中空注浆锚杆在高应力软岩巷道中的应用

2020-03-06李博

山东煤炭科技 2020年1期

李博

（山西焦煤汾西矿业中兴煤业有限责任公司，山西交城 030500）

随着矿井开采深度的不断增加，我国不少矿井都在不同程度上受到软岩影响。根据有关资料，矿井每年的巷道掘进量在6000km，其中深部的软岩巷道占比接近30%。软岩巷道围岩变形控制较为困难，巷道返修率达到70%以上，特别是对于深部高地应力软岩巷道，其支护问题一直制约矿井高效生产[1-3]。国内众多的工程技术人员及学者对高应力软岩巷道支护技术进行了大量研究，形成了锚杆+锚索+注浆的联合支护体系，锚喷+可伸缩金属支架+高强混凝土弧形支架等支护体系，并取得了显著的应用效果[4-8]。

山西中兴煤矿掘进的规划区瓦斯治理底板岩巷石门埋藏深度为850m，巷道掘进时出现顶板下沉、底板底鼓严重等问题，提出采用中空注浆锚杆支护方案，现场应用取得较好效果，为类似软岩巷道围岩控制提供了一定的参考。

1 工程概况

规划区瓦斯治理底板岩巷石门掘进工作面埋深850m，巷道断面为半圆拱形，巷道净高为3100mm，净宽为4100mm。掘进岩层以粉砂岩为主，中间夹杂有泥岩、细砂岩。岩层倾向为SE，平均倾角12°，走向为42°～63°，较为破碎。掘进巷道直接顶为厚度9m的粉砂岩，薄层状；基本顶为细砂粉砂互层，厚度3.5m，呈薄层状，灰黑色；直接底为厚度2m的泥岩，呈褐色，遇水易膨胀；基本底为厚度10m的细砂岩，呈现灰黑色。

2 巷道支护设计

2.1 支护方案

巷道采用中空注浆锚杆、锚索并配合槽钢进行支护，选用45号高碳钢制作的锚杆，直径为25mm，长度为2500mm。巷道顶板以及两帮锚杆间排距均设计为700mm×600mm，锚杆采用型号MSK2680树脂锚固剂进行锚固，配套采用的托盘长宽均为150mm，厚度为10mm钢板。锚索采用1770级钢绞线，直径为22mm，抗拉拔力高于410kN。巷道基线之上采用3根长度为8000mm的注浆锚索支护，沿着巷道中心以及两肩各布置一个锚索钢带。锚索钢带上施工3个孔，一个孔布置一个锚索，巷道顶板的3根锚索钢带共布置9根锚索，锚索的排距设定为2100mm。巷道帮角采用2根直径为22mm、长度为6000mm的注浆锚索进行支护。巷道底板采用直径为29mm、长度为8000mm的注浆锚索进行支护，间距为1700mm，排距为3000mm。锚索施加的预紧力不应小于150kN。锚索配套采用的托盘长宽均为300mm，厚度为15mm钢板。

在巷道底板施工长为400mm、宽为3600mm、高为400mm的凹槽，锚索在凹槽内布置，外露凹槽底板长度控制在100mm以内。具体支护参数如图1所示。

图1 巷道支护示意图

2.2 中空注浆锚杆、锚索结构

（1）中孔注浆锚杆

锚杆结构如图2所示。注浆时注浆泵通过杆体将浆液从锚头返出，实现带压注浆，更好地充填围岩裂隙，改善围岩力学性能，提高自身承载能力。性能参数如表1所示。

图2 中空注浆锚杆结构示意图

表1 中空注浆锚杆性能参数

（2）中孔注浆锚索

图3 中空注浆锚索结构示意图

注浆锚索结构具体如图3所示，中空注浆锚索结构由锚具、索体、托盘以及止浆塞等组成。索体由端部实心段、中部段以及索尾紧固段组成。端部实心段可以对树脂锚固剂进行搅拌，便于实现端锚；锚索中部段内部有软性注浆管，便于锚索弯曲及注浆；在锚索中部段及端部实心段均布置有出浆口，便于注入浆液出浆；索尾紧固段内部为刚性注浆管，当锚具紧固时索尾紧固段不收缩。中空注浆锚索性能参数如表2所示。

表2 中空注浆锚索性能参数

2.3 锚注剂参数

采用的锚注剂属于改性树脂，由A、B两组分构成，抗压强度达到55MPa以上，凝胶时间在3～30min。使用时按照1:1混合，混合液在3min之内粘度比较低，能够深入到较窄的孔隙之内，凝固之后具有较高的抗压强度，使得原本松散的岩层胶结成整体，提高稳定性。

3 支护效果

3.1 围岩裂隙充填情况

高应力松软岩层围岩裂隙发育、较为破碎，是制约巷道支护效果的难题。对注浆前后围岩内部的裂隙发育情况以及破碎区分布进行探测，可以更好地判定巷道支护效果。因此，采用钻孔窥视仪及地质雷达，对规划区瓦斯治理底板岩巷石门掘进工作面支护前后的三维钻孔成像进行对比，具体结果如表3、表4所示。

通过表3、表4对比发现，注浆之后围岩裂隙以及破碎区被浆液充填，围岩的完整性以及强度显著提升。深度109cm、面积在67.1cm2的破碎区，经过充填后破碎区面积减少50%，深度239cm、面积在58.9cm2破碎区面积减少40%。表明注浆后围岩破碎区以及裂隙被有效填充，起到较好的胶结作用。

表3 支护前围岩裂隙及岩性描述

表4 支护后围岩裂隙及岩性描述

3.2 巷道围岩变形

图4 锚网索联合支护围岩变形

图4为普通的锚网索联合支护方式，底板未支护，图5为采用中空注浆锚杆联合支护方式，对底板进行支护。从图4、图5对比可以发现，采用中空注浆锚杆相对于传统的锚网索支护方式，巷道两帮的位移将从79mm降低到55mm，降低24mm；巷道底板的底鼓量由82mm降低到25mm，降低率达到69.51%。表明采用的中空注浆锚杆可以对巷道围岩变形进行有效控制，保证巷道围岩稳定。