吳小斌

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦，山西 太原 030024）

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，錨桿索主動支護(hù)方式已成為煤礦巷道的主流支護(hù)方式，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力保障[1]。然而，對于軟巖巷道圍巖破碎、軟弱和變形大的特點，如何選擇合理的支護(hù)強(qiáng)度始終是困擾現(xiàn)場施工的難題，有不少學(xué)者通過對軟巖巷道圍巖與錨桿錨索之間的聯(lián)系進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)軟巖巷道的支護(hù)設(shè)計方案[2-3]。本文基于和善煤礦軟巖巷道特點，在借鑒前人[4-5]研究的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D數(shù)字模擬分析，為巷道圍巖的穩(wěn)定性選擇合理的支護(hù)設(shè)計參數(shù)，同時引入注漿錨索新型支護(hù)技術(shù)，為巷道長期服務(wù)生產(chǎn)提供有力保障。

1 工程概況

山西汾西礦業(yè)集團(tuán)正新煤焦有限責(zé)任公司和善煤礦（以下簡稱“和善煤礦”）地處山西省長治市沁源縣，礦井井田面積12.65 km2，生產(chǎn)規(guī)模180 萬t/a，服務(wù)年限24.37 a，采用斜井開拓方式。和善煤礦目前主要回采6#煤層，該煤層賦存較穩(wěn)定，有玻璃光澤，斷口呈現(xiàn)階梯狀，裂隙相對較發(fā)育，為條帶狀結(jié)構(gòu)。煤層平均厚度1.2 m，埋深約130 m?；卷敒榉凵皫r，直接頂為泥巖，直接底為泥巖，基本底為細(xì)粒砂巖。頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 頂?shù)装鍘r性表

和善煤礦6#煤原有的采區(qū)運(yùn)輸順槽支護(hù)設(shè)計采用Φ20 mm×2400 mm 規(guī)格的螺紋鋼錨桿，間排距為600 mm×800 mm，錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×6300 mm，間排距為800 mm×1000 mm。雖然該支護(hù)方式能保證巷道的安全，但對于該煤層頂板明顯偏強(qiáng)，過密的支護(hù)方式不僅增加了巷道支護(hù)費(fèi)用，而且對掘進(jìn)效率影響較大，是一種不科學(xué)、不合理的支護(hù)方案。因此，需對巷道重新進(jìn)行支護(hù)設(shè)計研究，在保證巷道頂板安全的基礎(chǔ)上提高掘進(jìn)效率。

2 巷道支護(hù)設(shè)計參數(shù)數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值計算模型的建立及其應(yīng)力分布特征

基于和善煤礦的煤層結(jié)構(gòu)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究分析，建立計算模型，如圖1所示。模型尺寸為100 m×200 m×120 m，開挖巷道距離邊界超過10 倍巷寬。巷道埋深為130 m，根據(jù)地應(yīng)力計算公式，得出巷道的垂直應(yīng)力為2.676 MPa，側(cè)壓系數(shù)取1，將此應(yīng)力分別施加在數(shù)值計算模型的頂部和幫部。巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖1 巷道數(shù)值計算模型

表2 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

當(dāng)巷道沒有支護(hù)時，對巷道圍巖的應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，如圖2 所示?？梢钥闯?，松軟直接頂存在拉應(yīng)力，最大達(dá)到1.75 MPa，說明松軟頂板具有離層趨勢。而底板也存在較大拉應(yīng)力，具有壓曲的趨勢。兩幫圍巖發(fā)生卸載，壁面附近壓應(yīng)力為1 MPa。在煤巷四個角點處，剪應(yīng)力最大，可達(dá)1.06 MPa，說明在煤巷角點處的圍巖最易發(fā)生剪破壞。因此，需要對圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，減弱巷道圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 圍巖應(yīng)力分布圖

2.2 錨桿（錨索）支護(hù)參數(shù)的確定

通過結(jié)合目前巷道過于強(qiáng)調(diào)支護(hù)強(qiáng)度，錨桿間排距較小，致使巷道支護(hù)耗材成本高，掘進(jìn)速度慢的錨桿錨索參數(shù)選擇情況，提出了表3 所示的支護(hù)設(shè)計方案。通過FLAC3D數(shù)值模擬分析得出了不同支護(hù)設(shè)計方案下巷道圍巖頂板、底板和兩幫的變形情況，如圖3。

圖3 不同支護(hù)方案下巷道圍巖變形情況統(tǒng)計圖

表3 錨桿（錨索）參數(shù)確定模擬方案

通過圖3 得出以下結(jié)論：

1）錨桿長度?？梢钥闯?，巷道頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量均隨著錨桿長度的增加而降低。當(dāng)錨桿長度由1800 mm 逐步增加到2000 mm 時，煤巷表面位移呈明顯降低趨勢，頂板下沉量由58.0 mm 降低到50.6 mm，底鼓量由44 mm 降低到38 mm，兩幫移近量由74 mm 降低到68.6 mm。然而當(dāng)錨桿繼續(xù)增加長度至2000 mm、2400 mm 時，巷道圍巖變形量曲線出現(xiàn)拐點，不再明顯降低。因此選定錨桿長度為2000 mm。

2）錨桿間排距。從圖中可以看出，巷道頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量均隨錨桿間排距的增加而升高。當(dāng)錨桿間距由600 mm 增加到800 mm 的過程中，巷道圍巖變形量變化較小，當(dāng)繼續(xù)增加到1200 mm 時，巷道圍巖最大變形量已由67 mm 上升到了78 mm，曲線出現(xiàn)拐點，巷道圍巖發(fā)生較大變形。因此錨桿間距取值為800 mm。同理，錨桿排距由800 mm 變化到1200 mm 時，錨桿排距1000 mm 再次出現(xiàn)了煤巷圍巖控制拐點，因此錨桿排距取值為1000 mm。

3）錨索數(shù)量。以分析確定的錨桿支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ)，來確定錨索支護(hù)參數(shù)。結(jié)果表明，每間隔2排錨桿加強(qiáng)支護(hù)2 根錨索時圍巖變形曲線出現(xiàn)拐點，此時對圍巖穩(wěn)定性有顯著控制效果。考慮到掘進(jìn)成本和施工速度等因素，選用每2 排錨桿加2 根錨索進(jìn)行圍巖支護(hù)。

錨索的作用主要表現(xiàn)為通過錨固在深部堅硬（完整）巖層上的錨索將下部有滑落移動趨勢的潛在圍巖、錨網(wǎng)支護(hù)體進(jìn)行懸吊支護(hù)。根據(jù)懸吊原理，可確定錨索長度：

式中：L為錨索長度；L1為堅硬巖層內(nèi)的錨固段長度，可按工程類比法取1.0～1.5 m，也可根據(jù)黏結(jié)劑同錨索索體或鉆孔巖壁間的黏結(jié)強(qiáng)度來計算確定；Lmax為考慮需懸吊直接頂?shù)暮穸?；L2為錨索外露長度，0.3 m。

由于該礦井6#煤直接頂厚度為4.95 m，根據(jù)計算，確定錨索長度為6.3 m。

通過以上的數(shù)值模擬分析，最終確定了和善煤礦6#煤采區(qū)順槽錨桿的初步設(shè)計方案，見表4。

表4 巷道圍巖支護(hù)參數(shù)統(tǒng)計表 mm

3 注漿錨索支護(hù)設(shè)計

隨著巷道服務(wù)年限不斷延長，巷道礦山壓力顯現(xiàn)的影響愈加顯著，特別是在采動影響范圍內(nèi)，巷道位于應(yīng)力環(huán)境不穩(wěn)定巖體中，隨時間效應(yīng)，巷道變形現(xiàn)象更為嚴(yán)重，表現(xiàn)為頂板下沉、兩幫回擠、底板鼓起。這些變形降低了圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性，給巷道圍巖控制帶來挑戰(zhàn)，常規(guī)錨桿/錨索支護(hù)效果發(fā)揮受到限制。

錨注加固技術(shù)作為一種有效的支護(hù)方法，在井巷工程中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的工程實效。通過將錨索支護(hù)技術(shù)和注漿技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，利用中空錨索做為注漿管，配合注漿材料提升巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)，強(qiáng)化圍巖的強(qiáng)度和自承能力。

和善煤礦采區(qū)巷道服務(wù)年限預(yù)計超過10 a，受到采掘活動多次疊加應(yīng)力影響及圍巖蠕動變形影響，會對采區(qū)巷道頂板造成逐步破壞，最終造成巷道的大變形，因此在設(shè)計巷道支護(hù)中采取了使用注漿錨索替代普通錨索的新型技術(shù)。

3.1 錨注加固結(jié)構(gòu)承載機(jī)理

錨注加固結(jié)構(gòu)承載機(jī)理主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1）漿液可以改善破碎圍巖的物理力學(xué)狀態(tài)，對圍巖中的裂隙進(jìn)行充填，防止圍巖裂隙的進(jìn)一步發(fā)育；同時，漿液可將松散破碎圍巖重新加固，改善巖體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，提高巖體的承載能力。

2）注漿錨索在注漿施工后可由加長錨固形式轉(zhuǎn)變?yōu)槿L錨固形式，增加了被錨固巖體的錨固性能，提高了錨索抗剪切能力。

3.2 中空注漿錨索主要用途及特點

主要用于礦山深井、軟巖、高應(yīng)力或應(yīng)力集中區(qū)、松散破碎區(qū)巷道、隧道、基坑等地下工程的支護(hù)或修復(fù)。

1）采用樹脂端錨，張拉預(yù)緊，預(yù)緊力高且立即承載，攪拌、安裝與普通樹脂錨索完全相同，無需增加任何設(shè)備。

2）由于索體是一種新型的中空結(jié)構(gòu)，里面有高壓注漿管，在安裝時，會采用反向注漿的方式，把水泥漿或化學(xué)漿液注入到鉆孔里面，這樣就能讓錨索在整個長度上牢固地錨固在巖石上，還能增強(qiáng)周圍巖石的穩(wěn)定性。

3）注漿錨索的索體使用高強(qiáng)的螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絞線加工，可以提高錨固的強(qiáng)度和索體的延伸率。

4）索體上端用樹脂固定，中間注入漿液，底部用螺紋鎖緊，里錨外注。安裝和預(yù)緊的方式跟樹脂錨索基本一致。

5）索體尾部有注漿接頭，可直接與注漿泵連接進(jìn)行高壓注漿，省去了現(xiàn)場綁匝注漿管、排氣工序，使施工工序大大簡化。

6）實現(xiàn)了小孔徑、大噸位，索體結(jié)構(gòu)本身滿足高壓注漿的要求，實現(xiàn)了錨注一體化。

3.3 注漿錨索鉆孔

1）選用錨桿鉆機(jī)在指定的位置上打設(shè)鉆孔?？椎闹睆揭湾^索直徑相配合。

2）在鉆孔的時候，要保證圍巖表面平直，托片安裝時不會覆蓋雜物，同時不要在破裂的圍巖表面打設(shè)，否則孔口封不住，注漿時會出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。

3）鉆孔的時候，等待鉆頭完全進(jìn)入煤巖體內(nèi)后，再打閥門。這樣可以防止前期水流把孔口的煤體或巖體沖散，讓孔徑變大，造成堵漿失效。

4）鉆孔時，如果圍巖比較破碎，容易造成孔口擴(kuò)大，這時要用錨固劑等材料配合橡膠止?jié){塞，保證注漿的質(zhì)量。封孔質(zhì)量對注漿的效果起關(guān)鍵作用。

3.4 安裝注漿錨索

1）在安裝之前，必須計算出樹脂錨固劑的有效錨固長度。結(jié)合錨索長度，設(shè)計了兩個出漿口，一個在錨索前段的2 m 處，另一個在3.5 m 處。

2）安裝注漿錨索時不要蠻力操作，防止錨固劑提前破損造成錨索安裝失效或堵塞注漿口。

3）要嚴(yán)格控制錨索孔的間排距，預(yù)緊要求同普通錨索。安裝失效后要及時補(bǔ)打錨索，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4）封孔

① 樹脂錨固劑完全錨固之后，就可以進(jìn)行封口工序。封口之前，首先檢查孔口情況，保證孔口表面平整度。

② 封口時，把塔狀止?jié){塞穿到注漿錨索中，并將錨索錐狀止?jié){塞頂緊，以實現(xiàn)止?jié){功能。

③ 止?jié){塞裝好后，按正常順利完成錨索托片安裝及預(yù)緊。

3.5 注漿施工工藝

1）確保注漿連接器和煤柱錨索緊緊連在一起，首先將注漿管與注漿連接器連接后，擰到中空錨注錨索尾端的內(nèi)絲扣里，然后慢慢扭緊，最后再用鐵絲進(jìn)行固定，防止注漿時產(chǎn)生的高壓將注漿連接器崩脫。

2）在注漿期間，施工點5 m 范圍內(nèi)禁止站人，以免發(fā)生意外。注漿順序為從兩幫至頂板，從下至上。

3）啟動注漿泵的時候要逐步提速，切忌一開始就把注漿閥門開到最大。同時要邊攪拌漿液邊進(jìn)行注漿，當(dāng)首次出現(xiàn)壓力升高現(xiàn)象后，停泵2～3 min 后繼續(xù)二次注漿，直到再次注滿為止。最后將錨索注漿口用螺絲堵上，避免漿液流出。

4）在注漿的過程中，要隨時注意注漿壓力的變化。如果壓力達(dá)到了5 MPa 以上，立即停止注漿。此時如果錨索已經(jīng)注滿，結(jié)束注漿工作；如果不是，需解決問題后，等待4～5 min 繼續(xù)注漿。

5）在注漿的時候要注意觀察有沒有漏漿的情況，如果有漏漿現(xiàn)象需要及時封堵。如果漏漿的面積過大，需停止注漿，等30 min 后，再對漏漿的錨索進(jìn)行補(bǔ)注工作。

6）在注漿時最好采用隔排注漿的模式，盡量減少串漿的情況。同時，在初次注漿之后建議全部進(jìn)行二次補(bǔ)注，可以進(jìn)一步增加注漿量。

7）注漿時機(jī)的選擇也是發(fā)揮注漿錨索作用的重要一環(huán)。當(dāng)工作面迎頭頂板較為破碎時，應(yīng)選擇在打設(shè)完注漿錨索后立即注漿；當(dāng)工作面迎頭頂板較為完整，無明顯發(fā)育裂隙時，可選擇滯后工作面50 ～100 m 處，待巷道頂板略有離層時進(jìn)行注漿；如若此時仍不能有效注漿，則需長期進(jìn)行礦壓觀測，待采動影響后，再進(jìn)行注漿。

4 工程實踐

將研究分析所得的支護(hù)設(shè)計參數(shù)運(yùn)用于現(xiàn)場實際，最終通過為期60 d 礦壓觀測，得出了巷道圍巖的變形情況統(tǒng)計圖，如圖4。

圖4 巷道圍巖變形觀測統(tǒng)計圖

通過圖4 可知，在巷道開挖后，巷道圍巖變形量出現(xiàn)急劇增加，表現(xiàn)為兩幫移近量最大、頂板下沉量次之、底鼓量最小的特征。隨著時間推移，巷道變形量逐步變緩并最終在第42 天后趨于平衡。在巷道圍巖變形監(jiān)測期間，巷道兩幫變形最大為66.2 mm，巷道頂板變形量最大為42.3 mm，巷道底板變形量最大為37.4 mm，且頂板注漿效果良好。通過變形情況監(jiān)測可知，研究分析選用支護(hù)設(shè)計參數(shù)合理，能夠滿足巷道圍巖的穩(wěn)定性要求，保障生產(chǎn)安全。

5 結(jié)論

通過對巷道圍巖變形破壞及其不同支護(hù)參數(shù)方案數(shù)值模擬分析，得出了如下結(jié)論：

1）巷道沒有支護(hù)時。松軟直接頂應(yīng)力集中較大，拉應(yīng)力最大達(dá)到1.75 MPa，說明松軟頂板具有離層趨勢；底板也存在較大拉應(yīng)力，具有壓曲的趨勢；兩幫圍巖發(fā)生卸載，壁面附近壓應(yīng)力為1 MPa；在煤巷四個角點處，剪應(yīng)力最大，可達(dá)1.06 MPa，說明在煤巷角點處的圍巖最易發(fā)生剪破壞。因此，針對此情況，需要對圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，減小巷道圍巖應(yīng)力集中，保障巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2）錨桿（錨索）支護(hù)參數(shù)的確定。通過數(shù)字模擬分析最終確定了錨桿長度為2200 mm，間排距為800 mm×1000 mm；錨索長6300 mm，間排距為2000 mm×2000 mm。

3）工程實踐效果。將研究分析所得的支護(hù)設(shè)計參數(shù)運(yùn)用于現(xiàn)場，并采用注漿錨索支護(hù)技術(shù)，通過現(xiàn)場支護(hù)設(shè)計效果監(jiān)測表明，支護(hù)設(shè)計合理，不僅能夠保障巷道圍巖的穩(wěn)定性，還在原有支護(hù)設(shè)計的基礎(chǔ)上提高了掘進(jìn)速度，降低了支護(hù)成本。