“膨脹注漿錨桿+L 型鋼棚”在巷道修復中的應用

曹利強

（山西柳林興無煤礦有限責任公司，山西 呂梁 033300）

1 概述

興無煤礦5206 工作面位于二采區5#煤層右翼第四個工作面，該工作面上部為42206、42209 采空區，東南部為4#煤層北回風下山、二采軌道下山、二采皮帶下山、南回風下山，東部為5205 采空區，西部為實體。5206 工作面設計走向長1500 m，傾向長200 m，回采的5#煤層為二疊系下統山西組。根據周邊各工作面及鉆孔資料分析，5#煤層厚度1.3～1.9 m，平均1.6 m，煤層結構為煤0.2 m、夾矸0.2 m、煤1.2 m。煤層頂底板巖性見表1。

表1 5206 工作面回采的5#煤層頂底板巖性表

2 巷道支護現狀及圍巖破碎機理

2.1 巷道支護現狀

2021 年6 月工作面已回采至557 m 處，6 月15 日夜班工作面推進至535 m 處時，位于工作面前方20～30 m 處回風順槽非煤壁側巷幫出現局部幫錨桿斷裂，伴隨著局部巷道“隆起”收縮現象；6月16 日早班工作面推進至538 m 處時，位于巷道560～565 m 段巷幫與頂板肩角煤柱出現垮落，最大垮落深度為1.2 m，且垮落區不斷向回采方向延伸；當工作面推進至557 m 處時，560～585 m 巷幫支護失效率達17%，巷幫最大收縮量達0.57 m，局部出現底鼓、斷裂現象，最大底鼓量達0.46 m，失穩煤柱側頂板下沉、破碎。

通過現場調查判斷該區域應力大，6 月17 日早班從560 m 處開始對非煤側巷幫采取單錨桿、單錨索支護進行修復。錨桿、錨索各一排，錨索長4.5 m，直徑17.8 mm，錨索施工在距頂1.0 m 處，以20°仰角布置；錨桿長2.0 m，直徑20 mm，施工在距頂2.0 m 處，垂直巷幫布置。補強支護施工后，兩幫收斂、支護失效等現象未能完全控制，錨桿（索）補強支護無法完全控制圍巖失穩現象，支護效果差。

2.2 巷幫圍巖破碎機理

1）5206 回風順槽回采的5#煤層整體穩定性差，煤體結構復雜，而巷幫圍巖主要以5#煤層為主，煤層承載強度低，單軸抗壓強度小，在二次動壓作用下出現失穩現象。

2）根據巷道掘進前期資料顯示，巷道560～620 m 段為斷層群區域，共揭露7 條逆斷層，斷層平均落差為1.2 m，傾角為42°。受斷層影響，該區域圍巖受構造應力剪切破壞。東部的5205 采空區，預留保安煤柱寬度為18 m，斷層造成圍巖產生裂隙，形成采空區殘余應力傳遞通道，從而造成圍巖內部破碎，力學性質降低，煤柱垮落嚴重。

3）巷幫煤柱受集中應力破壞后，煤巖體內部形成塑性破壞區，而巷道掘進期間采用單錨桿支護，后期錨桿（索）補強支護利用錨固劑錨固后對桿體施加預應力，而圍巖形成塑性破壞區后，一方面降低了桿體錨固效果，另一方面對桿體施加的預應力無法連續穩定地傳遞至穩定巖層中，導致支護效果差。

3 “膨脹注漿錨桿+L 型鋼棚”支護技術[1-5]

3.1 膨脹注漿錨桿支護

3.1.1 膨脹注漿錨桿結構

1）膨脹注漿錨桿主要由金屬桿體、拱形玻璃鋼墊片、止漿塞、讓壓管、膨管等部分組成，如圖1。

圖1 膨脹注漿錨桿結構示意圖（mm）

2）金屬桿體采用高錳鋼磨具澆筑而成，桿體長度為3.0 m，直徑為30 mm，桿體底端部為實芯削尖狀，長度為0.5 m，其余部分為中空狀，中部孔直徑為15 mm。在中空部桿體上布置若干個注漿小孔。

3）在桿體端部安裝一個長度為0.8 m 的膨管，膨管底部為正臺階鋸齒形膨殼。膨管安裝在桿體外部，膨管內部孔為變徑結構，內部孔直徑為25～30 mm，從而保證桿體在支護過程中能夠快速使膨殼膨脹開裂形成自鎖結構。

4）在桿體實芯區與中空區之間安裝一個讓壓管，讓壓管長度為0.3 m，主要由兩端固定座和中部高應力彈簧組成。讓壓管套在桿體上，讓壓管通過桿體變徑自鎖固定，在支護過程中主要對變形圍巖起到讓壓作用。在桿體端部安裝一個橡膠止漿塞，止漿塞為圓錐結構。

3.1.2 膨脹注漿錨桿支護作用

1）封堵隔絕作用。注漿液可以快速將圍巖裂隙區進行封堵，既起到了隔絕空氣防止煤體氧化以及防滅火作用，又能起到堵水作用，避免裂隙煤體在水潤濕作用下出現軟化，從而降低煤巖體自身抗壓強度。

2）改變圍巖力學結構。通過注漿粘接作用，實現破碎圍巖二次重組，能夠增加巖體間的內聚力和內摩擦角，提高圍巖單軸抗壓強度，實現了圍巖與支護體協同作用。

3）提高支護強度。注漿可實現桿體全長錨固，利用膨脹殼結構實現了桿體機械自鎖加固，利用讓壓管實現了桿體與蠕動變形圍巖讓壓耦合支護，大大提高了桿體支護強度。

3.1.3 注漿材料及支護工藝

由于考慮到5206 回風順槽巷幫煤柱與5205 采空區存在貫穿裂隙，采用丙烯酰胺類、木質素類、聚氨酯類等有機化學注漿材料時反應產熱量大，易出現煤體自燃，所以決定采用黏土漿和黏土水泥漿混合無機水泥漿液。其中，黏土漿液中水與膨潤土配比為1.5:1，黏土水泥漿液中水、膨潤土、水泥配比為1.3:1:0.2。為了保證注漿擴散半徑不低于1.0 m，注漿壓力不得低于3.0 MPa，單孔注漿量為25～40 L。

3.1.4 支護工藝

1）5206 回風順槽從565 m 處開始對巷幫使用膨脹注漿錨桿支護，共計布置兩排，第一排布置在距頂板0.8 m 處，第二排布置在距頂板1.8 m 處，布置間距為2.0 m，兩排錨桿成邁步式布置。如圖2。

圖2 5206 回風順槽應力區巷幫支護示意圖（mm）

2）首先采用手持式鉆機配套直徑為32 mm“八”字型鉆頭進行鉆孔施工，鉆孔深度為3.0 m。鉆孔完成后對鉆孔內安裝一支MSK23/35 型錨固劑，然后安裝膨脹注漿錨桿。安裝時先將桿體插入鉆孔底部，然后采用鉆機轉動桿體。桿體在錨注過程中打開膨管形成自鎖結構。

3）桿體安裝到位后，在桿體外露端安裝玻璃鋼托板，初次施加預應力為150 N·m。對中空桿體進行注漿施工，注漿3 h 后第二次對桿體進行預緊，使預緊力達到300 N·m。

3.2 L 型鋼棚支護

1）L 型鋼棚由12#槽鋼焊制而成，鋼棚短邊長度為1.0 m，長邊長度為1.5 m，在鋼棚邊及對角處各焊制一個直徑為30 mm 的錨索支護孔。每架L 型鋼棚采用三根長度為4.5 m、直徑為17.8 mm 錨索進行錨固。

2）L 型鋼棚支護排距為2.0 m，短邊固定在頂板上，長邊固定在巷幫上，對角處錨索布置仰角為45°。工作面回采時L 型鋼棚超前工作面2 排提前退錨回收。

3.3 實際應用效果分析

在5206 回風順槽590～595 m 范圍內布置一個測點（超前工作面30 m），觀測測點與工作面不同距離下圍巖的變化情況：

1）當測點距工作面30 m 時，5206 回風順槽巷幫煤柱受采動影響小，未出現圍巖變形現象；工作面推進后與測點距離為20 m 時，巷幫煤柱出現應力顯現，主要表現在出現網兜、巷幫中部出現局部鼓起變形現象，實測幫煤柱最大收斂量為0.12 m，但肩角煤柱未出現變形、垮落現象。

2）隨著工作面推進與測點間距越來越小時，巷幫煤柱變形越來越嚴重。當工作面與測點間距為5.0 m時，巷幫煤柱變形最嚴重，實測巷幫收斂量達0.24 m，局部出現底鼓現象，最大底鼓量為0.12 m，巷幫未出現垮落，巷幫錨桿失效率低于3%。由此可見采取的聯合支護措施達到控制圍巖變形的目的。

4 結語

1）對5206 回風順槽受采動影響區巷幫煤柱采取膨脹注漿錨桿支護后，改善了圍巖強度等力學性質，在圍巖內部形成連續體加固圈，通過桿體楔固、擠壓等支護作用向圍巖施加擠壓應力，控制塑性變形范圍擴大，使圍巖處于穩定狀態。

2）L 型鋼棚支護后，解決了肩角煤柱支護強度不足、支護效果差等難題，有效減弱了肩角煤柱在大應力作用下出現剝離破壞，避免因肩角煤柱垮落導致巷幫煤柱支撐強度降低而出現垮落、頂板下沉等現象。