盧運良 劉 棟

（1.河南焦煤能源有限公司救護大隊；2.焦作煤業(yè)（集團）新鄉(xiāng)能源有限公司趙固二礦）

巷道圍巖穩(wěn)定狀況和控制的好壞直接關系到礦井的安全高效生產和經(jīng)濟社會效益。隨著煤層賦存特點的變化，開采深度不斷增加，表現(xiàn)出了地應力水平增加且應力水平呈現(xiàn)出非線性增加的復雜變化特點，巷道壓力顯著，變形量大，圍巖控制困難，降低回采速度［1-3］。我國從20世紀末以來錨桿支護技術得到快速發(fā)展，21世紀開始，錨桿支護技術理論開始實現(xiàn)自主發(fā)展探索，巷道圍巖支護技術水平得到不斷提升［4-7］。近年來，康紅普院士團隊［8-9］、何滿潮院士團隊［10-11］等行業(yè)學者進行了大量探索，成效顯著。本研究以趙固二礦為例，對回采巷道注漿錨索超前支護技術進行研究與應用。

1 工作面概況

趙固二礦隸屬焦作煤田，11012工作面位于一盤區(qū)西部，兩側的11030、14011工作面已回采完成，工作面長度為167.5 m，推進長度約2 050 m，煤層埋深約700 m，傾角3°～9°，屬于近水平煤層，平均煤厚2.3 m，工作面推進速度為4～5 m/d。受上分層開采頂板發(fā)生破斷、覆巖發(fā)生運移的影響，工作面長度方向范圍內來壓差異性較小?；夭善陂g工作面內存在矸石架間漏冒、煤壁片幫等現(xiàn)象。

2 巷道頂板巖石力學特性

2.1 試驗材料與方案

在11012工作面掘進期間分別在巷道不同位置收集圍巖巖石樣品，在井下預先用保鮮膜進行封裝處理，由于巷道頂板多為上分層開采后垮落壓實的巖塊，塊度較小，運至地面后將塊度較大的巖石試塊進行取心打磨，制成直徑50 mm、厚25 mm的圓盤試件進行巴西劈裂試驗，對于無法制作圓盤式件的巖塊進行點荷載試驗，所得試件如圖1所示。

巴西劈裂試驗采用120 t萬能伺服試驗機，按0.1 mm/min的加載速率進行加載，圓盤試件放置于壓力機的加圧板之間，直徑上下位置各放置1枚鋼釘墊片，以便在加載期間產生應力集中，記錄巖石試件受荷載作用下試驗力與變形數(shù)據(jù)。

點荷載試驗采用HDH-1B型點荷載試驗儀，將塊度50 mm左右的試件放置于試驗儀錐頭之間，緩慢加載使得試件被2個錐頭壓裂，試驗前對試件尺寸進行測量，試驗期間記錄試件破壞時的極限試驗力。

2.2 試驗結果分析

由巴西劈裂試驗結果分析可知：頂板巖石的抗拉強度為0.77～2.12 MPa，在巖石收載變形期間經(jīng)歷了常規(guī)的壓密—彈性—裂隙發(fā)育—破壞共4個階段，在這4個階段中巖石的壓力過程用時較長表現(xiàn)出試件中的裂隙發(fā)育程度較高，破壞后圓盤的斷裂面并非集中于拉應力集中的直徑位置，而是呈現(xiàn)出不規(guī)則破碎，破壞后形成2個以上塊體，從試驗結果的離散程度也可以發(fā)現(xiàn)，巷道頂板巖石由于前期的采掘工程擾動裂隙發(fā)育，導致巖石承載能力下降，破壞以裂隙為主導因素。

經(jīng)過點荷載強度計算可以得到頂板巖石的抗壓強度為9.57～58.28 MPa，平均強度為21.71 MPa；抗拉強度為0.48～2.91 MPa，平均強度為1.09 MPa；抗剪強度為1.16～7.07MPa，平均強度為1.63 MPa。由此可見，與巴西劈裂試驗結果相似，巖石強度受裂隙的隨機分布影響表現(xiàn)出的巖石強度離散度很大，從平均值可以發(fā)現(xiàn)巷道頂板巖石強度較弱，在施工期間需要對巷道圍巖進行高強度加固。

綜上分析可知：回采期間巷道在地應力和采動應力雙重作用下巖體損傷破壞，由于巖體中裂隙發(fā)育程度高，破壞后的巖塊難以形成結構自穩(wěn)，巷道變形嚴重，用常規(guī)的支護手段難以保持巷道圍巖穩(wěn)定。

2 注漿錨索超前支護理論模型

2.1 超前影響段頂板力學模型構建

頂板結構的穩(wěn)定性是影響超前段支護的重要因素，通過構建超前巷道頂板結構力學模型，研究來壓期與非來壓期頂板結構的穩(wěn)定性，使支護體與圍巖達到強度與剛度耦合，為超前支護提供理論依據(jù)。簡化后的上覆巖層-頂板-煤柱-底板形態(tài)如圖2（a）所示。將回采煤層和保護煤柱視為Winkler假設的可變形基礎。沿巷道走向方向斷面建立的力學模型如圖2（b）所示。

頂板上受均布載荷q（t）作用，其中q（t）是隨著距離工作面的遠近發(fā)生變化，受采動影響較大。頂板所受到的載荷為qx，垂直應力在煤壁邊緣達到最大值q1并在x1處降為0。

2.2 巷道頂板破壞判據(jù)

巷道頂板視為受上覆巖層隨動載荷與煤體基座支撐的Winkler梁，受到兩個相互作用的反力，據(jù)此建立的頂板撓曲線微分方程為

式中，E為頂板的楊氏模量MPa；I為慣性矩，kg·m2；y為撓度，m；k0為煤體剛度，N/m。

本研究通過基礎特征參數(shù)來表示基礎剛度與頂板抗彎剛度之間的關系，梁的撓度隨著x的增大而逐漸趨于穩(wěn)定，梁的兩端處為0，巷道頂板受隨動載荷q（x）作用、彎矩和剪應力分別為M0、Q0，假設巷道斷面上彎矩與撓度相同，巷道頂板受上覆巖層與煤柱的相互作用，頂板發(fā)生變形，產生拉應力與剪應力。當所處的應力環(huán)境超過頂板自身巖石強度時將發(fā)生破壞，即：

式中，σc為頂板受到的拉應力，MPa；[σc]為頂板巖石抗拉強度，MPA；τc為頂板受到的剪應力，MPa；[τc]為頂板巖石抗剪強度，MPa。

彎矩最大處即為拉應力最大位置，判斷此位置的拉應力與巖石的抗拉強度即可得到頂板巖巖梁的拉伸破壞判據(jù)為

超前影響區(qū)巷道頂板發(fā)生剪切破壞為剪應力最大位置處，最大剪應力計算公式為

式中，B為頂板寬度，m；h為頂板巖梁斷面厚度，m。得到剪切破壞判據(jù)為

采動應力超前影響區(qū)巷道頂板在采動影響下發(fā)生變形，根據(jù)得到的剪切破壞拉伸破壞判據(jù)，可獲得頂板破壞臨界點，針對影響頂板穩(wěn)定性的參數(shù)進行分析。本研究采用注漿錨索支護方法，提升巷道圍巖穩(wěn)定性，加強頂板承載能力。

3 注漿錨索超前支護施工工藝

中空注漿錨索參數(shù)取值見表1。注漿錨索索體前實后空，漿液注入鉆孔孔壁的裂隙以實現(xiàn)提升預緊力的作用，實現(xiàn)支護系統(tǒng)剛度提高5.8倍左右，抗剪強度提升0.5～0.8倍。水泥注漿材料相比化學漿液在強度、滲透性、經(jīng)濟性、防火、制備工藝、煤炭質量損傷等方面存在優(yōu)勢。結合礦井特點，建議試驗段選用水泥基注漿材料。試驗巷道選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，配合水玻璃作為添加劑使用。注漿錨索錨固劑為樹脂錨固劑，內外段錨固劑凝固時間需存在差異。

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本研究注漿錨索超前支護施工工藝除了包括常規(guī)錨索支護施工步驟外，還增加了止?jié){塞安裝、注漿和二次張拉3個工序。施工期間需要注意的是：工作面初次來壓前可依然采取單體支護進行超前支護，在基本頂初次來壓后，再在工作面前方留設100 m試驗段；回采期間遇到特殊地質條件時，通過補打錨索、支設單體等方式進行補強支護；當巷道頂板較為破碎時，選用槽鋼或鋼帶與注漿錨索組成錨索梁進行加強支護；錨索安裝2 d后，如果出現(xiàn)預緊力大幅度降低現(xiàn)象，應及時補充支護；注漿錨索自工作面煤壁向外施工距離不得小于70 m。

對現(xiàn)場注漿錨索進行受力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，支護強度超過了400 kN，施工工藝上實現(xiàn)了錨注協(xié)同作業(yè)。一體化成套工藝與設備的應用，提高了巷道圍巖支護效率，提升了圍巖控制效果。對試驗巷道區(qū)域進行頂板鉆孔窺視，注漿前后頂板裂隙分別如圖3和圖4所示。

由圖3、圖4可知：從巷道頂板鉆孔孔口位置處向上至3.0 m范圍為圍巖裂隙區(qū)，裂隙較為發(fā)育，多為水平裂隙，孔壁的部分巖層較為破碎，可以看到明顯的軟巖碎屑。3 m以上層位巖石完整性較好，無明顯裂隙。采用注漿錨索支護后圍巖破碎程度大大減小，橫向、縱向裂隙發(fā)育均不明顯，孔壁完整性較好，因此可以判斷注漿錨索對保障巷道圍巖穩(wěn)定具有良好的作用。

4 結論

（1）對巷道頂板巖石的強度特性進行巴西劈裂和點荷載試驗，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)離散度很大，表現(xiàn)出巖石的破壞受裂隙影響，裂隙分布的隨機性導致巖石力學特性的不穩(wěn)定性。

（2）建立了上覆巖層-頂板-煤柱結構的力學模型和頂板變形的微分平衡方程，分析得出彎矩最大位置和剪力最大位置分別易發(fā)生拉伸剪切破壞，并推導了頂板破斷的判別方法。

（3）研究了適合本工況的注漿錨索超前支護材料，所提出的注漿錨索超前支護施工工藝除了包括常規(guī)錨索支護施工步驟外，還增加了止?jié){塞安裝、注漿和二次張拉3步工序。

（4）通過使用注漿錨索支護后，巷道圍巖整體實現(xiàn)了高強全錨注一體化動態(tài)耦合控制，改善了巷道圍巖穩(wěn)定性，巷道大變形現(xiàn)象得到控制，淺層裂隙縱深發(fā)育得到了有效遏制。