注浆加固锚索在切顶卸压沿空留巷超前支护中的应用研究

潘 永

（枣庄矿业集团有限责任公司柴里煤矿，山东 枣庄 277000）

柴里煤矿采煤工作面顺槽超前支护目前主要使用超前液压支架，相较于传统的单体柱+Π 型梁支护，大幅提高了顺槽超前支护强度，降低了职工劳动强度，但仍存在超前支架移动困难、反复支撑降低顶板完整性、巷道断面使用率低等问题，尤其是切顶卸压沿空留巷的超前巷段受动压影响，围岩变形较大，超前支架的使用不利于留巷工艺的实施。

1 概况

23上631 工作面位于236 采区东北部，工作面北部为373、374 工作面采空区，南部为井田保护煤柱，西部为徐庄断层，东部为未开采区（23上632工作面）。工作面走向长度378.9～390.1 m，倾斜长度93.5～172.6 m，开采标高-199.7～-226.1 m。开采二叠系山西组3 煤，煤层赋存稳定，平均煤厚5.09 m。工作面采用ZY6800/24/50/115 型液压支架。23上631 工作面沿空留巷范围为23上631 轨道巷里段及其通道段，总长290 m。煤层顶底板煤岩力学性质见表1。

2 沿空留巷超前应力分布

由采场矿山压力理论可知，随着工作面回采推进，直接顶冒落充填采空区，上覆基本顶岩梁在直接顶冒落一定长度达到其初次来压步距后破断，并随推采在采空区上方发生“O-X”周期性破断特征，而采场两侧顺槽根据岩层结构特点形成如图1 所示的“砌体梁”稳定结构，沿空留巷正处于这种基本顶自稳结构下方。因此，沿空留巷上覆基本顶形成的“砌体梁”结构，尤其是弧形三角块（B 块）的受力特点，是影响留巷围岩及其构筑墙稳定的主要力源。体的承载力是决定巷道围岩变形程度的关键因素。

图1 沿空留巷顶板结构及应力分布特征

4）围岩变形稳定阶段。当工作面推进远离一定范围时，采动影响基本消失，采空区内上覆顶板垮落结构基本稳定。由于扰动应力源消失，沿空留巷围岩变形逐渐趋于稳定。

沿空留巷自顺槽成巷、切顶留巷至采后封闭的整个服务周期内，主要经历1 次掘巷扰动和2 次回采扰动影响，抛开第二次采动影响时巷道已经废弃，其围岩应力变化及变形特点可分为4 个阶段，具体如图2。

图2 沿空留巷围岩变形阶段划分

1）掘巷期间的弱变形阶段。受掘巷扰动应力场作用，巷道周围原岩应力重新分布并形成应力集中，巷道围岩在一定范围内出现塑性变形，随着顺槽掘进延伸，扰动影响逐渐远离，巷道应力场建立新平衡，围岩变形趋于稳定。通常该阶段扰动影响有限，围岩表现弱变形特点。

2）超前采动影响阶段。工作面回采期间，受超前支承压力作用，掘进期间建立的巷道围岩应力平衡状态被破坏，围岩塑性区较第一阶段发生显著变化，围岩变形明显增大。该阶段内巷道围岩变形发生区域一般在工作面100 m 以内，特别是在工作面超前20 m 以内。

3）留巷渐次变形阶段。工作面推进至沿空留巷段后，由于强开采扰动影响，巷道变形速度较前一阶段显著提高，并在工作面后部附近达到峰值。此后，随着工作面逐渐远离，采空区顶板在一定时间内周期性坍塌，巷道的变形速度也呈现逐渐衰减的变化。在这一阶段，沿空留巷的支护方式和充填

3 注浆加固锚索支护

3.1 注浆锚索的加固机理

普通锚索具有抗拉强度高、延展性好的优点，而受浆体包裹的注浆锚索强度较于普通锚索可提高20%～30%。注浆锚索施工预紧后，通过其中间内置的空心注浆管向钻孔及周边裂隙灌浆，破碎围岩在浆液黏聚作用下形成具有一定强度的完整岩体，从而为锚索锚固提供受力物理基础，并提高岩体的自承特性。而浆液进入钻孔后可实现锚索自由端的全长锚固，进一步加强锚索与围岩的整体支护作用，提升锚索全长受力的均匀性，达到提高巷道围岩和支护体系强度的双重目的。顶板注浆加固后，围岩整体性和致密性得到强化，辅以巷道支护体系中原有的锚杆、锚索支护材料，可促进顶板“组合梁”结构的建立，增强顶板岩体的刚度和抗冲性，并保证上覆岩层荷载向两帮及底板的有效传递，避免顶板应力集中造成的围岩变形和破坏。

3.2 巷道支护方案

23上631 工作面轨道巷里段及通道通过预裂切缝爆破，将工作面顶板与顺槽顶板预裂，利用注浆锚索梁进行超前支护和补强加固[1-7]，控制顶板下沉量，使所留巷道围岩能最大限度地发挥自身的承载能力，保证留巷效果。

23上631 工作面轨道巷里段及通道设计断面尺寸为宽4.2 m，高3.8 m，采用锚网梯支护方式。顶部使用MSGLW-500/18×2400 mm 左旋预应力高强锚杆，间排距900 mm×900 mm，钢筋梯规格为长×宽=4000 mm×80 mm，设计锚固力为10 t，螺母扭矩为200 N·m。帮部使用MSGLW-500/18×2000 mm 左旋预应力高强锚杆，间排距为800 mm×900 mm，护帮皮带规格为长× 宽=3600 mm×200 mm，设计锚固力为5 t，螺母扭矩为200 N·m。顶部使用Q1860-Ф17.8 mm×6000 mm 锚索加强支护，每排一棵，锚固力20 t，钢筋梯使用Ф14 mm 的钢筋加工制作，使用8#铁丝金属菱形网护顶、护帮。支护图如图3。23上631 轨道巷及通道超前和补强支护采用注浆锚索梁支护，“一梁三索”，注浆锚索规格为Ф22 mm×6000 mm，工字钢梁为12#矿用工字钢，长度为4.0 m。锚索布置间排距为1600 mm×900 mm，超前支护长度不低于20 m。

3.3 应用效果

为分析采用注浆锚索支护后留巷围岩在工作面推进过程中的变形特征，在留巷内间隔一定长度设置十字观测站，观测巷道横向（两帮）、纵向（顶底板）变形量，得出测点典型变形曲线如图4。

从图4 中可以看出，随着工作面推进，该测点处围岩变形表现出先迅速增大后逐渐稳定的特点，并在距工作面120 m 后，其顶底板变形稳定在150 mm，两帮变形稳定在94 mm，表明顶板结构趋于稳定，巷道变形速率逐渐趋于零。

4 结论

以柴里煤矿23上631 工作面轨道巷里段及通道沿空留巷为背景，分析了沿空留巷超前应力分布特点和扰动变形影响阶段，阐述了沿空留巷服务期间四个阶段的应力和变形特征，提出采用注浆加固锚索代替超前支架进行主动支护方式控制留巷围岩变形，通过现场观测得出留巷顶底板和两帮收敛量均控制在200 mm 以内，顶板控制效果较好。