中空注浆锚索在霍宝干河煤矿松软巷道中的应用

2021-06-05来登峰

山东煤炭科技 2021年5期

来登峰

（山西霍宝干河煤矿有限公司，山西临汾 041602）

锚索的锚固深度大、强度高，安装时可施加较大的预应力，一般与锚杆配合使用，在我国煤矿巷道支护中得到了广泛的应用。对于围岩破碎且地应力大的巷道，由于围岩本身的自承载能力差，常规的锚杆索支护难以维持巷道的稳定[1-3]。霍州煤电霍宝干河煤矿一采区轨道下山采用过的传统的U 钢、锚杆索等支护方式均出现了大变形破坏。为此，该矿提出了中空注浆锚索配合双层金属网的锚网喷支护方式，取得了较好的应用效果。

1 工程概况

一采区2 号煤埋深540～680 m，采用单翼开采的方式，其中一采区轨道下山布置于2 号煤底板中，巷道断面为半圆拱形，尺寸为3.8 m×3.2 m（宽×高），墙高1.3 m。支护方式采用的是U 钢和锚杆索联合支护。

煤层顶底板岩性如图1。

图1 2 号煤顶底板岩性

2 巷道变形特征及原因分析

2.1 变形破坏特征

一采区轨道下山在成巷后呈现出U 钢棚腿内扎、巷道两帮变形不一致等特征，如图2。

图2 巷道破坏特征

在原U 钢支护基础上，使用锚杆索+锚喷的方式对变形最严重的11～19 号导向点之前约300 m 巷道进行修复，但效果不理想。修复段巷道两帮收敛量最大达到520 mm，顶底板移近量在600 mm 以上，不能满足生产要求。

2.2 破坏原因分析

分析认为，引起一采区轨道下山大变形的原因主要有以下几个方面：

（1）地应力大

该矿原岩应力测试表明，该矿最大水平主应力为21.9 MPa，最小水平主应力为10.4 MPa，而垂直应力为15.2 MPa，垂直应力小于最大水平主应力。因此，应力场以水平应力为主。在水平应力的作用下，巷道两帮变形剧烈，减弱了对顶板的支撑，间接增大了巷道的跨距，令水平应力对顶板的挤压作用大，加剧了顶板的变形。

（2）断层的影响

11～19 号导向点之间巷道分布有F17、F18、F19、F20 四条断层，断层落差均在4 m 以上，大于巷道高度。落差最大的为F20 断层，落差达70 m。断层附近围岩破碎，承载能力差，且破碎带中填充有各种的碎块，极易发生失稳。

（3）工作面回采的影响

一采区采用的是单翼布置，2-106、2-108 等工作面均已回采结束，受采动影响，靠近采空区侧的巷道变形明显较大，呈现不对称特征。

3 控制对策及支护设计

3.1 控制对策

针对地应力高且围岩松软破碎、承载能力差的实际情况，提出以下控制对策。

（1）充分发挥围岩的自承能力

巷道开掘后，由于受力状态的改变，巷道表面围岩进入塑性变形阶段。在巷道掘进初期，应及时支护，在巷道表面形成预应力承载结构，充分利用围岩的自承能力，减少塑性区的发展。

（2）提高围岩的承载能力

对于松软破碎的巷道，围岩的强度低，仅靠本身的承载能力难以维持巷道的稳定。因此，除了保证围岩的承载能力之外，还可以通过采取注浆等措施，将巷道浅部围岩与深部围岩胶结成整体。注浆在强化岩体的力学性能同时，可以为锚杆索支护提供稳定可靠的锚固点，与围岩形成整体承载结构，同时注浆还可以封堵围岩中的节理等，避免裂隙的进一步发育。

综合以上分析，决定采用中空注浆锚索配高性能锚杆的联合控制方式减少巷道围岩的变形。

3.2 中空注浆锚索

中空注浆锚索的结构如图3[4-6]。与普通锚索相比，中空注浆锚索采用笼型中空结构，钢绞线内有注浆芯管。使用时分两步施工：第一步与常规锚索类似，用树脂锚固剂锚固并施加一定的预紧力，后期高压注入水泥浆液。

图3 中空注浆锚索结构

中空注浆锚索兼有锚索锚固和注浆加固的功能，在普通锚索的基础上注入水泥浆，实现全长锚固，并且最大注浆压力可达8 MPa，有利于水泥浆液向钻孔裂隙中的扩散，实现了锚固一体，对破碎围岩起到加固作用，

3.3 支护设计

采用高强度锚杆和注浆锚索配合双层高强金属网的联合支护方式，支护方案设计如图4。

（1）高强锚杆支护

采用BHRB400 高强螺纹钢锚杆，规格为Φ22 mm×2400 mm，每根锚杆配K2360 和CK2360 树脂药卷各一卷锚固，安装时超快锚固剂在底部。锚杆间距为650 mm，两侧直墙布置三根锚杆，间距600 mm，锚杆排距为800 mm，位于巷道底角的锚杆向下倾斜15°布置，其余垂直布置。

巷道两帮及顶板铺设双层菱形钢筋网，钢筋直径为6 mm，网格为100 mm×100 mm。

（2）中空注浆锚索支护

中空注浆锚索的长度为7000 mm，每个断面布置5 根，间距如图所示，排距为800 mm，位于锚杆排中间，间隔布置。每根锚索使用四根K2360 树脂药卷锚固。

注浆锚索施工后对巷道表面进行喷浆封闭，喷浆厚度为120 mm，初喷厚度不得低于60 mm，复喷时间间隔不得小于2 h。

图4 中空注浆锚索支护方案

3.4 施工工艺

与常规锚索相比，中空注浆锚索增加了注浆的工序，其整个施工工艺如图5。

图5 中空注浆锚索施工工艺

中空注浆锚索成败的关键在于封孔，封孔质量差，容易造成浆液的流失，影响支护效果。经过多次试验发现，利用棉纱封孔简单，效果好。

在锚索伸入钻孔之前，将棉纱缠绕在锚索底部，距离尾部的距离为锚索的外露长度，一般为400 mm。锚索用树脂锚固剂锚固后，用棉纱将锚索与钻孔的缝隙堵住，然后张拉。预紧之后对巷道表面进行喷浆封闭，喷浆厚度为200 mm，4～5 d 后再往锚索内注入水泥浆液。水泥浆液的水灰比为1:1，注浆压力为5～7 MPa。

4 矿压观测

为了验证中空注浆锚索和高性能锚杆支护系统的效果，在注浆完成后安设了测站，对巷道表面位移进行观测，观测结果如图6。

图6 巷道表面位移观测结果

由观测结果可以看出，由于一采区轨道下山为返修巷道，围岩应力得到了充分释放，因此，巷道变形速率较小，且无明显的阶段性特征，变形曲线平稳逐渐上升后稳定。中空锚索注浆后15 d 巷道变形趋于稳定，表面位移达到最大值，两帮收敛较小，为21 mm，对生产无影响。由于底板未支护，因此，顶底板移近量以底鼓为主，占顶底板变形总量的60%，但底鼓量小，对生产影响较小或通过简单卧底即可解决，不影响生产。