基于锚索注浆技术的深部高地应力巷道支护实践

马俊杰

（汾西矿业集团水峪煤业， 山西 孝义 032300）

0 引言

当前，我国井工煤矿开采逐渐向深部转移，深部采掘工作不同程度的面临高地应力环境下的围岩控制难题，需要向采掘空间周边的围岩施加更高的外部支护力，而且支护方案的设计应更契合具体围岩条件，增大支护强度、提高支护成本，可能达不到理想效果。面临深部高地应力巷道支护难题，我国煤矿科学工作者进行了大量研究和实践，提出了许多卓有成效的支护理论和技术，积累了丰富的支护经验，指出了深井巷道支护应允许合理范围内的围岩变形，即让压支护；提出了外部支护应着眼于形成统一的承载结构，该结构与围岩成为一体，共同承载深部围岩传递的载荷；提出了重视对围岩进行主动支护，同时更加重视围岩内部注浆支护，提高围岩强度及承载性能[1-5]。基于这些研究成果，近年来在深部巷道支护实践中，锚索注浆技术的应用逐渐增多，对高地应力条件下的巷道支护有极强的适用性，针对某煤业公司深井巷道的围岩支护难题展开研究，应用组合锚索注浆技术进行支护设计，并展开支护实践及效果分析。

1 工程概况

某煤业公司的采掘接续工作已延深至-950 m 水平，即矿井的第三水平，目前需要掘进该水平的回风大巷，巷道设计全长1 600 m，巷道断面设计为直墙半圆拱式，设计掘进宽度为5 300 mm、掘进高度为4 300 mm。回风大巷为全岩掘进，巷道顶板距离上部6 号煤层20～40 m，整个巷道将持续向破泥岩、砂岩等掘进，巷道顶板为中、细粒砂岩，巷道底板为砂质泥岩、泥岩及泥质砂岩等岩性，岩性及产状如表1 所示。由于回风大巷埋深较大，深井地应力特征较为明显，矿井对地应力开展过实测研究，测量数据显示，回风大巷掘进区域垂直应力数值介于10.3～17.5 MPa，最大水平应力数值介于11.5～16.4 MPa，呈现出垂直应力高于水平应力的特点，说明巷道掘进时的地应力还是以垂直应力为主，是典型的深井高地应力的表现特征。

表1 煤层顶底板岩性特征

2 围岩变形破坏特征及支护难点分析

1）高地应力特征明显。根据矿井地应力实测数据，回风大巷掘进区域垂直应力数值介于10.3～17.5 MPa，最大水平应力数值介于11.5～16.4 MPa，呈现出垂直应力高于水平应力的特点，是典型的深井高地应力的表现特征。同时，本水平轨道大巷、联络石门等巷道掘进过程中，肉眼可见到较为强烈的矿压显现。

2）巷道围岩初始变形迅速、累积量大。由于地应力大，当巷道掘进后，地应力迅速释放，造成巷道围岩的初始变形快速积累，一旦支护不及时，就可能造成顶板漏冒事故；或者围岩变形过大，损毁原有支护，需要进行巷道修复及重复支护。

3）深部围岩蠕变、不易形成承载结构。巷道掘进破坏原岩平衡状态，浅部围岩迅速向掘进空间位移，深部围岩持续蠕变，造成较大的围岩变形，同时，围岩的持续蠕变造成支护结构与围岩的整体性差，不易形成承载结构，全依靠外部支护作用明显不足，造成支护强度和刚度不足的假象。

4）不适用常规支护手段。巷断面较大，增大巷道宽度后，顶板岩层的拉破坏更为明显，破坏后岩层下沉，进而离层，矿压显现强烈，顶板下沉，底板鼓起，两帮鼓出，局部断面收缩严重，传统的锚网索支护方式效果不佳。应选择更合理有效的支护方式，使支护结构与围岩协同作用，共同承载，使支护作用更加合理有效。

3 巷道支护方案设计及应用

3.1 巷道支护方案设计

该工程条件下的巷道支护，应突出“让压”理念、“加固”理念及“协同”理念。“让压”理念是指允许一定程度的变形，这类变形是外部支护难以控制的，应在这类变形释放后施以正规支护，方能减轻支护的难度；“加固”理念是指重视注浆加固作用，提高掘进扰动后围岩的完整性，增强其承载能力；“协同”理念是指不应将外部支护视为独立结构，而应让外部支护与围岩结构协同作用，共同承载，减轻支护压力和难度[6-8]。基于此，设计巷道支护方案具体为：常规锚网喷+注浆锚索联合支护方式，即先进行锚网喷常规支护，再实施组合锚索及注浆支护。

3.2 具体支护参数设计

1）常规锚网喷支护参数。如图1 所示，沿巷道周边均匀施打锚杆，间距700 mm、排距700 mm，每排19根，使用Φ22 mm×3 000 mm 高强螺纹钢锚杆；普通锚索间距1 400 mm、排距1 400 mm，每排9 根，使用Φ21.6 mm×8 000 mm 预应力钢绞线锚索；金属网为孔径80 mm×80 mm 的钢筋网，钢筋规格为Φ6 mm，连网搭接长度为100 mm，双股14 号铁丝连网；喷射混凝土厚度为150 mm，使用C20 级普通硅酸盐水泥，水泥、沙子、石子的体积比为1∶2∶2，喷射时需要添加约3%的速凝剂。

图1 巷道支护方案设计

2）组合锚索参数及注浆支护参数。组合锚索由单体钢绞线锚索组成，每组3 根，每根规格均为Φ21.6 mm×16 000 mm，成排布置，每排布置4 组，间距2 400 mm、排距2 800 mm。每组3 根锚索中间需要打孔并安装Φ20 mm 注浆管及Φ8 mm 排气管，深部注浆孔深4 000 mm，浅部注浆孔深2 200 mm，每组锚索需要同时布置一个深部注浆孔及一个浅部注浆孔，深孔注浆压力为2.5～3.5 MPa，浅孔注浆压力为1.5～2.0 MPa。注浆使用标号42.5 硅酸盐水泥调制的水泥浆液。

3.3 支护效果评价

-950 m 水平回风大巷在掘进期间采用了上述常规锚网喷+注浆锚索联合支护方案，由于巷道围岩整体强度和完整性较好，掘进后在临时支护保护下，遵循“让压”理念，有序实施了常规锚网支护，并延缓实施了喷浆支护，在初始变形基本稳定后，实施了组合锚索及注浆支护，成功进行了巷道掘进及支护实践。经过巷道支护后的矿压观测，以其中5 个测点的平均值为例，掘进后围岩破碎有一个变形迅速发展期，之后实施喷浆支护及组合锚索注浆支护，变形迅速得到控制，最终顶板下沉量累积变形达到62 mm，而临近轨道大巷使用普通支护时的顶板下沉量接近120 mm，对比情况如图2 所示；同样，使用组合注浆锚索支护下底鼓变形量累积值为190 mm，普通支护底鼓累积值为508 mm，对比情况如图3 所示；使用组合注浆锚索支护下两帮移近量累积值为100 mm，普通支护两帮移近量累积值为301 mm，对比情况如图4 所示。矿压观测结果显示，设计的支护方案较好的适应了巷道条件，能够保障巷道围岩稳定及安全生产。

图2 顶板下沉量变化曲线

图3 底鼓变形量变化曲线

图4 两帮移近量变化曲线

4 结论

1）对深部回风大巷掘进期间面临的围岩变形破坏特征及支护难点进行分析，回风大巷掘进区域垂直应力数值介于10.3～17.5 MPa，最大水平应力数值介于11.5～16.4 MPa，呈现出垂直应力高于水平应力的特点，是典型的深井高地应力特征。

2）提出了该工程条件下巷道支护应突出“让压”理念、“加固”理念及“协同”理念，并针对性地设计了常规锚网喷+注浆锚索联合支护方案，即先进行锚网喷常规支护，再实施组合锚索及注浆支护。

3）采用设计的联合支护方案进行工程实践，巷道整体围岩变形控制较好，相比临近采用普通支护方式的轨道大巷，以其中5 个测点的平均值为例，顶板下沉量控制在62 mm，改善率为48.3%；底鼓量控制在190 mm，改善率为62.6%；两帮移近量控制在100 mm，改善率为66.8%。整个生产过程中未发生恶性冒顶片帮事故，安全生产得到保障。