掘进巷道应力破坏区支护优化

周利峰

（晋能控股煤业集团虎龙沟煤矿，山西 朔州 038300）

巷道在过断层应力区时受构造应力影响，巷道围岩易产生应力破坏现象，顶板破碎下沉、煤壁片帮，从而导致巷道成型差、掘进效率低、围岩支护难度大。对于应力区巷道传统主要采用注浆加固、减小锚杆（索）间排距或施工工字钢锚索吊棚等技术手段进行控制维护。但是在实际应用中发现，单一的注浆或锚杆（索）支护无法及时对围岩起到有效控制作用，甚至加剧顶板破坏力度，如在应力破碎区施工锚索吊棚，很容易对顶板产生切顶破坏等，起不到有效的支护效果。本文以21517 巷为例，对巷道过F1 断层应力区时提出了注浆锚杆支护[1-5]。

1 概况

晋能控股煤业集团虎龙沟煤矿21517 巷东部、西部尚未开拓，南部与盘区运输大巷相接，北部邻近塔山矿矿界。21517 巷掘进煤层为5#煤层，煤层总厚度为9.65～14.11 m，平均煤厚11.98 m。由于火成岩顺层侵入煤层，上部变质煤厚1.50～6.46 m，平均4.71 m 厚，下部正常煤厚6.02～8.15 m，平均煤厚7.27 m。煤层结构复杂，厚度变化稳定，中含泥岩及火成岩。

21517 巷采用综合机械化掘进工艺，设计长度为954 m，巷道沿5#煤层底板掘进。巷道规格：矩形巷道，掘宽×掘高=5.0 m×4.0 m，掘进断面18.2 m2。巷道掘进过程中在运输大巷口往里867 m处，遇到落差1.70 m 的正断层F1。受其影响，断层附近煤层较疏松，对掘进有一定影响。具体断层基本参数见表1。

表1 F1 断层基本参数汇总表

21517 巷掘进至860 m 处时受F1 断层影响，巷道围岩变形相对严重，导致原巷道顶板支护效果差，对断层影响区起不到有效的控制作用。

2 原巷道支护设计及问题分析

2.1 原巷道支护设计

21517 巷采用锚杆+钢带+单锚索联合支护方式，顶板锚杆长度为2.0 m，直径为22 mm，每排布置6 根，锚杆间距为1.0 m，排距为1.0 m，锚杆外露端安装一根长度为5.0 m“W”型钢带；巷道每隔3.0 m 施工一排单锚索，每排3 根，锚索长度为6.0 m，直径为17.8 mm，锚索间距为2.0 m。

2.2 原支护主要存在的问题

（1）支护锚固效果差。21517 巷掘进煤层为5#层，煤层厚度为7.27 m，巷道掘进高度为3.5 m，巷道沿煤层顶板进行掘进，巷道留顶煤厚3.27 m。5#煤层稳定差，顶煤在F1 断层影响下煤体破坏严重，煤体内裂隙发育，而锚杆在煤体内进行支护时，锚固效果差，锚杆支护失效现象严重。

（2）扰动破坏严重。原顶板支护设计中，锚杆布置相对密集，在进行锚杆钻孔施工时，钻具对煤壁产生严重扰动破坏作用，导致钻孔壁及附近煤岩体破碎加剧，从而降低了锚杆支护效果。

3 注浆锚杆支护应用

为了提高应力区顶板稳定性，解决传统锚杆支护存在的问题，通过技术研究决定对巷道原顶板支护进行优化，采用注浆锚杆支护。

3.1 注浆锚杆支护原理

注浆锚杆支护主要采用中空锚杆作为支护体。首先对破碎顶板采用锚杆进行锚注，然后对锚杆进行注浆施工。锚杆在注浆施工过程中，注浆液在钻孔壁岩体内进行扩散，从而对破碎岩体进行粘接作用，同时注浆液可对锚杆与孔壁进行粘接，实现锚杆全长锚固，大大提高锚杆支护效果。注浆锚杆支护断面、剖面示意图如图1。

图1 注浆锚杆支护断面、剖面示意图

3.2 支护设备

（1）注浆锚杆。21517 巷破碎顶板采用的中空注浆锚杆长度为3.5 m，锚杆直径为30 mm，锚杆中部注浆孔直径为12 mm，注浆锚杆锚固端长为1.0 m。从锚杆端头往里0.5 m 处开始在杆体两侧均匀布置一排注浆射孔，孔直径为10 mm，间距为0.5 m。

（2）注浆设备。采用2ZBQ 气动注浆泵进行注浆施工，注浆泵主要由注浆软管、泵体、吸液管、液桶以及高压风管等部分组成。

（3）注浆材料。注浆液采用水泥浆-水玻璃混合液，水泥浆水灰比为0.8:1。为了提高水泥浆凝固强度，水泥浆中添加XPM 添加剂，添加剂为水泥量的10%。采用的水玻璃浓度为50°Be'，水泥浆与水玻璃配比为1:0.5。

3.3 支护工序

（1）巷道掘至860 m 处时，首先采用液压钻机在顶板施工一排支护钻孔，孔深度为3.5 m，直径为30 mm，钻孔间距为1.2 m，排距为1.1 m。

（2）支护钻孔施工完后，对钻孔内锚注注浆锚杆。每根锚杆采用一长一短两支锚固剂锚固，其中一支快速MSK23/35 型，一支中速MSZ23/60 型，锚杆锚固长度为0.95 m。

（3）注浆锚杆施工完成后，对注浆锚杆内填塞一根长度为2.0 m 注浆软管，软管直径为8 mm，然后在锚杆端头处安装一个止浆塞，将注浆软管与2ZBQ 气动注浆泵连接，并进行注浆施工，注浆压力控制在2.0 MPa 左右。同一排注浆锚杆注浆完成后，在锚杆外露端安装一根长度为5.0 m、宽度为0.28 m“JW”钢带，并采用螺母进行预紧。

3.4 注浆锚杆支护优点

（1）支护工艺简单。与传统架棚相比，注浆锚杆支护工艺相对简单，支护劳动强度低；与传统注浆施工相比，简化了注浆工序，缩短了支护时间。

（2）支护效果好。与传统单锚杆以及注浆支护相比，注浆锚杆支护实现了锚杆支护与注浆支护同步施工。注浆施工可对钻孔壁围岩裂隙进行充分粘接，同时对锚杆进行全长锚固作用，支护效果好，降低了锚杆支护失效率。

（3）避免扰动破坏作用。采用注浆锚杆支护后，每排布置5 个支护钻孔，钻孔排距为1.1 m。与传统支护设计相比，百米巷道可减少钻孔数量达150个，不仅减少了钻孔施工时间，而且避免了钻孔施工时对不稳定顶板产生的扰动作用。

3.5 支护效果分析

21517 巷施工注浆锚杆支护后，在应力区顶板每隔15 m 施工一个数显顶板离层仪，并安排专人对离层仪进行观察，同时在858 m 处顶板同样安装一个顶板离层仪用于对比分析。通过20 d 现场观察发现：应力区巷道顶板施工注浆锚杆支护9 d 范围内，由于注浆凝固体与破碎围岩未完全胶合作用，顶板出现应力塑性变形现象，顶板中部出现局部下沉，通过实测下沉量为0.15 m；在9～15 d 范围内变形围岩与注浆锚杆支护逐渐达到耦合支护作用，顶板下沉量为0.21 m，在15 d 后顶板变形现象得到完全控制，如图2。

图2 注浆锚杆支护后应力区围岩变形曲线图

4 结语

注浆锚杆支护目前被广泛应用于煤矿、隧道等不稳定、应力围岩中，该支护技术在锚注作用的同时可及时对围岩裂隙带进行填充加固，实现了锚杆全长锚固，对破碎围岩变形、破碎现象进行有效的支护，在大变形、大应力采掘工作面中具有很好的应用效果。