中孔注浆锚索在破碎顶板支护中应用分析

刘建君

（晋能控股煤业集团公司，山西 大同 037001）

1 概况

塔山煤矿三盘区2305 巷位于三盘区以西，巷道从三盘区辅运巷以5°仰角上山掘进，巷道仰斜掘进170 m 且揭露2#煤层后沿2#煤层顶底板平行掘进，2305 巷道设计总长度为2600 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5 m×3.1 m。

2305 巷掘进的石炭系2#煤层，均厚为3.05 m，平均倾角为4°，煤层结构相对复杂，煤层成层状结构，夹杂2～3 层以泥岩为主的矸石。2#煤层无伪顶，直接顶为混合岩层，平均厚度为4.9 m，从下往上依次为炭质泥岩（厚度为2.1 m）、煤层（厚度为0.4 m，不可采）、砂质泥岩（厚度为2.4 m）；基本顶主要为粗砂岩，平均厚度为11.7 m；直接底主要为炭质泥岩，平均厚度为2.7 m。2305 巷采用综合机械化掘进工艺，截至目前巷道已掘进至452 m。

地测资料显示，2305 巷掘进区域水质条件复杂，地质构造主要以断层为主，在400～540 m 段共计富含21 条断层，形成断层群构造区，断层最大落差为1.5 m，最小落差为0.7 m，以正断层为主。2305巷掘进至452 m 处已揭露4 条正断层，受断层影响巷道在421～452 m 段巷道顶板稳定性差，应力显现严重，主要表现为顶板破碎、下沉等现象，顶板最大下沉量达0.47 m，且局部顶板支护失效现象严重，威胁着巷道安全掘进。

2 巷道原支护设计及问题分析

2.1 原顶板支护

原巷道顶板采用“锚杆（索）网+W 型钢带”联合支护。

（1）顶板锚杆。顶板锚杆采用高强度螺纹钢锚杆，锚杆长度为2.5 m，直径为22 mm，锚杆间排距为1.0 m。锚杆采用加长锚固方式，锚固长度为0.95 m，锚固力为190 kN。

（2）顶板钢带。采用长度4.4 m、宽度0.25 m的“W”型钢带，钢带抗压强度为420 MPa/m2，钢带上均匀布置5 个锚杆支护圆孔，孔间距为1.0 m。

（3）顶板锚索。锚索采用长度为5.3 m、直径为17.8 mm 钢绞线，延展率为12%。锚索采用端头锚固方式，锚固长度为1.5 m，锚固力为220 kN，每排布置3 根锚索，锚索间距为1.5 m，排距为3.0 m。

2.2 顶板破碎机理

由于2305 巷直接顶主要以混合岩层为主，岩体整体成层状结构，局部鳞状结构，混合岩体平均单轴抗压强度低于27 MPa，在断层应力作用下，直接顶破碎严重，裂隙发育充分，在顶板内形成围岩松动圈，在应力持续作用下，对裂隙带产生扩张破坏作用，从而进一步扩大松动圈范围，破坏了顶板整体稳定性，降低了顶板承载能力。

2.3 支护问题分析

（1）支护锚固效果差。原顶板锚索采用端头锚固，锚固长度1.5 m，锚杆尽管采用了加长锚固，但锚固长度仅0.95 m，锚杆（索）的锚固端均位于顶板裂隙松动圈内，该处岩体破碎严重，导致锚固效果差，降低了支护效果。

（2）支护效果差。锚杆（索）支护主要作用为悬吊作用以及组合梁作用，而原顶板破碎严重，整个顶板出现失稳现象，锚杆（索）支护变为点性支护，支护范围小，且无法形成稳固的组合梁，起不到预期的支护效果。

3 中空注浆锚索支护

3.1 中空注浆锚索结构

（1）中空注浆锚索主要由中空锚索体、止浆塞、钢性注浆管、柔性注浆管等部分组成，如图1。2305巷采用的注浆锚索型号为SKZ160-1/1770，锚索直径为21.8 mm，锚索破断力740 kN，延展率为18%。

（2）注浆材料：采用A、B 两种成分混合双性聚氨酯材料。该材料遇水后能够快速形成泡沫状固结体，遇水后膨胀率达25%，凝固时间为15 min，凝固后抗压强度达70 MPa。

（3）锚索托盘。为了提高注浆锚索支护效果，锚索配套“JW”型钢梁，钢梁长度为3.2 m，宽度为0.35 m，厚度为5 mm，钢梁上均匀布置两个锚索孔，孔间距为2.2 m。

3.2 支护方案

（1）原巷道顶板锚杆支护间距不变，支护排距变为1.2 m，顶板锚索更换为中空注浆锚索，每排2 根，锚索间距为2.2 m，排距为3.6 m。

（2）首先采用液压锚杆钻机在相邻两排锚杆之间施工两个锚索钻孔，孔间距为2.2 m，孔径为28 mm，钻孔深度为6.0 m。锚索钻孔施工完后，对钻孔内装一根中空注浆锚索。

（3）中空注浆锚索安装后，将双液注浆泵、注浆管与锚索尾部连接，并采用连接套固定，然后进行注浆施工。注浆压力控制在0～1.5 MPa 范围内，单孔注浆时间为15 min，注浆完成后及时采用止浆塞进行堵孔。

（4）同一排中空注浆锚索注浆1.5 h 后，在锚索外露端安装一根“JW”型钢梁，并采用锁具进行预紧，预紧力不低于320 kN。

图1 中空注浆锚索结构示意图

3.3 支护优点

（1）降低了支护成本。2305 巷破碎顶板采用中空注浆锚索代替了传统普通锚索，每百米巷道顶板可减少锚索数量45 根、锚杆数量80 根，减少了顶板支护数量，降低支护成本费用达1.25万元/百米。

（2）支护效果好。与传统锚索支护相比，中空注浆锚索支护实现了锚索支护作用与注浆加固作用同步进行。注浆加固了裂隙围岩稳定性，控制了围岩裂隙扩张破坏作用，保证了锚索锚固作用，提高了支护效果。

（3）降低了顶板扰动破坏。顶板采用中空注浆锚索支护后，减少了顶板支护钻孔数量，从而避免了钻孔施工时对不稳定顶板产生扰动破坏作用。

（4）实用性强。该支护不仅可用于采掘工作面破碎顶板中，而且还可用于桥梁、隧道等领域中，应用区域广，实用性强。

4 结语

2305 巷掘进至455 m 时对巷道顶板采用了中空注浆锚索支护，该支护有效控制了顶板破碎现象，巷道在后期掘进过程中顶板下沉量控制在0.12 m 以下，大大提高了应力区顶板整体稳定性，顶板支护失效率由原来的14%降低为2%，保证了巷道安全快速掘进，取得了较好效果。