高预应力中空注浆锚索研究及应用

乔振长

摘 要：随着开采深度的增加，巷道围岩应力逐渐增大，常规下采用锚杆支护只能支护到围岩松动圈内，顶板得不到有效控制，巷道变形量大，出现前掘后修，特别是在复合顶板、软岩、过老巷、破碎带、应力集中区等特殊地点，必须采用复棚支护维护顶板，效率低、投入大。通过技术革新，创新性使用注浆锚索进行支护，取得了较好的支护效果。

关键词：注浆锚索；全长锚固；添加剂；止浆；再生围岩

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.206

孙村煤矿本着“技术可行、安全可靠、经济合理”的原则，开展支护技术改革创新，推广使用注浆锚索。中空注浆锚索作为一种新型支护方式，我矿通过三年的实践，取得了较好效果，今年1～9月份使用32800余套，占到顶板支护的30%以上，由原来的补强支护到主体支护，从反复修复到取消架棚，取消了巷修区队番号。

1 注浆锚索支护原理

1.1 注浆锚索与普通锚杆相比

锚杆支护时，一般使用锚杆长度为1.8～2.2米，一个巷宽4米的巷道，按照冒落拱原理冒落高度为2米，一旦顶板破碎，易发生整体垮落。

注浆锚索长度最短的长3米，还有4.1米、6米及8米等型号，在同样巷道宽度4米的条件下，注浆锚索能够穿过冒落拱高度，锚固到以上稳定岩层中，从而将冒落拱以内的岩体悬吊加固到上部稳定岩层中，大大降低了冒顶的可能性。

1.2 注浆锚索与普通锚索相比

普通锚索支护顶板具有“遇强则强、遇弱则弱”的特点，虽然也能形成较大范围的加固拱，但只能配合药卷形成端锚结构，特别是遇到松软破碎顶板条件，则表现出不适应性。一是锚固的时候，药卷位置不好控制，准确性难以保证；二是高强锚杆+普通锚索联合支护的方式，随着破碎矸石的漏淌，锚杆、锚索支护因预紧力丧失而逐渐失效，一旦锚索失效顶板就会出现整体垮落；三是锚索中间拉伸段经过长时间风化和水侵，高应力下容易被拉断。

注浆锚索能够实现端锚涨紧状态后的全长锚固，有效克服普通锚索支护的缺点。

1.3 注浆锚索支护原理

注浆锚索支护，在不使用树脂锚固剂单纯全水泥锚固条件下，经过24小时凝固后，做拉力试验测试，实验证明锚固拉拔力超过30Mpa（11.4吨），完全满足锚索锚固要求，可以解决树脂锚固段不到孔底位置的降低锚固效果的缺点；一是形成钢筋砼，利用注浆锚索注浆充填围岩裂隙，配合锚网支护，可以形成一个多层有效组合拱，即锚网组合拱、锚杆压縮区组合拱及浆液扩散加固拱，从而扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力；二是形成全锚，保护锚索不受风水侵蚀，提高服务年限；三是注浆材料中有2%的微膨胀性添加剂，以补偿水泥反应的收缩。

2 关键技术

2.1 添加剂

注浆锚索水泥注浆添加剂具有早强剂、超塑化剂、微膨胀成份等，使水泥基锚注加固注浆材料具有较好的早强与高强、自流态、微膨胀和耐久性等优良性能，从而改善锚注加固的效果。

（1）早强、高强特性。水泥注浆添加剂在保证浆液有良好的流动性的前提下，注浆锚索安装完毕1天即可承载，强度最高可达25MPa以上。

（2）自流态特性。水泥注浆添加剂中包含超塑化剂使得水泥浆体具有高流态性能，从而使水泥注浆料具有自密实性能，靠泵注便可填充锚孔全部间隙。

（3）微膨胀性。水泥注浆添加剂中包含有微膨胀成份，可以补偿收缩，加水拌和后生成大量膨胀性钙矾石结晶水化物，使水泥基注浆浆料产生适度膨胀，使孔壁与锚索之间产生主动结合，使水泥注浆材料机体内部结构更加致密。

2.2 止浆塞改进

为确保“注得进、不跑浆、易操作、高效率”，对止浆塞进行改进，从膨胀止浆塞，到大圆锥封口塞，再到挤压胶管，最终经过优化形成锥形止浆塞，组合式止浆效果更佳。该止浆塞获得国家专利。

2.3 注浆滞后时间的确定

注浆锚索核心在注浆，浆体注早了没有裂隙发育，起不到粘合加固效果，只是实现全锚固；注浆时间晚了，顶板完全变形，巷道空间不足，因此合理选择注浆时间尤为重要。根据顶板离层仪或窥视仪，监测顶板变形变化曲线，找到顶板变形的临界值，在临界值之前进行注浆，效果最好。

2.4 支护参数的合理确定

锚索的规格多种多样，根据顶板岩性的不同以及离层发育情况，选择合理的锚索尺寸。一是锚索端锚必须锚固在稳定基岩上；二是锚索支护密度过稀会导致裂隙充填不完全，整体粘合不到一个整体，起不到再生稳定岩梁。锚索长度从3米到8米均可加工生产。

3 经济效益

3.1 巷道掘进期间取消架棚支护

（1）通过注浆锚索预案支护技术，巷道取消了架棚支护，减轻了职工的劳动强度，并且注浆锚索施工工艺与原锚杆支护工艺基本相同，施工效率高。

（2）采用注浆锚索加固时，一般采用4.1m及以上长度锚索，间排距可放大到1米，提高了单进水平。与架棚相比较，全锚索巷道每米巷道节约685.05元；与锚杆相比，全锚索巷道每米巷道增加102元；

（3）全锚索注浆支护效率远远高于架棚支护，降低了人工成本。提高了巷道掘进的推进度，由原架棚支护班最多进2棚，注浆锚索支护实现了每班进尺3-4排，单进提高近一倍。半煤岩巷道每米出煤约6500元，提高的单进增加的掘进煤量足以弥补的延米单价价差。

3.2 为深部高应力巷道掘进积累了经验

深部支护三大难题为高温、冲击地压、高应力顶板支护。一是合理调整开采布局，深部开拓避尽量开高温季节，夏季深部采用机械制冷进行降温；二是深部冲击地压灾害采用大钻孔卸压技术，注浆锚索可以解决防冲卸压带来的顶板下沉问题，一次锚固加固，二次补强加固注浆，可有效控制顶板；三是原来高应力巷道支护高强锚杆+锚索+可缩棚的支护方式，存在断锚杆、锚索易伤人的隐患，且巷道变形量大，前掘后修重复工作量大；使用注浆锚索加固，一次支护，释放压力，滞后注浆，形成再生围岩，为深部开采奠定了基础。