破碎顶板注浆锚索支护及应用效果

尹宝廷

（山西焦煤山煤国际长春兴煤业有限公司 山西大同037101）

巷道掘进期间受集中应力、煤层赋存、地质构造等影响，巷道顶板出现破碎、断裂现象，传统巷道顶板主要采用锚杆（索）、金属网、钢带等联合支护，锚杆（索）支护时主要实现对顶板悬吊、组合梁（拱）等支护作用，通过锚固剂将支护体锚固段锚固在稳定岩体中，但是当顶板出现破碎后会形成围岩“松动圈”[1-6]，采用锚杆（索）支护时，支护失效现象严重，而且在破碎围岩中施工支护钻孔时，会对顶板岩体产生严重扰动破坏作用，加急了顶板破碎力度，而采用注浆施工时，增加了顶板支护强度，以及钻孔数量，对破碎顶板维护效果差[7-8]；本文以长春兴煤矿602运输顺槽为研究对象，对巷道破碎顶板提出了注浆锚索支护。

1 概述

1.1 工作面四邻关系

山西焦煤山煤国际长春兴煤业有限公司602 回风顺槽位于井田南盘区西翼，工作面东西走向布置，工作面东部为南回风大巷二段，北部为实煤区，西部为601采空区，602回风顺槽与601采空区之间间隔煤柱宽度为25m。602 回风顺槽设计走向长度为1700m，巷道为矩形断面，断面规格为宽×高=4.5m×4.0m，巷道从南辅助运输大巷二段开口施工。

1.2 掘进煤层情况

602 回风顺槽掘进煤层为22#煤层，储量计算厚度9.5m，含3～4 层夹矸。煤层大致走向东西，倾向北。倾角较小，平均-2°。呈一单斜构造。煤层顶底板岩性如表1所示。

表1 602回风顺槽掘进煤层顶底板岩性表

2 巷道支护现状及问题分析

2.1 巷道原支护设计

2.1.1 永久支护设计

（1）顶锚杆支护：锚杆杆体直径为18mm 左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.2m。外露螺母外长度为10～40mm，间排距1000mm×1000mm，每排5 根，吊挂规格为5000mm×275mm×2.5mm“W”型钢带（5眼）。

（2）顶锚索支护：顶板每施工两排锚杆后对顶板施工一排单锚索，单锚索施工在两排锚杆之间，每排布置三根锚索，锚索布置间排距为2.0m，锚索长度为6.0m，锚索外露端安装一块托板，采用锁具进行预紧。

（3）金属网护顶：巷道掘进后在顶板下方铺设金属网并采用锚杆（索）进行固定，金属网采用5#铅丝交错编织而成，每卷金属网长度为6.5m，宽度为1.3m，网与网搭接点处采用铅丝捆绑，捆绑搭接宽度不低于0.2m。

2.1.2 加强支护设计

对巷道过断层区、应力区等特殊地段时，为了提高顶板稳定性，对巷道顶板施工锚索吊棚进行加强支护。

顶板施工的锚索吊棚长度为4.2m，吊棚采用一根长度为4.2m 工字钢梁和3 根长度为4.5m 锚索组成，锚索吊棚与巷道走向垂直布置，吊棚布置排距为2.0m。

2.2 巷道支护现状

根据601回风顺槽掘进地质资料显示，巷道掘进至450～520m 段预计揭露9 条中小断层，断层以正断层为主，断层最大落差为1.4m，最小落差为0.9m，断层群侵入掘进煤层后，对煤岩体产生剪切破坏作用，同时受邻近601采空区残余应力影响，巷道掘进期间顶板出现失稳现象；巷道掘进至460m 处时巷道中部顶板出现破碎，顶板金属网出现“网兜”，局部金属网出现断裂现象，巷道掘进至472m 处时顶板出现第一次冒漏，冒漏深度为1.4m，冒漏区附近顶板锚杆失效率达18%，部分锚索出现破断，且顶板施工的锚索吊棚变形严重，原支护满足不了巷道安全快速掘进。

2.3 原支护主要存在的问题

根据现场观察发现，巷道掘进至450m后进入应力破坏区，受应力影响巷道顶板出现严重破碎现象，通过对顶板施工一个深度为8.0m，直径为75mm的窥视孔并采用窥视仪观察发现，在顶板往上3.0m 范围内钻孔壁出现错综复杂的裂隙，且该区域内孔壁出现塌孔现象，在3.0～4.5m 范围内孔壁裂隙不明显，局部出现破碎现象，在4.5～8.0m 范围内孔壁完整，未出现裂纹、塌孔现象。

（1）通过对顶板岩体窥视发现，在顶板0～3.0m范围围岩破坏严重，围岩内形成“松动圈”，该区域内岩体成型差，承载强度低；而原顶板采用的锚杆长度为2.2m，锚杆采用一支长度为0.6m 锚固剂进行锚固，锚固端位于松动圈内，松动圈岩体在蠕动变形过程中导致锚固端失效，造成锚杆支护失效。

（2）原顶板采用的锚索吊棚中工字钢梁属于线性支护，当顶板出现下沉、变形时钢梁两侧边线对顶板产生切顶破坏，加剧了顶板破碎力度，同时钢梁腰部支护强度低，在大应力作用下钢梁很容易出现断裂现象。

（3）原顶板支护时顶板布置钻孔数量多，钻孔采用液压油钻进施工，由于钻孔数量多，在钻孔施工过程中对破碎不稳定顶板产生扰动破坏作用，导致顶板破碎加剧。

3 注浆锚索支护

为了减少顶板支护数量，提高顶板支护效果，决定对602回风顺槽破碎顶板采取注浆锚索支护。

3.1 注浆锚索支护原理

传统单一注浆支护时对顶板施工注浆钻孔然后采用注浆泵对孔内进行注浆施工，单一注浆施工时无与永久支护协同施工，支护工序复杂，成本费用高，且顶板施工钻孔数量多；而注浆锚索支护利用支护孔兼做注浆孔，先对顶板锚注注浆锚索，锚索锚固后对中空锚索进行注浆施工[9-10]；注浆锚索支护时即可对破碎围岩起到注浆加固作用，同时实现了锚索全长锚固作用，提高了锚索支护强度。

3.2 注浆锚索结构组成

（1）602 回风顺槽施工的注浆锚索采用“9 股无芯”预应力钢绞线，锚索长度为5.0m，直径为25mm；锚索端部为楔头芯杆，实芯杆长度为0.8m，主要用于锚固剂锚固，如图1所示。

图1 602回风顺槽破碎顶板注浆锚索结构示意图

（2）注浆锚索底部布置若干个主出浆孔，以及辅助出浆孔，辅助出浆孔安装金属胀环，当注浆压力大于胀环承载压力时胀环打开，辅助出浆口与主出浆孔协同注浆。

（3）在注浆锚索端部依次安装止浆塞、注浆管，注浆孔中部孔直径为18mm，注浆锚索外露端安装承载件，并采用锁具进行预紧。

3.3 注浆工序

（1）注浆锚索采用“一，二，三”布置方式，注浆锚索布置在同一排锚杆中，将锚索代替原顶板锚杆，即第一排锚杆中1#、5#锚杆替换为注浆锚杆，第二排锚杆中3#锚杆替换为注浆锚索，依次类推。

（2）首先在顶板施工锚杆后施工注浆锚索支护孔，孔深为4.8m，然后对钻孔内锚注注浆锚索，并采用锁具进行预紧。

（3）对注浆锚索中部孔内安装直径为10mm注浆软管，注浆软管长度为3.0m，在锚索外端头采用止浆塞进行封堵；将注浆软管与注浆泵连接机进行注浆施工。

（4）注浆液采用聚氨酯粘合剂，注浆压力为3.0MPa，注浆施工可与顶板锚杆支护协同施工。

3.4 实际应用效果分析

602 回风顺槽于2021 年7 月18 日已掘进至540m处，巷道已过断层群影响带，通过对破碎区顶板采取注浆锚索支护后，通过实际应用效果来看，围岩变形情况得到了有效控制，如图2所示。

图2 注浆锚索支护前后顶板下沉量变化曲线图

根据图2可知，在顶板未采取注浆锚索支护前变形量大、变形速率快，顶板最大下沉量为0.33m；而采取注浆锚索支护后，顶板下沉量得到了有效控制，顶板最大下沉量为0.19m，且未出现顶板断裂、冒漏现象，顶板锚杆（索）支护失效率降低至5%以下。

4 结语

（1）与传统单一注浆支护相比，注浆锚索支护实现了锚杆（索）支护与注浆支护协同施工，缩短了支护时间，简化了支护工序。

（2）注浆锚索支护减少了破碎顶板支护钻孔数量，避免了钻孔施工期间对破碎顶板产生的扰动破坏作用。

（3）注浆锚索支护不仅可对破碎围岩进行注浆填充加固，提高围岩单轴抗压强度，而且实现了锚索全长锚固支护效果。