注漿錨索在沿空巷道圍巖加固中的應(yīng)用

喬 越

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司 ，山西 陽(yáng)泉 045008）

1 工程概況

新景礦80116工作面主要開(kāi)采15#煤層，工作面標(biāo)高488～513m，煤層均厚7.25m，平均傾角6°，直接頂為均厚0.93m的泥巖，直接底為均厚0.1m的砂質(zhì)泥巖。工作面東面為80114工作面采空區(qū)，南面和西面分別為待開(kāi)采的80117和80118工作面，采掘工程平面圖如圖1所示。

圖1 80116工作面采掘工程平面圖

2 沿空巷道圍巖加固方案確定

2.1 錨注加固方案及材料選擇

新景礦80116工作面回風(fēng)巷采用矩形斷面，巷道寬為4.7m、高為3.0m，沿15#煤層底板掘進(jìn)，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為15m。80116工作面回風(fēng)巷一側(cè)為實(shí)體煤，一側(cè)為采空區(qū)，巷道兩側(cè)圍巖受力不均勻，尤其在采空側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)影響下，巷道圍巖破碎嚴(yán)重，塑性區(qū)向圍巖深部發(fā)育，針對(duì)此情況，在新景礦80116工作面回風(fēng)巷距離工作面切眼340～570m范圍對(duì)巷道圍巖進(jìn)行錨注加固工程應(yīng)用。

圖2 中空注漿錨索巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

中空注漿錨索巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如圖2所示。頂板：垂直于頂板布置2根直徑為22mm、長(zhǎng)度為7200mm的中空注漿錨索，錨索安裝位置為距離巷道兩幫300mm處，施工鉆孔深度為7000mm，錨索排距為700mm，預(yù)緊力不小于250kN。兩幫：煤柱幫布置直徑為22mm、長(zhǎng)度為4800mm的中空注漿錨索，幫部錨索呈“二一二”三花布置，上部錨索距離巷道頂板800mm，垂直于巷幫布置，下部錨索距離巷道底板600mm，朝巷幫斜向下30°布置，施工鉆孔深度為4500mm，幫錨索排距為700mm，預(yù)緊力不小于250kN。巷道內(nèi)中空注漿錨索詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

中空注漿錨索在錨索的基礎(chǔ)上，采用新型中空結(jié)構(gòu)、螺紋鎖緊方式，不打滑，實(shí)現(xiàn)小孔徑、大噸位，施工安全便利，可實(shí)現(xiàn)錨注一體、全長(zhǎng)錨固、抗腐蝕、強(qiáng)度高、柔性好、錨固力強(qiáng)等功能，中空注漿錨索技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2，中空注漿錨索如圖3所示。本次工程試驗(yàn)選擇φ22×7200mm和φ22×4800 mm兩種規(guī)格。

表2 中空注漿錨索技術(shù)參數(shù)

注漿材料選用注錨劑，為雙液混合材料，分為A、B兩種類型，雙液混合后粘度相對(duì)較低，能夠滲入到煤巖體裂隙內(nèi)，快速反應(yīng)后生成強(qiáng)度及韌性均較高的固結(jié)體，將原本松散破碎的圍巖膠結(jié)為一個(gè)整體，使其抗拉及抗剪強(qiáng)度得到提高，受力更加均。注漿時(shí)選用ZBQS-8.0/12.0型氣動(dòng)注漿泵，該泵體積和重量較小，方便井下移動(dòng)和使用，可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，使用過(guò)程中安全可靠。對(duì)沿空巷道的錨注加強(qiáng)支護(hù)選擇在本工作面回采前進(jìn)行，注漿壓力通常選取3～5MPa，若圍巖相對(duì)破碎，則選取較小的注漿壓力，若圍巖完整性較好，則選取較大的注漿壓力，通常注漿時(shí)間按30～50s選取，當(dāng)注漿管不再進(jìn)液時(shí)停止注漿工作。

2.2 注漿材料及參數(shù)

本次中空錨索注漿加固采用的注漿材料為錨注劑，狀態(tài)為液態(tài)，成分為高分子改性樹(shù)脂，是由A、B兩種組分組成，主要應(yīng)用于井下破碎松散煤體、巖體裂隙等不良巖層注漿加固，凝固快可以很快解決煤巖層破碎、裂隙問(wèn)題。注錨劑的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3：

表3 注錨劑主要技術(shù)參數(shù)

中空注漿錨索可分為聯(lián)接段、灌漿段和錨固段三部分，由錨索索體、托盤(pán)、鎖具、止?jié){塞等部件構(gòu)成。錨索索體是大強(qiáng)度、螺旋式、大應(yīng)力的鋼絲緊密螺旋在一起的。頂部錨固段為實(shí)心，通過(guò)施工機(jī)具的攪拌作用，在孔底實(shí)現(xiàn)端部錨固，中部有柔性注漿管并設(shè)置出漿口，孔口處設(shè)置錐形止?jié){塞，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 錨索結(jié)構(gòu)形式

由中空注漿錨索注漿時(shí)應(yīng)保證煤巖體內(nèi)部裂隙被漿液所填滿，通過(guò)漿液的膠結(jié)作用將破碎的煤巖體整合為一個(gè)整體，從而將巷道圍巖穩(wěn)定性提高，當(dāng)孔內(nèi)注入的漿液開(kāi)始溢出且無(wú)法繼續(xù)注入時(shí)，停止注漿工作，每個(gè)鉆孔內(nèi)注入的漿液量可由下式計(jì)算：

式中：Q為單孔注漿量，m3；A為漿液損耗系數(shù)，取1.3；L為注漿段長(zhǎng)度，取4.8m；R為漿液在煤巖體內(nèi)的擴(kuò)散半徑，取1.5m；β為煤巖體裂隙率，取0.1；λ為漿液的充填系數(shù)，取0.8。將相關(guān)數(shù)值帶入計(jì)算可得，單孔注漿量約為4.12m3。

3 礦壓觀測(cè)

通過(guò)礦壓觀測(cè)，對(duì)巷道錨注支護(hù)效果進(jìn)行分析，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題或不足，以便對(duì)錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行調(diào)整，真正發(fā)揮錨注支護(hù)的安全、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。在巷道內(nèi)布置14個(gè)測(cè)站，其中兩個(gè)測(cè)站位于試驗(yàn)區(qū)域前方，其余測(cè)站位于試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，分別對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)測(cè)。初始測(cè)站距離工作面開(kāi)切眼300m，測(cè)站間距20m，測(cè)站布置如圖4所示。每個(gè)測(cè)站內(nèi)對(duì)巷道圍巖位移量和頂板錨索受力情況進(jìn)行觀測(cè)。

圖4 礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)站布置

3.1 巷道表面位移

以錨注加固區(qū)域前測(cè)站1、錨注加固區(qū)初始段測(cè)站4、錨注加固區(qū)中間段測(cè)站8和測(cè)站9四個(gè)不同階段的測(cè)站作為研究對(duì)象，取每個(gè)測(cè)站內(nèi)兩個(gè)測(cè)面監(jiān)測(cè)的平均值作為最終值，80116工作面回風(fēng)巷回采期間各測(cè)站圍巖變形觀測(cè)曲線如圖5所示。

圖5 巷道圍巖變形觀測(cè)曲線

由圖5可知：

1）1#測(cè)站、4#測(cè)站、8#測(cè)站和9#測(cè)站，頂?shù)装逡平糠謩e為1125mm、1024mm、905mm和855mm，兩幫移近量分別為 1357mm、1194mm、1078mm和1050mm，錨注加固區(qū)內(nèi)巷道圍巖變形量明顯小于未加固段。

2）測(cè)站8～9平均頂?shù)装逡平?80mm，測(cè)站4頂?shù)装逡平?024mm，與錨注加固區(qū)外1#測(cè)站頂?shù)装逡平?125mm相比，分別減少了21.8%和9.0%；測(cè)站8～9平均兩幫移近量1064mm，測(cè)站4兩幫移近量1194mm，與錨注加固區(qū)外1#測(cè)站兩幫移近量1357mm相比，分別減少了21.6%和12.0%；可見(jiàn)錨注加固區(qū)中間段測(cè)站8～9受加固段外圍巖變形影響小，能夠真實(shí)反映出錨固支護(hù)效果，錨注加固區(qū)初始段測(cè)站4受加固段外圍巖變形影響較大，但仍能起到一定的加固作用。

3）圍巖變形觀測(cè)結(jié)果表明，對(duì)巷道采用中空注漿錨索錨注加強(qiáng)支護(hù)后，巷道圍巖強(qiáng)度得到增強(qiáng)，圍巖形變量得到減小，滿足了回采巷道生產(chǎn)要求。

3.2 巷道頂板錨索受力

以錨注加固區(qū)域前測(cè)站1、錨注加固區(qū)初始段測(cè)站4、錨注加固區(qū)中間段測(cè)站8和測(cè)站9四個(gè)不同階段的測(cè)站作為研究對(duì)象，根據(jù)各測(cè)站內(nèi)錨桿（索）測(cè)力儀所測(cè)數(shù)據(jù)，取每個(gè)測(cè)站內(nèi)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的平均值作為最終值，各測(cè)站錨索受力變化曲線，如圖6所示。

圖6 錨索受力曲線

由圖6可知：

1）受采動(dòng)影響初期，錨索受力平緩增加，有效控制了巷道圍巖初期的離層、滑動(dòng)等擴(kuò)容現(xiàn)象，增加的工作阻力能夠有效擴(kuò)散到圍巖中，有利于保護(hù)錨固范圍內(nèi)圍巖的完整性；

2）錨注加固區(qū)域中間段測(cè)站8～9處所測(cè)錨索受力平均為325kN，錨注加固初始段測(cè)站4處所測(cè)錨索受力平均為295.3kN，與錨注加固區(qū)外1#測(cè)站錨索受力284.8kN相比，分別增大了12.3%和3.6%，可見(jiàn)錨注加固區(qū)中間段測(cè)站8～9受加固段外圍巖變形影響小，能夠真實(shí)反映出錨固支護(hù)效果，錨注加固區(qū)初始段測(cè)站4受加固段外圍巖變形影響較大，但仍能起到一定的加固作用。

3）當(dāng)錨索處于超前支撐應(yīng)力增高區(qū)時(shí)，錨索受力快速增加，受力越大說(shuō)明錨固效果越好，錨索的作用發(fā)揮越充分。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，錨注支護(hù)范圍內(nèi)錨索所受載荷大于未錨注區(qū)域，說(shuō)明錨注加固不僅能夠增強(qiáng)圍巖的完整性，而且能使錨索更有效錨固在巖體中，使其充分發(fā)揮懸吊等作用。

3.3 支護(hù)方案優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，錨注加固段巷道平均頂?shù)装逡平?80mm，與非錨注加固段巷道平均頂?shù)装逡平?125mm相比減少了21.8%；錨注加固段巷道平均兩幫移近量1064mm，與非錨注加固段巷道平均兩幫移近量1357mm相比減少了21.6%；錨注加固段巷道錨索受力平均為325kN，與非錨注加固段巷道錨索受力284.8kN相比增大了12.3%，可見(jiàn)錨注加固后整體巷道圍巖變形量及錨索受力狀況得到了明顯改善，但現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，部分錨注加固區(qū)段煤柱及頂板變形仍然較大。

針對(duì)以上所存在的問(wèn)題，分析發(fā)現(xiàn)進(jìn)行錨注加固時(shí)，當(dāng)巷道圍巖已極為破碎，漿液在圍巖中的擴(kuò)散半徑將受到顯著影響，需要減小注漿錨索間距，使相鄰注漿錨桿漿液擴(kuò)散半徑能夠相互搭接以形成穩(wěn)固的承載整體。由此對(duì)原加固支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要在頂板中間增加一根直徑為22mm、長(zhǎng)度為7200mm的注漿錨索，以增強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

針對(duì)采空側(cè)巷道圍巖破碎問(wèn)題，制定了中空注漿錨索加固方案，礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，與未進(jìn)行錨注加固時(shí)相比，錨注加固區(qū)內(nèi)頂板和底板的相對(duì)移近量減少了21.8%，兩幫相對(duì)移近量減少了21.6%，錨索受力增大了12.3%，錨注加固方案起到了顯著的效果，針對(duì)部分變形嚴(yán)重區(qū)域，制定了補(bǔ)強(qiáng)加固措施，有效維護(hù)了沿空巷道圍巖的穩(wěn)定。