注浆锚索在沿空巷道围岩加固中的应用

乔 越

（山西宏厦第一建设有限责任公司 ，山西 阳泉 045008）

1 工程概况

新景矿80116工作面主要开采15#煤层，工作面标高488～513m，煤层均厚7.25m，平均倾角6°，直接顶为均厚0.93m的泥岩，直接底为均厚0.1m的砂质泥岩。工作面东面为80114工作面采空区，南面和西面分别为待开采的80117和80118工作面，采掘工程平面图如图1所示。

图1 80116工作面采掘工程平面图

2 沿空巷道围岩加固方案确定

2.1 锚注加固方案及材料选择

新景矿80116工作面回风巷采用矩形断面，巷道宽为4.7m、高为3.0m，沿15#煤层底板掘进，区段煤柱留设宽度为15m。80116工作面回风巷一侧为实体煤，一侧为采空区，巷道两侧围岩受力不均匀，尤其在采空侧悬臂结构影响下，巷道围岩破碎严重，塑性区向围岩深部发育，针对此情况，在新景矿80116工作面回风巷距离工作面切眼340～570m范围对巷道围岩进行锚注加固工程应用。

图2 中空注浆锚索巷道补强支护方案

中空注浆锚索巷道补强支护方案如图2所示。顶板：垂直于顶板布置2根直径为22mm、长度为7200mm的中空注浆锚索，锚索安装位置为距离巷道两帮300mm处，施工钻孔深度为7000mm，锚索排距为700mm，预紧力不小于250kN。两帮：煤柱帮布置直径为22mm、长度为4800mm的中空注浆锚索，帮部锚索呈“二一二”三花布置，上部锚索距离巷道顶板800mm，垂直于巷帮布置，下部锚索距离巷道底板600mm，朝巷帮斜向下30°布置，施工钻孔深度为4500mm，帮锚索排距为700mm，预紧力不小于250kN。巷道内中空注浆锚索详细参数见表1。

中空注浆锚索在锚索的基础上，采用新型中空结构、螺纹锁紧方式，不打滑，实现小孔径、大吨位，施工安全便利，可实现锚注一体、全长锚固、抗腐蚀、强度高、柔性好、锚固力强等功能，中空注浆锚索技术参数见表2，中空注浆锚索如图3所示。本次工程试验选择φ22×7200mm和φ22×4800 mm两种规格。

表2 中空注浆锚索技术参数

注浆材料选用注锚剂，为双液混合材料，分为A、B两种类型，双液混合后粘度相对较低，能够渗入到煤岩体裂隙内，快速反应后生成强度及韧性均较高的固结体，将原本松散破碎的围岩胶结为一个整体，使其抗拉及抗剪强度得到提高，受力更加均。注浆时选用ZBQS-8.0/12.0型气动注浆泵，该泵体积和重量较小，方便井下移动和使用，可实现无极调速，使用过程中安全可靠。对沿空巷道的锚注加强支护选择在本工作面回采前进行，注浆压力通常选取3～5MPa，若围岩相对破碎，则选取较小的注浆压力，若围岩完整性较好，则选取较大的注浆压力，通常注浆时间按30～50s选取，当注浆管不再进液时停止注浆工作。

2.2 注浆材料及参数

本次中空锚索注浆加固采用的注浆材料为锚注剂，状态为液态，成分为高分子改性树脂，是由A、B两种组分组成，主要应用于井下破碎松散煤体、岩体裂隙等不良岩层注浆加固，凝固快可以很快解决煤岩层破碎、裂隙问题。注锚剂的主要技术参数见表3：

表3 注锚剂主要技术参数

中空注浆锚索可分为联接段、灌浆段和锚固段三部分，由锚索索体、托盘、锁具、止浆塞等部件构成。锚索索体是大强度、螺旋式、大应力的钢丝紧密螺旋在一起的。顶部锚固段为实心，通过施工机具的搅拌作用，在孔底实现端部锚固，中部有柔性注浆管并设置出浆口，孔口处设置锥形止浆塞，其结构形式如图3所示。

图3 锚索结构形式

由中空注浆锚索注浆时应保证煤岩体内部裂隙被浆液所填满，通过浆液的胶结作用将破碎的煤岩体整合为一个整体，从而将巷道围岩稳定性提高，当孔内注入的浆液开始溢出且无法继续注入时，停止注浆工作，每个钻孔内注入的浆液量可由下式计算：

式中：Q为单孔注浆量，m3；A为浆液损耗系数，取1.3；L为注浆段长度，取4.8m；R为浆液在煤岩体内的扩散半径，取1.5m；β为煤岩体裂隙率，取0.1；λ为浆液的充填系数，取0.8。将相关数值带入计算可得，单孔注浆量约为4.12m3。

3 矿压观测

通过矿压观测，对巷道锚注支护效果进行分析，并及时发现存在的问题或不足，以便对锚索支护参数进行优化，对技术方案进行调整，真正发挥锚注支护的安全、经济优越性。在巷道内布置14个测站，其中两个测站位于试验区域前方，其余测站位于试验区域内，分别对它们进行监测。初始测站距离工作面开切眼300m，测站间距20m，测站布置如图4所示。每个测站内对巷道围岩位移量和顶板锚索受力情况进行观测。

图4 矿压监测测站布置

3.1 巷道表面位移

以锚注加固区域前测站1、锚注加固区初始段测站4、锚注加固区中间段测站8和测站9四个不同阶段的测站作为研究对象，取每个测站内两个测面监测的平均值作为最终值，80116工作面回风巷回采期间各测站围岩变形观测曲线如图5所示。

图5 巷道围岩变形观测曲线

由图5可知：

1）1#测站、4#测站、8#测站和9#测站，顶底板移近量分别为1125mm、1024mm、905mm和855mm，两帮移近量分别为 1357mm、1194mm、1078mm和1050mm，锚注加固区内巷道围岩变形量明显小于未加固段。

2）测站8～9平均顶底板移近量880mm，测站4顶底板移近量1024mm，与锚注加固区外1#测站顶底板移近量1125mm相比，分别减少了21.8%和9.0%；测站8～9平均两帮移近量1064mm，测站4两帮移近量1194mm，与锚注加固区外1#测站两帮移近量1357mm相比，分别减少了21.6%和12.0%；可见锚注加固区中间段测站8～9受加固段外围岩变形影响小，能够真实反映出锚固支护效果，锚注加固区初始段测站4受加固段外围岩变形影响较大，但仍能起到一定的加固作用。

3）围岩变形观测结果表明，对巷道采用中空注浆锚索锚注加强支护后，巷道围岩强度得到增强，围岩形变量得到减小，满足了回采巷道生产要求。

3.2 巷道顶板锚索受力

以锚注加固区域前测站1、锚注加固区初始段测站4、锚注加固区中间段测站8和测站9四个不同阶段的测站作为研究对象，根据各测站内锚杆（索）测力仪所测数据，取每个测站内两个测点监测的平均值作为最终值，各测站锚索受力变化曲线，如图6所示。

图6 锚索受力曲线

由图6可知：

1）受采动影响初期，锚索受力平缓增加，有效控制了巷道围岩初期的离层、滑动等扩容现象，增加的工作阻力能够有效扩散到围岩中，有利于保护锚固范围内围岩的完整性；

2）锚注加固区域中间段测站8～9处所测锚索受力平均为325kN，锚注加固初始段测站4处所测锚索受力平均为295.3kN，与锚注加固区外1#测站锚索受力284.8kN相比，分别增大了12.3%和3.6%，可见锚注加固区中间段测站8～9受加固段外围岩变形影响小，能够真实反映出锚固支护效果，锚注加固区初始段测站4受加固段外围岩变形影响较大，但仍能起到一定的加固作用。

3）当锚索处于超前支撑应力增高区时，锚索受力快速增加，受力越大说明锚固效果越好，锚索的作用发挥越充分。根据监测结果，锚注支护范围内锚索所受载荷大于未锚注区域，说明锚注加固不仅能够增强围岩的完整性，而且能使锚索更有效锚固在岩体中，使其充分发挥悬吊等作用。

3.3 支护方案优化

现场矿压监测结果表明，锚注加固段巷道平均顶底板移近量880mm，与非锚注加固段巷道平均顶底板移近量1125mm相比减少了21.8%；锚注加固段巷道平均两帮移近量1064mm，与非锚注加固段巷道平均两帮移近量1357mm相比减少了21.6%；锚注加固段巷道锚索受力平均为325kN，与非锚注加固段巷道锚索受力284.8kN相比增大了12.3%，可见锚注加固后整体巷道围岩变形量及锚索受力状况得到了明显改善，但现场观察发现，部分锚注加固区段煤柱及顶板变形仍然较大。

针对以上所存在的问题，分析发现进行锚注加固时，当巷道围岩已极为破碎，浆液在围岩中的扩散半径将受到显著影响，需要减小注浆锚索间距，使相邻注浆锚杆浆液扩散半径能够相互搭接以形成稳固的承载整体。由此对原加固支护方案进行优化设计，主要在顶板中间增加一根直径为22mm、长度为7200mm的注浆锚索，以增强巷道支护强度。

4 结论

针对采空侧巷道围岩破碎问题，制定了中空注浆锚索加固方案，矿压观测结果表明，与未进行锚注加固时相比，锚注加固区内顶板和底板的相对移近量减少了21.8%，两帮相对移近量减少了21.6%，锚索受力增大了12.3%，锚注加固方案起到了显著的效果，针对部分变形严重区域，制定了补强加固措施，有效维护了沿空巷道围岩的稳定。