錨噴注聯合支護技術在沿空掘巷工程中的研究與應用

趙晶

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引言

隨著我國煤炭資源的大規模持續產出，越來越多的礦井資源逐步向深部開采發展，尤其是東部城市型礦井，受礦井地理位置影響，礦區井田面積普遍較小，隨著服務年限的增加，開采深度逐步向深部延伸，且多為沿空掘巷。這些礦區在掘進過程中，普遍存在受高地應力及采空區側向支撐應力的聯合影響，巷道支護系統極易出現失穩、變形，進而影響巷道斷面使用，造成進尺效率低等問題。邢東礦1222 運輸巷圍巖煤體呈典型的松軟、破碎特征，為了維持巷道圍巖的穩定，避免進尺后路頻繁整巷造成掘進效率降低，提出采用改進后的錨噴注聯合支護快速施工技術對1222 運輸巷沿空掘巷圍巖進行補強支護。

1 工程背景

邢東礦-760 水平1222 工作面為單側臨空工作面，其運輸巷緊鄰1224 工作面采空區，1224 工作面為超高水充填工作面，采空區采用高水材料進行充填，但高水材料抗壓強度小于1 MPa，側向殘余支承壓力較大，區間煤柱寬度為6.0 m。1222 運輸巷尺寸為5 000 mm×3 500 mm（寬×高），為沿煤層頂板掘進的沿空掘巷。

1222 運輸巷掘進過程中采用的支護方式為錨網支護，頂板采用φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿配合φ21.8 mm×8 500 mm 鋼絞線錨索及φ14 mm 鋼帶梁加強支護，兩幫采用φ20 mm×2 400 mm 全螺紋錨桿配合φ6 mm 冷拔絲金屬網及φ12 mm 鋼帶梁加強支護。這一支護方式在正常巷道掘進過程中有較好的效果，掘進后巷道變形小，能夠滿足日常使用需求。因此，在1222 運輸巷仍然沿用了以上支護方式，但受高應力和采空區疊加影響，區間6 m 煤柱圍巖松軟破碎程度高，給區段圍巖穩定性控制帶來了極大的困難，巷道掘進過程中后路在較短時間內發生持續大變形，主要表現為局部錨網支護損壞失效，造成兩幫不斷收斂、底板鼓起等影響后路巷道斷面的現象，嚴重影響進尺過程中的運料、出煤等工藝，需要不停地進行后路擴修，影響進尺效率，變形與整修情況如圖1 所示。

圖1 1222 運輸巷圍巖大變形與整修情況Fig.1 Large deformation and renovation of surrounding rock in 1222 transport roadway

錨注聯合支護技術在巷道修復方面有較為成功和成熟的應用案例，且這一技術施工便利、成本較低，鑒于此，提出采用錨注聯合支護技術來緩解沿空巷道掘進期間的后路持續大變形難題，降低巷道修復頻率，提高巷道進尺效率。

2 沿空巷道后路圍巖持續變形原因分析及解決方案

2.1 巷道探測情況

邢東礦1222 運輸巷掘進過程中，后路巷道幫部煤體發生嚴重松散、破碎、甚至粉化，且含極多的細小顆粒，呈塊狀- 碎末狀，具有高疏松和多孔隙的特性，為典型的松軟煤體，強度極低、易破碎、離散性極強，無法通過取芯獲取用于試驗的標準原煤試樣。為分析1222 運輸巷掘進后路支護失效原因，采用TYGD12 型巖層鉆孔探測儀，探測煤壁破碎深度及裂隙分布情況，如圖2 所示。

圖2 1222 運輸巷圍巖軟碎煤體實物Fig.2 The soft broken coal body of surrounding rock in 1222 transportation roadway

1222 運輸巷煤體強度低，巷幫深度為3 m 時，煤體依然表現為破碎狀態，如圖2（a） 所示；當巷幫還未發生大變形時，巷幫的松軟煤體即在有效支護的情況下發生剝落現象，如圖2（b） 所示；煤體的低強度、弱自承能力是1222 運輸巷產生大變形的主要原因。而煤體破碎的原因主要是因為1222 運輸巷臨側為已采的1224 高水充填采空區，其形成的側向殘余支承壓力對窄煤柱側的運輸巷圍巖破壞造成較大影響。

2.2 支護失效原因分析及解決方案

結合現場巷道支護破壞情況分析原因為1222運輸巷單側臨空，且留設煤柱僅為6 m，煤柱受采空區側向殘余支承壓力影響，嚴重松散、破碎、甚至粉化，圍巖原生結構被破壞，無法產生足夠的自承能力，巷道開掘后，在高應力影響下，由于支護體系無法與圍巖形成完好的支護體系，原有支護首先從某一部位（稱為關鍵部位） 開始松動，單個錨桿在破碎圍巖中的可錨性變差、錨固力變小，導致單個錨桿的錨固失效，受采空區側應力持續影響逐漸整體支護體系失效。而煤柱區煤體持續運移至巷道空間并作用于錨固區圍巖支撐系統使其整體位移。

因此，控制沿空巷道圍巖的變形必須滿足巷道圍巖與支護體強度、剛度及結構上的耦合。針對這一原因分析及支護改進要求，提出了以下解決方案。一是尋求強力支護系統與材料以及更優異的結構，提高系統的支護剛度與強度，提升支護效能和圍巖抗剪能力，減少圍巖強度降低；二是研究改進不同注漿模式下漿液滲流規律與改性機理以及注漿工藝與材料性能，加大其對破裂與損傷區圍巖的固結修復能力，提高支護效果。在此基礎上，研究和試驗成本和施工效率都能滿足快速掘進的巷道修復方案。

3 錨噴注快速施工方案及優點

在針對深部軟碎煤體巷道圍巖強礦壓條件下的支護方案，多采用增強圍巖自承能力與加強錨網支護相結合的技術方案，其中，較為成熟且工藝較為簡單、成本低的技術方案為錨網、噴漿、注漿結合的聯合支護技術。但錨噴注聯合支護較多應用于永久巷道支護，在成本和工序上相較回采巷道增加較多，需要在傳統錨噴注聯合支護技術的基礎上，調整工序及材料，在滿足回采巷道使用的基礎上，使成本和施工時間降低至可接受水平。

錨噴注快速施工方案主要針對修復圍巖的注漿和噴漿工序及材料，以及保障支護體強度的錨網工序及材料進行研究。分析邢東礦1222 運輸巷圍巖變形速率，掘進完成后，圍巖在7 d 內具備一定的自穩能力，7 d 后支護松動，穩固結構破壞。鑒于此，考慮將注漿工序延后進行，在掘進機后方10～20 m 處進行壁后注漿，修復煤柱自承能力的同時，不會影響掘進效率；為保障注漿效果，需要進行全斷面噴漿，考慮圍巖具備一定的自穩能力，將噴漿分3 次進行，在確保噴漿質量的同時，縮短每次噴漿時間以保障掘進效率；此外，考慮將掛繩與噴漿結合代替原有的掛金屬網支護方式，在確保支護強度的同時，兼顧了成本和快速施工。即由掛繩及噴漿代替傳統的掛金屬網支護。這一施工方案較傳統錨注工藝更為簡便，在施工效率上有了較大提高、整體承載能力更強。

邢東礦回采巷道的使用壽命一般為12 個月以內，因此可以在材料使用上進行調整。根據實際情況和需要，噴漿及注漿采用標號325 水泥代替傳統標號425 水泥，強度可滿足使用要求；掛繩采用廢舊鋼絲繩將所有錨桿組合起來，互相牽制、共同作用，代替掛網，降低成本。

4 現場工業性試驗

試驗段在邢東礦1222 運輸巷開口后800～850 m 處，埋深為-862—-871 m，一側為實體煤，一側為高水充填后的采空區。試驗段采用EBZ-160型掘進機正常截割，每循環進尺0.7 m，進尺2 排后進行初噴，然后進行錨噴注聯合支護，每班進尺4 排，每天進行三班正規循環作業，注漿工程安排在掘進機后10 m 開始，最遠不得滯后20 m。注漿完成后在巷道十字布點，進行圍巖變形觀測，觀測周期不小于45 d。與正常進尺支護段圍巖變形進行對比，觀測方案實施后的抗形變效果。

4.1 錨網支護方式

相較正常錨網支護，增加長錨索支護以提高錨固體與圍巖耦合效果，如圖3 所示。采用頂板及巷幫錨索梁桁架加強支護，巷道頂板每排打設3 根φ21.8 mm×8 500 mm 長錨索，外端錨索與頂板夾角約75°，錨索間距約1.6 m，排距為1.6 m，使用H 型雙股鋼帶梁并配合方形大托盤（400 mm×400 mm） 及小托盤（200 mm×200 mm） 聯鎖加強支護，錨索預應力施工至120 kN 以上。

圖3 巷道頂板及幫部錨索梁桁架支護Fig.3 Roadway roof and side anchor beam truss support

巷道兩幫通過施工錨索梁桁架加強支護，1222運輸巷兩幫分別打設4 根錨索梁桁架，錨索規格為φ21.8 mm×4 500 mm，最上一排施工時上仰10°，最下一排施工時下俯10°，使幫錨索能夠同時錨固在頂、底板堅硬巖層中，錨索間距為1.0 m，排距為1.2 m，錨索預應力施工至120 kN 以上。幫部錨索通過配合方形反弧托盤（400 mm×400 mm） 及小托盤（200 mm×200 mm） 聯鎖加強支護，形成幫部錨索梁桁架聯鎖結構，強化對巷道煤柱側采空區支撐應力的抵御。

4.2 噴漿注漿工藝參數

（1） 施工工序為截割斷面—初噴80 mm—打錨桿、掛繩—復噴60 mm—打錨索、掛繩—再次復噴60 mm—壁后注漿。

（2） 掛繩的鋼絲繩采用5"以上兩股繩，橫向應以巷道輪廓長度為準，縱向每根不小于10 m 為宜；掛繩過程中注意做好搭接并使用繩卡子鎖緊，掛繩間排距相較掛網時的孔眼放大5～6 倍為宜。既可以保持足夠的強度及掛漿效果，又最大限度節約了成本。

（3） 噴漿。采用3 層噴漿的施工方式，第一次初噴厚度50 mm，目的是給與剛截割出的圍巖進行表面及時封閉以及找平，為后續施工錨索及掛繩奠定基礎；初噴后及時施工錨桿、錨索、掛繩，并進行第一次復噴，噴厚50 mm，將錨桿、錨索、鋼絲繩連接成整體；然后進行第二次復噴，噴厚50 mm，為注漿做基礎，確保注漿過程中不會產生漏漿現象。

（4） 注漿。注漿采用全斷面注漿的方式，將圍巖自承能力補強，先打設一排φ22 mm×2 000 mm 的注漿錨桿，并封孔至1.5 m 深度，間排距均為1.5 m，確保注漿擴散半徑能覆蓋到全巷道。

為了加大注漿對圍巖的固結修復能力，采用了化學注漿配合棉絲對注漿孔1.5 m 深度封孔的方式，使得注漿孔壁有較強的粘接強度，達到防止漿液從管壁滲出，進而有較強的注漿壓力的目的，注漿終壓可達8 MPa。

4.3 圍巖變形觀測

變更支護前后的巷道圍巖變形觀測情況如圖4、圖5 所示。

圖4 1222 運輸巷支護變更前后兩幫變形對比Fig.4 Comparison of deformation of two sides before and after support change of 1222 transport roadway

圖5 1222 運輸巷支護變更前后底鼓量對比Fig.5 Comparison of floor heave before and after support change of 1222 transport roadway

由觀測曲線圖可以看到，在完成支護后的一周內，兩種支護方式均有較好的效果，此時支護體系均處于完整狀態；隨著采空區側向應力的持續作用，未注漿的支護體系發生了破壞，整體失衡，圍巖形變量呈指數增高，而實施了錨噴注聯合支護的巷道，由于修復了圍巖的自身承載能力，整體呈現緩慢形變趨勢，雖然仍舊無法達到穩定不形變的狀態，但控制效果已相當明顯，在巷道掘進期間斷面滿足使用要求，避免了二次甚至多次翻修，提高了掘進效率。

5 結論

（1） 針對邢東礦1222 運料巷沿空掘巷時后路圍巖失穩及支護失效的情況，通過分析圍巖特性和應力分布特征，提出在原有支護方式基礎上通過掛繩、噴漿、注漿的錨噴注聯合支護方式修復圍巖自承能力，并適當提高支護強度，實現軟巖巷道沿空掘巷的快速、有效支護。應用于1222 運輸巷后支護效果比較明顯，通過礦壓顯現觀測巷道變形雖未達到穩定趨勢，但該技術對巷道圍巖的控制相比原有支護已起到明顯效果。

（2） 在方案實施前，巷道斷面每7 d 需要臥底一次，每20 d 需要擴幫重新支護一次，受后路擴修影響，日進尺效率僅為6.3 m；方案實施后，通過圍巖變形觀測分析，巷道在掘進期間不再需要對后路進行整修，日進尺提高至8.4 m，大大提高了掘進效率。通過降低噴漿注漿水泥標號，采用掛繩噴漿代替掛網，使用廢舊鋼絲繩等方式，在滿足巷道使用壽命的基礎上，保障了掘進效率，節約了掘進成本。

（3） 錨噴注聯合支護技術工藝簡單，可在不增加或小幅增加支護時間及成本的基礎上，有效解決深部巷道沿空掘巷支護難題，為提高礦井進尺效率，制定衰竭礦井資源高效回收方案提供數據支撐和經驗借鑒。