强烈动压巷道全长预应力注浆锚索加固技术

时间：2024-07-28

霍振龙,孙志勇,郭相平

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河矿，山西晋城 048205；2.煤体科学研究总院北京开采设计研究分院，北京 100013)

1 矿井工程地质条件

寺河煤矿东四盘区胶带巷处于巷道集中区，东侧为东四盘区辅撤巷，西侧为东四盘区辅助运输巷和回风巷，均已发生明显的底臌变形。东四盘区胶带巷要经受4302、4305两个工作面回采多次动压影响，并且其两侧都是采空区，留巷难度非常大。如不在原有支护基础上对东四盘区胶带巷进行综合加固处理，很难确保巷道的安全使用。

东四盘区胶带巷沿3#煤层底板掘进，断面形状为矩形，掘进宽度为5.0m，高度为3.8m，掘进断面积为19.00m2。巷道掘进范围内3#煤层厚度6.68m，倾角为1～13°，条带状结构，纵向裂隙发育，充填方解石脉，煤层总体结构稳定。根据地质力学测试结果，煤层上方有一层厚度0.20m的炭质泥岩伪顶；直接顶为砂质泥岩，厚度4.14m，灰黑色，层理发育，不坚硬，含丰富的植物化石；其上方老顶为细砂岩，厚度3.20m，灰、深灰色细砂岩，含白云母片，具交错层理，含丰富植物碎屑化石。详细顶底板岩层状况见图1。

东四盘区胶带巷西侧依次为东四盘区辅助运输巷、东四盘区集中回风三巷、东四盘区集中回风二巷和4305工作面，各巷之间中-中保留煤柱宽度(或停采线)分别为30m、35m、30m和60m。胶带巷东侧依次为东四辅撤运输巷、4302辅撤运输巷和4302工作面，各巷之间中-中保留煤柱宽度(或停采线)分别为30m、40m和60m。巷道具体的布置情况详见图2。

图1 顶底板岩层状况图

图2 东四盘区胶带巷附近巷道布置情况

2 目前巷道支护方案

东四盘区胶带巷在掘进期间采用树脂加长锚固高强锚杆锚索组合支护的方式进行巷道支护。

1) 顶板支护：顶板锚杆杆体采用22#左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为BHRB400，锚杆长度2400mm，极限拉断力217kN，屈服力152kN，延伸率18%。杆尾螺纹规格M24，采用滚压加工工艺成型。锚杆均垂直顶板打设，每排6根锚杆，排距1000mm，间距900mm。锚杆采用树脂加长锚固，锚固长度为1200mm，并用φ16mm，宽80mm，长4600mm的钢筋托梁配合菱形网护顶。锚索材料为φ22mm，1×19结构高强度、低松弛预应力钢绞线，长度7300mm；锚索托板采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具，承载能力不低于600kN。锚索为树脂端部锚固，锚固长度1970mm，每两排锚杆打2根锚索，锚索间距1800mm，排距2000mm，垂直顶板岩层打设。

2) 巷帮支护方案：帮锚杆形式和规格与顶锚杆相同。巷帮每排布置4根锚杆，锚杆排距1000mm，间距1000mm。所有巷帮锚杆均垂直巷帮打设，靠近顶板和底板的巷帮锚杆安设角度与水平线允许10°的偏差。锚杆采用端部锚固方式，锚固长度762mm，并用280mm×350mm×4mm的W钢护板配合菱形网护帮。

由掘进期间支护参数以及相邻巷道变形情况进行综合评价，容易得出，现有的支护强度，在掘进期间或者在受极小采动影响的情况下可以保证安全并满足生产要求，但是在受回采等动压影响情况下很难保证巷道安全使用。4302、4305两个工作面回采过程中，胶带巷要经受多次强烈动压影响，并且胶带巷两侧都是采空区，属于极难维护巷道。另外由于工作面矿山压力显现剧烈，胶带巷相邻巷道均已出现严重变形，巷道甚至不能满足生产需求，可见掘进期间的支护不足以与剧烈的回采动压相抗衡，故对胶带巷进行补强加固是必须的更是必要的。

3 加固支护方案

为了对即将加固的巷道的围岩及支护状况进行更加全面的了解，分别对东四盘区胶带巷顶板和两帮进行了钻孔窥视。

从窥视图3的窥视照片可以看出：东四盘区胶带巷顶板开孔至0.6m处煤体松软破碎，裂隙发育，1.8～2.3m之间微裂隙发育，2.4m为煤岩分界面，2.6m处岩体破碎，3.2m处为岩层分界面，3.6～3.8m之间存在三组横向裂隙，4.7m、5.7m处存在横向裂隙，以后段较完整。

从窥视图4窥视照片可以看出：东四盘区胶带巷左帮开孔处煤体极其破碎，裂隙发育，0.6m处煤体各向裂隙发育，1.0m处存在横向大裂隙，1.5～1.9m之间煤体破碎，2.7～3.2m之间存在纵向大裂隙，5.5～5.8m之间煤体破碎，孔壁出现空洞，6.4～6.8m之间煤体破碎，7.8～9.2m之间煤体松软，煤体内存在大量的孔隙。

从窥视图5的窥视照片可以看出：东四盘区胶带巷右帮0.3～0.5m之间煤体破碎，0.6～1.0m之间裂隙发育，2.1m处煤体破碎，孔壁剥落，3.0～3.5m之间各种裂隙发育，6.8m处煤体破碎，孔壁剥落。

综上所述，东四盘区胶带巷距巷道表面2m范围内围岩比较破碎，裂隙发育严重，深处偶有煤岩体破碎区，距巷道表面4m左右时不论顶板还是两帮岩体相对完整，是理想的锚固区域。针对破碎的围岩注浆无疑是最好的处理方式，而高预应力又是治理动压巷道的有效手段，结合以上分析并针对寺河煤矿井下地质条件，本文提出全断面全长预应力注浆锚索的巷道补强加固措施。

图3 胶带巷26#横川处顶板孔窥视

图4 胶带巷26#横川左侧帮孔窥视

图5 胶带巷26#横川右侧帮孔窥视

3.1 全长预应力注浆锚索的作用机理

全长预应力注浆锚索其实质就是将预应力锚索支护与注浆加固结合在一起的一种支护方法。其具体施工工艺是树脂锚固的方法首先将预应力锚索一端固定在巷道围岩深部稳定围岩中，然后进行张拉，给锚索未锚固段施加一定的主动作用力，即锚索具有较高的预应力，在此基础上再进行锚索孔全长范围内的高压注浆。这就保证了锚索在全长范围内具有较高的预应力，锚索全长范围内的注浆也使得钻孔周围岩体更具有完整性，真正实现了锚索对破碎岩层的主动支护，岩体压力荷载便通过锚索被传递到深部稳定的岩体，深部稳定的岩层自稳潜能得到充分发挥，从而可以有效控制巷道围岩变形。

3.2 施工工艺

全长预应力注浆锚索的安装示意图如图6所示。具体步骤为：确定锚索孔位→φ30mm钻头打孔→孔深4100mm，钻孔完毕，退出钻杆、钻头→换装扩孔φ56mm钻头→扩孔深度500mm→退出扩孔钻头，压风排渣→顺序送入MSK2335、MSZ2360树脂锚固剂→插入锚索→使用专用搅拌器将锚索与钻机相连→旋转搅拌锚固剂→推进、锚固锚索→搅拌树脂锚固剂至规定时间→停止搅拌→插入铝塑管(长度800mm，外露400mm)→锚索和铝塑管外部用棉纱缠紧至钻孔直径大小和止退钢管推入孔内→安装锚索托板、球垫、索具张拉预紧锚索→安装完毕卸下张拉千斤顶。

如此安装预紧15～20根锚索→使用孔口铝塑管，逐一连接注浆系统→锚索孔压注水泥浆至终压→停泵、弯折铝塑管→拆除注浆系统，锚索孔注浆完毕→剪切或卧平锚索外露端。

图6 注浆锚索安装示意

3.3 正常段加固支护方案

根据寺河煤矿地质力学参数，以及东四盘区胶带巷所处的特殊条件和围岩状况，确定加固参数如下所示。

1) 顶板加固：在巷道范围内未施工锚索断面补打4根全长预应力注浆锚索，排距1000mm，间距1400mm，靠近巷帮的顶锚索距帮400mm。掘进施工锚索断面，在原锚索的中间和两端各补打一根注浆锚索，全部垂直顶板打设，施工后沿巷道轴向锚索为4-5-4-5布置。所使用锚索材料为φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，延伸率7%，长度4400mm配合300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具，承载能力不低于600kN。施工时，首先使用一支MSK2335，两支MSZ2360树脂锚固剂进行锚固，并要求锚索预紧力≥250kN，其余部分进行注浆，注浆材料为水泥素浆(525#普通硅酸盐水泥，配合XPM，添加剂用量为水泥重量的8%～10%)，水灰比0.8∶1～1∶1(根据现场注浆效果在小范围内调整)。

2) 巷帮加固：进行巷帮加固所使用的注浆锚索以及注浆材料等均与顶板加固相关参数相同。不同的是考虑煤体本身强度因素，两帮注浆锚索的预应力定为≥150kN。两帮全长预应力注浆锚索布置方式为，每排每帮打设4根注浆锚索，排距2000mm，间距1000mm，起锚高度为400mm，靠近巷道顶板的帮锚索距顶板400mm。

3.4 构造带和横川交叉口段加固方案

1) 顶板支护：未施工锚索断面补打5根注浆锚索，排距1000mm，间距1100mm，靠近巷帮的顶锚索距帮300mm。掘进施工锚索断面，在原锚索的中间和两端各补打一根注浆锚索，全部垂直顶板打设，施工后沿巷道轴向锚索为5-5布置。要求锚索预紧力≥250kN。

2) 巷帮支护：每排每帮打设4根注浆锚索，排距1000mm，间距1000mm，起锚高度为400mm，靠近巷道顶板的帮锚索距顶板400mm，锚索预紧力≥150kN。

图7 掘进时支护方案

图8 补强加固方案

4 矿压监测

试验期间在东四盘区胶带巷24#～25#、25#～26#横川之间分别安装表面位移测站和锚索受力测站，观察巷道受动压影响后围岩的受力和变形情况，监测结果如图9所示。

图9 矿压监测曲线

由表面位移监测结果可以看出：东四盘区胶带巷经过注浆锚索加固后，动压影响下基本上能保持稳定。1#表面位移测站显示两帮移近量最大为62mm，为初始巷道两帮宽度的1.24%，其中左帮移近量为30mm，右帮移近量为32mm；巷道顶底移近量最大为46mm，为巷道初始高度的1.2%。2#表面位移测站显示两帮移近量最大为72mm，为初始巷道两帮宽度的1.44%，其中左帮移近量为34mm，右帮移近量为38mm；巷道顶底移近量最大为52mm，为巷道初始高度的1.37%。3#表面位移测站显示两帮移近量最大为51mm，为初始巷道两帮宽度的1.02%，其中左帮移近量为25mm，右帮移近量为26mm；巷道顶底移近量最大为43mm，为巷道初始高度的1.13%。4#表面位移测站显示两帮移近量最大为55mm，为初始巷道两帮宽度的1.1%，其中左帮移近量为26mm，右帮移近量为29mm；巷道顶底移近量最大为61mm，为巷道初始高度的1.6%。从巷道表面位移监测结果来看，加固后的东四盘区胶带巷位移量很小。