“膨胀注浆锚杆+L 型钢棚”在巷道修复中的应用

曹利强

（山西柳林兴无煤矿有限责任公司，山西 吕梁 033300）

1 概述

兴无煤矿5206 工作面位于二采区5#煤层右翼第四个工作面，该工作面上部为42206、42209 采空区，东南部为4#煤层北回风下山、二采轨道下山、二采皮带下山、南回风下山，东部为5205 采空区，西部为实体。5206 工作面设计走向长1500 m，倾向长200 m，回采的5#煤层为二叠系下统山西组。根据周边各工作面及钻孔资料分析，5#煤层厚度1.3～1.9 m，平均1.6 m，煤层结构为煤0.2 m、夹矸0.2 m、煤1.2 m。煤层顶底板岩性见表1。

表1 5206 工作面回采的5#煤层顶底板岩性表

2 巷道支护现状及围岩破碎机理

2.1 巷道支护现状

2021 年6 月工作面已回采至557 m 处，6 月15 日夜班工作面推进至535 m 处时，位于工作面前方20～30 m 处回风顺槽非煤壁侧巷帮出现局部帮锚杆断裂，伴随着局部巷道“隆起”收缩现象；6月16 日早班工作面推进至538 m 处时，位于巷道560～565 m 段巷帮与顶板肩角煤柱出现垮落，最大垮落深度为1.2 m，且垮落区不断向回采方向延伸；当工作面推进至557 m 处时，560～585 m 巷帮支护失效率达17%，巷帮最大收缩量达0.57 m，局部出现底鼓、断裂现象，最大底鼓量达0.46 m，失稳煤柱侧顶板下沉、破碎。

通过现场调查判断该区域应力大，6 月17 日早班从560 m 处开始对非煤侧巷帮采取单锚杆、单锚索支护进行修复。锚杆、锚索各一排，锚索长4.5 m，直径17.8 mm，锚索施工在距顶1.0 m 处，以20°仰角布置；锚杆长2.0 m，直径20 mm，施工在距顶2.0 m 处，垂直巷帮布置。补强支护施工后，两帮收敛、支护失效等现象未能完全控制，锚杆（索）补强支护无法完全控制围岩失稳现象，支护效果差。

2.2 巷帮围岩破碎机理

1）5206 回风顺槽回采的5#煤层整体稳定性差，煤体结构复杂，而巷帮围岩主要以5#煤层为主，煤层承载强度低，单轴抗压强度小，在二次动压作用下出现失稳现象。

2）根据巷道掘进前期资料显示，巷道560～620 m 段为断层群区域，共揭露7 条逆断层，断层平均落差为1.2 m，倾角为42°。受断层影响，该区域围岩受构造应力剪切破坏。东部的5205 采空区，预留保安煤柱宽度为18 m，断层造成围岩产生裂隙，形成采空区残余应力传递通道，从而造成围岩内部破碎，力学性质降低，煤柱垮落严重。

3）巷帮煤柱受集中应力破坏后，煤岩体内部形成塑性破坏区，而巷道掘进期间采用单锚杆支护，后期锚杆（索）补强支护利用锚固剂锚固后对杆体施加预应力，而围岩形成塑性破坏区后，一方面降低了杆体锚固效果，另一方面对杆体施加的预应力无法连续稳定地传递至稳定岩层中，导致支护效果差。

3 “膨胀注浆锚杆+L 型钢棚”支护技术[1-5]

3.1 膨胀注浆锚杆支护

3.1.1 膨胀注浆锚杆结构

1）膨胀注浆锚杆主要由金属杆体、拱形玻璃钢垫片、止浆塞、让压管、膨管等部分组成，如图1。

图1 膨胀注浆锚杆结构示意图（mm）

2）金属杆体采用高锰钢磨具浇筑而成，杆体长度为3.0 m，直径为30 mm，杆体底端部为实芯削尖状，长度为0.5 m，其余部分为中空状，中部孔直径为15 mm。在中空部杆体上布置若干个注浆小孔。

3）在杆体端部安装一个长度为0.8 m 的膨管，膨管底部为正台阶锯齿形膨壳。膨管安装在杆体外部，膨管内部孔为变径结构，内部孔直径为25～30 mm，从而保证杆体在支护过程中能够快速使膨壳膨胀开裂形成自锁结构。

4）在杆体实芯区与中空区之间安装一个让压管，让压管长度为0.3 m，主要由两端固定座和中部高应力弹簧组成。让压管套在杆体上，让压管通过杆体变径自锁固定，在支护过程中主要对变形围岩起到让压作用。在杆体端部安装一个橡胶止浆塞，止浆塞为圆锥结构。

3.1.2 膨胀注浆锚杆支护作用

1）封堵隔绝作用。注浆液可以快速将围岩裂隙区进行封堵，既起到了隔绝空气防止煤体氧化以及防灭火作用，又能起到堵水作用，避免裂隙煤体在水润湿作用下出现软化，从而降低煤岩体自身抗压强度。

2）改变围岩力学结构。通过注浆粘接作用，实现破碎围岩二次重组，能够增加岩体间的内聚力和内摩擦角，提高围岩单轴抗压强度，实现了围岩与支护体协同作用。

3）提高支护强度。注浆可实现杆体全长锚固，利用膨胀壳结构实现了杆体机械自锁加固，利用让压管实现了杆体与蠕动变形围岩让压耦合支护，大大提高了杆体支护强度。

3.1.3 注浆材料及支护工艺

由于考虑到5206 回风顺槽巷帮煤柱与5205 采空区存在贯穿裂隙，采用丙烯酰胺类、木质素类、聚氨酯类等有机化学注浆材料时反应产热量大，易出现煤体自燃，所以决定采用黏土浆和黏土水泥浆混合无机水泥浆液。其中，黏土浆液中水与膨润土配比为1.5:1，黏土水泥浆液中水、膨润土、水泥配比为1.3:1:0.2。为了保证注浆扩散半径不低于1.0 m，注浆压力不得低于3.0 MPa，单孔注浆量为25～40 L。

3.1.4 支护工艺

1）5206 回风顺槽从565 m 处开始对巷帮使用膨胀注浆锚杆支护，共计布置两排，第一排布置在距顶板0.8 m 处，第二排布置在距顶板1.8 m 处，布置间距为2.0 m，两排锚杆成迈步式布置。如图2。

图2 5206 回风顺槽应力区巷帮支护示意图（mm）

2）首先采用手持式钻机配套直径为32 mm“八”字型钻头进行钻孔施工，钻孔深度为3.0 m。钻孔完成后对钻孔内安装一支MSK23/35 型锚固剂，然后安装膨胀注浆锚杆。安装时先将杆体插入钻孔底部，然后采用钻机转动杆体。杆体在锚注过程中打开膨管形成自锁结构。

3）杆体安装到位后，在杆体外露端安装玻璃钢托板，初次施加预应力为150 N·m。对中空杆体进行注浆施工，注浆3 h 后第二次对杆体进行预紧，使预紧力达到300 N·m。

3.2 L 型钢棚支护

1）L 型钢棚由12#槽钢焊制而成，钢棚短边长度为1.0 m，长边长度为1.5 m，在钢棚边及对角处各焊制一个直径为30 mm 的锚索支护孔。每架L 型钢棚采用三根长度为4.5 m、直径为17.8 mm 锚索进行锚固。

2）L 型钢棚支护排距为2.0 m，短边固定在顶板上，长边固定在巷帮上，对角处锚索布置仰角为45°。工作面回采时L 型钢棚超前工作面2 排提前退锚回收。

3.3 实际应用效果分析

在5206 回风顺槽590～595 m 范围内布置一个测点（超前工作面30 m），观测测点与工作面不同距离下围岩的变化情况：

1）当测点距工作面30 m 时，5206 回风顺槽巷帮煤柱受采动影响小，未出现围岩变形现象；工作面推进后与测点距离为20 m 时，巷帮煤柱出现应力显现，主要表现在出现网兜、巷帮中部出现局部鼓起变形现象，实测帮煤柱最大收敛量为0.12 m，但肩角煤柱未出现变形、垮落现象。

2）随着工作面推进与测点间距越来越小时，巷帮煤柱变形越来越严重。当工作面与测点间距为5.0 m时，巷帮煤柱变形最严重，实测巷帮收敛量达0.24 m，局部出现底鼓现象，最大底鼓量为0.12 m，巷帮未出现垮落，巷帮锚杆失效率低于3%。由此可见采取的联合支护措施达到控制围岩变形的目的。

4 结语

1）对5206 回风顺槽受采动影响区巷帮煤柱采取膨胀注浆锚杆支护后，改善了围岩强度等力学性质，在围岩内部形成连续体加固圈，通过杆体楔固、挤压等支护作用向围岩施加挤压应力，控制塑性变形范围扩大，使围岩处于稳定状态。

2）L 型钢棚支护后，解决了肩角煤柱支护强度不足、支护效果差等难题，有效减弱了肩角煤柱在大应力作用下出现剥离破坏，避免因肩角煤柱垮落导致巷帮煤柱支撑强度降低而出现垮落、顶板下沉等现象。