注漿錨索在采準巷道局部應力集中區中的實驗與應用

文/許景存

開灤能源化工股份有限公司呂家坨礦業分公司是1968年投產的礦井，經改擴建現年產量300萬噸。呂家坨礦業分公司根據現場巷道圍巖及支護情況，針對在采準巷道局部應力集中區巷道，提出以新型中空注漿錨索為主體的錨注支護系統，進行錨注支護設計，支護效果良好，經濟和社會效益顯著。

一、錨注加固巷道基本情況

呂家坨礦業分公司目前可采煤層有7、8、9、12四層。5383工作面位于-800水平三采，主采8層煤，其周圍的7、9、12層煤均已回采完畢，其附近的5325工作面正在回采。5383集中軌道巷為設計施工長度212m，為幾個工作面的掘進及回采服務。本項目加固段為軌道集中巷上端約25m長的巷道，此段巷道的里端位于采空區的邊緣。8層煤為較穩定中厚煤層，平均煤厚為1.92m，平均傾角14°，半亮，中硬。7、8煤平均層間距2.8m，7煤層平均厚度3.9m。8煤層直接頂為2.8m厚的泥巖與中砂巖互層。

5383軌道集中巷原有支護方式采用金屬拱型支架為永久支護，支護材料為25U10.4㎡金屬拱型支架，棚間距600mm。頂部鋪設8m×0.6m或8×0.8m塑編網插背小板。在現有條件下，此段巷道約半年修復一次。

二、支護設計及施工工藝

1.巷道圍巖變形分析

根據現場情況分析，導致5383軌道集中巷變形的因素主要有：

（1）巖性差，承載能力低。5383集中軌道巷圍巖強度低，容易風化松散。

（2）高地應力持續作用。5383集中軌道巷位于上、下煤層開采區域的邊緣，處于典型的近距離煤層群開采應力集中區域內，并且受多次回采動壓影響。

（3）支護方式、支護強度。此段巷道采用U型鋼架棚支護，金屬支架存在兩個缺陷：一是與錨桿/錨索支護相比較屬于被動支護，不能及時承載,也不能發揮圍巖的自撐能力；二是對圍巖變形適應能力差,若架型與來壓方式不一致,經常出現支架拒縮現象，且一旦出現拒縮現象,單靠其自身強度根本不足以抵御高地應力對圍巖和支護體所產生的強大載荷,表現為支架折損率高。

巷道開挖破壞了原巖應力平衡，應力重新分布，形成次生應力場；次生應力超過圍巖強度，靠近巷道表面部分的圍巖便首先進入塑性屈服狀態；當表面圍巖無法承受高應力的作用時，應力進一步向深部圍巖轉移，次生應力重新分布；如此循環，圍巖的塑性范圍不斷擴大。能使這個過程停止下來的條件是：圍巖靠自身的殘余強度再加上人工支護體提供的支護阻力與次生應力場建立起新的平衡。顯然，需要能夠提供高支護阻力，并且能夠適應此段巷道圍巖性質的新型支護方式。

2.支護方案

呂家坨礦業分公司根據現場巷道圍巖及支護情況，分析應力集中區巷道持續變形的原因，提出以新型中空注漿錨索為主體的錨注支護系統，進行錨注支護設計。具體支護方案如下圖所示。

5383集中軌道巷錨注加固中空注漿錨索布置形式斷面圖

（1）每個斷面兩幫布置4根φ22×6000注漿錨索，頂板3根φ22×8000注漿錨索，配專用托盤，每個鉆孔使用一卷MSCK2860樹脂錨固劑。注漿錨索間距從中間那根算起間距1200mm，排距1600mm。

（2）所采用的中空注漿錨索主要技術參數如下：錨索索體直徑φ22mm，強度1760Mpa，破斷力≥420KN，安裝孔徑φ32，注漿壓力≥5.0MPa，最大7.0MPa。

（3）注漿所采用的添加劑主要技術參數如下：ACZ-Ⅰ型水泥注漿添加劑外觀為磚紅色粉末，為便于井下搬運操作，每包20kg，采用防潮包裝，其主要技術指標如下：膨脹率0.5～0.8%，1d抗壓強度25MPa，28d抗壓強度72MPa，添加量占水泥量8%，重量為20kg/袋。

（4）主要注漿設備采用MG-150型風動注漿設備，其主要技術參數：氣源壓力0.5～0.63MPa，氣缸直徑φ150mm，輸出壓力11MPa，出漿量60lpm，耗氣量50m3/h，重量 17.1Kg。

（5）水泥漿攪拌機：采用風動攪拌設備，每套攪拌設備由一個攪拌機和一個攪拌桶組成。攪拌機放置在攪拌桶上面，攪拌桶的側面是一個底部與攪拌桶連通的方形筒，注漿泵吸漿口即插入該方形筒內。這種安裝配合非常便于操作和注漿完成以后整套設備的沖洗。

3.施工工藝

注漿錨索施工工藝流程主要包括：

（1）鉆錨索孔：用錨索機采用φ32鉆頭鉆錨索孔，孔深為“錨索長度-50mm”，并將錨索孔內的巖粉用水或風吹干凈。

（2）固定錨索：將樹脂錨固劑放入鉆孔，然后插入錨索并攪拌。

（3）安裝止漿塞、托板、螺母→連接注漿機：通過快速接頭將錨索尾部和注漿機連接。

（4）注漿：開動注漿機，漿液注入錨孔中，直到錨索尾端不再出氣且注漿壓力達到設計值為止。

（5）取下注漿接頭，進行下一根錨索注漿，直到所有錨索注漿完畢。

4.觀測結果

注漿加固施工期間，在加固巷道內均勻布置4個表面測站。經過六個多月的表面觀測，結果表明：巷道頂板下沉量最大65mm，最小-25mm，平均7mm。兩幫相對移近量最大140mm，最小62mm，平均103.5mm。能夠滿足采準巷道保持必要斷面的基本要求。

三、結論

1.本次試驗段長約25m，經過六個月的觀測表明，頂板平均下沉量為7mm，兩幫相對移近量平均103.5mm，巷道變形量較小。采用這種新型錨注加固試驗所需材料成本比架棚支護減少750元/m。同時，與其周圍相類似條件巷道半年內修復1～2次相比，采用這種新型錨注支護減少了巷道修復次數，減小了勞動強度，更為重要的是這種錨注支護要比架棚修復更為安全。

2.新型錨注支護不僅在技術上可行、安全上可靠、經濟上合理，而且它的實驗成功，為呂家坨礦業分公司和其他煤礦解決采準巷道局部煤柱區巷道維護問題提供了一條成本低、速度快的好方法。