注浆锚索在司马矿大变形煤巷中的应用

曾金元，赵建军，刘旭东，翟党帅，张 磊

(1.潞安集团司马煤业有限公司，山西长治047105;2.河北工程大学资源学院，河北邯郸056038)

1 工程地质概况

司马矿二采区猴车巷 (里段)沿下二叠统山西组下部的3号煤层顶板掘进，东西布置，南平行于二采区3条大巷依次为胶带巷、轨道巷、回风巷，北临1210工作面依次平行于瓦排巷、风巷和运输巷，见图1猴车巷平面图所示。

图1 猴车巷试验段平面布置

受到 1210工作面采动影响，该巷道里程2583.059～2795.459m区段变形较为严重，急需进行治理及加固。且猴车巷 (里段)是二采区准备巷道，所以对该巷道的治理是非常必要。

该巷道在3号煤层沿顶板掘进，直接顶为泥岩，两帮及底为煤层，如图2所示。巷道围岩总体较为软弱、破碎。

图2 猴车巷围岩柱状

2 巷道围岩破坏及锚注加固机理

2.1 巷道围岩破坏分析

根据现场调研二采区猴车巷 (里段)变形破坏情况，发现巷道围岩变形主要表现为:两帮及顶底板变形移近量较大，并且变形破坏较破碎，顶板下沉变形，平均下沉量为0.5m，钢梁发生弯曲变形，且顶板出现不同程度的网兜;两帮移近量为1.1～1.8m，部分锚索、锚杆拉断及锁具脱落失效;底板裂隙发育，个别地方出现裂缝，鼓起范围在0.3～1.1m之间，严重影响了安全生产。

巷道开挖前，岩体处于三向受力平衡状态，承压环境稳定。巷道围岩在原岩应力作用下，厚煤层巷道底板发生松动破坏，其破坏范围向深部逐渐扩展至松动破坏带的极限应力承载结构体［1］。工程开挖后，在高于工程围岩强度的围压作用下，工程围岩就会产生破坏［2］，由原来的三向应力转变为两向应力状态，破坏了原岩的应力平衡，引起应力的重新分布，水平应力向顶板岩层和底板岩层转移，垂直应力向两帮岩体转移，并且在岩体深部出现应力增高区［3］。

岩体的变形破坏是岩体结构的变形、改组和失稳，但在本质以及表现形式上与岩石的变形破坏是一致的［4－5］。围岩的变形和破坏特征是围岩应力和围岩强度这一对矛盾共同决定的。当应力集中强度大于围岩体弱面的强度时，较弱面率先表现出变形破坏，由表及里应力向内部转移，且应力梯度有所衰减，直至出现新的平衡。应力释放引起的回弹和应力重新调整引起的扩容，使巷道围岩较弱结构面剪切滑移，从而出现变形破坏现象。

现场调查，形成此种状况的主要原因有:

(1)顶部为泥岩，两帮及底板为煤层，整体围岩强度较低。

(2)巷道布置与最大水平应力方向夹角接近90°，对巷道稳定非常不利。

(3)受1210工作面采动影响较大。

(4)巷道布置处于高应力集中区内以及受地下水和潮湿矿井空气的腐蚀泥化。

2.2 中空注浆锚索加固机理分析

二采区猴车巷 (里段)顶板岩孔通过窥视仪观测了不同深度的煤岩层裂隙发育情况。图3为钻孔不同深度煤岩层状况。

图3 不同深度成像

结合现场实际情况，根据达西定律和牛顿粘度定律分析可知注浆压力、注浆时间和浆液扩散半径之间存在一定关系。注浆压力不变，注浆时间越短则浆液扩散半径越小，反之，则越大。由现场实际情况分析，注浆时间、注浆量和浆液扩散半径的关系，如图4所示。

图4 注浆时间、注浆量和浆液扩散半径关系

根据图4所示，注浆压力不变，随注浆时间变化，注浆量增长速度和浆液扩散速度的变化趋势大致相同，开启注浆泵，在注浆压力作用下浆液充填围岩裂隙，注浆量和浆液扩散半径迅速增加，如图5(a)所示。浆液填充裂隙阶段结束后，注浆压力作用下围岩裂隙尖端伴随有裂纹出现，当围岩裂隙尖端出现裂纹时开启注浆泵，进行注浆，注浆时间为15min，现场观测可知注浆量与浆液扩散半径变化不明显，如图5(b)所示。0.5h后围岩裂隙尖端劈裂程度加深，并与周围裂隙形成贯通网络，导致浆液扩散速度变大，从而扩散半径显著增加，同时注浆量的增长速度也变大，如图5(c)所示。

图5 单裂隙的劈裂及浆液扩散

围岩结构失稳发生变形破坏，待围岩破碎到一定程度，注浆压力的变化对浆液最终扩散半径和注浆量起着决定性作用，图6为不同注浆压力条件下浆液扩散范围，浆液扩散半径随着注浆压力的增大而出现显著增加。

图6 不同注浆压力条件下浆液扩散范围

浆液进入岩体内的裂隙凝固后，在岩体裂隙内形成网络骨架结构，根据浆材对孔隙的尺寸效应，渗透浆液的浆材颗粒尺寸dc须小于被注介质缝隙或孔隙尺寸dp［6］，如图7所示，在岩体内形成薄厚不等、大小不一的脉状网络骨架，大多呈现为片状或条状的浆液凝固体，浆液凝固体之间相互连接形成网状结构。在具有高强度和黏结性网络骨架的作用下，围岩体被压实，当顶板来压时，骨架支撑顶板围岩，抵抗围岩的变形破坏。使得顶板围岩裂隙弱面的强度增加，趋向于岩体强度，在一定程度上控制了岩体变形破坏，提高了顶板围岩的强度。

图7 浆液骨架形状

2.3 注浆加固效果评价

(1)网络脉状骨架作用 在注浆压力作用下，浆液胶结围岩裂隙，导致裂隙尖端产生裂纹，并向四周和深部发育，形成交错的网状，并支撑破碎围岩。

(2)粘结补强加固作用 提高围岩体内的裂隙弱面强度是提高围岩体整体强度的先决条件。经过浆液的充填粘结两裂隙弱面使破碎围岩体胶结为一个整体，在一定程度上提高了围岩体的黏聚力、抗压强度和抗剪强度。同时浆液填充离层间隙，凝固后使顶板形成整体组合梁并增加了锚杆、锚索的预应力，这种粘结作用对阻止裂隙扩展和离层有着十分重要的作用［7］。

(3)改变围岩破坏机制 浆液的裂隙压密充填并渗透到微裂隙中，把裂隙中赋存水排挤出去，凝固后，封堵了岩体内部与外界潮湿环境或与水的接触，有效防止潮湿空气或水对岩体的泥化和腐蚀，极大地改善了围岩的赋存环境，对保持巷道的长期稳定性具有重大的意义［8］。

3 支护方案设计

为了适应采动的影响，控制顶板变形，提高顶板的支护刚度，采用中空注浆锚索、注浆管进行加固治理方案。

根据试验段具体情况设计了修复加固施工方案，在巷道顶板中线位置打1排中空注浆锚索，规格φ22mm×7300mm，排距1800mm;两帮中线位置各打1排注浆孔进行帮部注浆，排距3000mm，深3000mm;底板3排，间排距1600mm×5000mm，深为5000mm，靠近两帮方向外摆15°。见图8。

图8 注浆孔布置

4 中空注浆锚索施工工艺

4.1 中空注浆锚索

新型中空注浆锚索的突出特点为采用新型封孔技术，使注浆压力提高20%。其参数为:顶锚索长7m，安装孔径30mm，强度≥1760MPa，破断力≥420kN，中空注浆管内径7.5mm、外径10mm，注浆压力为6.5～7.0MPa。采用复合注浆材料，即由32.5普通硅酸盐水泥按水灰比1∶2配制成水泥浆液，加入8%的ACZ—I型水泥添加剂均匀搅拌而成。

4.2 施工工艺

注浆锚索主要施工工艺包括:

(1)钻锚索孔 在预先设计位置，使用单体顶锚杆钻机和支腿式帮锚杆钻机钻顶、帮锚索孔，孔径为30mm。

(2)安装中空注浆锚索及封孔 首先把止浆软件管套入中空锚索限位环处，然后把2卷Z－2360型快速树脂锚固剂用锚索慢慢推入钻孔，进而用锚杆机搅拌，然后套上止浆硬管、托盘及锁具。

(3)张拉预紧 用张拉器把止浆硬管推至围岩表面位置，封孔完毕。然后应用气动板机张拉锚索，预紧力不低于120kN，保证锚索外漏长度≤300mm。

(4)配料 用清水将搅拌桶冲洗干净，按配料筒大小计算浆液配料数量，先注入清水，后向桶内加入32.5普通硅酸盐水泥和8%的ACZ－I添加剂。严格按照设定水灰比进行添加，边加料边搅拌。该配料用完，即而进行上一次循环，禁止加水、加料和注浆同时进行。

(5)注浆 检查注浆管路是否畅通，开启搅拌桶和注浆泵，边搅拌边注浆。为了提高注浆效果，采用间歇重复注浆，即达到注浆压力后，关闭注浆泵，停2～3min后，重复再注，直至注浆量达到要求。

5 支护效果分析

通过浅部(工字钢梁)和深部(注浆锚索+注浆)形成的“双壳”支护加固体系方案实施后，在二采区猴车巷原支护段和实施中空注浆锚索补强加固段分别进行了巷道顶底板和两帮位移观测，观测结果见表1，图9和图10。

表1 原支护段 (测站5)和注浆锚索补强支护段(测站1～4)巷道表面变形对比

图9 顶底板相对移近量对比图

图10 两帮相对移近量比较曲线

使用巷道表面位移收敛仪，对二采区猴车巷进行为期28d的矿压观测，前14d观测原支护段巷道顶底板变形，后14d观测中空注浆锚索补强加固后巷道顶底板变形，结合观测数据和收敛曲线可知，前14d内的巷道围岩变形严重，巷道顶底板相对移近量为123mm，平均移近速度8.8mm/d，7～14d内两帮相对移近量为 64mm，平均移近速度9.1mm/d;后14d内该段巷道经过中空注浆锚索补强加固后，顶板和底板的相对移近量为73.25mm，平均变形速度为5.23mm/d，两帮相对移近量为67.25mm，平均变形速度为4.8mm/d。经现场观测60d后巷道变形速度趋于平稳。对比分析原支护段测站5围岩变形较显著，顶板和底板相对移近量为312mm。而经过中空注浆锚索补强加固的测站1至测站4围岩相对变形量不大，相对变形量分别为199mm，176mm，173mm，208mm，其中变形量最小的测站3相对原支护段测站5减少了将近1/2。针对二采区猴车巷松软、破碎围岩，实施中空注浆锚索补强加固后起到了较好的粘结和加固作用，有效控制了顶板围岩的稳定性。

6 结论

结合司马矿二采区猴车巷 (里段)地质条件，分析研究了在采动影响下围岩变形破坏机理及中空注浆锚索控制顶板围岩加固机理。实践证明，中空注浆锚索在松软、破碎围岩巷道的应用，极大地改善巷道围岩岩性，提高围岩自承能力，对巷道的稳定性有着良好的控制作用。本研究成果解决了司马矿松软、破碎煤巷难控制问题，提高现场支护加固效果，保证安全生产，提高集团各矿整体支护加固技术水平。

总之，以中空注浆锚索为技术实施的巷道治理方针，可提高深部巷道支护的安全可靠性，具有显著的技术经济效益和社会效益。该成果不仅适用于司马矿区煤矿，而且还可向国内类似条件矿井推广应用，具有广阔的应用借鉴前景。

［1］杨本生，耿学良，孙利辉，等.五阳矿厚煤层巷道底鼓机制及控制研究［J］.采矿与安全工程学报，2012(1).

［2］何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(16):2803－2813.

［3］李明远，王连国，易恭猷，等.软岩巷道锚注支护理论与实践［M］.北京:煤炭工业出版社，2001.

［4］薛亚东，康天合.回采巷道围岩结构特征及变形破坏规律研究［J］.太原理工大学学报，2000，31(4).

［5］樊克恭，翟德元.巷道围岩弱结构破坏失稳分析与非对称控制机理［M］.北京:煤炭工业出版社，2004.

［6］冯志强，康红普，杨景贺.裂隙岩体注浆技术探讨［J］.煤炭科学技术，2005，33(4):63－66.

［7］井欢庆.受动压影响的顶板巷道底鼓机理与控制技术研究［D］.淮南:安徽理工大学，2011.

［8］李迎富.潘三矿深井动压回采巷道围岩稳定性分类及其支护设计［D］.淮南:安徽理工大学，2006.

［9］李克信，李甲栋，孙利辉.孤岛工作面遇断层采动应力分布规律研究［J］.煤炭科学技术，2012，40(7):13－16.