全長錨固支護技術在沖擊地壓沿空巷道中的應用

李軍偉 孫文峰 李建建

（1.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 鄆城 274705；2.山東安科礦山支護技術有限公司，山東 濟南 250033）

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤（巖）體由于彈性變形能的瞬時釋放而產生的突然、劇烈破壞的動力現象[1]。兗州礦區和巨野煤田大部分深部礦井開采均不同程度的面臨沖擊地壓的威脅，沖擊礦壓巷道圍巖穩定性控制已成為工作面回采過程中一個急需解決的難題。

針對沖擊地壓巷道圍巖控制問題，國內外學者進行了相關研究并取得了一定進展。竇林名、高明仕等建立了高應力區巷道圍巖穩定性控制的強弱強（3S）結構力學模型[2]，強調在巷道淺部破碎區建立自身承載強度要高的加固層，在中部人為設置松散破碎區?？导t普提出了以全長預應力錨固、高強度、高沖擊韌性錨桿與錨索支護為主，以金屬支架為輔的復合支護方式[3]。潘一山等提出了提高支護剛度和快速吸能讓位支護的設計思路[4]。

大量的理論研究和工程實踐表明，采用全錨支護可以增強破碎圍巖力學性能，強化支護-圍巖系統可靠性，改善巷道受力狀態，符合復雜條件下巷道圍巖控制要求。

1 全長錨固支護技術優勢

全錨支護由端部錨固變為全長錨固，使得錨桿、錨索原先的自由段與圍巖緊密連接為一體，使得整個圍巖-支護系統相比端錨支護更具有以下技術優勢：

（1）隔絕水氣影響，延長服務年限。全長錨固后的支護材料隔絕了空氣和水分，阻止了對其持續銹蝕侵害，保證支護材料強度性能穩定，延長支護材料服務年限。

（2）改變支護材料承載模式，提高了整體支護系統的剛度。全長錨固材料變形主要集中在巖層弱面的局部范圍內，僅對支護材料小范圍區域的承載特性產生影響，能及時控制圍巖變形，圍巖-支護系統剛度高。

（3）提高了巖體抗拉拔和剪切能力。全長錨固支護消除了支護材料與鉆孔之間的自由空間，使得支護材料與巖層面上的摩擦阻力顯著增大，可以明顯抑制巖體的軸向位移和橫向位移，巖體的抗拉拔和剪切能力顯著增加[5]。

（4）強化支護材料與圍巖之間力學聯系。全長錨固將圍巖與錨索固化粘結為一體，消除了錨索自由段滯后、被動受力狀態，減輕應力集中程度，提高了錨索整體承載狀態，使得錨索及時主動與圍巖變形相耦合。

2 全長錨固支護施工材料

（1）預應力全錨錨索

以前所采用注漿錨索封孔止漿工藝技術要求高、施工難度大，注漿材料和注漿設備技術不過關，稀漿容易漏，稠漿容易堵塞注漿設備。改進的預應力全錨錨索采用中空結構，芯管孔徑截面積提高70%，顯著降低稠漿流動阻力，其采用樹脂端錨，施加預應力，安裝后可以及時承載，滿足巷道支護初期強度要求。

圖1 全錨錨索實物

（2）MZM-70 無機注漿錨固料

新型注漿錨固料克服傳統注漿料稠度低、流動性高、與破碎煤巖體注漿擴散造成漏漿和粘結性差的缺點，新型無機錨固料具有以下優點：

① 料水比高達3～3.5，但漿液受擾動液化流動，泵送阻力低；

② 漿液靜止觸變性好，可泵停漿停，錨固料不會從孔口自動流出，取消封孔工序；

③ 漿液硬化不收縮，錨索孔充填密實；

④ 早期強度高，固結強度高，1d 抗壓強度可達25MPa，28d 抗壓強度可達70MPa。

（3）高壓注漿設備

ZBQ-8/7 型礦用氣動注漿泵，該泵具有壓力高（7MPa）、體積小、重量輕、移動方便、易拆卸清洗等優點，適應于頻繁移動的高壓注稠漿錨固料施工。

圖2 MZM-70 無機注漿錨固料

3 工業性試驗技術方案

趙樓煤礦5304 軌道順槽為沿頂全煤巷道，埋深850m 左右，巷道西側為實體煤，東側為沿空，沿空煤柱4.5m。5304 軌順采用梯形斷面，掘高4100mm，上掘寬5000mm，下掘寬5400mm，原支護設計采用錨網＋鋼帶＋錨索的支護形式。巷道掘進過程中受到沿空應力轉移和集中影響，巷道斷面收斂，煤柱側幫部片幫嚴重，底鼓量較大，后期受到工作面回采動壓疊加破壞，錨桿、錨索隨圍巖呈整體性移出，巷道支護可靠性差，嚴重影響了礦井的運輸和安全。

全長錨固支護設計方案見圖3，具體參數如下：

（1） 錨 桿 支 護 參 數： 頂 部 采 用Φ22×2400mm KMG500 高 強 度 螺 紋 鋼 錨 桿，幫部采用Φ20×3000mm KMG500 左旋無縱筋全螺紋錨桿，均配套一個FZJ-R1/1 單泡讓壓環，間排距均采用850×800mm，并采用規格為4800m×140mm×10mm 的T 型鋼帶護表，預緊力均為200N·m。

（2）錨索支護參數：頂板采用Φ22×6300mm預應力全錨錨索，間排距1700×1600mm，幫部采用Φ22×3800mm 預應力全錨錨索，間排距1200×1600mm，均采用29U 型鋼錨索梁護表加固，預緊力不低于120kN。

（3）注漿參數和要求：采用MZM-70 無機注漿錨固料為注漿材料，料水比3:1，注漿時機為緊跟迎頭注漿，滯后距離不超過10m，注漿泵額定壓力不低于7MPa。在注漿材料從錨索孔托盤或周邊裂隙流出時即可停止注漿，漿液自身粘滯作用不會持續漏漿。

4 應用效果

（1）錨固拉拔性能

在MZM-70 高強無機注漿錨固料固化7d 后，采用錨索拉拔儀對預應力全錨錨索進行拉拔力測試。檢驗采用全長錨固支護后預應力全錨錨索的錨固性能和拉拔強度，分析在設計拉拔強度50MPa（約300kN）條件下錨索錨固可靠性能和變形破壞情況。

圖3 全錨支護設計技術方案

表1 5304 軌順全錨錨索拉拔試驗結果

從拉拔試驗結果可以看出，5304 軌順全長錨固支護試驗段，全錨錨索通過注漿加固并經過7d 漿液固化，錨索拉拔強度均不低于50MPa，未能將錨索拉出，施工質量達到預期目標。

（2）巷道表面位移觀測

根據十字觀測法對原錨網索支護和全錨支護段圍巖表面變形監測，見圖4。在巷道掘出兩個半月時間內，巷道變形主要體現在煤柱側幫部，其次是實體煤幫部，而頂板變形相對較小。采用原錨網索支護段巷道煤柱側幫部位移量達到125mm，實體煤幫部位移量達到85mm，頂板下沉量為30mm。采用全錨支護巷道相應煤柱側幫部、實體煤幫部和頂板位移量分別為60mm、40mm 和20mm。對比原錨網索支護效果分析得到，采用全錨支護效果優于原錨網索支護方案，巷道成巷效果良好，特別是在頂板和煤柱幫部的穩定性上，全錨支護的變形量不到原錨網索支護方案的50%，可見全錨支護強化了巷道整體性，增強了對頂板應力集中的承載能力。

5 結語

針對高應力沖擊危險沿空巷道研發的預應力全錨錨索，實現端錨后能立即承載，滿足了支護的主動性和及時性，采用高稠度、高粘滯型新型高強注漿材料，通過高壓注漿實現漿液的擴散固化，提高了圍巖的整體性和承載能力，使錨索由端錨轉變為全錨，強化了與圍巖體的力學聯系，達到了全錨支護預期的技術指標，取得了較好的支護效果，形成適用于高應力沖擊沿空巷道圍巖加固的全錨支護技術體系，是一種極具潛力的巷道圍巖控制技術，在技術經濟上具有很大的優越性，值得進一步推廣應用。

圖4 全錨支護與原錨網索支護巷道表面位移對比圖