应力区巷道“注浆锚杆+大应力锚索”协同支护技术应用

马泽源

（晋能控股集团晋城有限公司，山西 晋城 048000）

1 15111 运输巷概况

惠阳煤矿15111 运输顺槽位于井田的东南部，西部为15111 工作面，东部为15113 工作面采空区，南部为实体煤，北部为东辅运大巷。

15111运输顺槽设计长度为1250m、宽度4200mm、高度2800 mm、掘进断面11.76 m2。巷道掘进煤层为15 号层，煤层厚度1.3～3.6 m，平均厚度约1.86 m，部分发育0～1 层夹矸，矸厚0.10～0.35 m，结构简单。老顶为K2 灰岩，直接顶为黑色泥岩，底板为泥岩，老底为灰岩。煤层的物理性质：黑色、条带状、亮煤为主，夹带状镜煤，呈条带状结构和层状构造，煤层比较稳定。

15111 运输顺槽采用综合机械化掘进工艺，截止2021 年4 月17 日巷道已掘进480 m，巷道掘进至470 m 处时位于巷道东部为15113 工作面采空区，间隔保安煤柱宽度为18 m，工作面掘进至475 m 处揭露一条F5 正断层，断层落差为1.8 m、倾角为62°，巷道掘进至475 m 后进入采空区残余应力与构造应力集中区，受集中应力影响，巷道出现围岩应力显现现象，主要表现在顶板出现破碎、下沉以及局部锚杆（索）支护失效；两帮出现严重收敛现象；通过矿生产技术部现场对围岩变形监测发现，巷道掘进至480 m处时滞后迎头10 m 范围内顶板最大下沉量为0.42 m，两帮最大收敛量为0.59 m，顶板支护失效率达15%，严重制约着巷道安全快速掘进[1-2]。

2 巷道原支护设计

2.1 原支护方式

1）顶锚杆：初步设计中顶板主要采用螺纹钢锚杆进行支护，杆体长度为2.0 m、直径为20 mm，锚杆采用矩阵式布置，采用端头锚固方式，锚杆布置间距和排距均为1.0 m，其中两帮侧锚杆与帮部呈75°夹角布置。

2）帮锚杆：位于工作面侧巷帮锚杆主要采用型号为MGSC18/1800F 的玻璃钢锚杆，位于煤柱侧主要采用MSGLW-335/18×1800 金属锚杆，锚杆长度全部为1.8 m、直径为20 mm，锚杆布置间排距均为1.0 m，共计布置3 排，其中第1 排距顶板间距为0.4 m，且以15°仰角布置，第3 排锚杆以15°俯角布置。

3）锚索：原顶板采用的锚索长度为5.0 m、直径为17.8 mm，锚索采用“一二一”迈步式布置，同一排锚索间距为2.0 m、排距为1.0 m，锚索外露端主要采用拱形垫片进行预紧。

4）网片：顶板采用8 号铅丝编制的金属网进行护顶，顶板金属网长度为5.5 m、宽度为1.5 m，巷帮金属网长度为4.0 m、宽度为2.0 m，巷道每掘进100 m 进行断网一次铺设聚氨酯纤维网，每卷网长度为10 m、宽度为2.0 m。

2.2 原支护主要存在问题

1）锚固效果差：受集中应力影响巷道顶板产生塑性破坏区，形成围岩“松动圈”通过对破坏区施工深度为5.0 m、直径为75 mm 窥视孔发现，塑性破坏区范围扩展至顶板2.0～2.5 m 范围内，而原顶板采用锚杆长度为2.0 m，锚杆锚固端位于塑性破坏区内，导致锚杆锚固失效严重。

2）支护强度低：原顶板采用的锚索长度为5.0 m、直径为17.8 mm，锚索破断力为350 MPa，而且锚索布置数量少，在大应力作用下锚索支护强度低，很容易出现破断现象。

3）钢带支护截面积小：原顶板支护设计中顶板钢带采用M型钢带，钢带宽度为0.15 m，在实际应用时钢带支护截面积小、承载强度低，在应力作用下钢带很容易出现撕裂现象[3]。

3 协同支护技术应用

为了解决传统锚杆（索）在应力区围岩中支护时，支护强度低、支护失效严重等技术难题，决定对原顶板支护进行优化改进，提出了注浆锚杆、大应力锚索联合协同支护技术。

3.1 注浆锚杆支护技术

3.1.1 注浆锚杆支护原理

锚杆（索）支护时通过锚固剂锚固作用形成预应力传递通道，然后对杆体施加预应力形成预应力支护拱（梁），从而对不稳定围岩进行支护；但是传统锚杆支护、注浆支护为独立工序，增加了破碎顶板钻孔数量，加剧了顶板破碎力度；而注浆锚杆支护是对围岩进行锚杆支护后对杆体进行注浆，从而对钻孔壁裂隙围岩进行加固，同时实现了杆体全长锚固支护作用；注浆锚杆支护减少了钻孔施工数量，简化了支护工序，降低了劳动作业强度[4]。

3.1.2 注浆锚杆结构

1）注浆锚杆采用中空无缝钢管焊制而成，杆体长度为3.5 m、直径为30 mm，中部孔直径为15 mm，杆体壁厚为7.5 mm，杆体底端部为锚固端，采用实芯结构长度为1.0 m，锚固端至杆体端头处共计焊制5 排外围圆孔，圆孔直径为8 mm，布置排距为0.5 m，如图1 所示。

图1 注浆锚杆支护及结构示意图（单位：mm）

2）杆体外露端安装1 块长度为4.5 m，宽度为0.32 m“JW”型钢带，并采用螺母进行固定，注浆时在杆体中部埋入1 根直径为10 mm 注浆软管，软管一端与注浆泵连接。

3）注浆材料采用马丽散与催化剂配比为1∶1混合浆液，在注浆锚杆端头采用膨胀水泥进行封堵，封堵长度为0.5 m。

3.1.3 支护工艺

1）注浆锚杆与原顶板螺纹钢锚杆交错布置，采用“一二一”布置方式，即第1 排锚杆中第2、第4 根为注浆锚杆，第2 排锚杆中第3 根为注浆锚杆，第3 排与第1 排锚杆相同，如图2 所示；注浆锚杆布置间距为2.0 m、排距为1.0 m，如图2 所示。

图2 15111 运输顺槽应力区顶板优化后支护示意图（单位：mm）

2）采用锚索钻机对顶板施工1 排支护钻孔，注浆锚杆支护孔直径为35 mm、深度为3.5 m，注浆锚杆支护孔施工完后对钻孔内安装两支锚固剂并对注浆锚杆进行锚固。

3）注浆锚杆锚固后对孔口处采用膨胀水泥封堵，封堵15 min 后在同一排锚杆外露端安装JW 型钢带，并采用螺母进行预紧，预紧力不得低于200 N·m。

4）在注浆锚杆内安装注浆软管，连接注浆泵进行注浆施，注浆压力为3.0 MPa，单孔注浆量为10 kg，注浆稳压时间不得低于10 min，注浆完成后及时采用止浆塞对杆体端头进行堵塞[5]。

3.2 大应力锚索支护

为了进一步提高锚杆（索）悬吊及组合拱（梁）支护作用，将原顶板锚索更换为大应力锚索支护。

3.2.1 大应力锚索结构

大应力锚索主要由恒阻大变形锚索、让压器、锁具、JW 钢梁等部分组成；锚索长度为8.3 m、直径为21.8 mm，锚索采用“九股一芯”预应力钢绞线；让压器主要由涨压管、预应力弹簧等部分组成，让压器安装在钢梁与顶板岩体之间，最大让压行程为0.2 m；JW型钢梁长度为0.5 m、宽度为0.32 m，钢梁横截面成JW 型，如图3 所示。

图3 JW 型钢梁剖面结构示意图（单位：mm）

3.2.2 支护工艺

1）大应力锚索每排布置3 根，锚索布置间距为1.5 m、排距为3.0 m，锚索支护孔直径为30 mm、深度为8.0 m。

2）锚索支护孔施工完后钻孔内填装3 支锚固剂，锚固长度为1.55 mm，采用端头锚固方式，锚索锚固后外露长度为0.3 m；锚固后进行预紧，在预紧时确保让压器具有一定让压行程，确保围岩下沉时让压器能够实现自压动作。

4 应用效果分析

1）简化了施工工序：与传统注浆支护相比，注浆锚杆支护时锚杆支护孔兼做注浆孔，减少了顶板支护孔数量，缩短了支护时间，降低了劳动作业强度。

2）提高了支护质量：传统单锚杆支护时由于顶板破碎产生“松动圈”，支护体锚固端在松动圈内锚杆质量差，很容易出现支护失效现象；而注浆锚杆支护时实现了杆体全长锚固支护作用，同时支护钻孔破碎围岩进行注浆加固，提高了围岩稳定，保证了支护质量。

3）大应力锚索抗压、抗拉强度高，能够对不稳定围岩实现悬吊作用，避免了支护不足时造成不稳定围岩出现离层现象。

4）支护优化后在应力区顶板安装YH-300 型数字显示离层仪，并进行15 d 现场观察发现，应力区顶板采取协同支护技术后提高了顶板抗压能力，顶板下沉量控制在0.14 m 以下，两帮收敛量控制在0.25 m以下。

5 结语

通过对惠阳煤矿15111 运输顺槽应力区顶板支护进行优化后，在降低支护成本费用的同时提高了顶板整体稳定性，解决了大应力顶板支护难度大、支护效果差等技术难题，为类似地质条件下巷道支护提供了实践依据，取得了显著应用成效。