高预应力锚索+注浆技术应用研究

张海志

(平顶山天安煤业股份有限公司十一矿，河南 平顶山 467000)

0 引言

我国煤矿开采深度以每年8～12 m的速度增加，东部矿井则以每年10～25 m速度增加，深部开采已成为采矿业未来发展的必然趋势。随着开采深度的增加，带来了一系列工程灾害和技术难题，大采深复杂应力状态下的软岩巷道和复合顶板支护稳定性问题日益严重，已成为制约矿井开采向深部发展的重大瓶颈问题。国内对深部复杂岩层巷道支护技术研究主要理论有岩性转化理论、轴变论理论、联合支护理论、松动圈理论、主要承载区理论、应力控制理论、软岩工程力学支护理论等。依据围岩松动圈范围及巷道开挖后围岩变形量，将巷道围岩分为Ⅰ非常稳定、Ⅱ稳定、Ⅲ中等稳定、Ⅳ不稳定、Ⅴ极不稳定五类。巷道掘进过程中留顶煤、层理、节理较发育的复合顶板、岩体松软的Ⅳ、Ⅴ类围岩稳定性控制问题，已成为急需解决的问题。

1 戊9-10-22080风巷概况

平煤股份十一矿戊9-10-22080风巷位于二水平戊二采区西翼，该巷道位于二水平戊二采区轨道下山四区段。该工作面南北均为原生煤体，东起戊二皮带下山，西止56勘探线以西260.0 m。设计走向长度1 880 m，巷道掘进沿着戊9-10煤层顶板施工，采用梯形锚网支护，断面5 200 mm×2 600 mm(宽×高)。

2 上覆围岩钻探及巷道失稳原因

2.1 上覆围岩钻探

戊9-10-22080风巷0-1 600 m施工中上覆岩层稳定，巷道支护效果较好。施工至1 600 m附近围岩发生较大变化，单一的锚网支护已不能满足安全生产需要，现场布置顶板离层仪观测前7 d离层量在300 mm左右，10～20 d局部最大离层量达到800 mm，巷道基本处于失稳状态，现场采用钻探的方法探测了上覆岩层赋存情况，探测直接顶板为1.4 m左右泥岩，灰色，含植物化石，10 m范围内存在2～4层厚0.10～1.0 m的薄煤层和泥岩互层。

2.2 巷道支护失稳原因

2.2.1 岩石强度低

上覆围岩为泥岩、炭质泥岩、煤岩互层，单相抗压强度都较低，由于岩石强度低表现在围岩松散、软弱，在中等或稍高应力水平状态下就能产生较大的围岩变形，支护困难。

2.2.2 岩石吸水膨胀

泥岩炭质泥岩亲水后产生大量的体积膨胀，也是围岩变形失稳的原因。

2.2.3 围岩应力水平高

围岩应力水平表现在3个方面：巷道埋深大；构造应力大；集中应力作用。

3 单一锚网支护效果及选用的新支护方案

3.1 单一锚网支护效果不理想

锚杆端部锚固在松软煤层中，可锚性差及持续不断的变形破坏导致部分锚固力减弱，松动圈扩大岩体整体发生位移；由于单体锚杆预应力不均衡，围岩发生位移造成锚杆受拉力、剪切作用遭到破坏。综合分析认为提高支护效果应从以下2个方面入手。

1)采取适当的加固措施以提高围岩强度，既可增加破碎围岩的稳定状态的安全性及可持续时间，还可扩大松动性稳定状态支护方式的使用范围，即通过提高破碎围岩的强度，使松动性稳定状态支护方式适用于原本不具备条件的巷道围岩控制。通过锚杆、锚网、W钢带、注浆相结合的方式使破碎顶板形成具有一定承载能力的整体锚固体，从而利用锚固体的抗压和抗剪切能力控制围岩的变形，有效实现高地应力向围岩深部转移，从而达到理想的支护效果。

2)进一步增加预紧力。选取合理长度、强度的高预应力锚索进一步将稳固的锚固体加压悬吊于深部稳定岩层结构之中。通过高预应力锚索与原W钢带等高强度护表材料配合使用，增加预应力扩散效果，提高支护质量。

3.2 确定支护方案

初次锚网索支护+滞后注浆加固围岩+施工高预应力锚索进一步强化围岩锚固体。

4 注浆加固技术

4.1 注浆材料选取

针对深井Ⅳ类围岩岩体松散破碎的特点，主要是浆液渗透扩散充填加固破碎煤岩裂隙，重构围岩整体性能。因此，要保证注浆材料借助注浆泵压力均匀充填煤岩裂隙，且避免注浆期间围岩岩体出现大面积漏浆、跑浆现象。综合考虑选择化学浆液固安特作为注浆材料。

固安特是由2种成分组成的高分子聚亚胺胶脂产品，混合后2种材料组合反应发泡，生成多元网状密弹性体，注入煤体后，低黏度混合物保持液体状态，在高压推力作用下渗透到细小的裂缝中膨胀胶结，从而有效加固和密封处理区域。固安特发生反应非常的迅速，对温度的要求也不高，但是形成的固结体强度高，抗压能力强，不会缩型变压，固结体结构密实。

4.2 注浆施工流程

首先是准备相关材料及仪器并让其下井，包括准备施工现场、施工仪器、风源、水和清洗剂、高压管、风动泵、检查枪等；其次是连接好相关仪器，并打孔；最后是进行封孔与注浆，用油和水清洗多功能泵和枪，完成施工后要关闭风源并清理现场。

5 高预应力锚索选型及支护设计

5.1 锚索型号的选择

锚索可以将锚杆支护形成的围岩次生承载结构与深部围岩相连，提高掘巷扰动后重新形成的围岩承载结构的稳定性，锚索可以比锚杆施加更大的预紧力，提供压应力有效值更大，有效范围更大，与锚杆形成的压应力有效区一起，形成统一的整体支护体，共同保持围岩及结构的完整性，减小围岩强度降低。结合戊9-10-22080风巷1 600 m处实际钻探顶板柱状图，锚索选择Φ28.6 mm的1×19钢绞线加工而成，长度9 m，预紧力450 kN。

5.2 锚索布置形式

锚索排距1 600 mm，间距1 600 mm ，每排布置4根锚索，锚索初始预紧力不低于450 kN。

6 支护效果检验

6.1 注浆效果检验

选择检测方法应综合考虑其适用条件、检测结果的可靠性、检测结论的科学性，并尽可能量化检测指标。同时考虑检测周期、检测费用等因素。根据平煤股份十一矿戊9-10-22080风巷注浆的具体情况，考虑到施工可能存在的主要工程问题，注浆效果检测主要包括注浆材料与煤岩体凝结密实性、胶结的连续性。检测方法包括：钻孔取芯检测和窥视镜探测。

6.2 联合支护效果监测

6.2.1 观测内容

观测巷道采用锚网+注浆+高预应力锚索联合支护前后的围岩变化情况，包括巷道顶板离层量、顶底板移近量、两帮收缩量，底鼓量，通过对比判断联合支护效果。

6.2.2 测点布置方案

巷道每50 m布置一组测点，初次锚网支护后布置一个测点，联合支护后每个测点重新布置1个顶板离层仪，观测顶板位移状况。

6.2.3 测量频度

测站设置1周内测量为1次/d，1周后每周观测记录2次至变形稳定。

6.2.4 测量结果分析

通过设置十字位移和安装顶板离层仪对单一支护和联合支护效果进行对比。单一梯形锚网支护方式前7 d变形量高达300 mm，支护效果差，难以满足安全生产需求。采用高预应力锚索和注浆联合支护技术后重新布点进行观测，49 d内顶板最大下沉量仅在0～20 mm范围内且基本趋于稳定，巷道收敛变形得到较好的控制，支护效果理想，有效地解决了高应力区破碎松软岩层巷道支护的难题，为高应力破碎松软岩层大断面巷道的支护积累了宝贵经验，具有广泛的推广应用价值。