中空注浆锚索在孤岛工作面中的应用

郭爱萍

（晋煤集团晟泰公司矿山技术服务分公司， 山西 晋城 048000）

1 工作面概况

152310工作面北部为152308工作面采空区和152312工作面采空区，南部为152311工作面采空区，西部为152311工作面采空区，东临152309区段运输巷，西部为村庄保护煤柱。工作面所采煤层为3号煤层，设计走向长度为340 m，倾斜长度为345 m，煤层倾角平均为6.5°，煤层均厚3.0 m，中间含有1层均厚0.35 m的夹矸，工作面属稳定可采孤岛工作面。152310工作面直接顶为均厚2.2 m的砂质泥岩，基本顶为均厚3.2 m的中细粒砂岩，底板为均厚3.1 m的泥岩-泥质砂岩。工作面设计两条顺槽，即1523102巷和1523104巷，均沿顶板掘进，分别用于进风、运煤和回风、运料，两巷设计断面（宽×高）为5.0 m×3.0 m，在掘进过程中揭露多条正断层，其中落差超过1 m的共计11条。工作面采场选用ZY5000-18/38型支架进行支护，两巷采用锚网索支护，两巷超前段采用单体柱配合11号矿工钢架设托棚进行支护。

2 孤岛工作面顺槽破坏分析

3号煤层为矿井主采煤层，自矿井大力推广锚网索支护以来，综采工作面顺槽支护质量得了明显的提高，巷道拉底和扩修工作量得到了大幅度降低。然而对于3号煤层孤岛工作面而言，尽管采用锚网索支护，但是仍然难以有效控制巷道收敛变形，甚至在设备安装前的掘进期间需要对巷道进行重新翻修，在回采过程中还要多次进行拉底和扩修，劳动强度大，不利于工作面安全高效回采。为了掌握3号煤层工作面顺槽破坏特征，以152310孤岛工作面为研究对象，通过现场观测和分析：巷道收敛以帮鼓和底鼓为主要形式，其中两帮收敛量平均可达2120 mm，顶底收敛平均可达987 mm，两帮和顶底收敛量占了设计断面的38.5%和25.9%，严重影响了工作面通风、行人等。为了了解顶板破坏特征，对研究工作面顶板打设多个窥视钻孔，结果显示，3号煤层孤岛工作面顺槽顶板离层较为普遍，其中离层多发生在顶板上方3～6 m范围内，离层总量平均为12 mm，顶板离层的存在极大地破坏了顶板岩层的完整性，不利于顶板控制管理；普通锚网索支护一定程度改善了巷道支护状态，但是在109、207孤岛工作面两巷可见锚杆被拉断现象尤其是动压区范围内，支护体系变形失效较为常见，说明采用普通锚网索支护难以有效保证3号煤层孤岛工作面巷道稳定；断层附近顶板较为破碎，稳定性较差，“网兜”现象明显增多，个别锚杆被拉出，说明支护仍需进一步加强。

3 孤岛工作面顺槽支护优化

3.1 中空注浆锚索支护机理

中空注浆锚索由中空杆体、锚头、止浆塞和锁具等单元组成，巷道开挖后，巷道原岩应力发生改变，围岩表面围岩裂隙发育，巷道周围形成所谓的“松动圈”，“松动圈”的存在容易造成巷道支护体系失效[1-3]。通过中空锚索支护，可促使浆液通过中间杆体进入围岩裂隙，将破碎的围岩黏结在一起，提高围岩的整体性和强度；同时，注浆锚索又可发挥普通锚索的悬吊、组合拱、组合梁和挤压作用，将径向挤压应力转为切向应力，有效预防围岩松动圈的扩大和发展，这样促使围岩在较小的支护作用下即可达到围岩的相对稳定[4]。另外，中空注浆锚索的使用又可将端头锚固改变为全长锚固，促使锚索与围岩形成统一整体，充分发挥锚索的支护作用，有利于提高支护作用。对于矿井3号煤层孤岛工作面而言，顺槽煤体在采空区侧压作用下容易产生变形破坏，顺槽围岩破坏深度相比于普通顺槽更大，中空注浆锚索可有效发挥其围岩加固作用，有利于提高巷道的稳定性。

3.2 中空注浆锚索支护方案

考虑到3号煤层围岩特性和孤岛工作面顺槽破坏特征等因素，决定优化原锚网索支护方式，提出在152310孤岛工作面两顺槽实施“中空注浆锚索+锚杆+金属网”的支护方案，具体为：

1）顶板支护：顶锚杆选用规格为Φ20 mm×2400mm的高强螺纹钢锚杆，锚杆间排距为940 mm×800 mm，同时配备150 mm×150 mm×10 mm的方形钢托盘，每根锚杆采用MSCK2355型锚固剂两卷，要求锚固力不低于75 kN。顶锚索采用Φ22 mm×7300 mm的中空注浆锚索，该型锚索破断力不低于420 kN，强度为1760 kN，锚固长度为1000～1500 mm，注浆压力为5～8MPa，中空注浆锚索间排距为1800 mm×1600 mm，要求锚索预紧力不低于150 kN，每根锚索使用三卷MSCK2355型锚固剂进行锚固。顶板采用规格1.2×6 m的金属网进行护顶，金属网搭接不低于200 mm。

2）两帮支护：帮锚杆选用规格Φ20mm×2000 mm的高强螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800 mm×940 mm，托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm的钢托盘，每根锚杆采用两卷MSCK2355型锚固剂锚固，要求锚固力不低于50 kN。两帮补加中空注浆锚索，注浆锚索规格为Φ22 mm×4000 mm，锚固长度为1000 mm～1500mm，注浆压力5～8MPa，锚索间排距为1600mm×1800 mm，每根锚索使用三卷MSCK2355型锚固剂进行锚固，要求帮锚索预紧力不低于120 kN。护帮所用金属网与护顶金属网规格和搭接方式相同。

3.3 支护效果分析

为了掌握152310孤岛工作面顺槽支护效果，以回风巷1523102巷为研究对象进行了巷道稳定性观测。结果表明，在距掘进头80 m范围内为巷道变形区，其中距离掘进头20 m范围为距离变形区域，巷道两帮累计收缩变形量为350 mm，约为巷道设计宽度的6.3%；顶底板收缩累计为370 mm，约为巷道设计高度的9.7%，仅为未使用中空注浆锚索的巷道两帮和顶底板收敛量的16.5%和37.5%，巷道围岩控制较好，能够满足巷道通风、行人、运煤等诸多要求。为了掌握使用中空注浆锚索后巷道顶板离层情况，沿顶板向上每隔30 m施工一个窥视钻孔，由窥视结果可知，顶板离层现象不明显，仅在顶板上方3～6 m出现局部离层现象，离层总量平均为3.2 mm，为未使用注浆锚索支护前的26.7%，离层控制效果较好。

图1 152310孤岛工作面顺槽支护参数（mm）

4 结语

通过中空注浆锚索的使用，能够有效的促使破碎岩体黏结在一起，提高巷道围岩的整体性和强度，且能够促使支护体系与围岩形成统一整体，提高巷道的稳定性。152310孤岛工作面顺槽支护实践表明，通过中空注浆锚索的使用，顺槽收敛量不超过巷道设计断面尺寸的10%，顶板离层量降低了70%以上，达到了巷道支护预期目的，经济效益显著。