破碎頂板注漿錨索支護及應用效果

尹寶廷

（山西焦煤山煤國際長春興煤業有限公司 山西大同037101）

巷道掘進期間受集中應力、煤層賦存、地質構造等影響，巷道頂板出現破碎、斷裂現象，傳統巷道頂板主要采用錨桿（索）、金屬網、鋼帶等聯合支護，錨桿（索）支護時主要實現對頂板懸吊、組合梁（拱）等支護作用，通過錨固劑將支護體錨固段錨固在穩定巖體中，但是當頂板出現破碎后會形成圍巖“松動圈”[1-6]，采用錨桿（索）支護時，支護失效現象嚴重，而且在破碎圍巖中施工支護鉆孔時，會對頂板巖體產生嚴重擾動破壞作用，加急了頂板破碎力度，而采用注漿施工時，增加了頂板支護強度，以及鉆孔數量，對破碎頂板維護效果差[7-8]；本文以長春興煤礦602運輸順槽為研究對象，對巷道破碎頂板提出了注漿錨索支護。

1 概述

1.1 工作面四鄰關系

山西焦煤山煤國際長春興煤業有限公司602 回風順槽位于井田南盤區西翼，工作面東西走向布置，工作面東部為南回風大巷二段，北部為實煤區，西部為601采空區，602回風順槽與601采空區之間間隔煤柱寬度為25m。602 回風順槽設計走向長度為1700m，巷道為矩形斷面，斷面規格為寬×高=4.5m×4.0m，巷道從南輔助運輸大巷二段開口施工。

1.2 掘進煤層情況

602 回風順槽掘進煤層為22#煤層，儲量計算厚度9.5m，含3～4 層夾矸。煤層大致走向東西，傾向北。傾角較小，平均-2°。呈一單斜構造。煤層頂底板巖性如表1所示。

表1 602回風順槽掘進煤層頂底板巖性表

2 巷道支護現狀及問題分析

2.1 巷道原支護設計

2.1.1 永久支護設計

（1）頂錨桿支護：錨桿桿體直徑為18mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2m。外露螺母外長度為10～40mm，間排距1000mm×1000mm，每排5 根，吊掛規格為5000mm×275mm×2.5mm“W”型鋼帶（5眼）。

（2）頂錨索支護：頂板每施工兩排錨桿后對頂板施工一排單錨索，單錨索施工在兩排錨桿之間，每排布置三根錨索，錨索布置間排距為2.0m，錨索長度為6.0m，錨索外露端安裝一塊托板，采用鎖具進行預緊。

（3）金屬網護頂：巷道掘進后在頂板下方鋪設金屬網并采用錨桿（索）進行固定，金屬網采用5#鉛絲交錯編織而成，每卷金屬網長度為6.5m，寬度為1.3m，網與網搭接點處采用鉛絲捆綁，捆綁搭接寬度不低于0.2m。

2.1.2 加強支護設計

對巷道過斷層區、應力區等特殊地段時，為了提高頂板穩定性，對巷道頂板施工錨索吊棚進行加強支護。

頂板施工的錨索吊棚長度為4.2m，吊棚采用一根長度為4.2m 工字鋼梁和3 根長度為4.5m 錨索組成，錨索吊棚與巷道走向垂直布置，吊棚布置排距為2.0m。

2.2 巷道支護現狀

根據601回風順槽掘進地質資料顯示，巷道掘進至450～520m 段預計揭露9 條中小斷層，斷層以正斷層為主，斷層最大落差為1.4m，最小落差為0.9m，斷層群侵入掘進煤層后，對煤巖體產生剪切破壞作用，同時受鄰近601采空區殘余應力影響，巷道掘進期間頂板出現失穩現象；巷道掘進至460m 處時巷道中部頂板出現破碎，頂板金屬網出現“網兜”，局部金屬網出現斷裂現象，巷道掘進至472m 處時頂板出現第一次冒漏，冒漏深度為1.4m，冒漏區附近頂板錨桿失效率達18%，部分錨索出現破斷，且頂板施工的錨索吊棚變形嚴重，原支護滿足不了巷道安全快速掘進。

2.3 原支護主要存在的問題

根據現場觀察發現，巷道掘進至450m后進入應力破壞區，受應力影響巷道頂板出現嚴重破碎現象，通過對頂板施工一個深度為8.0m，直徑為75mm的窺視孔并采用窺視儀觀察發現，在頂板往上3.0m 范圍內鉆孔壁出現錯綜復雜的裂隙，且該區域內孔壁出現塌孔現象，在3.0～4.5m 范圍內孔壁裂隙不明顯，局部出現破碎現象，在4.5～8.0m 范圍內孔壁完整，未出現裂紋、塌孔現象。

（1）通過對頂板巖體窺視發現，在頂板0～3.0m范圍圍巖破壞嚴重，圍巖內形成“松動圈”，該區域內巖體成型差，承載強度低；而原頂板采用的錨桿長度為2.2m，錨桿采用一支長度為0.6m 錨固劑進行錨固，錨固端位于松動圈內，松動圈巖體在蠕動變形過程中導致錨固端失效，造成錨桿支護失效。

（2）原頂板采用的錨索吊棚中工字鋼梁屬于線性支護，當頂板出現下沉、變形時鋼梁兩側邊線對頂板產生切頂破壞，加劇了頂板破碎力度，同時鋼梁腰部支護強度低，在大應力作用下鋼梁很容易出現斷裂現象。

（3）原頂板支護時頂板布置鉆孔數量多，鉆孔采用液壓油鉆進施工，由于鉆孔數量多，在鉆孔施工過程中對破碎不穩定頂板產生擾動破壞作用，導致頂板破碎加劇。

3 注漿錨索支護

為了減少頂板支護數量，提高頂板支護效果，決定對602回風順槽破碎頂板采取注漿錨索支護。

3.1 注漿錨索支護原理

傳統單一注漿支護時對頂板施工注漿鉆孔然后采用注漿泵對孔內進行注漿施工，單一注漿施工時無與永久支護協同施工，支護工序復雜，成本費用高，且頂板施工鉆孔數量多；而注漿錨索支護利用支護孔兼做注漿孔，先對頂板錨注注漿錨索，錨索錨固后對中空錨索進行注漿施工[9-10]；注漿錨索支護時即可對破碎圍巖起到注漿加固作用，同時實現了錨索全長錨固作用，提高了錨索支護強度。

3.2 注漿錨索結構組成

（1）602 回風順槽施工的注漿錨索采用“9 股無芯”預應力鋼絞線，錨索長度為5.0m，直徑為25mm；錨索端部為楔頭芯桿，實芯桿長度為0.8m，主要用于錨固劑錨固，如圖1所示。

圖1 602回風順槽破碎頂板注漿錨索結構示意圖

（2）注漿錨索底部布置若干個主出漿孔，以及輔助出漿孔，輔助出漿孔安裝金屬脹環，當注漿壓力大于脹環承載壓力時脹環打開，輔助出漿口與主出漿孔協同注漿。

（3）在注漿錨索端部依次安裝止漿塞、注漿管，注漿孔中部孔直徑為18mm，注漿錨索外露端安裝承載件，并采用鎖具進行預緊。

3.3 注漿工序

（1）注漿錨索采用“一，二，三”布置方式，注漿錨索布置在同一排錨桿中，將錨索代替原頂板錨桿，即第一排錨桿中1#、5#錨桿替換為注漿錨桿，第二排錨桿中3#錨桿替換為注漿錨索，依次類推。

（2）首先在頂板施工錨桿后施工注漿錨索支護孔，孔深為4.8m，然后對鉆孔內錨注注漿錨索，并采用鎖具進行預緊。

（3）對注漿錨索中部孔內安裝直徑為10mm注漿軟管，注漿軟管長度為3.0m，在錨索外端頭采用止漿塞進行封堵；將注漿軟管與注漿泵連接機進行注漿施工。

（4）注漿液采用聚氨酯粘合劑，注漿壓力為3.0MPa，注漿施工可與頂板錨桿支護協同施工。

3.4 實際應用效果分析

602 回風順槽于2021 年7 月18 日已掘進至540m處，巷道已過斷層群影響帶，通過對破碎區頂板采取注漿錨索支護后，通過實際應用效果來看，圍巖變形情況得到了有效控制，如圖2所示。

圖2 注漿錨索支護前后頂板下沉量變化曲線圖

根據圖2可知，在頂板未采取注漿錨索支護前變形量大、變形速率快，頂板最大下沉量為0.33m；而采取注漿錨索支護后，頂板下沉量得到了有效控制，頂板最大下沉量為0.19m，且未出現頂板斷裂、冒漏現象，頂板錨桿（索）支護失效率降低至5%以下。

4 結語

（1）與傳統單一注漿支護相比，注漿錨索支護實現了錨桿（索）支護與注漿支護協同施工，縮短了支護時間，簡化了支護工序。

（2）注漿錨索支護減少了破碎頂板支護鉆孔數量，避免了鉆孔施工期間對破碎頂板產生的擾動破壞作用。

（3）注漿錨索支護不僅可對破碎圍巖進行注漿填充加固，提高圍巖單軸抗壓強度，而且實現了錨索全長錨固支護效果。