深井回采巷道底鼓控制原理與全斷面錨注加固技術研究

封 任 陳艾顯

（新汶礦業集團有限責任公司協莊煤礦，山東 新泰 271200）

1 工程概況

山東泰山能源協莊煤礦2204W工作面位于-850m水平二采上山區，工作面主采煤層均厚2.5m，煤層傾角25°～32°。煤層直接頂板為粉砂巖，均厚1.35m；基本頂為細粒砂巖，均厚3.34m；直接底為粘土巖，均厚0.5m；基本底為粉砂巖，均厚1.7m。2204W工作面回風巷埋深近千米，沿煤層頂板掘進，巷道斷面形狀為三心拱形，凈寬5.3m，凈高3.0m。在巷道掘進過程中，巷道圍巖變形量大，其中底板鼓起現象較為嚴重，平均底板鼓起量為430mm，急需采取有效的措施，控制底板的鼓起，保證巷道圍巖的穩定。

2 底鼓控制原理

目前控制巷道底鼓的方法主要有加固法和卸壓法兩種。加固法主要是通過對巷道底板進行加固，以提高底板巖體的強度來有效地控制底鼓現象；卸壓法即為通過在底板中部或者底角一定距離處切槽進行卸壓，將巷道兩幫及底板的應力向圍巖深部轉移，從而有效地降低巖層的應力，達到控制底鼓的目的[1-2]。

為控制2204W工作面回風巷底板的鼓起量，保證巷道圍巖的穩定，在綜合考慮了現有控制底鼓的方法后，提出采用全斷面錨注法來控制底板鼓起量，同時保證巷道圍巖的穩定。全斷面錨注加固原理如圖1所示，圖中錨固原理主要體現在以下幾個方面：

（1）巷道底板錨索在自由段進行注漿，自由段內的破碎圍巖體的強度會大幅度增加，形成錨索注漿內的加固圈[3]。

（2）由于施工環境的限制，巷道底板會在頂板及兩幫加固后進行加固作業。采用錨索預應力加固的方式能對較大范圍的底板進行加固，有效形成錨索注漿內加固圈。

（3）底板錨索在一定壓力的作用下進行注漿作業，會使得漿液的擴散半徑更大，能夠保證兩幫底角破碎煤巖體的強度和整體性得到較大程度的提升，形成錨索注漿外加固圈。

（4）在巷道開挖后，兩幫及頂板會采用錨桿（索）的支護形式控制巷道圍巖變形，當對頂板及兩幫進行進一步的錨注支護時能夠在圍巖內形成錨桿（索）加固圈，充分地保證頂板及兩幫的穩定性[4]。

（5）在巷道圍巖內采用錨桿錨固圈與錨索錨固圈相互疊加的方式，能夠使得巷道圍巖在整體上處于穩定的加固區，這種支護方式不僅能夠有效地控制巷道底板，同時能夠保證頂板及兩幫圍巖體的穩定。

圖1 全斷面錨注加固原理圖

3 全斷面錨注支護技術

3.1 全斷面錨注支護方案

（1）頂板及兩幫支護

① 錨桿支護。2204W工作面回風巷原本設計采用高強預應力錨桿支護，錨桿采用BHRB600，為Φ22mm、長度為2.4m的左旋為縱筋螺紋錨桿，錨桿預緊力為120～130kN，頂板錨桿間排距為900×800mm，兩幫錨桿的間排距為700×800mm，巷道斷面內共布置15根錨桿，并使用長×寬×厚=450×280×8mm的W型鋼帶配合錨桿以及金屬網對巷道表面進行保護。

② 錨索錨注支護。采用Φ22mm、長度為5300mm的預應力鋼絞線，錨索的間排距為2800×900mm，每排共布置5根錨索，其中拱頂3根垂直于頂板打設，兩幫布置2根，在距離巷道底板1000mm的位置處沿水平方向打設，同時采用擴孔器在錨索孔口進行擴孔作業，在孔口深度500mm的范圍內，將直徑擴為56mm，以便安裝止漿塞。在錨索及注漿塞安裝完畢后統一進行錨索注漿作業。注漿所用材料為水泥—水玻璃漿液，水灰比控制在0.5～0.6之間，注漿壓力控制在3.0MPa左右，在進行單孔注漿作業時，當巷道圍巖表面出現冒漿時即代表著單孔注漿作業的完成。

（2）底板錨索預應力錨注支護

底板錨索型號為Φ22mm、長度為5300mm的鋼絞線，底板錨索的間排距為1000×1100mm。在錨索端頭安裝專用的攪拌頭，錨注鉆孔的直徑范圍為52～56mm，錨固方式采用下錨上注的方式，采用1支K4250和1支M4250型錨固劑對錨索進行錨固。錨索托盤采用長×寬×厚=300×300×16mm的可調心托板，在托板上打設有Φ18mm的注漿孔。當錨索孔口安裝好止漿塞后對錨索施加預緊力，設計預緊力值為150～160kN。

當底板錨索施加預緊力結束后，對巷道底板進行矸石回填并噴射混凝土，以對注漿管形成保護。所使用的注漿材料同樣為水泥—水玻璃，水灰比控制在0.4～0.5之間，注漿壓力控制在3.0MPa。

全斷面錨注支護如圖2所示。

圖2 全斷面錨注加固支護斷面圖

3.2 支護效果分析

在巷道實施全斷面錨注加固后，為驗證錨注支護對控制巷道圍巖的效果，在巷道掘進過程中布置礦壓監測點對錨桿、錨索的受力狀態和巷道的表面位移進行監測。錨桿錨索測站設置1個，巷道表面位移測站設置2個，命名為測站1和測站2。采用該種支護方案巷道共掘進200m，1號測站布置在方案實施后的25m位置處，該測站只對巷道表面位移進行監測，2號測站與1號測站間隔100m，該測站對巷道的表面位移及錨桿錨索的受力狀態進行監測。

（1）錨桿錨索受力監測

巷道斷面內共對7根錨桿進行監測，從巷道的左幫向右幫依次編號為1#～7#，另外對斷面內的8根錨索進行監測，同樣從巷道左幫到右幫再到底板依次編號為1#～8#，具體錨桿、錨索監測點的布置形式如圖3所示。

圖3 錨桿（索）測力計布置圖

根據監測結果能夠得出錨桿、錨索軸向受力—掘進時間的關系如圖4所示。

圖4 錨桿（索）受力狀態監測

通過分析圖4（a）能夠看出巷道全斷面錨注支護方案實施125m后的錨桿受力狀態。錨桿在施加預緊力后受力出現迅速降低的現象，隨著巷道掘進工作的進行，在4d后，錨桿的受力開始逐漸增大，當到第10～15d左右時，錨桿的受力迅速增大，在約45d左右的時間趨于穩定。錨桿的最大受力270kN，且并未出現破斷，最小的錨桿受力為100kN，出現在1#錨桿的位置處。

通過分析圖4（b）能夠得出，施加預緊力后，錨索受力快速降低，并在施加預緊力的4d后達到最低值。巷道底板錨索最小受力為30kN，兩幫及頂板錨索的最小受力約為100kN。錨索的受力在預緊力施加5d后逐漸增大，在10d后錨索受力的增長速度進一步增大，當錨索預緊力施加后約50d時，錨索的受力狀態逐漸穩定。最大錨索受力為430kN，出現在3#錨索上，且頂板及兩幫錨索的受力狀態明顯高于底板錨索的受力。

根據上述分析可知，巷道支護后錨桿（索）預應力損失較大，錨桿（索）的受力狀態受到錨索注漿時長的影響較大，隨著漿液在煤巖體內強度的變化，錨桿（索）的受力會快速增加。

（2）巷道表面位移監測

全斷面錨注后巷道表面位移采用“十字”布點法進行監測，具體對頂板下沉量、兩幫移近量及頂底板移近量進行監測，根據對2個測站的監測結果得出曲線圖如圖5所示。

圖5 巷道表面位移監測曲線

通過分析圖5能夠看出，1號測站頂底板的移近量比2號測站的頂底板移近量大，達到240mm，1號測站巷道兩幫移近量約為95mm，頂板下沉量約為60mm，則能夠推出底板鼓起量約為180mm；2號測站頂底板移近量約為160mm，兩幫移近量約為40mm，底鼓量約為90mm。巷道的表面位移在40d后基本穩定。

根據上述分析可知，巷道采用全斷面錨注支護有效地控制了巷道圍巖結構的裂隙擴展、巖體離層等情況，解決了巷道底鼓的問題，保證了巷道圍巖的穩定。

4 結論

通過分析底鼓的控制原理并結合2204W工作面回風巷變形的具體情況，提出采用全斷面錨注支護的形式對巷道進行支護，合理設計全斷面錨注支護的參數。觀測表明，巷道底板最大鼓起量為180mm，兩幫移近量最大為95mm，能夠滿足生產安全需要，有效地控制了巷道底鼓量，保證了巷道圍巖的穩定。