王光勝，楊永剛，張 輝，李世輝，張 濤，楊張杰，徐永良

(1.淮河能源礦業(yè)(集團)有限責任公司 煤業(yè)分公司，安徽 淮南 232095；2.安徽省煤炭科學研究院 礦山支護技術(shù)中心，安徽 合肥 230001；3.淮南東華歐科礦山支護設(shè)備有限責任公司，安徽 淮南 232000)

以中空注漿錨桿(索)為基礎(chǔ)的預應(yīng)力全長復合錨固及錨注一體化綜合支護技術(shù)已成為煤礦巷道支護的重要手段之一，該技術(shù)利用中空的錨桿(索)兼做注漿管，進而實現(xiàn)預緊及時支護、全長錨固和圍巖注漿三位一體多重功能的綜合加固技術(shù)[1-3]。隨著巷道支護技術(shù)的進步，本技術(shù)的研究及應(yīng)用不斷深化。在中空錨索加固機理研究方面，李桂臣[4]采用理論計算和數(shù)值模擬方法研究了中空注漿錨索注漿前后剪應(yīng)力的分布規(guī)律；黃中峰等[5]研究分析了注漿錨索幾何形狀引起的錨索結(jié)構(gòu)件間的相互力學作用，為注漿錨索承載能力的設(shè)計提理論依據(jù)；劉娜[6]采用FLAC3D模擬分析了中空注漿錨索在全長錨固時錨索在不同拉拔載荷下圍巖和錨索的應(yīng)力位移演化規(guī)律以及錨索軸力演化特征。在中空錨索研發(fā)方面，李希勇[7]研發(fā)了1570強度等級的預應(yīng)力中空注漿錨索，并用于深部煤礦井大斷面巷道及硐室支護中取得了較好效果；馬振乾[8]研發(fā)了1760強度等級的中空注漿錨索，較好的解決了蘆嶺煤礦II82采區(qū)上山受劇烈動壓影響、架棚支護效果差的問題；毛宏遠[9]等將1860強度等級的中空注漿錨索加固技術(shù)應(yīng)用于呂家坨礦深部巷道支護，保證了巷道支護安全。

由上述分析可見，以中空注漿錨桿(索)為基礎(chǔ)的預應(yīng)力全長復合錨固及錨注一體化綜合支護技術(shù)能夠解決部分復雜巷道的支護難題，推動了巷道支護技術(shù)的進步。然而，在煤礦井下實際使用中，中空注漿錨索仍然存在不同程度的退錨、索體破斷等支護失效問題，嚴重的導致頂板離層過大甚至冒頂。本文基于高強度等級中空錨索開發(fā)結(jié)合線性錨索束結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了高強度等級中空錨索與線性錨索束協(xié)同支護技術(shù)，并通過井下工程應(yīng)用驗證了該支護技術(shù)的有效性。

1 高強度等級中空錨索研發(fā)

目前國內(nèi)常用中空注漿錨索強度等級主要有1570MPa、1670MPa、1760MPa、1860MPa等幾種，又由于其特殊的中空結(jié)構(gòu)，導致錨索索體承載能力較常規(guī)實心錨索顯著降低。以1860MPa等級，直徑22mm的中空錨索為例，經(jīng)實驗室拉拔測試，錨索極限承載力為430kN，為同直徑實心錨索的70%左右。

由于中空注漿錨索特有的中空結(jié)構(gòu)，導致整體強度損失，當巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境顯著惡化，而又未及時調(diào)整支護參數(shù)時，極容易發(fā)生中空錨索破斷等支護失效問題，嚴重的導致冒頂[10]。從國內(nèi)中空錨索使用情況來看[11-16]，目前的中空注漿錨索支護技術(shù)是作為常規(guī)錨索網(wǎng)支護的必要補充，還不具備作為巷道主要支護單元的條件。

1.1 高強度等級中空錨索結(jié)構(gòu)及力學參數(shù)

為提高中空注漿錨索支護可靠性，避免由于強度不足而導致的中空錨索破斷等問題，研發(fā)了2060MPa高強度等級中空注漿錨索及其配套鎖具，索體由外圈8根特種預應(yīng)力鋼絲和注漿芯管編織而成，索體直徑22mm，鋼絲抗拉強度為2060MPa。

經(jīng)實驗室測試，高強度等級中空注漿錨索關(guān)鍵力學參數(shù)見表1。由檢測結(jié)果可見，錨索整體承載能力平均達到了668kN，超過了?22mm、1860強度等級實心錨索，同時靜載錨固系數(shù)、伸長率、疲勞載荷性能等指標滿足了國家和行業(yè)標準。

表1 高強度等級中空注漿錨索力學參數(shù)

1.2 井下承載性能實測

為檢驗2060MPa高強度等級的中空注漿錨索及其配套鎖具實際承載能力，選擇顧橋礦北二回風大巷進行了破壞性拉拔試驗。

試驗錨索規(guī)格：?22mm×7300mm；數(shù)量2根，配套KM22-2060鎖具；試驗工況：①鉆孔滿注(全長復合錨固)；②鉆孔未注漿(端部錨固)；注漿材料：礦用無機充填加固材料[1]；張拉機具：100t空心千斤頂。

實驗步驟：①鉆機施工孔深6.6m、?32mm錨索安裝孔；②安裝1卷Z2550錨固劑實現(xiàn)端部錨固；③安裝錨索托盤、KM22-2060錨具，張拉預緊力至設(shè)計值(120kN)；④采用KWJG-3型材料按0.32水灰比進行制漿(配套使用水灰配比控制裝置)，漿液制好后進行注漿，注滿為止，注漿料約12kg；⑤注漿7d后，進行破壞性張拉試驗。

由試驗結(jié)果可見，2060MPa高強度等級的中空注漿錨索實際最大承載力(破斷)均可達640kN左右。工況1(鉆孔滿注，全長復合錨固)，錨索的破斷斷口在孔口外(錨具夾片處)，三根鋼絲拉剪復合破斷，其余為拉破斷，如圖1所示；工況2(鉆孔未注漿，端部錨固)，錨索的破斷在自由段，斷絲位置距孔口1.3m左右，參差不齊，斷口呈梅花形。

圖1 中空注漿錨索井下試驗照片

1.3 中空錨索預應(yīng)力全長復合錨固機理

根據(jù)高強度等級中空注漿錨索安裝工藝，第一步實施端部錨固并預緊張拉，第二步實施注漿，形成全長復合錨固。因此從力學本質(zhì)上來說，屬于拉力分散型錨索，即通過兩種錨固材料(里段為樹脂錨固劑；外段為礦用無機充填加固材料)，實現(xiàn)同一鉆孔內(nèi)不同錨固段的分時分段錨固。

第一步，即張拉預緊階段未注漿前，里段樹脂錨固劑固化，并提供支護阻力，及時支護頂板。剪應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 中空錨索全長復合錨固機理

第二步，滯后一定距離中空錨索注漿后，外段礦用無機充填加固材料固化并產(chǎn)生錨固力。當頂板來壓大于張拉預緊力時，此錨固段開始承受頂板壓力，并且此后增長的頂板壓力將全部由第二錨固段承擔。

由此可見，預應(yīng)力全長復合錨固錨索的剪應(yīng)力被分散到兩處，降低了錨固段的應(yīng)力集中程度，顯著提高了錨索錨固可靠性。

2 線性錨索束協(xié)同支護技術(shù)

大量的數(shù)值計算與礦壓觀測結(jié)果表明，巷道頂板巖層運動不僅包括垂直位移(離層)還有不同程度的水平錯動，而單根錨索難以抵抗頂板巖層的水平位移，由此導致錨索的破斷多表現(xiàn)為拉剪復合破斷[17-20]。為防止圍巖水平移動變形導致的錨索在孔口段的硬剪切破壞和自由段的軟剪切破壞，提出了線性錨索支護技術(shù)。

2.1 線性錨索束設(shè)計

線性錨索束主要由1000mm長14#槽鋼梁、小墊板以及長度差異化的錨索組成，如圖3所示。具體由1根規(guī)格?21.8mm×7700mm錨索+1根規(guī)格?21.8mm×9200mm錨索+1根規(guī)格?22mm×6300mm SKZ22-1/2060型中空注漿錨索+長1000mm的11#工字鋼梁+3塊200mm×65mm×18mm托板組成。

圖3 線性錨索束設(shè)計(mm)

2.2 中空錨索與線性錨索束協(xié)同支護機制

1)不同長度的錨索與其他常規(guī)錨索實現(xiàn)梯級錨固，避免內(nèi)錨段在同一巖層層位發(fā)生應(yīng)力集中。

2)三根錨索集中布置，提高單位面積上錨索數(shù)量，共同抵抗圍巖水平變形，避免錨索各個擊破。

3)利用線性錨索束上布置的高強度中空注漿錨索實現(xiàn)對錨索束中所有錨索的全長錨固，進一步提高抗剪切能力。

4)通過提高外錨構(gòu)件的剛度，避免外錨端剛度不足導致的錨索孔口剪切破壞。

5)通過提高外錨強度以及加長錨索的設(shè)置，從而構(gòu)建巷道淺部松散破壞圍巖與深部穩(wěn)定巖性的力學聯(lián)系。

3 協(xié)同支護技術(shù)工程應(yīng)用

以淮南礦區(qū)顧橋礦1127(1)運輸巷巷修工程為背景，開展了高強度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護技術(shù)的現(xiàn)場試驗，以驗證其支護效果。

3.1 巷道原支護形式及破壞特征

1127(1)運輸巷標高-945.2～-831.8m，2倍巷道寬度范圍內(nèi)圍巖以砂質(zhì)泥巖、泥巖、細砂巖、粉細砂巖為主。巷道主體斷面為直墻半圓拱形，原支護采用錨網(wǎng)索及噴漿支護。

第一支護單元為?22mm×2500mm高強錨桿配合10#菱形金屬網(wǎng)支護。錨桿間排距為900mm×900mm，頂部采用 1卷K2550+2卷Z2860樹脂錨固劑實現(xiàn)全長錨固；幫部采用2卷Z2860樹脂錨固劑，錨桿安裝扭矩不低于200N·m。

第二支護單元為錨索加強支護。錨索規(guī)格為SKP22-1/1860/6200mm礦用錨索，“4-0”單體布置，采用3卷Z2860樹脂錨固劑錨固，預緊力≥180kN。

第三支護單元為噴射砼封閉圍巖。噴漿層厚度100mm，強度C20。

由于巷道埋深大、巷道走向與主應(yīng)力方向夾角大、且受到1127(1)運輸巷掘進影響，巷道破壞較為嚴重。具體表現(xiàn)為：①頂板局部斷裂、松動破碎、而且網(wǎng)兜及撕網(wǎng)現(xiàn)象普遍；②支護體破壞較為嚴重，錨桿、錨索及后期補打的T3錨索組合鋼帶均有不同程度的破壞。

為探清巷道破壞程度，確定合理的巷道修護參數(shù)，采用高清工業(yè)內(nèi)窺鏡對巷道圍巖進行了多組鉆孔窺視，如圖4所示。鉆孔窺視結(jié)果表明頂板為泥巖及砂質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)，頂板上方有多層煤線，頂板3m以下較破碎，頂板最大破碎深度達到5.2m。

圖4 原巷道圍巖鉆孔窺視結(jié)果

3.2 協(xié)同支護技術(shù)方案

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，提出了高強度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護技術(shù)方案，如圖5所示。

圖5 高強度中空錨索與線性錨索束協(xié)同支護技術(shù)方案(mm)

1)挑頂補網(wǎng)，并加補破斷錨桿及破斷錨索：頂板下墜處挑頂補網(wǎng)，按間排距800mm×900mm補打常規(guī)錨桿和中空注漿錨桿，常規(guī)錨桿參數(shù)為MSGLW-400/?22mm×2500mm。每2排常規(guī)錨桿間隔布置1組?24mm×2500mm中空注漿錨桿，采用1卷Z2360樹脂錨固劑錨固，預緊力矩不小于180N·m。原支護錨索破斷位置補打?21.8mm×7700mm錨索。

2)補打加長錨索和線性錨索束強化頂板：將頂板錨索由“4-0”布置加補為“4-5”布置，加補錨索規(guī)格為?21.8mm×7700mm，間距1200mm。為了強化頂板支護，每隔3排交替布置1組/2組錨索束，錨索束參數(shù)如圖6所示。SKZ22-1/2060型中空注漿錨索配套KM22-2060型錨具使用。

3)噴漿，噴漿材料選用具有早強、速凝特性的礦用無機速凝噴射復合砂漿[1]，噴層厚度50～60mm。

4)“一注”中空錨桿注漿：噴漿后進行“一注”中空錨桿注漿，重構(gòu)淺部圍巖。采用久米納礦用無機充填加固材料注漿，水灰比0.35左右，注漿壓力：5～6MPa，注漿穩(wěn)壓時間3～5min。

5)頂板“二注”線性錨索束上中空錨索注漿：注漿壓力8～10MPa。注漿材料及其余注漿參數(shù)同上。

3.3 圍巖變形控制效果分析

1127(1)運輸巷采用高強度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護技術(shù)修護后，采用鉆孔窺視、礦壓觀測等手段，對圍巖變形控制效果進行分析。

巷道修護后鉆孔窺結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，巷道多輪次立體注漿修護后，鉆孔內(nèi)注漿結(jié)石體清晰可見，注漿區(qū)間內(nèi)裂隙充填飽滿，可推斷注漿液已在巷道周邊松動圈內(nèi)形成厚度不同、包容巖塊大小、數(shù)量不同的結(jié)石體，重構(gòu)了圍巖結(jié)構(gòu)，改善了圍巖加固效果，同時也給錨桿錨索等支護體提供了可靠的著力基礎(chǔ)。

圖7 巷道修護后鉆孔窺視結(jié)果

巷道修護后圍巖變形觀測曲線如圖7所示，由圖7可知，近8個月的觀測時間內(nèi)，巷道頂?shù)装逡平吭?00mm以內(nèi)，兩幫移近量在150mm以內(nèi)，修護后砼噴層沒有開裂，錨索未再次發(fā)生破斷現(xiàn)象?，F(xiàn)場試驗表明，高強度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護能夠有效控制深部高地壓巷道的圍巖大變形，是一種行之有效的巷道加固方式。

圖8 巷道修護后圍巖變形觀測曲線

4 結(jié) 論

1)研發(fā)了?22mm、2060MPa高強度等級的中空注漿錨索及配套鎖具，實驗室和現(xiàn)場實測結(jié)果表明，其整體承載能力平均達到了668kN，超過了?22mm、1860強度等級實心錨索。

2)通過高強度等級中空注漿錨固作用機理分析，指出了高強度等級中空注漿錨索錨固體系屬于全長復合錨固拉力分散型錨索的力學本質(zhì)。

3)設(shè)計了線性錨索束新型支護結(jié)構(gòu)，并將高強度等級中空注漿錨索與線性錨索束結(jié)構(gòu)組合使用，分析了兩者協(xié)同支護機制。

4)以顧橋礦1127(1)運輸巷為工程背景，開展了高強度等級中空注漿錨索與線性錨索束協(xié)同支護技術(shù)的現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明本技術(shù)能夠有效控制深部高地壓巷道的圍巖大變形，是一種行之有效的巷道加固方式。