高 雄
(晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司,山西 大同 037031)
巷道掘進期間遇圍巖破碎帶會出現頂板下沉,兩幫收縮、片幫以及底鼓等現象,巷道掘進過程中圍巖內部會形成松動圈,且隨著應力的持續破壞作用,圍巖松動圈范圍不斷擴大。對此類巷道傳統的支護方法主要采用高強度錨桿(索)進行維護,而錨桿(索)在圍巖松動圈內進行支護時,不僅支護鉆孔施工難度大,錨桿錨固效果差,而且錨桿支護預應力在圍巖裂隙內釋放,無法通過桿體有效傳遞至穩定基巖內,從而大大降低了錨桿(索)支護強度。所以對處于應力區破碎圍巖中的巷道采取合理有效的支護設計,對圍巖控制、施工安全、巷道掘進效率等具有重要意義。
晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司5310 巷位于三盤區東翼,工作面北部為8311 工作面(未開拓),南部為8309 工作面,西部為三盤區主要三條大巷,東至保護煤柱為界。
5310 高抽巷設計長度為2 610 m,巷道設計斷面寬×高為4.8 m×3.7 m,巷道在3#與5#合并煤層中掘進,煤層平均厚度為8.96 m,平均傾角為4°,煤層結構復雜,煤層內含多層夾矸,夾矸總厚度為1.78 m,煤層局部區域存在煌斑巖侵入,3#-5#煤層頂底板巖性見表1。

表1 3#-5#煤層頂底板巖性匯總
根據5310 巷掘進地質報告,5310 巷掘進期間預計揭露9 條正斷層,斷層平均落差為1.4 m,傾角為52°,其中位于巷道322 m、657 m、1 420 m處揭露的F3、F5、F8三條斷層落差相對較大,最大落差為2.6 m(F5斷層)。
5310 巷采用EBZ260 型掘進機掘進,截至2021年2月11日巷道已掘進至648 m,由于受F5 斷層影響,巷道掘進至640 m處時進入斷層應力區,巷道圍巖出現應力顯現現象,主要表現在兩幫收斂,頂板破碎等,巷道掘進至645 m處時頂板出現第一次冒漏,而原采用的錨桿(索)支護在破碎頂板中支護效果差,無法滿足巷道掘進施工需要。
在應力區圍巖施工注漿鉆孔,對鉆孔內錨注中空注漿錨索,并對錨索施加預應力,然后采用專用注漿泵,對中孔錨索進行高壓注漿施工,注漿材料在壓力作用下沿孔壁裂隙滲透,從而對孔壁裂隙進行粘接重組,同時在注漿過程中漿液將注漿錨索與孔壁進行粘接,從而改變了錨索的受力狀態,實現了注漿錨索全長錨固,大大提高了錨索支護效果。
5310 巷破碎頂板采用的注漿錨索長度為6.0 m,直徑為35 mm,錨索為8 股中空狀,中部孔直徑為14 mm,注漿錨索楔頭芯桿長度為1.5 m,主要用于樹脂錨固;在楔頭芯桿往外3.0 m范圍內沿注漿錨索四周布置輔助出漿孔,見圖1。在注漿錨索端頭處安裝止漿塞,注漿施工時采用注漿鋼管與軟管配套使用,注漿鋼管直徑為12 mm,注漿軟管直徑為10 mm。

圖1 中空注漿錨索結構
(1)巷道掘進至650 m處時原頂板錨桿支護設計不變,將頂板單錨索更換為注漿錨索,每排施工三根注漿錨索,錨索間距為2.0 m,排距為3.0 m,注漿錨索施工在相鄰兩排鋼帶之間。
(2)注漿錨索鉆孔采用MYT-190 型液壓錨桿鉆機施工,配套長度為1.2 m六棱鉆桿以及直徑為35 mm合金鉆頭,每排布置三個鉆孔(1#、2#、3#),鉆孔深度為6.0 m,其中中部2#鉆孔垂直頂板布置,兩幫1#、3#鉆孔與兩幫夾角為30°。
(3)鉆孔施工完后依次對鉆孔內錨注注漿錨索,每根錨索采用三支錨固劑錨固,錨固長度為1.2 m,錨固力不得低于290 kN。錨索錨固后在其外露端安裝一塊厚度為5 mm,長度及寬度為0.4 m拱形鋼托板并采用鎖具預緊,預緊力不低于220 kN。
(4)注漿錨索錨固后依次安裝注漿軟管、注漿鋼管以及止漿塞,止漿塞為聚氨酯彈性塞,將注漿鋼管與注漿泵連接進行注漿施工,注漿液采用聚氨酯化學材料,注漿壓力為4.5 MPa,單孔注漿時間為15 min。
2021年2月22日5310 巷已掘進至705 m處,巷道完全過F5 斷層應力區,為了便于對巷道頂板變形觀測,在應力區巷道頂板每隔10 m安裝一臺GUD500 型數顯頂板離層儀,同時在注漿錨索施工前應力區頂板安裝一臺離層儀,離層儀深基點安裝在頂板往上7.0 m處,淺基點安裝在頂板往上2.5 m處,通過20 d現象觀察對比分析發現:
1)應力區頂板未采用中空注漿錨索支護時,巷道頂板破碎、斷裂現象嚴重,頂板支護效果差,在0~10 d范圍頂板蠕動變形嚴重,頂板下沉量成直線上升趨勢,在10 d內頂板下沉量達0.26 m,在10~15 d內頂板下沉量逐漸減小,在第10 d頂板下沉量達0.34 m,見圖2。

圖2 注漿錨索施工前后頂板變形曲線
2)應力區頂板采用注漿錨索支護后,在0~8 d范圍頂板同樣產生蠕動變形現象,頂板最大下沉量為0.17 m,在8~20 d范圍內注漿后對圍巖裂隙填充完全凝固,且注漿錨索對圍巖實現耦合支護作用,頂板下沉量注漿減小,在第20 d頂板下沉量為0.22 m,滿足應力區頂板支護要求。
1)注漿錨索支護與傳統錨桿(索)支護相比,通過注漿將鉆孔壁裂隙巖體進行充分粘接,提高了孔壁附近巖體整體穩定性,加強了頂板承載能力,保證了錨索錨固效果,使錨索預應力能夠有效地傳遞至穩定基巖中,同時注漿錨索實現了注漿與錨注同步支護作用,大大提高了錨索支護質量及強度。
2)注漿錨索施工采用支護孔兼做注漿孔,與傳統注漿施工相比,減少了破碎頂板支護鉆孔及注漿鉆孔施工數量,提高了鉆孔成孔率,降低了鉆孔施工勞動作業強度,同時解決了傳統破碎頂板因支護鉆孔、注漿鉆孔施工數量多,導致鉆孔施工時對頂板產生擾動破壞作用。