煤巷过断层应力影响区注浆锚杆支护技术应用

吴 波

（山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司，山西 晋中 032600）

巷道掘进过程中主要通过锚杆、锚索、钢带等支护体对围岩进行维护控制，但是当巷道顶板在应力作用下出现破碎后，破碎岩体内产生围岩松动圈，造成顶板整体稳定性降低；由于破碎岩体力学结构发生变化[1]，采用传统的锚网索支护不能达到预期的支护效果，而且破碎顶板高密度支护加剧了顶板破碎程度，不利于顶板安全管理。因此，对于破碎顶板必须根据顶板岩体结构，分析传统支护存在的问题，根据实际生产情况采取合理有效的支护方式，对提高破碎顶板稳定性具有重要意义。以五里堠煤业有限公司2101 轨道巷掘进工作面为例，本文对破碎顶板注浆锚杆支护技术进行分析。

1 概述

2101 轨道巷位于盘区南翼，巷道南北走向布置，北部为下组煤集中回风、胶带、辅助运输3 条下山，东部、南部为实体煤，西部为2101 运输顺槽。

2101 轨道巷设计长度为1 400 m，设计断面规格为宽×高=4.5 m×4.0 m，沿15#煤层底板掘进。15#煤层平均厚度为6.17 m，预留顶煤厚度为2.17 m。15#煤层直接顶以砂质泥岩为主，平均厚度为4.4 m，基本顶以细砂岩为主，平均厚度为8.7 m。2101 轨道巷采用综掘施工工艺，已掘进420 m。据地质资料432 m处揭露F4正断层，断层落差为2.3 m，倾角为55°。受断层影响，巷道掘进至411 m处时进入断层应力影响区，顶板相对破碎，顶板支护失效现象严重且维护困难，当巷道掘进至420 m处顶板破碎严重，传统锚网索支护效果差。

2 原支护方案及问题分析

2.1 破碎顶板原支护方案

（1）巷道掘进至411 m处为了维护破碎顶板，顶板每排布置6 根长度为2.5 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间距×排距=0.8 m×0.9 m，同一排锚杆外露端安装一根“W” 型钢带，钢带规格为长×宽=4.8 m×0.24 m。

（2）顶板每两排钢带施工一排11#工字钢锚索（4 根）吊棚，吊棚长度为4.2 m，排距为1.8 m，吊棚锚索间距为1.2 m。

（3）破碎顶板施工一排注浆钻孔，每排三个钻孔，孔深为5.0 m，孔间距为2.0 m，排距为3.0 m，钻孔施工完后采用钻机对钻孔内高压注入马丽散粘接材料。

2.2 原支护存在的主要问题

（1）劳动作业强度大。原支护方案中在破碎区巷道平均每掘进1.0 m需支护6 根锚杆，2 根锚索，以及一个注浆钻孔，钻孔施工及支护时间达2.7 h，支护时间长，支护效率低； 同时原支护工程中需6人配合施工，劳动定员数量多，劳动成本及支护强度高[2]。

（2）支护扰动破坏严重。由于2101 轨道巷顶煤为15#煤层，在F4断层应力作用下破坏了顶板整体承载梁结构，顶煤破碎严重，采用锚索梁、密集锚杆以及注浆加强支护过程中，支护孔施工时产生的扰动影响导致顶板产生二次破坏作用[3]，进一步加剧了顶板破坏力度。

（3）支护锚固效果差。原支护设计中顶板锚杆长度为2.5 m，采用端头锚固方式，锚固长度为0.6 m，而2101 轨道巷顶煤厚度为2.17 m，锚杆锚固端位于顶煤与砂质泥岩之间，进入断层应力影响区后，顶板蠕动变形导致顶煤与砂质泥岩出现离层现象，离层量在170～25 mm范围内。当顶板出现破碎离层时，锚杆锚固效果差，观察发现，在破碎区处顶板锚杆失效率高达12%。

3 注浆锚杆支护技术应用

为了解决应力区破碎顶板传统支护设计存在的问题，进一步提高破碎顶板稳定性，决定对2101轨道巷破碎顶板采取注浆锚杆支护技术，施工范围为断层面前后各20 m。

3.1 注浆锚杆支护应用

（1）注浆锚杆结构

注浆锚杆主要由长度为3.5 m，直径为30 mm中空高锰钢管制成，该锚杆屈服强度为210 MPa，承载能力为488 kN；锚杆中部孔径为15 mm，锚杆往里0.5 m处两侧各焊制一排射浆孔，每排5 个，孔径为10 mm，间距为0.5 m，见图1。

图1 注浆锚杆支护剖面

（2）注浆设备及材料

采用型号为ZBQ50/2.5 型双桶注浆泵进行注浆施工，注浆液采用马丽散材料，该化学材料具有填充效果好、膨胀率高、粘接强度高等优点。

（3）注浆锚杆施工工艺

①首先对顶板采用液压钻机配套直径为33 mm八字形钻头进行钻孔施工，每排施工5 个钻孔，钻孔直径为35 mm，钻孔深度为3.5 m，钻孔间距为1.0 m，排距为1.2 m；

②钻孔施工完后对钻孔内锚固注浆锚杆，锚固长度为0.9 m；

③锚杆锚固后对钻孔与锚杆之间处安装一根长度为0.3 m环形封孔器；

④对注浆锚杆中空处埋入一根直径为10 mm注浆软管，软管另一端与ZBQ50/2.5 型双桶注浆泵连接进行注浆施工，注浆压力控制在0～1.3 MPa范围内；

⑤注浆后在同一排注浆锚杆外露端安装一根长度为4.2 m（5 眼），宽度为0.32 m“JW”型钢带并进行预紧，见图2。

图2 2101 轨道巷过断层破碎带顶板支护方式

3.2 注浆锚杆支护优点

（1）注浆锚杆支护技术主要利用锚杆兼做注浆管，在锚杆支护作业时进行注浆施工，实现了锚杆全长锚固效果，在注浆过程中浆液可快速沿孔壁裂隙渗透扩张，对岩体裂隙进行粘接填充，提高了破碎岩体胶结强度[4]，使得锚杆与钻孔壁围岩嵌为一体，起到了有效的锚杆抗滑作用，大大提高了锚杆支护效果，降低了锚杆锚固失效现象。

（2）注浆锚杆支护在悬吊支护作用的同时，可将马丽散注浆液在钻孔壁裂隙进行扩散，扩散半径在0.5～1.0 m范围内，对松散不稳定煤岩体充分粘结，提高了破碎煤岩体内摩擦力，提高了围岩自身支护作用。

（3）注浆锚杆支护时注浆液在岩体裂隙扩散、凝固过程中，致使锚杆与岩体之间产生自锁效应，支护强度及支护范围远远超过普通单锚杆支护。

（4）注浆锚杆支护实现了锚杆施工与注浆支护同步施工，简化了顶板支护工艺，减少了破碎顶板支护钻孔数量，防止了支护钻孔施工时对顶板产生的扰动破坏作用，解决了传统支护与注浆施工分步施工时，钻孔数量多、作业工序复杂[5]、顶板扰动破坏严重等技术难题，进一步提高了顶板稳定性。

4 应用效果

2101 轨道巷对F4断层应力影响区破碎顶板采取注浆锚杆支护技术后，巷道破碎顶板得到有效控制，顶板最大下沉量控制在140 mm之内，锚杆锚固失效率不足3%； 同时采用注浆锚杆后降低了顶板锚杆支护数量，降低道过断层期间支护成本费用降低了5.2 万元，缩短了支护时间，破碎区巷道掘进效率由原来的3.6 m/d提高至7.7 m/d，取得了显著应用成效。