中空注浆锚索在破碎围岩中的应用

高 雄

（晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司，山西 大同 037031）

巷道掘进期间遇围岩破碎带会出现顶板下沉，两帮收缩、片帮以及底鼓等现象，巷道掘进过程中围岩内部会形成松动圈，且随着应力的持续破坏作用，围岩松动圈范围不断扩大。对此类巷道传统的支护方法主要采用高强度锚杆（索）进行维护，而锚杆（索）在围岩松动圈内进行支护时，不仅支护钻孔施工难度大，锚杆锚固效果差，而且锚杆支护预应力在围岩裂隙内释放，无法通过杆体有效传递至稳定基岩内，从而大大降低了锚杆（索）支护强度。所以对处于应力区破碎围岩中的巷道采取合理有效的支护设计，对围岩控制、施工安全、巷道掘进效率等具有重要意义。

1 工程概况

晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司5310 巷位于三盘区东翼，工作面北部为8311 工作面（未开拓），南部为8309 工作面，西部为三盘区主要三条大巷，东至保护煤柱为界。

5310 高抽巷设计长度为2 610 m，巷道设计断面宽×高为4.8 m×3.7 m，巷道在3#与5#合并煤层中掘进，煤层平均厚度为8.96 m，平均倾角为4°，煤层结构复杂，煤层内含多层夹矸，夹矸总厚度为1.78 m，煤层局部区域存在煌斑岩侵入，3#-5#煤层顶底板岩性见表1。

表1 3#-5#煤层顶底板岩性汇总

根据5310 巷掘进地质报告，5310 巷掘进期间预计揭露9 条正断层，断层平均落差为1.4 m，倾角为52°，其中位于巷道322 m、657 m、1 420 m处揭露的F3、F5、F8三条断层落差相对较大，最大落差为2.6 m（F5断层）。

5310 巷采用EBZ260 型掘进机掘进，截至2021年2月11日巷道已掘进至648 m，由于受F5 断层影响，巷道掘进至640 m处时进入断层应力区，巷道围岩出现应力显现现象，主要表现在两帮收敛，顶板破碎等，巷道掘进至645 m处时顶板出现第一次冒漏，而原采用的锚杆（索）支护在破碎顶板中支护效果差，无法满足巷道掘进施工需要。

2 注浆锚索支护

2.1 支护原理

在应力区围岩施工注浆钻孔，对钻孔内锚注中空注浆锚索，并对锚索施加预应力，然后采用专用注浆泵，对中孔锚索进行高压注浆施工，注浆材料在压力作用下沿孔壁裂隙渗透，从而对孔壁裂隙进行粘接重组，同时在注浆过程中浆液将注浆锚索与孔壁进行粘接，从而改变了锚索的受力状态，实现了注浆锚索全长锚固，大大提高了锚索支护效果。

2.2 支护结构

5310 巷破碎顶板采用的注浆锚索长度为6.0 m，直径为35 mm，锚索为8 股中空状，中部孔直径为14 mm，注浆锚索楔头芯杆长度为1.5 m，主要用于树脂锚固；在楔头芯杆往外3.0 m范围内沿注浆锚索四周布置辅助出浆孔，见图1。在注浆锚索端头处安装止浆塞，注浆施工时采用注浆钢管与软管配套使用，注浆钢管直径为12 mm，注浆软管直径为10 mm。

图1 中空注浆锚索结构

2.3 注浆施工

（1）巷道掘进至650 m处时原顶板锚杆支护设计不变，将顶板单锚索更换为注浆锚索，每排施工三根注浆锚索，锚索间距为2.0 m，排距为3.0 m，注浆锚索施工在相邻两排钢带之间。

（2）注浆锚索钻孔采用MYT-190 型液压锚杆钻机施工，配套长度为1.2 m六棱钻杆以及直径为35 mm合金钻头，每排布置三个钻孔（1#、2#、3#），钻孔深度为6.0 m，其中中部2#钻孔垂直顶板布置，两帮1#、3#钻孔与两帮夹角为30°。

（3）钻孔施工完后依次对钻孔内锚注注浆锚索，每根锚索采用三支锚固剂锚固，锚固长度为1.2 m，锚固力不得低于290 kN。锚索锚固后在其外露端安装一块厚度为5 mm，长度及宽度为0.4 m拱形钢托板并采用锁具预紧，预紧力不低于220 kN。

（4）注浆锚索锚固后依次安装注浆软管、注浆钢管以及止浆塞，止浆塞为聚氨酯弹性塞，将注浆钢管与注浆泵连接进行注浆施工，注浆液采用聚氨酯化学材料，注浆压力为4.5 MPa，单孔注浆时间为15 min。

3 巷道顶板变形监测分析

2021年2月22日5310 巷已掘进至705 m处，巷道完全过F5 断层应力区，为了便于对巷道顶板变形观测，在应力区巷道顶板每隔10 m安装一台GUD500 型数显顶板离层仪，同时在注浆锚索施工前应力区顶板安装一台离层仪，离层仪深基点安装在顶板往上7.0 m处，浅基点安装在顶板往上2.5 m处，通过20 d现象观察对比分析发现：

1）应力区顶板未采用中空注浆锚索支护时，巷道顶板破碎、断裂现象严重，顶板支护效果差，在0～10 d范围顶板蠕动变形严重，顶板下沉量成直线上升趋势，在10 d内顶板下沉量达0.26 m，在10～15 d内顶板下沉量逐渐减小，在第10 d顶板下沉量达0.34 m，见图2。

图2 注浆锚索施工前后顶板变形曲线

2）应力区顶板采用注浆锚索支护后，在0～8 d范围顶板同样产生蠕动变形现象，顶板最大下沉量为0.17 m，在8～20 d范围内注浆后对围岩裂隙填充完全凝固，且注浆锚索对围岩实现耦合支护作用，顶板下沉量注浆减小，在第20 d顶板下沉量为0.22 m，满足应力区顶板支护要求。

4 结论

1）注浆锚索支护与传统锚杆（索）支护相比，通过注浆将钻孔壁裂隙岩体进行充分粘接，提高了孔壁附近岩体整体稳定性，加强了顶板承载能力，保证了锚索锚固效果，使锚索预应力能够有效地传递至稳定基岩中，同时注浆锚索实现了注浆与锚注同步支护作用，大大提高了锚索支护质量及强度。

2）注浆锚索施工采用支护孔兼做注浆孔，与传统注浆施工相比，减少了破碎顶板支护钻孔及注浆钻孔施工数量，提高了钻孔成孔率，降低了钻孔施工劳动作业强度，同时解决了传统破碎顶板因支护钻孔、注浆钻孔施工数量多，导致钻孔施工时对顶板产生扰动破坏作用。