祁東煤礦軟巖巷道支護技術研究與應用

秦慶舉，曹 飛

(皖北煤電集團公司祁東煤礦，安徽宿州234000)

隨著祁東煤礦開采深度的增加，目前已開采至南部采區(qū)，水平標高－650m。在埋深大、地壓強、地質構造復雜、巖性差的南部采區(qū)，巷道施工與支護越來越困難，單一的支護方式不能滿足現(xiàn)場需要，已施工巷道屢遭破壞，需要反復維修，消耗了大量的人力、物力，南部采區(qū)軟巖巷道支護問題成為亟待解決的技術難題。

1 工程概況

祁東煤礦南部采區(qū)巖石巷道集中，包括南一(61－71)采區(qū)回風上山、南一 (61－71)采區(qū)軌道上山、南部采區(qū)集中運輸巷、－650m輔助水平水倉等開拓、準備巷道。巷道大多處于6煤組影響范圍，揭、過煤次數較多;圍巖以深灰色、含植物化石的泥巖及灰色、塊狀、水平層理的粉砂巖為主，部分地段為節(jié)理性發(fā)育的細砂巖。根據資料:泥巖堅固性系數為0.9～3.0之間;粉砂巖堅固性系數在4.3～5.5之間。南部采區(qū)巷道原有支護方案為:當頂板完整時，采用錨網噴支護 (頂板壓力大時，采用錨索加固頂板)，半圓拱斷面，幫頂錨桿均采用φ20mm，長2.4m的左旋無縱筋等強螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為700mm×700mm;當頂板破碎，錨網噴支護不能滿足現(xiàn)場要求時，采用U29型棚支護，棚距700mm。

2 原支護存在的問題

2.1 支護方式不合理

首先，對于南部采區(qū)軟巖巷道，未對巷道變形特點及圍巖巖性進行綜合分析，直接采用單一的支護方式 (錨網噴或U29型棚)，這是導致支護失效最為根本的原因;其次，錨桿端錨范圍內圍巖破裂導致錨固力下降［1］，從而支護失效;第三，錨網噴支護體系中，錨桿、錨索單獨作用，未形成承載整體;第四，巷道兩肩窩處等首先開裂的關鍵部位失穩(wěn)后沒有及時進行二次補強支護［2］，成為巷道破壞的突破點，進而導致整個支護系統(tǒng)失穩(wěn)。

2.2 支護材料強度不夠

巷道圍巖應力較大時，錨網噴支護巷道出現(xiàn)大量錨桿托盤變形或擠入碎脹的圍巖中，網片焊接處被拉開，φ17.8mm的錨索被拉斷等現(xiàn)象;U29型棚支護巷道棚梁成尖桃形破壞、棚腿折彎變形，上述現(xiàn)象表明支護材料強度遠遠達不到現(xiàn)場要求。

2.3 現(xiàn)場管理不到位

由于施工工藝的限制，施工時不能做到全斷面一次成巷，支護時先支護拱基線以上部分巷道，拱基線下巷道長時間裸露在空氣中，引起風化，導致碎脹。在爆破掘進時，少打眼，多裝藥現(xiàn)象時常發(fā)生，造成爆破時沖擊波未將矸石拋出反而加大巷道圍巖破壞，為后期支護帶來不便。噴漿時漿料未按設計比例拌勻，噴漿后不灑水養(yǎng)護，造成漿皮粘結強度不夠，巷道一旦來壓則大面積開裂、脫落。

3 針對原支護失效的解決方案

3.1 優(yōu)化支護方式，構建多重支護體系

對巷道變形特點及圍巖巖性進行綜合分析后，針對壓力不同巷道采取不同措施。

對較高應力圍巖巷道，采用錨網噴+注漿，U型棚外扎網、噴漿或U型棚+錨索等復合支護，其作用機理為:注漿可提高圍巖支撐圈的強度與自支撐力，對錨噴巷道則使普通端部錨固變?yōu)槿L錨固，使錨桿與圍巖形成整體，充分發(fā)揮錨桿錨固作用;對可伸縮性支架則對架后空間進行充填，使支架沿周邊承受均布載荷;噴漿可以封閉圍巖，減少圍巖的膨脹與風化;主動支護錨索和被動支護U型棚同時承載巷道圍巖壓力，有效避免單一支護的弊端。

對高應力圍巖巷道，采用二次聯(lián)合支護，初次支護采用錨網噴索支護，二次支護采用套U36型棚、噴漿、注漿進行聯(lián)合加固，其作用機理主要有:高強預應力錨索可改變軟弱圍巖的承載能力，配合“錨、噴、網”形成噴網組合拱，具有很高的支護阻力和剛度［3］;采用錨網索支護與注漿加固的聯(lián)合支護技術，特別是長短管組合注漿工藝，能有效地控制圍巖變形，提高圍巖的穩(wěn)定性［4］;錨注聯(lián)合加固支護技術把碎巖由載荷變?yōu)槌休d體，有效地改善了軟弱圍巖性能［5］。另外，松軟巖層錨噴支護要及時處理底板［6］，巷道兩幫的底角錨桿或錨索下扎一定角度，以轉移應力防止底鼓。

3.2 優(yōu)化支護材料，構建承載整體結構

預應力錨索由φ17.8mm更改為φ21.6mm，可伸縮性金屬棚由U29型棚更改為U36型棚，以更好地支撐圍巖壓力。錨桿托盤由板式托盤更改為蝶形托盤，長×寬由140mm×140mm改為200mm×200mm，進一步增大錨桿托盤的支撐面積。鋼筋網由受力筋和分布筋組成，受力筋主要用來承受由荷載引起的拉應力，應適當加粗，用φ10mm圓鋼;分布筋用來固定受力鋼筋的位置，將荷載分散到受力筋上，用φ6mm圓鋼;網格約150mm×150mm;焊接牢固。

當鋼筋網不能滿足現(xiàn)場要求時，采用鋼筋梯子梁配合錨桿，KTM3鋼帶梁配合錨索對巷道進行加固支護，如圖1。

圖1 巷道加固結構

當圍巖變形時，錨索、鋼帶梁、錨桿、梯子梁、金屬網共同作用，在圍巖表面形成一個三維支護體系，與圍巖共同組成一個整體承載結構，使圍巖提早達到一個動態(tài)的應力平衡狀態(tài)。

3.3 加強現(xiàn)場工程管理

結合20世紀70年代末傳入我國的“新的奧地利隧道施工法”的精華［7］，同時從祁東煤礦現(xiàn)場實際情況出發(fā)，在現(xiàn)場工程管理方面有以下要求:

(1)強化光面爆破管理 在松軟巖石中采用鉆爆法，掘進時采用光面爆破，以防止圍巖遭到破壞。巷道周邊多打眼，少裝藥，要達到爆破基本成型，然后按設計輪廓用風鎬和手稿對巷道進行規(guī)整，做到頂幫平直以消除因巖面不平而引起的應力集中現(xiàn)象，避免過大的集中應力造成圍巖破壞。

(2)推行質量標準化管理 南部采區(qū)條件差，壓力大，應牢固樹立質量標準化意識。要求全斷面一次成巷，巷道掘出后及時初噴，以實行密貼支護，減少圍巖在空氣中暴露的時間，防止因水和風化作用造成圍巖剝落和破壞;加強網片連接，特別是兩肩窩處網片;噴漿前嚴格按照噴配比和水灰比將漿料拌勻;噴漿后嚴格對噴層進行灑水養(yǎng)護。對當班施工的錨桿進行自檢，并將工程質量納入考核范疇等。巷道掘進過程中，加強對后路的巡查工作，及時對兩肩窩等首先開裂的關鍵部位進行補強支護，以保證支護體力學特性與圍巖力學特性匹配。

4 現(xiàn)場應用實例

(1)94采區(qū)61煤底板運輸上山 (下段) 巷道斷面為半圓拱形，凈寬×凈高為3.8m×3.3m，全長約400m，分段按7°，11°，15°上山施工，巷道處于63煤層位，巷頂距63煤底板薄煤層法距0.5～2.0m，63煤底板薄煤層上距63煤法距約2.0～4.5m，施工范圍內主要巖性為泥巖，灰色，薄片狀，質軟，較破碎。

由于巷道靠近6煤組施工，施工過程中反復揭露63煤底板薄煤層及63煤，頂板以完整性差的泥巖 (堅固性系數為1.7～3.8)為主，設計支護方式為U29型棚支護。支護失效后采用φ17.8mm、長7.5m的錨索對巷道加固，錨索間排距為1.4m×1.4m，1排5根，正頂1根，兩肩窩各1根，兩幫距拉桿100mm上方各1根;頂部錨索托盤長500mm，垂直巷道方向布置;為防止棚腿出現(xiàn)折彎變形，幫部錨索托盤長1.0m，平行巷道方向布置，錨索打在棚檔正中且托盤卡住前后兩個棚腿;為避免水泥背板被壓碎，將水泥背板更改為鐵背板。

經過半年時間對現(xiàn)場表面位移測量，未采用錨索加固段巷道底鼓、脹幫嚴重，底鼓量平均600mm，兩幫棚腿變形嚴重，局部折彎，棚梁向上彎曲，呈現(xiàn)尖桃形破壞;采用錨索加固段，基本沒有底鼓現(xiàn)象，但幫部錨索托盤未護住棚腿段巷道，棚腿距離幫部圍巖有一定空隙，沒有承載幫部圍巖壓力，只有主動支護錨索承載，從而出現(xiàn)錨索被拉斷的現(xiàn)象;幫部錨索托盤護住棚腿段巷道，棚腿緊貼幫部圍巖，與錨索形成整體，一起承載幫部壓力，但由于錨索托盤長度較長，出現(xiàn)從錨索孔處折彎變形的現(xiàn)象，需要進一步加強錨索托盤強度。

(2)南一 (61－71)采區(qū)軌道上山 (中段)

巷道斷面為半圓拱形，凈寬×凈高為4.6m×3.9m，全長約900m，按16°上山施工，施工范圍內主要巖性為粉砂巖，灰色，塊狀，水平層理;泥巖，深灰色，含植物化石。

由于巷道頂板以較中等完整的粉砂巖 (堅固性系數在4.3～5.5之間)為主，設計支護方式為錨網噴索支護。一段時間后，巷道幫頂位移變形明顯、噴層開裂破壞嚴重，于是采用鋼筋梯子梁配合錨桿，KTM3鋼帶梁配合錨索對巷道進行加固。鋼筋梯子梁采用φ12mm鋼筋焊接而成，眼孔間距為700mm，垂直巷道布置。施工時拱基線以上使用1根長度為6.0m的梯子梁，拱基線以下使用2根長度為2.3m的梯子梁，兩端眼孔壓茬搭接形成整體。KTM3鋼帶梁與錨索托盤平行巷道布置，鋼帶梁兩端眼孔壓茬搭接形成整體。經過一段時間的應用，巷道基本沒有出現(xiàn)變形、漿皮開裂等現(xiàn)象，加固效果明顯。

(3) －650m輔助水平水倉 (外倉) 巷道斷面為半圓拱形，全長約310m，主要巖性為泥巖，深灰色，性脆，塊狀，含粉砂質;粉砂巖，灰色，薄層狀，層理清晰，層間夾有少許泥巖條帶;63煤，黑色，粉末狀，厚0～400mm。

由于巷道處于63煤層位，揭、過63煤距離較長，過煤后巷頂距63煤底板≤7.0m，頂板以中等完整的泥巖 (堅固性系數為2.0～3.0)為主，加上該巷道需要滿足南部采區(qū)后期儲水需要，服務年限較長，設計支護方式采用二次支護。

初次支護采用錨網噴索支護，凈寬×凈高為4.2m×3.2m，頂部采用鋼筋梯子梁配合7根錨索進行支護，錨索 φ17.8mm，長7.5m，間排距為700mm×700mm;錨索托盤為2塊采用16mm厚鋼板加工的蝶形托盤疊加，長×寬為300mm×200mm、140mm×140mm;鋼筋梯子梁長6.0m;鋼筋梯子梁、錨索托盤垂直巷道中線布置。兩幫采用6根錨桿配合鋼筋網、鋼筋梯梁支護，錨桿φ20mm、長2.4m;鋼筋梯子梁長1.8m，頂幫鋼筋梯子梁壓茬搭接成整體。

二次支護采用套U36型棚+錨索+噴漿+注漿進行聯(lián)合加固，U型棚規(guī)格為3.8mm×2.9m，棚距為700mm，套棚滯后迎頭不大于20m。套棚后外扎網片，打錨索、注漿錨桿，經驗收后再對巷道進行噴漿 (噴厚以覆蓋外扎網片為宜)，兩幫共施工4根錨索并配合KTM3鋼帶梁使用，錨索φ17.8mm，長5.5m，KTM3鋼帶梁長3.0m;錨索托盤采用11號工字鋼加工而成，長1.0m。施工時錨索打在幫部上下相臨兩個錨桿正中，間排距為700mm×1400mm，兩幫底角錨索下扎15°，KTM3鋼帶梁、錨索托盤平行巷道布置，卡住前后兩個棚腿，并用球形鎖具進行漲緊;噴漿緊跟耙矸機。－650m輔助水平水倉支護圖見圖2。

圖2 －650m輔助水平水倉支護

注漿錨桿為空心有孔錨桿，φ22mm，長2.0m，端頭開孔1.0m;長4.0m，端頭開孔3.0m，間排距為1.0m×2.1m，一排9根;施工時長、短兩種注漿錨桿交替布置，底角錨桿下扎角度為15°。注漿采用水泥單液漿，標號不低于P.O 32.5普通硅酸鹽水泥。注漿滯后噴漿不大于20m。注漿加固如圖3所示。

圖3 －650m輔助水平水倉注漿加固

5 結論

根據巷道變形破壞特點和圍巖條件，從支護作用機理進行研究，對支護方式重新組合、參數進一步優(yōu)化，形成了適合本礦巷道支護需求的支護方案。對圍巖應力較大巷道，在基本支護的基礎上，進行噴漿、打錨索或注漿等補強加固，可有效地控制巷道圍巖變形，支護效果較理想。對高應力圍巖巷道，在鋼帶梁配合錨索、錨桿支護的基礎上，采用錨索配合U36型棚進行二次加固后，采用長短管組合注漿構建疊加支護體系，現(xiàn)正在現(xiàn)場實踐階段，具體實施效果及參數優(yōu)化還有待跟進研究。

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