全长锚固支护技术在冲击地压沿空巷道中的应用

李军伟 孙文峰 李建建

（1.兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿，山东 郓城 274705；2.山东安科矿山支护技术有限公司，山东 济南 250033）

冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤（岩）体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象[1]。兖州矿区和巨野煤田大部分深部矿井开采均不同程度的面临冲击地压的威胁，冲击矿压巷道围岩稳定性控制已成为工作面回采过程中一个急需解决的难题。

针对冲击地压巷道围岩控制问题，国内外学者进行了相关研究并取得了一定进展。窦林名、高明仕等建立了高应力区巷道围岩稳定性控制的强弱强（3S）结构力学模型[2]，强调在巷道浅部破碎区建立自身承载强度要高的加固层，在中部人为设置松散破碎区。康红普提出了以全长预应力锚固、高强度、高冲击韧性锚杆与锚索支护为主，以金属支架为辅的复合支护方式[3]。潘一山等提出了提高支护刚度和快速吸能让位支护的设计思路[4]。

大量的理论研究和工程实践表明，采用全锚支护可以增强破碎围岩力学性能，强化支护-围岩系统可靠性，改善巷道受力状态，符合复杂条件下巷道围岩控制要求。

1 全长锚固支护技术优势

全锚支护由端部锚固变为全长锚固，使得锚杆、锚索原先的自由段与围岩紧密连接为一体，使得整个围岩-支护系统相比端锚支护更具有以下技术优势：

（1）隔绝水气影响，延长服务年限。全长锚固后的支护材料隔绝了空气和水分，阻止了对其持续锈蚀侵害，保证支护材料强度性能稳定，延长支护材料服务年限。

（2）改变支护材料承载模式，提高了整体支护系统的刚度。全长锚固材料变形主要集中在岩层弱面的局部范围内，仅对支护材料小范围区域的承载特性产生影响，能及时控制围岩变形，围岩-支护系统刚度高。

（3）提高了岩体抗拉拔和剪切能力。全长锚固支护消除了支护材料与钻孔之间的自由空间，使得支护材料与岩层面上的摩擦阻力显著增大，可以明显抑制岩体的轴向位移和横向位移，岩体的抗拉拔和剪切能力显著增加[5]。

（4）强化支护材料与围岩之间力学联系。全长锚固将围岩与锚索固化粘结为一体，消除了锚索自由段滞后、被动受力状态，减轻应力集中程度，提高了锚索整体承载状态，使得锚索及时主动与围岩变形相耦合。

2 全长锚固支护施工材料

（1）预应力全锚锚索

以前所采用注浆锚索封孔止浆工艺技术要求高、施工难度大，注浆材料和注浆设备技术不过关，稀浆容易漏，稠浆容易堵塞注浆设备。改进的预应力全锚锚索采用中空结构，芯管孔径截面积提高70%，显著降低稠浆流动阻力，其采用树脂端锚，施加预应力，安装后可以及时承载，满足巷道支护初期强度要求。

图1 全锚锚索实物

（2）MZM-70 无机注浆锚固料

新型注浆锚固料克服传统注浆料稠度低、流动性高、与破碎煤岩体注浆扩散造成漏浆和粘结性差的缺点，新型无机锚固料具有以下优点：

① 料水比高达3～3.5，但浆液受扰动液化流动，泵送阻力低；

② 浆液静止触变性好，可泵停浆停，锚固料不会从孔口自动流出，取消封孔工序；

③ 浆液硬化不收缩，锚索孔充填密实；

④ 早期强度高，固结强度高，1d 抗压强度可达25MPa，28d 抗压强度可达70MPa。

（3）高压注浆设备

ZBQ-8/7 型矿用气动注浆泵，该泵具有压力高（7MPa）、体积小、重量轻、移动方便、易拆卸清洗等优点，适应于频繁移动的高压注稠浆锚固料施工。

图2 MZM-70 无机注浆锚固料

3 工业性试验技术方案

赵楼煤矿5304 轨道顺槽为沿顶全煤巷道，埋深850m 左右，巷道西侧为实体煤，东侧为沿空，沿空煤柱4.5m。5304 轨顺采用梯形断面，掘高4100mm，上掘宽5000mm，下掘宽5400mm，原支护设计采用锚网＋钢带＋锚索的支护形式。巷道掘进过程中受到沿空应力转移和集中影响，巷道断面收敛，煤柱侧帮部片帮严重，底鼓量较大，后期受到工作面回采动压叠加破坏，锚杆、锚索随围岩呈整体性移出，巷道支护可靠性差，严重影响了矿井的运输和安全。

全长锚固支护设计方案见图3，具体参数如下：

（1） 锚 杆 支 护 参 数： 顶 部 采 用Φ22×2400mm KMG500 高 强 度 螺 纹 钢 锚 杆，帮部采用Φ20×3000mm KMG500 左旋无纵筋全螺纹锚杆，均配套一个FZJ-R1/1 单泡让压环，间排距均采用850×800mm，并采用规格为4800m×140mm×10mm 的T 型钢带护表，预紧力均为200N·m。

（2）锚索支护参数：顶板采用Φ22×6300mm预应力全锚锚索，间排距1700×1600mm，帮部采用Φ22×3800mm 预应力全锚锚索，间排距1200×1600mm，均采用29U 型钢锚索梁护表加固，预紧力不低于120kN。

（3）注浆参数和要求：采用MZM-70 无机注浆锚固料为注浆材料，料水比3:1，注浆时机为紧跟迎头注浆，滞后距离不超过10m，注浆泵额定压力不低于7MPa。在注浆材料从锚索孔托盘或周边裂隙流出时即可停止注浆，浆液自身粘滞作用不会持续漏浆。

4 应用效果

（1）锚固拉拔性能

在MZM-70 高强无机注浆锚固料固化7d 后，采用锚索拉拔仪对预应力全锚锚索进行拉拔力测试。检验采用全长锚固支护后预应力全锚锚索的锚固性能和拉拔强度，分析在设计拉拔强度50MPa（约300kN）条件下锚索锚固可靠性能和变形破坏情况。

图3 全锚支护设计技术方案

表1 5304 轨顺全锚锚索拉拔试验结果

从拉拔试验结果可以看出，5304 轨顺全长锚固支护试验段，全锚锚索通过注浆加固并经过7d 浆液固化，锚索拉拔强度均不低于50MPa，未能将锚索拉出，施工质量达到预期目标。

（2）巷道表面位移观测

根据十字观测法对原锚网索支护和全锚支护段围岩表面变形监测，见图4。在巷道掘出两个半月时间内，巷道变形主要体现在煤柱侧帮部，其次是实体煤帮部，而顶板变形相对较小。采用原锚网索支护段巷道煤柱侧帮部位移量达到125mm，实体煤帮部位移量达到85mm，顶板下沉量为30mm。采用全锚支护巷道相应煤柱侧帮部、实体煤帮部和顶板位移量分别为60mm、40mm 和20mm。对比原锚网索支护效果分析得到，采用全锚支护效果优于原锚网索支护方案，巷道成巷效果良好，特别是在顶板和煤柱帮部的稳定性上，全锚支护的变形量不到原锚网索支护方案的50%，可见全锚支护强化了巷道整体性，增强了对顶板应力集中的承载能力。

5 结语

针对高应力冲击危险沿空巷道研发的预应力全锚锚索，实现端锚后能立即承载，满足了支护的主动性和及时性，采用高稠度、高粘滞型新型高强注浆材料，通过高压注浆实现浆液的扩散固化，提高了围岩的整体性和承载能力，使锚索由端锚转变为全锚，强化了与围岩体的力学联系，达到了全锚支护预期的技术指标，取得了较好的支护效果，形成适用于高应力冲击沿空巷道围岩加固的全锚支护技术体系，是一种极具潜力的巷道围岩控制技术，在技术经济上具有很大的优越性，值得进一步推广应用。

图4 全锚支护与原锚网索支护巷道表面位移对比图