桿錨固端位于塑性破壞區內，導致錨桿錨固失效嚴重。

2）支護強度低：原頂板采用的錨索長度為5.0 m、直徑為17.8 mm，錨索破斷力為350 MPa，而且錨索布置數量少，在大應力作用下錨索支護強度低，很容易出現破斷現象。

3）鋼帶支護截面積小：原頂板支護設計中頂板鋼帶采用M型鋼帶，鋼帶寬度為0.15 m，在實際應用時鋼帶支護截面積小、承載強度低，在應力作用下鋼帶很容易出現撕裂現象[3]。

3 協同支護技術應用

為了解決傳統錨桿（索）在應力區圍巖中支護時，支護強度低、支護失效嚴重等技術難題，決定對原頂板支護進行優化改進，提出了注漿錨桿、大應力錨索聯合協同支護技術。

3.1 注漿錨桿支護技術

3.1.1 注漿錨桿支護原理

錨桿（索）支護時通過錨固劑錨固作用形成預應力傳遞通道，然后對桿體施加預應力形成預應力支護拱（梁），從而對不穩定圍巖進行支護；但是傳統錨桿支護、注漿支護為獨立工序，增加了破碎頂板鉆孔數量，加劇了頂板破碎力度；而注漿錨桿支護是對圍巖進行錨桿支護后對桿體進行注漿，從而對鉆孔壁裂隙圍巖進行加固，同時實現了桿體全長錨固支護作用；注漿錨桿支護減少了鉆孔施工數量，簡化了支護工序，降低了勞動作業強度[4]。

3.1.2 注漿錨桿結構

1）注漿錨桿采用中空無縫鋼管焊制而成，桿體長度為3.5 m、直徑為30 mm，中部孔直徑為15 mm，桿體壁厚為7.5 mm，桿體底端部為錨固端，采用實芯結構長度為1.0 m，錨固端至桿體端頭處共計焊制5 排外圍圓孔，圓孔直徑為8 mm，布置排距為0.5 m，如圖1 所示。

圖1 注漿錨桿支護及結構示意圖（單位：mm）

2）桿體外露端安裝1 塊長度為4.5 m，寬度為0.32 m“JW”型鋼帶，并采用螺母進行固定，注漿時在桿體中部埋入1 根直徑為10 mm 注漿軟管，軟管一端與注漿泵連接。

3）注漿材料采用馬麗散與催化劑配比為1∶1混合漿液，在注漿錨桿端頭采用膨脹水泥進行封堵，封堵長度為0.5 m。

3.1.3 支護工藝

1）注漿錨桿與原頂板螺紋鋼錨桿交錯布置，采用“一二一”布置方式，即第1 排錨桿中第2、第4 根為注漿錨桿，第2 排錨桿中第3 根為注漿錨桿，第3 排與第1 排錨桿相同，如圖2 所示；注漿錨桿布置間距為2.0 m、排距為1.0 m，如圖2 所示。

圖2 15111 運輸順槽應力區頂板優化后支護示意圖（單位：mm）

2）采用錨索鉆機對頂板施工1 排支護鉆孔，注漿錨桿支護孔直徑為35 mm、深度為3.5 m，注漿錨桿支護孔施工完后對鉆孔內安裝兩支錨固劑并對注漿錨桿進行錨固。

3）注漿錨桿錨固后對孔口處采用膨脹水泥封堵，封堵15 min 后在同一排錨桿外露端安裝JW 型鋼帶，并采用螺母進行預緊，預緊力不得低于200 N·m。

4）在注漿錨桿內安裝注漿軟管，連接注漿泵進行注漿施，注漿壓力為3.0 MPa，單孔注漿量為10 kg，注漿穩壓時間不得低于10 min，注漿完成后及時采用止漿塞對桿體端頭進行堵塞[5]。

3.2 大應力錨索支護

為了進一步提高錨桿（索）懸吊及組合拱（梁）支護作用，將原頂板錨索更換為大應力錨索支護。

3.2.1 大應力錨索結構

大應力錨索主要由恒阻大變形錨索、讓壓器、鎖具、JW 鋼梁等部分組成；錨索長度為8.3 m、直徑為21.8 mm，錨索采用“九股一芯”預應力鋼絞線；讓壓器主要由漲壓管、預應力彈簧等部分組成，讓壓器安裝在鋼梁與頂板巖體之間，最大讓壓行程為0.2 m；JW型鋼梁長度為0.5 m、寬度為0.32 m，鋼梁橫截面成JW 型，如圖3 所示。

圖3 JW 型鋼梁剖面結構示意圖（單位：mm）

3.2.2 支護工藝

1）大應力錨索每排布置3 根，錨索布置間距為1.5 m、排距為3.0 m，錨索支護孔直徑為30 mm、深度為8.0 m。

2）錨索支護孔施工完后鉆孔內填裝3 支錨固劑，錨固長度為1.55 mm，采用端頭錨固方式，錨索錨固后外露長度為0.3 m；錨固后進行預緊，在預緊時確保讓壓器具有一定讓壓行程，確保圍巖下沉時讓壓器能夠實現自壓動作。

4 應用效果分析

1）簡化了施工工序：與傳統注漿支護相比，注漿錨桿支護時錨桿支護孔兼做注漿孔，減少了頂板支護孔數量，縮短了支護時間，降低了勞動作業強度。

2）提高了支護質量：傳統單錨桿支護時由于頂板破碎產生“松動圈”，支護體錨固端在松動圈內錨桿質量差，很容易出現支護失效現象；而注漿錨桿支護時實現了桿體全長錨固支護作用，同時支護鉆孔破碎圍巖進行注漿加固，提高了圍巖穩定，保證了支護質量。

3）大應力錨索抗壓、抗拉強度高，能夠對不穩定圍巖實現懸吊作用，避免了支護不足時造成不穩定圍巖出現離層現象。

4）支護優化后在應力區頂板安裝YH-300 型數字顯示離層儀，并進行15 d 現場觀察發現，應力區頂板采取協同支護技術后提高了頂板抗壓能力，頂板下沉量控制在0.14 m 以下，兩幫收斂量控制在0.25 m以下。

5 結語

通過對惠陽煤礦15111 運輸順槽應力區頂板支護進行優化后，在降低支護成本費用的同時提高了頂板整體穩定性，解決了大應力頂板支護難度大、支護效果差等技術難題，為類似地質條件下巷道支護提供了實踐依據，取得了顯著應用成效。