復(fù)合頂板條件下錨網(wǎng)索噴及注漿加固支護(hù)應(yīng)用

黃超慧，鄢 耀，沈廣輝

(河南平頂山天安煤業(yè)九礦有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

我國(guó)煤炭產(chǎn)量大，每年巷道掘進(jìn)進(jìn)尺多達(dá)6 000 km以上，深部高應(yīng)力軟巖巷道占據(jù)10%以上[1]。且隨著開(kāi)采深度不斷加深，巷道支護(hù)難度也變得越來(lái)越大，特別是高應(yīng)力軟巖巷道、復(fù)合頂板條件常常表現(xiàn)出強(qiáng)流變的特性，圍巖變形控制難度較大[2-4]。

我國(guó)科研工作者對(duì)復(fù)合頂板條件下的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，取得豐碩成果。李國(guó)峰[5]等人提出深部軟巖巷道具有非線(xiàn)性大變形特征，單一的支護(hù)方式難以控制。孟慶彬[6]等人研究指出，隨著“錨注加固體等效層”參數(shù)的提高，巷道圍巖位移及塑性區(qū)隨之降低。黃慶享[7]等人提出了巷道支護(hù)要重視兩幫和底板的原則，為軟巖巷道支護(hù)理論與實(shí)踐提供了借鑒。王國(guó)強(qiáng)等[8]在小康煤礦通過(guò)采取高強(qiáng)錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架支護(hù)技術(shù)，最大限度發(fā)揮圍巖的承載能力，取得較好的支護(hù)效果。李書(shū)博[9]以-650斜井一號(hào)交岔點(diǎn)為工程背景，提出以?xún)?nèi)注漿錨桿為核心的“錨注法支護(hù)體系”，解決了深部軟巖及破碎帶內(nèi)支護(hù)難的問(wèn)題。孫珞[10]結(jié)合新陽(yáng)煤礦深部軟巖巷道的工程地質(zhì)條件及變形破壞機(jī)理，提出了一種高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，即錨網(wǎng)索噴+注漿+U型鋼支架。尹光志等[11]通過(guò)研究白皎煤礦井下高應(yīng)力軟巖巷道3種不同的支護(hù)工藝表明，適合高應(yīng)力軟巖巷道的最佳支護(hù)方式是預(yù)留剛隙柔層支護(hù)方法。

隨著支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，雖然出現(xiàn)了小棚距U型鋼支護(hù)、錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)和錨網(wǎng)索+U型鋼聯(lián)合支護(hù)等技術(shù)，但對(duì)于大斷面、大傾角、多向交叉等條件下的支護(hù)技術(shù)研究相對(duì)較少，而井下這類(lèi)條件的支護(hù)問(wèn)題較多。因此，針對(duì)這類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)條件探尋一種更有效的支護(hù)方法意義重大。

1 試驗(yàn)巷道概況

以平煤股份九礦公司己16-17-22050機(jī)巷外圍為試驗(yàn)巷道。己16-17煤層頂板從下往上依次為砂泥巖、砂巖及砂頁(yè)巖，區(qū)域內(nèi)己16-17煤層上距己15#煤層間距在12～15 m；底板從上往下為砂質(zhì)泥巖、L1灰?guī)r、泥巖及L2灰?guī)r。根據(jù)已采動(dòng)情況，己16-17煤層賦存不穩(wěn)定，傾角變化大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，預(yù)計(jì)對(duì)工作面施工造成一定影響。

己16-17-22050機(jī)巷外圍布置在己16-17煤層中，設(shè)計(jì)工程量50 m，屬于二水平的準(zhǔn)備巷道，用于行人和運(yùn)輸。該巷道北接己16-17-22050機(jī)巷底抽巷，并與己16-17-22050機(jī)巷底抽巷回風(fēng)道連通，南接己16-17-22050機(jī)巷回風(fēng)道，西臨己16-17-22050機(jī)巷回風(fēng)道，東接己16-17-22050機(jī)巷。

2 機(jī)巷外圍工作面支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 巷道布置及施工方法

己16-17-22050機(jī)巷外圍一部皮帶機(jī)頭交叉點(diǎn)，屬于大斷面、四通交叉點(diǎn)。機(jī)巷外圍二部皮帶機(jī)頭交叉點(diǎn)，屬于大斷面、大傾角(達(dá)到33°)、三通交叉點(diǎn)。該巷道因周邊巷道較多，錯(cuò)綜復(fù)雜，且2個(gè)大斷面交叉點(diǎn)距離較近，該區(qū)域壓力比較集中。開(kāi)口沿己16-17煤層頂板施工，巷道設(shè)計(jì)為梯形，前期采用炮掘施工，工作面采用刮板運(yùn)輸機(jī)配合皮帶外運(yùn)出渣；待工作面符合采用綜掘機(jī)進(jìn)行施工時(shí)，則采用綜掘機(jī)配合刮板輸送機(jī)和皮帶外運(yùn)出渣。

2.2 支護(hù)材料及布置方式

支護(hù)材料：巷道采用錨網(wǎng)+錨索+W鋼帶聯(lián)合支護(hù)形式，錨桿采用φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)錨桿(屈服強(qiáng)度500 MPa)，預(yù)緊力不小于320 N·m，錨固力150 kN。錨盤(pán)為熱軋鋼板沖壓成型的蝶形托盤(pán)，承載力不小于錨桿錨固力，規(guī)格為φ150 mm×10 mm，錨桿間排距800 mm×800 mm，樹(shù)脂藥卷混合使用2卷/根，其中MSK2850樹(shù)脂藥卷1卷/根，MSZ2850樹(shù)脂藥卷1卷/根；采用φ4-40 mm×40 mm的金屬網(wǎng)。錨索采用φ22 mm×7 000 mm長(zhǎng)鋼絞線(xiàn)，錨索托盤(pán)為熱軋鋼板沖壓成型的蝶形托盤(pán)，規(guī)格為φ300 mm×14 mm，間排距1 600 mm×1 600 mm，每排3根成矩形布置，樹(shù)脂藥卷混合使用3卷/根，其中MSK 2850樹(shù)脂藥卷1卷/根，MSZ 2850樹(shù)脂藥卷2卷/根。W鋼帶規(guī)格為4 600 mm×275 mm×4 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，護(hù)幫板規(guī)格為400 mm×300 mm(長(zhǎng)×寬)，采用舊U型鋼壓制而成。該支護(hù)屬于永久支護(hù)。

布置方式：工作面機(jī)巷外圍設(shè)計(jì)為梯形巷道，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，施工錨桿選用高強(qiáng)錨桿φ22 mm×2 400 mm，間排距800 mm×800 mm，錨索采用φ22 mm×7 000 mm鋼絞線(xiàn)，間排距1 600 mm×1 600 mm。巷道中心凈高3 300 mm，巷道凈寬4 600 mm，凈斷面15.18 m2。己16-17-22050機(jī)巷外圍巷道支護(hù)斷面示意如圖1所示。

圖1 機(jī)巷外圍巷道支護(hù)斷面

2.3 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)

巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，其中機(jī)巷外圍一部皮帶機(jī)頭交叉點(diǎn)，屬于大斷面、四通交叉點(diǎn)。機(jī)巷外圍二部皮帶機(jī)頭交叉點(diǎn)，屬于大斷面、大傾角(達(dá)到33°)、三通交叉點(diǎn)。該巷道因周邊巷道較多，錯(cuò)綜復(fù)雜，且2個(gè)大斷面交叉點(diǎn)距離較近，該區(qū)域壓力比較集中。隨著工作面往前推進(jìn)導(dǎo)致該巷道特別是交叉點(diǎn)處頂板下沉、底鼓嚴(yán)重、兩幫位移量較大。生產(chǎn)期間也對(duì)己16-17-22050機(jī)巷里段兩幫補(bǔ)打單體柱和對(duì)頂板補(bǔ)打錨索梁加固技術(shù)，對(duì)底鼓區(qū)域進(jìn)行拉底處理。通過(guò)頂板離層儀和表面位移觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析基本無(wú)變化，說(shuō)明里段通過(guò)補(bǔ)打單體柱和錨索梁可以使巷道圍巖達(dá)到穩(wěn)定。但是對(duì)己16-17-22050機(jī)巷外圍兩幫補(bǔ)打單體柱和對(duì)頂板補(bǔ)打錨索梁加固技術(shù)，以及底鼓區(qū)域進(jìn)行拉底處理，通過(guò)頂板離層儀和表面位移觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，變化仍比較明顯，仍需采取進(jìn)一步加固措施。

3 注漿加固技術(shù)

己16-17-22050機(jī)巷外圍工作面，機(jī)巷入口受工作面壓力影響，存在20 m的頂板破碎帶，煤層酥軟節(jié)理、層理裂隙發(fā)育，一般圍巖比較破碎，頂板不完整，礦壓大，煤層和巖體十分疏松有分離，極易掉落，給交岔點(diǎn)帶來(lái)安全威脅。經(jīng)研究決定，采取固安特加固頂板煤體。

3.1 注漿加固材料特征

注漿加固材料選用固安特CM-11，反應(yīng)前材料常溫下為液態(tài)，具有良好的滲透性，可滲透到微小的裂隙中；反應(yīng)時(shí)間短，快速固結(jié)，固化物強(qiáng)度高，粘結(jié)性能強(qiáng)，良好的柔韌性可以承受地層壓力的長(zhǎng)期作用；并且該材料具有強(qiáng)抗?jié)B性能、抗磨、抗沖擊性能和抗老化性能，達(dá)到長(zhǎng)久穩(wěn)固巖體的目的。固安特CM-11技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

在高壓注漿過(guò)程中，注漿壓力為2 MPa，注漿擴(kuò)散半徑1.5～2 m，現(xiàn)場(chǎng)以松散煤體滲出漿液為止。

3.2 注漿加固方式

在機(jī)巷外圍20 m破碎帶采用五花孔，交岔點(diǎn)皮帶巷、空巷位置前20 m作為加固段，采用三花眼密實(shí)布置在皮帶巷兩幫加固注漿。

表1 固安特CM-11技術(shù)參數(shù)

注：所有參數(shù)測(cè)試溫度：23±2℃。

布孔方式：第1排3個(gè)孔注漿方式在距頂板中心打1個(gè)孔。左右1.3 m的距離各打1個(gè)孔，即煤幫距第1個(gè)孔0.4 m。第2排2個(gè)注漿孔，在第1排左右2孔之間各布1個(gè)孔，排距3.5 m，如圖2所示。

a-鉆孔布置；b-跳孔注漿圖2 注漿鉆孔布置與跳孔注漿

加大封孔深度：注漿孔垂直巷道打孔，孔深5～6 m。在該段注漿時(shí)加大花管注漿的深度，適當(dāng)安裝無(wú)孔注射管，其后再注入化學(xué)材料固安特，注漿效果較好。

補(bǔ)充注漿：當(dāng)遇到煤巖層破碎程度較大時(shí)，常規(guī)方式不能滿(mǎn)足控制效果，此時(shí)可適時(shí)調(diào)整，在該區(qū)域補(bǔ)打鉆孔進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

跳孔注漿：在注第1個(gè)孔時(shí)，跳過(guò)中間孔，鉆進(jìn)第3個(gè)孔，第3個(gè)孔注漿后，再在中間鉆孔注漿，即順序按1-3-2進(jìn)行，如圖2所示。目的是防止鉆孔打好固安特竄漿廢孔，還可以根據(jù)兩邊注漿情況，如注漿壓力、注漿量等情況及時(shí)調(diào)整中間鉆孔的注漿參數(shù)。注漿量根據(jù)破碎的裂隙實(shí)際情況來(lái)決定，且加大使用花管(花管起到錨桿作用，又利用化學(xué)材料的擴(kuò)散)。

3.3 加固結(jié)體的網(wǎng)絡(luò)骨架作用

漿液經(jīng)擠壓或滲透到圍巖縱橫交錯(cuò)的裂隙中固結(jié)后，在圍巖中形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。漿液固結(jié)體呈薄厚不一的片狀或條狀，可相互連通形成網(wǎng)絡(luò)骨架。固安特化學(xué)材料和煤體的固結(jié)體具有良好的韌性和粘結(jié)性形成整體，當(dāng)外載增加時(shí)，固化加固材料發(fā)生變形但不破壞，載荷主要由強(qiáng)度較高的煤、巖體承擔(dān)，這樣圍巖的破壞條件由原來(lái)的裂隙弱面強(qiáng)度條件向接近煤體強(qiáng)度條件轉(zhuǎn)化，其效果如圖3所示。當(dāng)煤、巖體應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度發(fā)生較大變形時(shí)，固化加固結(jié)材料的網(wǎng)絡(luò)以其良好的韌性和粘結(jié)強(qiáng)度起到骨架作用，提高圍巖的殘余強(qiáng)度，限制圍巖破壞的擴(kuò)展，從而改善維護(hù)狀況。

圖3 均質(zhì)(煤)巖注漿后柔性網(wǎng)絡(luò)骨架

4 支護(hù)效果分析

己16-17-22050機(jī)巷外圍及大斷面、大傾角和多向交叉點(diǎn)巷道采用錨網(wǎng)索噴+注漿補(bǔ)強(qiáng)加固支護(hù)工程實(shí)踐，并由現(xiàn)場(chǎng)頂?shù)装逑鲁?、表面位移及礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，錨網(wǎng)索噴有效地起到了懸吊作用和注漿改變圍巖巖性的雙重效果，大大減小了圍巖變形量。巷道頂?shù)装迨諗苛枯^原支護(hù)減小60.6%，兩幫位移量減小59.3%，而且錨索等支護(hù)體受力良好，逐漸趨于穩(wěn)定。圖4為己16-17-22050機(jī)巷外圍及交叉點(diǎn)掘進(jìn)期間測(cè)點(diǎn)頂板離層儀變形圖，圖5為己16-17-22050機(jī)巷外圍及交叉點(diǎn)掘進(jìn)期間巷道兩幫位移變形圖。

圖4 掘進(jìn)期間測(cè)點(diǎn)頂板離層儀變形圖

圖5 掘進(jìn)期間巷道兩幫位移變形圖

巷道頂?shù)装逡平亢捅砻嫖灰谱冃瘟吭谠ёo(hù)段和注漿補(bǔ)強(qiáng)后進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，總體上巷道圍巖在變形前的25 d內(nèi)變形量較大，該期間原支護(hù)段巷道頂?shù)装逦灰屏?35 mm，平均移近速率為9.4 mm/d；兩幫位移量在27 d內(nèi)移動(dòng)較大為267 mm，平均移近速率為9.9 mm/d。采用注漿加固后25 d內(nèi)頂?shù)装逡平科骄鶠?9.5 mm，平均移近速率為3.18 mm/d，兩幫位移量平均為65 mm，平均移近量為2.6 mm/d。通過(guò)采用錨網(wǎng)索噴+注漿補(bǔ)強(qiáng)加固后，巷道整體變形量比原支護(hù)段少了一半以上。

在觀(guān)測(cè)的6個(gè)月內(nèi)，巷道變形量最初在25～30 d內(nèi)變形較為嚴(yán)重，平均移近量為9.9 mm/d，兩個(gè)月后變形逐漸平穩(wěn)，平均移近量為3.18 mm/d。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)采用錨網(wǎng)索噴+注漿補(bǔ)強(qiáng)加固后，巷道整體變形量比原支護(hù)段少了一半以上。

(2)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)分析巷道注漿加固后，有效地改善了巷道的承載力，使巷道的頂?shù)装搴蛢蓭推扑閲鷰r起到了較好的粘結(jié)和加固作用，有效地控制了頂板的穩(wěn)定性。

(3)錨網(wǎng)索噴+注漿加固技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用有效地延長(zhǎng)了巷道維修返修周期，大大降低了巷道返修率，節(jié)約了成本，同時(shí)為安全、高效生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。