二次采动软煤巷道变形规律及锚注加固技术

李飞鹏

(山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 晋城 048000)

大采高综采具有回采工艺简单，资源回收率高等优点，目前已经成为我国3.5 m～6 m左右厚煤层安全高效开采的主要技术手段。其回采巷道布置多采用沿空留巷的布置方式，即上一工作面的运输(回风)顺槽通过加强维护保留下来作为下一工作面回风(运输)顺槽复用[1-2]。复用巷道通常服务年限约2～3 a，期间先后经历本工作面和下一工作面回采两次采动影响，尤其是下一工作面回采期间，复用巷道受到二次采动和采空区应力叠加影响，变形破坏严重，需反复维修，影响正常生产和采掘衔接[3-7]。

锚注加固浆液渗入岩体裂隙，既提高了破碎围岩的完整性有效改善岩体的承载能力，又可封闭浅部围岩、防止水分迁移以及风化作用引发的围岩崩解碎裂，与此同时，锚杆(索)通过预应力挤压将浅部围岩和深部围岩联结成一个整体，很好的发挥浅部围岩的承载能力，锚固体通过锚杆(索)的约束和抗剪作用，显著提高围岩的残余强度和承载力，进而维持巷道长期稳定[8-13]。换言之，注浆为锚杆(索)提供有效的着力点和均匀受力环境，锚杆(索)提高锚固体的抗剪切能力，二者相互配合协调进而发挥最佳支护加固效果[14-16]。目前煤矿相关工程技术人员对锚注加固的注浆加固时机、注浆材料选择、注浆和锚固的实施顺序以及锚杆(索)预紧力等方面的认识存在不足甚至是误解[17-18]。本文针对赵庄煤业13092复用巷道，在研究其变形规律的基础上，给出相应的锚注加固参数，并通过现场实测证明其合理性和有效性，可为同类条件下复用巷道围岩稳定性控制提供参考，具有重要的工程应用价值。

1 复用巷道变形规律

1.1 工程背景

赵庄煤业13092巷为1309工作面回风顺槽，全长约2 860 m，为1309和1310两个工作面服务，1309工作面正在回采，1310工作面尚未回采。13091巷和13092巷间留设60 m宽的保护煤柱，保护煤柱下方提前掘进1条底抽巷预抽瓦斯，以掩护13091巷和13092巷掘进。巷道与工作面位置关系见图1。

13092巷为矩形断面，净宽5 m，净高4.5 m。顶板每排5根锚索，间距1.1 m，排距0.6 m，锚索长度8.4 m；两帮每排5根锚杆，间距0.95 m，排距1.2 m，锚杆长度2.4 m，帮锚索每排2根，间距2 m，排距2.4 m，帮锚索长度5.4 m。

1.2 复用巷道变形破坏规律

为有效观察13092复用巷道的变形破坏规律，在巷道内布置5组表面位移测点，测点起始位置为切眼前方400 m，相邻测点间隔50 m，观测范围为工作面前方100 m至工作面后方1 200 m。两帮变形量、变形速度与工作面位置关系分别见图2-a、图2-b。

图1 13092巷与工作面位置关系图Fig.1 Position relationship of 13092 roadway and working face

2-a 两帮变形量与工作面位置关系

2-b 两帮变形速度与工作面位置关系图2 两帮变形曲线图Fig.2 Deformation curves of two walls

由图2-a可以看出，观测范围为50 m～-1 200 m，两帮累计移近量1 203.5 mm，根据现场统计，煤柱一侧变形量约900 mm～1 000 mm，超过两帮总变形量的75%。由图2-b可以看出，两帮变形速度具有明显的分区特征：

1)初始影响区(50 m～-200 m)，两帮移近量量不足150 mm，变形速度平均约4mm/d。

2)剧烈影响区(-200 m～-600 m)，两帮剧烈变形，移近量约679 mm，变形速度平均约12.1 mm/d，在-350 m～-450 m达到峰值，平均15.3 mm/d。

3)稳定区(-600 m～)，两帮变形速度逐渐下降，变形量388.5 mm，变形速度平均约4.6 mm/d。剧烈影响区和稳定区变形量占两帮总变形量的89.2%。

1.3 变形原因分析

1)高地应力。煤层埋深超过750 m，最大水平主应力为18.25 MPa，最小水平主应力为9.15 MPa，垂直应力为21.82 MPa。

2)煤质酥软。3#煤平均抗压强度值为7.07 MPa，强度测试曲线波动范围较大，反映出煤体松散、破碎，完整性差等问题。

3)煤体结构松散破碎。13092巷掘巷前通过底抽巷预抽瓦斯，煤柱一侧巷帮内部空洞大、异常破碎。

4)工作面后方侧向支承压力长期影响。1309工作面采高4.6 m，大采高综采一次采全高。回采后，矿压显现剧烈，顶板上方30 m以下不稳定岩层一次垮落。动载系数大，达到1.9。主关键层位于工作面上方65 m处，覆岩活动周期长，在工作面后方350 m～450 m才达到峰值。

5)帮部支护强度不足。帮锚索锚固力测试仅余5 MPa～8 MPa，巷帮整体鼓出，证明支护强度不足，无法阻止变形破坏向深部扩展，锚索长度不足，无法有效锚固。其中3)、4)、5)是造成煤柱一侧变形量极大的主要原因。

2 注浆加长锚固试验

锚索在巷帮支护当中发挥关键作用，必须提高锚索锚固力。根据现场测试，即使在采动影响区之外超前进行帮锚索补强，锚固力也仅有8 MPa～15 MPa，锚索没有起到应有的支护作用。究其原因有以下几点：1)煤体松散破碎，锚索锚固端无有效着力点；2)覆岩垮落高度达到30 m,远远超出锚索的有效长度；3)锚索采用端头锚固，锚固长度不够，所提供的锚固力不足，需要加长锚固长度。

针对以上不足，现场进行注浆加长锚固试验，以提高锚索锚固力。

第一步：选择锚索合理长度。在覆岩垮落稳定区域进行不同长度锚索的拉拔力测试，锚索采取端头锚固方式，使用相同的锚固剂量，锚索长分别取5.4 m、6.4 m、7.4 m、8.4 m、9.4 m，锚固力测试结果分别为8 MPa、10 MPa、12 MPa、16 MPa、17 MPa，从中可以看出，随锚索长度增加锚固力呈增大趋势，其中锚索长度由7.4 m增加到8.4 m时锚固力增幅最大，达到4 MPa/m，由8.4 m增加到9.4 m时，增幅回落到2 MPa/m。然而，即使锚索长度增加到9.4时，锚固力也仅为17 MPa，远低于25 MPa的设计要求。显然通过一味增加锚索长度来提高锚固力是不适合实际要求的，即单一通过加长锚索，无法使锚固力达到要求。

第二步：注浆深度的确定。综合考虑现场各因素，取锚索长度为8.4 m。进行三个不同注浆区域的锚索拉拔力对比测试。

1)未注浆区域，端头锚固方式，如图3所示。锚固力16 MPa，效果差，说明煤体内部空洞、破碎严重，必须通过注浆改善煤体内部结构。

图3 8.4 m锚索锚固剂端锚示意图Fig.3 8.4 m anchor cable and anchoring agent

2)注浆区域，端头锚固方式，锚固力约18 MPa～22 MPa，相比未注浆区域，锚固力提升作用较明显，可见注浆后有效改善了煤岩体的孔裂隙结构，锚固剂和煤岩体间的粘结力增强。

3)注浆区域，端头锚固方式，将前述锚索孔孔径由28 mm扩孔到42 mm或50 mm，锚索(直径22 mm)杆体与钻孔之间的间隙采用双液插管注浆，浆材选用晋煤技术研究院研制的联邦加固1号，如图4所示。测试结果显示：扩孔注浆长度0.5 m时，锚固力18 MPa～20 MPa；扩孔注浆长度2 m时，锚固力20 MPa～25 MPa；扩孔注浆长度4 m时，锚固力25 MPa～30 MPa；扩孔注浆长度6 m时，锚固力26 MPa～30 MPa。可见4 m以后继续增大扩孔注浆长度对锚索锚固力的增加不再产生大的影响。

综合考虑，现场实施采用锚索长度为8.4 m、先注浆、正常端锚、扩孔注浆长度不小于4 m。

图4 8.4 m锚索扩孔段注浆加长锚固示意图Fig.4 Grouting and lengthening anchoring of 8.4 m anchor cable expanding section

3 二次锚注加固机理及加固方案

3.1 二次锚注加固机理

允许围岩塑性区有控制的适度扩展，释放部分围岩集聚能，充分调动围岩的自身承载能力，可有效降低维持围岩塑性区极限平衡状态所需要的支护抗力[19-20]。强调锚注时机、锚注工序、锚注方式的重要性，其关键在于以下几个方面。

1)锚注时机与围岩变形相协调。注浆与围岩裂隙发育密切相关，1309工作未回采前，围岩受巷道掘进期的影响相对要小得多，基本保持原始孔裂隙状态，注浆效果差；1309工作面回采之后，受矿山支承压力影响，围岩内裂隙萌生、发育、扩展，形成严重破坏，此时注浆量大，但原锚杆(索)锚固失效，围岩破碎，完整性降低，即使注浆也无法完全恢复围岩的承载能力，因此一次锚注最佳时机应当在1309工作面回采影响初期。同时锚索补强应及早进行，越滞后煤体裂隙越发育，锚固力越不足；在经历1309工作面采动的剧烈影响期之后，锚固区煤岩体内部重新生成大量裂隙，应当及时进行二次补浆。

2)锚注方式与围岩变形相协调。一次锚注的目的是增强塑性破坏区围岩的完整性，发挥围岩的承载能力，通常塑性破坏区深度较小，采用浅孔注浆、锚索补强为主；受1309工作面回采的剧烈影响，围岩裂隙向纵深发展，破坏深度加大，因此，二次加固时，需要进行深孔注浆。

3)锚注工序与围岩变形相协调。当锚固力足够时，应先锚索补强再注浆；当锚固力不足时，先注浆改善煤体结构，然后，锚索补强立即进行，及时起到围岩控制作用。要求注浆材料应具备强度快速增长、快速提高锚固力的特性。

根据13092巷变形规律发现，两帮总变形量的89.2%集中在剧烈变形区和稳定区，剧烈变形区产生大变形的根本原因是一次支护强度不足，而稳定区变形量较大的主要原因是围岩破坏深度增大，一次支护锚杆索失效，围岩丧失大部分承载能力，即使稳定区顶板压力降低，围岩也无法有效承载，始终维持在相对较高的变形速度。因此，二次锚注加固的根本应在于提高一次支护强度，由于锚索锚固力不足，锚注必须在初始影响区之前进行，减小剧烈影响区巷道变形量和破坏深度，在稳定区及时进行二次注浆，提高残余承载能力，使围岩进入稳定状态。

3.2 一次超前锚注加固方案

13092煤巷锚固力不足，采取先注浆、后锚索补强的方式进行支护加固。

1)钻孔布置。钻孔分4 m和8.5 m两种孔深，错层交叉布置，均垂直于煤帮钻进，见图5。其中4 m注浆孔主要为封堵围岩浅部裂隙，8.5 m注浆孔主要为强化锚索锚固段围岩的胶结和完整性。

注浆材料选用晋煤技术研究院研制的联邦加固1号双液注浆材料，水灰比1：1.25时，初凝时间1 min～3 min，终凝时间5 min～10 min，2 h凝固强度10 MPa以上，1 d凝固强度16 MPa以上。

图5 一次注浆钻孔布置示意图Fig.5 Borehole layout of one grouting

2)煤柱一侧帮锚索补强。工作面一侧考虑采煤机割煤影响，不进行补强，只在煤柱一侧进行帮锚索补强。布置方式：①在原两排锚索正中补打一排锚索，补打锚索每排3根，新补打的一排锚索之间使用1根钢筋托梁连接在一起。②在原锚索两根之间正中位置再补打1根锚索，最终形成“三三三三三”锚索布置形式，补强锚索长度8.4 m，如图6所示。

实施顺序：超前工作面50 m进行，先进行注浆，再进行锚索补强，锚固力仍不足时配合注浆加长锚固法提高锚固力。

3.3 稳定区二次注浆方案

二次注浆滞后13092工作面煤壁600 m进行，注浆孔孔深12 m，孔径42 mm，分上、下排两排矩形布置，上排钻孔位置距煤层顶板3 m，上仰5°；下排孔位置距煤层底板2 m，水平钻进。

注浆材料选用晋煤技术研究院研制的联邦加固单液超细注浆材料，20 min～30 min内材料可流动，流动时间长可确保浆液在裂隙中充分渗透扩散，初凝时间60 min～80 min，终凝时间360 min～480 min，1 d强度可达16 MPa以上，3 d强度可达25 MPa以上，可满足围岩加固的需要。

图6 帮锚索补强示意图Fig.6 Anchor cable reinforcement

4 注浆效果分析

4.1 注浆量

注浆孔深4 m一次注浆平均单孔注入0.2 t浆材，孔深8 m一次注浆平均单孔注入0.5 t浆材；二次注浆平均单孔注入1 t浆材。

4.2 巷道变形

1)注浆加固区域与未注浆加固区域相比，呈现相似的规律，注浆加固区域也可分为初始影响区(50 m～-200 m)、剧烈影响区(-200 m～-600 m)和稳定区(-600 m～)。

2)注浆区域巷道两帮最终变形量598 mm，其中初始影响区变形量122 mm，占比20%；剧烈影响区变形量441 mm，占比74%，最大变形速度12 mm/d；稳定区变形量35 mm，占比6%，如图7所示。

3)与未锚注区域相比，两帮总变形量减小50%，其中，初始影响区减小2%，剧烈影响区变形量减小20%，稳定区减小28%。可以看出，一次锚注加固显著减小了剧烈影响区内围岩变形，并对稳定区围岩变形起到了控制作用，稳定区二次注浆后，变形速度快速减小，围岩快速进入稳定状态。

7-a 两帮变形量与工作面位置关系

7-b 两帮变形速度与工作面位置关系图7 注浆后两帮变形曲线图Fig.7 Deformation curves of two walls after grouting

5 结论

1)二次采动影响大采高煤巷变形可划分为初始影响区(50 m～-200 m)、剧烈影响区(-200 m～-600 m)、稳定区(-600 m～)，剧烈影响区和稳定区变形量占两帮总变形量的89.2%。

2)一次支护强度不足，剧烈影响区煤柱侧破坏深度过大是造成围岩变形量极大的根本原因。

3)采用注浆加长锚固提高锚固力试验解决了锚索锚固力严重不足问题。

4)强调锚注时机、锚注工序、锚注方式与围岩变形相协调，提出二次锚注加固方案，一次锚注加固在初始影响区之外进行，目的是提高一次支护强度，减小剧烈影响区围岩破坏深度，二次注浆加固在稳定区进行，目的是提高残余承载能力，使围岩进入稳定状态。

5)采用二次锚注加固方案后，两帮最终变形量598 mm，与未锚注方式相比，两帮总变形量减小50%，其中，剧烈影响区和稳定区减小48%。