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【摘 要】针对鹤煤三矿深部软岩巷道难以支护问题，在分析巷道破坏影响因素的基础上，结合预应力中空注浆锚索的优点，提出了在套架U型棚的基础上采用中空注浆高强锚注加固补强方案。工程实验表明，该修复方案有效的控制了巷道围岩变形，取得了良好的支护效果。
【关健词】深井高地应力 破碎围岩 预应力注浆锚索 全长锚固
一、概况
鹤煤三矿31采区轨道上山为典型的深井高地应力软岩巷道，其埋深超过600m，巷道沿二1煤底板施工，巷道围岩主要为砂质泥岩、中细砂岩、炭质泥岩和二1煤等。由于受多次构造运动的挤压和剪切作用，围岩内部结构面异常发育，围岩体本身的强度并不高且仍处于较高的残余构造应力影响中。巷道断面为直墙半圆拱形，巷道净断面：4.2m×3.8m，初始支护方案主要采用套架U36型钢棚。巷道掘进过程中，造成巷道变形严重，围岩变形量大、变形速度快，变形持续时间长，U型棚受挤压变形严重，钻孔窥视结果表明，巷道顶板变形破坏深度已达8m左右。
二、影响巷道变形破坏因素分析
通过对鹤煤三矿31采区轨道上山现场调研，总结巷道变形破坏影响因素分析如下：
（一）巷道埋藏深，围岩长期处于高地应力场中。轨道上山原岩应力测试结果表明：原岩应力场的第1主应力为水平应力，水平最大主应力29.2～36.7MPa，最小水平主应力和垂直应力分别为16.52Mpa、18.83MPa。最大主应力方向与鹤煤三矿31采区轨道上山走向几乎垂直。现有的理论研究及实践结果都表明[1-3]：最大水平主应力方向与巷道轴向垂直时，影响最大。
（二）巷道受断层构造影响，围岩完整性差，具有较强的亲水性。鹤煤三矿31采区轨道上山区域断层构造复杂，受多次构造运动的挤压和剪切作用，巷道围岩岩性虽然以中细砂岩、砂质泥岩为主，岩块本身强度相对较高，但对岩体而言，由于受断层构造影响，内部节理、层理、裂隙等结构面众多，围岩体本身的强度并不高。
（三）无控底措施。巷道底臌严重，掘进初期巷道底板并未采取有效支护措施，且频繁卧底在给巷道围岩带来二次扰动的同时也加剧了围岩的破坏程度。
（四）巷道原始支护方案不合理。巷道原始支护方案主要采用套架U型棚。U型棚属于被动支护，围岩应力集中或背顶不均匀存在偏载现象，无法均匀有效地传递载荷，难以与围岩共同形成承载结构，后期虽然补打了6m锚索进行二次支护，但现场钻孔窥视结果表明，顶板岩层多个层位产生离层，肩窝部位围岩内部的破裂、裂隙等也非常发育，因此，普通架棚及锚网支护是无法适应此类巷道。同时，由于大量离层、破裂面所形成的自由空间，仅采用普通锚索补强也很难获得预期效果。
三、预应力中空注浆锚索在31采区轨道上山修复中的应用
（一）31采区轨道上山修复技术对策分析
虽然U型棚由于具有高阻、可缩特性和护表能力强等优点，能够很好地控制高应力作用下巷道浅部围岩产生的强烈剪胀变形。但由于U型棚本身与围岩的相互作用关系很差，且现有的巷道掘进支护工艺，都不可避免的造成U型棚局部承载，使U型棚拱顶和可缩性构件处受集中载荷影响率先破坏，从而使U型棚的理论承载能力难以发挥[1]。通过采用在肩窝和拱顶等关键部位补打预应力锚索，可以改善围岩受力状况，提高围岩体强度并形成共同承载结构。但锚索支护对地质条件有较高的依赖性，31采区轨道上山浅部围岩破碎严重，致使锚索预应力极易衰减，其深部围岩裂隙发育，又致使锚索缺少稳定的着力基础，因此锚固性能相对较差，难以形成稳定、有效的承载整体结构。而通过注浆则可改变结构面发育的围岩的松散结构，并阻止水对亲水性较强岩体的侵蚀，提高围岩粘结力和内摩擦角，从而提高围岩的自身承载能力，使作用在支护结构上的载荷降低[4-6]；注浆还可以充填U型棚壁后充填更加密实，改善U型棚受力状况和提高U型棚承载能力，实现U型棚-围岩共同承载。与此同时，通过注浆形成的围岩加固圈也为锚索提供稳定的着力基础，提高了锚固力和锚固效果，从而能明显地改善破碎围岩稳定性。
（二）加固方案
鹤煤三矿31采区轨道上山修复方案为在现有架设U型棚的基础上施工中空注浆锚索并喷注浆。顶板施工3根中空注浆锚索加强支护，呈放射形布置，锚索型号为Φ22×9300mm，间排距为1600mm×1800mm。巷道两帮各施工1根中空锚注锚索，帮锚索型号为Φ22×6000mm，帮锚索与底板距离1100mm，排距1800mm，锚索设计按垂直巷帮布置，但考虑到两帮打深孔有一定难度，现场施工钻孔时，允许与水平有一定的下扎。巷道底板共布置4根中空注浆锚索，锚索型号为Φ22×7300mm，间排距为1000mm×1800mm。其中中间两根锚索垂直底板布置，两边角锚索与底板呈15°夹角布置。底板中空注浆锚索施工可滞后施工。31采区轨道上山中空锚索布置示意图详见图1。
（三）施工工艺
由于巷道表层围岩破碎严重，为防止因跑浆漏浆影响注浆效果，需在注浆前先行对巷道表面进行喷浆。高强度预应力中空注浆锚索具体施工工艺如下：
1.钻孔。利用风动锚杆钻机，配合Φ32mm钻头和B19mm中空六角钢钎，人扶钻机湿式打眼，钻孔均与岩面垂直，防止打设角度过大，张拉时锚索弯曲影响注浆效果。
2.安装和封孔。安装前先安装止浆塞到距锚索端头约300mm后，当孔口破碎呈喇叭口形状时则在锚索索体上缠绕适当棉纱，每孔各放一卷K2350和一卷Z2350锚固剂，搅拌完成后依次将托盘、球形垫圈、索具安装到位。
3.张拉。用张拉千斤顶进行张拉，张拉力不低于100kN，最后检查锚索托盘是否紧贴岩面。
4.注浆。每排自两帮最下部的中空锚浆锚索开始、逐根向上进行注浆，注浆压力为8Mpa，水灰比为1：1.5。注浆器（注浆快速接头）及注浆管路完好、连接可靠后方可开始注浆。注浆过程中，当发现局部顶帮漏浆时，及时停止注浆，采用水泥进行封堵。注浆后待浆液初凝，方可开启注浆泵上的截止球阀，然后卸下锚索尾部的注浆器，将锚索尾部的丝堵拧紧上牢。
四、现场监测
为了监测方案实施后的支护效果，对31轨道上山采用了十字布点法进行了表面位移监测，以分析围岩是否进入了稳定状态。巷道位移监测包括两帮相对移近量和顶底板移近量。其监测结果表明，观测期间最大累计顶板下沉量为371mm，两帮移近量最大为201mm，图2为巷道围岩变形和时间关系图。
五、结语
（一）鹤煤三矿31采区轨道上山变形破坏的主要原因是巷道围岩处于高地应力场、受构造影响、无控底措施、原始支护方案不合理。
（二）高强度预应力中空注浆锚索在实现锚注一体化的同时也实现了端锚与全长锚固的有效结合。通过端锚对锚固体施加一个较强的预应力，对围岩进行及时支护，避免岩体继续松动破坏；通过注浆在加固围岩强度的同时，也为中空注浆锚索提供稳定的着力基础。与此同时，全长锚固锚索把载荷均匀分布在整个锚固段，提高了锚索的锚固性能，改善了锚固段应力集中状况。
（三）针对围岩破碎的深井软岩巷道，在架设U型棚的基础上采用中空注浆锚索加固，可以改善U型棚和锚索的受力状况，提高围岩自身承载能力，从而取得良好的支护效果。矿压观测表明，该修复方案有效的控制了巷道围岩变形，为深井软岩巷道支护技术积累了经验。
参考文献：
[1] 陈炎光， 陆士良. 中国煤矿巷道围岩控制[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 1994.
[2] 付国斌， 姜志方. 深井巷道矿山压力控制[M ]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 1996.
[3] 刘长武 软岩巷道锚注加固原理与应用[M ]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 2000.
[4] 李学华， 杨宏敏. 动压软岩巷道锚注加固机理与应用研究[J]. 采矿与安全工程学报. 2006，23（2）：159～163.
[5] 李明远， 王连固. 软岩巷道锚注支护理论与实践[M]. 北京： 煤炭工业出版社. 2001，9.
[6] 王卫军， 杨磊. 松散破碎围岩两步耦合注浆技术的研究与应用[J]. 煤炭科学技术，2005，33 （6） ：42～45.
作者简介：刘家东，（1957--），男，河南汤阴人，高级工程师，从事煤矿技术管理工作。
【关健词】深井高地应力 破碎围岩 预应力注浆锚索 全长锚固
一、概况
鹤煤三矿31采区轨道上山为典型的深井高地应力软岩巷道，其埋深超过600m，巷道沿二1煤底板施工，巷道围岩主要为砂质泥岩、中细砂岩、炭质泥岩和二1煤等。由于受多次构造运动的挤压和剪切作用，围岩内部结构面异常发育，围岩体本身的强度并不高且仍处于较高的残余构造应力影响中。巷道断面为直墙半圆拱形，巷道净断面：4.2m×3.8m，初始支护方案主要采用套架U36型钢棚。巷道掘进过程中，造成巷道变形严重，围岩变形量大、变形速度快，变形持续时间长，U型棚受挤压变形严重，钻孔窥视结果表明，巷道顶板变形破坏深度已达8m左右。
二、影响巷道变形破坏因素分析
通过对鹤煤三矿31采区轨道上山现场调研，总结巷道变形破坏影响因素分析如下：
（一）巷道埋藏深，围岩长期处于高地应力场中。轨道上山原岩应力测试结果表明：原岩应力场的第1主应力为水平应力，水平最大主应力29.2～36.7MPa，最小水平主应力和垂直应力分别为16.52Mpa、18.83MPa。最大主应力方向与鹤煤三矿31采区轨道上山走向几乎垂直。现有的理论研究及实践结果都表明[1-3]：最大水平主应力方向与巷道轴向垂直时，影响最大。
（二）巷道受断层构造影响，围岩完整性差，具有较强的亲水性。鹤煤三矿31采区轨道上山区域断层构造复杂，受多次构造运动的挤压和剪切作用，巷道围岩岩性虽然以中细砂岩、砂质泥岩为主，岩块本身强度相对较高，但对岩体而言，由于受断层构造影响，内部节理、层理、裂隙等结构面众多，围岩体本身的强度并不高。
（三）无控底措施。巷道底臌严重，掘进初期巷道底板并未采取有效支护措施，且频繁卧底在给巷道围岩带来二次扰动的同时也加剧了围岩的破坏程度。
（四）巷道原始支护方案不合理。巷道原始支护方案主要采用套架U型棚。U型棚属于被动支护，围岩应力集中或背顶不均匀存在偏载现象，无法均匀有效地传递载荷，难以与围岩共同形成承载结构，后期虽然补打了6m锚索进行二次支护，但现场钻孔窥视结果表明，顶板岩层多个层位产生离层，肩窝部位围岩内部的破裂、裂隙等也非常发育，因此，普通架棚及锚网支护是无法适应此类巷道。同时，由于大量离层、破裂面所形成的自由空间，仅采用普通锚索补强也很难获得预期效果。
三、预应力中空注浆锚索在31采区轨道上山修复中的应用
（一）31采区轨道上山修复技术对策分析
虽然U型棚由于具有高阻、可缩特性和护表能力强等优点，能够很好地控制高应力作用下巷道浅部围岩产生的强烈剪胀变形。但由于U型棚本身与围岩的相互作用关系很差，且现有的巷道掘进支护工艺，都不可避免的造成U型棚局部承载，使U型棚拱顶和可缩性构件处受集中载荷影响率先破坏，从而使U型棚的理论承载能力难以发挥[1]。通过采用在肩窝和拱顶等关键部位补打预应力锚索，可以改善围岩受力状况，提高围岩体强度并形成共同承载结构。但锚索支护对地质条件有较高的依赖性，31采区轨道上山浅部围岩破碎严重，致使锚索预应力极易衰减，其深部围岩裂隙发育，又致使锚索缺少稳定的着力基础，因此锚固性能相对较差，难以形成稳定、有效的承载整体结构。而通过注浆则可改变结构面发育的围岩的松散结构，并阻止水对亲水性较强岩体的侵蚀，提高围岩粘结力和内摩擦角，从而提高围岩的自身承载能力，使作用在支护结构上的载荷降低[4-6]；注浆还可以充填U型棚壁后充填更加密实，改善U型棚受力状况和提高U型棚承载能力，实现U型棚-围岩共同承载。与此同时，通过注浆形成的围岩加固圈也为锚索提供稳定的着力基础，提高了锚固力和锚固效果，从而能明显地改善破碎围岩稳定性。
（二）加固方案
鹤煤三矿31采区轨道上山修复方案为在现有架设U型棚的基础上施工中空注浆锚索并喷注浆。顶板施工3根中空注浆锚索加强支护，呈放射形布置，锚索型号为Φ22×9300mm，间排距为1600mm×1800mm。巷道两帮各施工1根中空锚注锚索，帮锚索型号为Φ22×6000mm，帮锚索与底板距离1100mm，排距1800mm，锚索设计按垂直巷帮布置，但考虑到两帮打深孔有一定难度，现场施工钻孔时，允许与水平有一定的下扎。巷道底板共布置4根中空注浆锚索，锚索型号为Φ22×7300mm，间排距为1000mm×1800mm。其中中间两根锚索垂直底板布置，两边角锚索与底板呈15°夹角布置。底板中空注浆锚索施工可滞后施工。31采区轨道上山中空锚索布置示意图详见图1。
（三）施工工艺
由于巷道表层围岩破碎严重，为防止因跑浆漏浆影响注浆效果，需在注浆前先行对巷道表面进行喷浆。高强度预应力中空注浆锚索具体施工工艺如下：
1.钻孔。利用风动锚杆钻机，配合Φ32mm钻头和B19mm中空六角钢钎，人扶钻机湿式打眼，钻孔均与岩面垂直，防止打设角度过大，张拉时锚索弯曲影响注浆效果。
2.安装和封孔。安装前先安装止浆塞到距锚索端头约300mm后，当孔口破碎呈喇叭口形状时则在锚索索体上缠绕适当棉纱，每孔各放一卷K2350和一卷Z2350锚固剂，搅拌完成后依次将托盘、球形垫圈、索具安装到位。
3.张拉。用张拉千斤顶进行张拉，张拉力不低于100kN，最后检查锚索托盘是否紧贴岩面。
4.注浆。每排自两帮最下部的中空锚浆锚索开始、逐根向上进行注浆，注浆压力为8Mpa，水灰比为1：1.5。注浆器（注浆快速接头）及注浆管路完好、连接可靠后方可开始注浆。注浆过程中，当发现局部顶帮漏浆时，及时停止注浆，采用水泥进行封堵。注浆后待浆液初凝，方可开启注浆泵上的截止球阀，然后卸下锚索尾部的注浆器，将锚索尾部的丝堵拧紧上牢。
四、现场监测
为了监测方案实施后的支护效果，对31轨道上山采用了十字布点法进行了表面位移监测，以分析围岩是否进入了稳定状态。巷道位移监测包括两帮相对移近量和顶底板移近量。其监测结果表明，观测期间最大累计顶板下沉量为371mm，两帮移近量最大为201mm，图2为巷道围岩变形和时间关系图。
五、结语
（一）鹤煤三矿31采区轨道上山变形破坏的主要原因是巷道围岩处于高地应力场、受构造影响、无控底措施、原始支护方案不合理。
（二）高强度预应力中空注浆锚索在实现锚注一体化的同时也实现了端锚与全长锚固的有效结合。通过端锚对锚固体施加一个较强的预应力，对围岩进行及时支护，避免岩体继续松动破坏；通过注浆在加固围岩强度的同时，也为中空注浆锚索提供稳定的着力基础。与此同时，全长锚固锚索把载荷均匀分布在整个锚固段，提高了锚索的锚固性能，改善了锚固段应力集中状况。
（三）针对围岩破碎的深井软岩巷道，在架设U型棚的基础上采用中空注浆锚索加固，可以改善U型棚和锚索的受力状况，提高围岩自身承载能力，从而取得良好的支护效果。矿压观测表明，该修复方案有效的控制了巷道围岩变形，为深井软岩巷道支护技术积累了经验。
参考文献：
[1] 陈炎光， 陆士良. 中国煤矿巷道围岩控制[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 1994.
[2] 付国斌， 姜志方. 深井巷道矿山压力控制[M ]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 1996.
[3] 刘长武 软岩巷道锚注加固原理与应用[M ]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 2000.
[4] 李学华， 杨宏敏. 动压软岩巷道锚注加固机理与应用研究[J]. 采矿与安全工程学报. 2006，23（2）：159～163.
[5] 李明远， 王连固. 软岩巷道锚注支护理论与实践[M]. 北京： 煤炭工业出版社. 2001，9.
[6] 王卫军， 杨磊. 松散破碎围岩两步耦合注浆技术的研究与应用[J]. 煤炭科学技术，2005，33 （6） ：42～45.
作者简介：刘家东，（1957--），男，河南汤阴人，高级工程师，从事煤矿技术管理工作。