注浆锚索在采准巷道局部应力集中区中的实验与应用

文/许景存

开滦能源化工股份有限公司吕家坨矿业分公司是1968年投产的矿井，经改扩建现年产量300万吨。吕家坨矿业分公司根据现场巷道围岩及支护情况，针对在采准巷道局部应力集中区巷道，提出以新型中空注浆锚索为主体的锚注支护系统，进行锚注支护设计，支护效果良好，经济和社会效益显著。

一、锚注加固巷道基本情况

吕家坨矿业分公司目前可采煤层有7、8、9、12四层。5383工作面位于-800水平三采，主采8层煤，其周围的7、9、12层煤均已回采完毕，其附近的5325工作面正在回采。5383集中轨道巷为设计施工长度212m，为几个工作面的掘进及回采服务。本项目加固段为轨道集中巷上端约25m长的巷道，此段巷道的里端位于采空区的边缘。8层煤为较稳定中厚煤层，平均煤厚为1.92m，平均倾角14°，半亮，中硬。7、8煤平均层间距2.8m，7煤层平均厚度3.9m。8煤层直接顶为2.8m厚的泥岩与中砂岩互层。

5383轨道集中巷原有支护方式采用金属拱型支架为永久支护，支护材料为25U10.4㎡金属拱型支架，棚间距600mm。顶部铺设8m×0.6m或8×0.8m塑编网插背小板。在现有条件下，此段巷道约半年修复一次。

二、支护设计及施工工艺

1.巷道围岩变形分析

根据现场情况分析，导致5383轨道集中巷变形的因素主要有：

（1）岩性差，承载能力低。5383集中轨道巷围岩强度低，容易风化松散。

（2）高地应力持续作用。5383集中轨道巷位于上、下煤层开采区域的边缘，处于典型的近距离煤层群开采应力集中区域内，并且受多次回采动压影响。

（3）支护方式、支护强度。此段巷道采用U型钢架棚支护，金属支架存在两个缺陷：一是与锚杆/锚索支护相比较属于被动支护，不能及时承载,也不能发挥围岩的自撑能力；二是对围岩变形适应能力差,若架型与来压方式不一致,经常出现支架拒缩现象，且一旦出现拒缩现象,单靠其自身强度根本不足以抵御高地应力对围岩和支护体所产生的强大载荷,表现为支架折损率高。

巷道开挖破坏了原岩应力平衡，应力重新分布，形成次生应力场；次生应力超过围岩强度，靠近巷道表面部分的围岩便首先进入塑性屈服状态；当表面围岩无法承受高应力的作用时，应力进一步向深部围岩转移，次生应力重新分布；如此循环，围岩的塑性范围不断扩大。能使这个过程停止下来的条件是：围岩靠自身的残余强度再加上人工支护体提供的支护阻力与次生应力场建立起新的平衡。显然，需要能够提供高支护阻力，并且能够适应此段巷道围岩性质的新型支护方式。

2.支护方案

吕家坨矿业分公司根据现场巷道围岩及支护情况，分析应力集中区巷道持续变形的原因，提出以新型中空注浆锚索为主体的锚注支护系统，进行锚注支护设计。具体支护方案如下图所示。

5383集中轨道巷锚注加固中空注浆锚索布置形式断面图

（1）每个断面两帮布置4根φ22×6000注浆锚索，顶板3根φ22×8000注浆锚索，配专用托盘，每个钻孔使用一卷MSCK2860树脂锚固剂。注浆锚索间距从中间那根算起间距1200mm，排距1600mm。

（2）所采用的中空注浆锚索主要技术参数如下：锚索索体直径φ22mm，强度1760Mpa，破断力≥420KN，安装孔径φ32，注浆压力≥5.0MPa，最大7.0MPa。

（3）注浆所采用的添加剂主要技术参数如下：ACZ-Ⅰ型水泥注浆添加剂外观为砖红色粉末，为便于井下搬运操作，每包20kg，采用防潮包装，其主要技术指标如下：膨胀率0.5～0.8%，1d抗压强度25MPa，28d抗压强度72MPa，添加量占水泥量8%，重量为20kg/袋。

（4）主要注浆设备采用MG-150型风动注浆设备，其主要技术参数：气源压力0.5～0.63MPa，气缸直径φ150mm，输出压力11MPa，出浆量60lpm，耗气量50m3/h，重量 17.1Kg。

（5）水泥浆搅拌机：采用风动搅拌设备，每套搅拌设备由一个搅拌机和一个搅拌桶组成。搅拌机放置在搅拌桶上面，搅拌桶的侧面是一个底部与搅拌桶连通的方形筒，注浆泵吸浆口即插入该方形筒内。这种安装配合非常便于操作和注浆完成以后整套设备的冲洗。

3.施工工艺

注浆锚索施工工艺流程主要包括：

（1）钻锚索孔：用锚索机采用φ32钻头钻锚索孔，孔深为“锚索长度-50mm”，并将锚索孔内的岩粉用水或风吹干净。

（2）固定锚索：将树脂锚固剂放入钻孔，然后插入锚索并搅拌。

（3）安装止浆塞、托板、螺母→连接注浆机：通过快速接头将锚索尾部和注浆机连接。

（4）注浆：开动注浆机，浆液注入锚孔中，直到锚索尾端不再出气且注浆压力达到设计值为止。

（5）取下注浆接头，进行下一根锚索注浆，直到所有锚索注浆完毕。

4.观测结果

注浆加固施工期间，在加固巷道内均匀布置4个表面测站。经过六个多月的表面观测，结果表明：巷道顶板下沉量最大65mm，最小-25mm，平均7mm。两帮相对移近量最大140mm，最小62mm，平均103.5mm。能够满足采准巷道保持必要断面的基本要求。

三、结论

1.本次试验段长约25m，经过六个月的观测表明，顶板平均下沉量为7mm，两帮相对移近量平均103.5mm，巷道变形量较小。采用这种新型锚注加固试验所需材料成本比架棚支护减少750元/m。同时，与其周围相类似条件巷道半年内修复1～2次相比，采用这种新型锚注支护减少了巷道修复次数，减小了劳动强度，更为重要的是这种锚注支护要比架棚修复更为安全。

2.新型锚注支护不仅在技术上可行、安全上可靠、经济上合理，而且它的实验成功，为吕家坨矿业分公司和其他煤矿解决采准巷道局部煤柱区巷道维护问题提供了一条成本低、速度快的好方法。