大變形圍巖巷道支護(hù)技術(shù)實(shí)踐

張毅 蔣保光

【摘要】針對(duì)平?jīng)鲂掳裁簶I(yè)有限公司新安煤礦軟巖高應(yīng)力巷道和動(dòng)壓影響巷道變形量大，不能滿足安全生產(chǎn)需要的實(shí)際狀況，該礦制定了巷道的錨網(wǎng)梁索噴—格柵拱架的聯(lián)合支護(hù)方案。采用該方案后，提高巷道的自身承載力，減小了巷道變形量，滿足了安全生產(chǎn)需要，并獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】巷道變形 常規(guī)支護(hù) 聯(lián)合支護(hù)

平?jīng)鲂掳裁簶I(yè)公司新安煤礦位于甘肅省平?jīng)鍪谐缧趴h新窯鎮(zhèn)境內(nèi)，海拔1250m，副井深750m。新安煤礦地壓大，巖石軟，巷道變形嚴(yán)重，尤其是底臌現(xiàn)象較為嚴(yán)重。由于巷道變形，巷道斷面縮小，通風(fēng)風(fēng)速提高，軌道陰陽道，運(yùn)輸間距小，不能滿足使用要求，危機(jī)安全生產(chǎn)。新掘進(jìn)的巷道在5～10天內(nèi)就有不同程度的變形，為保證工程質(zhì)量和安全生產(chǎn)，該礦每月都需要對(duì)后路進(jìn)行維修整治。巷道整修占用了大量勞動(dòng)用工和正常的作業(yè)時(shí)間，降低了礦井的單進(jìn)水平，浪費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力。由此可見，巷道的變形已嚴(yán)重制約了礦井的發(fā)展，控制巷道變形，提供較好的支護(hù)方案成了亟待解決的問題。

1巷道變形原因分析

根據(jù)對(duì)該礦已掘的集中皮帶機(jī)道破壞情況的深入調(diào)查，并對(duì)已掌握的地質(zhì)及技術(shù)資料進(jìn)行分析，認(rèn)定該巷道破壞因素有以下幾個(gè)方面。

1.1上覆巖層壓力大

原巖應(yīng)力是巷道圍巖變形破壞的根源。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，集中皮帶機(jī)道處于煤層向斜軸心，即巷道所受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力較一般巷道大，這是巷道變形的原因之一。

1.2受動(dòng)壓影響

受工作面回采（或周圍其它巷道的掘進(jìn)）引起的強(qiáng)烈支承壓力作用，使圍巖應(yīng)力值數(shù)倍于原巖應(yīng)力，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)承受不了該荷載作用時(shí)，必然產(chǎn)生變形，造成巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。集中皮帶機(jī)道同期施工的還有集中膠帶機(jī)道等巷道，其它巷道的掘進(jìn)對(duì)圍巖應(yīng)力的分布產(chǎn)生重要影響，這是巷道變形原因之二。

1.3巷道的巖性

巷道的自身承載力與巖性有關(guān)，集中皮帶機(jī)道巖性為砂泥巖、泥巖，巷道施工中穿過1煤、5煤煤層。巖石遇水就發(fā)生膨脹，裸露狀態(tài)下隨時(shí)就發(fā)生掉落現(xiàn)象；由于底板也有水，底臌變形嚴(yán)重。巖性的不穩(wěn)定，導(dǎo)致了巷道自身承載力下降，制約了常規(guī)支護(hù)方式的支護(hù)效果，這是巷道變形原因之三。

1.4巷道的布置位置

按常理說，通過調(diào)整巷道的布置位置來抵消巷道所受的構(gòu)造應(yīng)力，改變巷道通過的巖層，滿足支護(hù)要求及強(qiáng)度，但是由于該處特殊的地理位置（該處四面環(huán)山），工業(yè)廣場(chǎng)的選擇及主、副井位置的確定無選擇性，在考慮運(yùn)輸功、礦井的優(yōu)化開采等方面因素后，集中皮帶機(jī)道的布置位置也無選擇性，這是巷道變形原因之四。

2常規(guī)支護(hù)方式及存在不足

現(xiàn)階段采用的常規(guī)支護(hù)方式主要有錨網(wǎng)噴所支護(hù)、普通的U型（工字）鋼支架支護(hù)，通過分析，存在以下不足。

（1）采用錨網(wǎng)噴索支護(hù)，雖然巷道頂幫支護(hù)強(qiáng)度得到提高，但由于巷道底板沒有支護(hù)，支護(hù)體是開放型的，不穩(wěn)定，不能形成均衡的支護(hù)體系。底板沒有支護(hù)，受到高應(yīng)力作用后，底板首先底臌，根據(jù)“區(qū)域多米諾破壞效應(yīng)”和“斷口效應(yīng)”，巷道局部破壞后，整體抗破壞能力大大降低，支護(hù)體就會(huì)迅速造成連續(xù)性大破壞。因此，單純提高頂幫支護(hù)強(qiáng)度是不行的。

（2）采用普通的U型（工字）鋼支架支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度大大提高了，但支護(hù)體與圍巖在強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)等方面存在不耦合、不匹配，支架剛度大大超過了圍巖剛度，支架與圍巖不能形成統(tǒng)一支護(hù)體，共同發(fā)揮支護(hù)效能，因此在高應(yīng)力作用下，支護(hù)不能保持長期穩(wěn)定。

3錨網(wǎng)梁索噴—格柵拱架聯(lián)合支護(hù)

3.1聯(lián)合支護(hù)理論

采用聯(lián)合支護(hù)方式，主要是彌補(bǔ)常規(guī)支護(hù)的不足，以達(dá)到最大強(qiáng)度的支護(hù)效果。通過噴漿、打錨桿（含金屬梁、金屬網(wǎng)）、打錨索支護(hù)，彌補(bǔ)“U”（梯）型支架與圍巖之間的不耦合、不匹配的不足，使圍巖與支護(hù)體能形成統(tǒng)一支護(hù)體系，發(fā)揮“U”（梯）型支架的支護(hù)效能；通過加格柵拱架、噴漿、打錨桿支護(hù)，彌補(bǔ)了巷道底板的“斷口”的不足，形成了均衡的支護(hù)體系，大大增強(qiáng)了整體的抗破壞能力。

3.2聯(lián)合支護(hù)的應(yīng)用

3.2.1施工工藝流程

（1）對(duì)巷道斷面擴(kuò)刷，擴(kuò)刷尺寸寬為2×（150+100+400+50）+4300=5700mm，高為（150+100+400+50）+3750=4450mm，其中4300為巷道凈寬，3750為巷道凈高，150為預(yù)留變形量，100為初次錨噴網(wǎng)帶厚度，400為鋼筋混凝土襯砌厚度，50為二次錨注支護(hù)厚度。在條件允許時(shí)，采用全斷面一次擴(kuò)刷，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)；若巷道圍巖條件不允許，或考慮到施工高度問題，可將整個(gè)擴(kuò)刷斷面分為上下兩層，下分層預(yù)留高度約1200mm，并將上分層分為左右兩個(gè)擴(kuò)刷斷面，左右斷面分界線以巷道中心線偏右斷面約100～200mm為準(zhǔn)。可利用上分層擴(kuò)刷的矸石作墊層，以減少施工高度。

（2）首先擴(kuò)刷上左斷面，擴(kuò)至設(shè)計(jì)斷面后噴漿封閉圍巖，之后對(duì)上左斷面采用螺紋鋼錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼帶進(jìn)行初次支護(hù)（采用超前探梁作臨時(shí)支護(hù)）。

（3）然后擴(kuò)刷上右斷面，擴(kuò)至設(shè)計(jì)斷面后噴漿封閉圍巖，之后對(duì)上右斷面采用螺紋鋼錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼帶進(jìn)行初次支護(hù)（采用單點(diǎn)柱作臨時(shí)支護(hù)）。

（4）對(duì)頂板及上分層兩幫按照設(shè)計(jì)錨索規(guī)格及位置實(shí)施低預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，對(duì)原有錨索可以繼續(xù)使用的，截?cái)嗪筮M(jìn)行再張拉以繼續(xù)使用。

（5）進(jìn)行上分層斷面復(fù)噴混凝土，覆蓋初次支護(hù)中的錨桿、金屬網(wǎng)、鋼帶和錨索。

（6）滯后上分層一定距離（以現(xiàn)場(chǎng)具體施工情況為準(zhǔn)）進(jìn)行下分層的擴(kuò)刷和臥底，同時(shí)完成幫、角初次錨網(wǎng)噴及低預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，并利用噴漿回彈料及素混凝土硬化和封閉巷道底板圍巖。

（7）滯后一定距離（一般20～30m）在初次噴、錨、網(wǎng)、帶、噴支護(hù)和錨索加固基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次全封閉高強(qiáng)度格柵拱架混凝土砌碹支護(hù)；在進(jìn)行二次全斷面格柵拱架支護(hù)時(shí)，必須保證巷道初次錨、網(wǎng)、索、噴等支護(hù)質(zhì)量。全封閉高強(qiáng)度格柵拱架混凝土砌碹的施工，首先從底板反底拱和底角部分做起，然后再施工拱頂部分。澆灌混凝土前可預(yù)埋好注漿管，為后期實(shí)施高壓錨注加固提供基礎(chǔ)。

（8）待鋼筋砼砌碹達(dá)到一定強(qiáng)度后（混凝土齡期達(dá)一周后），利用預(yù)埋的注漿管（或后打眼安裝的注漿管）適時(shí)實(shí)施全斷面注漿加固。

（9）注漿后在預(yù)埋注漿管的位置采用高性能螺紋鋼錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，以形成復(fù)合錨殼支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.2.2施工支護(hù)參數(shù)

（1）巷道擴(kuò)刷斷面幾何參數(shù)。巷道采用半圓拱形斷面，擴(kuò)刷斷面寬5700mm，高4450mm。

（2）上下分層及左右擴(kuò)刷斷面參數(shù)。將下分層高度控制在1.2m左右，然后將上分層以巷道中心線右側(cè)200mm為界分為上左、上右兩個(gè)小斷面進(jìn)行分?jǐn)U分支；滯后15～20m左右進(jìn)行1.2m下分層的擴(kuò)刷、臥底、幫角支護(hù)和底板初次硬化處理等。

（3）初次錨網(wǎng)帶噴支護(hù)參數(shù)。錨桿采用Φ22mm×2500mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨固長度1.0m以上，錨固力不低于120kN，預(yù)緊力不低于60kN，間排距700mm×700mm；鋼筋網(wǎng)采用Φ6mm圓鋼焊接的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)格100mm×100mm，規(guī)格2200mm×1500mm；鋼帶采用Φ16mm圓鋼焊接，且增加錨桿孔間的連接筋，規(guī)格長×寬為2150mm×60mm；噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，厚度100mm左右（初噴40～50mm，復(fù)噴50～60mm），保證覆蓋住錨桿托盤、鋼筋網(wǎng)、鋼帶和錨索等。

（4）預(yù)應(yīng)力錨索加固參數(shù)。錨索規(guī)格Φ18.9mm×8300mm，錨固長度大于1.5m；排距1.4m，間距1.4m左右，極限錨固力不低于300kN，為了使圍巖壓力得到合理的釋放，這里錨索預(yù)緊力采用較低值，約10～20kN，以允許圍巖產(chǎn)生較大的變形，釋放圍巖中的高應(yīng)力。

對(duì)于幫部錨索，如果風(fēng)鉆打不進(jìn)去，可采用導(dǎo)軌式錨索鉆機(jī)打42～50mm左右的孔，用水灰比為0.4的525#水泥漿全長錨固，水泥漿中應(yīng)摻加高效減水劑，摻量約為0.7%；灌注時(shí)，采用軟管插入到錨索孔孔底，注水泥漿，邊注邊抽軟管。

（5）全斷面高強(qiáng)度鋼筋砼砌碹結(jié)構(gòu)加固參數(shù)。1）殼體結(jié)構(gòu)由外圈錨網(wǎng)帶噴及內(nèi)圈全封閉高強(qiáng)度格柵拱架混凝土砌碹兩層結(jié)構(gòu)組成，并通過錨注加固形成一體，共同承載。2）完成外圈初次錨網(wǎng)帶噴支護(hù)施工后，根據(jù)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，達(dá)到二次支護(hù)條件時(shí)及時(shí)實(shí)施二次支護(hù)。二次支護(hù)的主體全封閉高強(qiáng)度格柵拱架混凝土砌碹中的配筋由格柵拱架和外層鋼筋網(wǎng)構(gòu)成。格柵拱架凈斷面高350mm，寬200mm，縱筋（主筋）為6根Φ22mm的螺紋鋼，規(guī)格HRB335；箍筋為Φ12mm的圓鋼，規(guī)格HPB235，箍筋間距200mm；格柵拱架由頂梁、兩幫立柱、底板反底拱左右半拱5塊3種規(guī)格的拱架拼裝而成，拱架拼裝采用焊接的角鋼通過M22的高強(qiáng)度螺栓連接，并增加連接筋，以提高連接處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。3）格柵拱架的排距為700mm，在立好拱架結(jié)構(gòu)后，鋪設(shè)面層鋼筋網(wǎng)，通過鋼絲綁扎成一體，綁扎間距200mm；并在拱架間打孔預(yù)埋注漿管，將注漿管固定在鋼筋網(wǎng)上。注漿管采用鋼管制，配內(nèi)螺紋，規(guī)格Φ32mm×600mm，間排距1400mm×1400mm。4）內(nèi)層格柵拱架混凝土的澆灌，可在立模后采用長距離泵送入模、連續(xù)施工，并應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》JGJ/T10的規(guī)定，澆灌混凝土厚度400mm，強(qiáng)度等級(jí)C60。5）全斷面格柵拱架混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，先施工底板反底拱和幫角部分，后施工兩幫和拱頂部分。底板反底拱設(shè)計(jì)為圓弧形，矢跨比為1：9左右，矢高600mm，拱厚為450～550mm，配筋同格柵鋼架；混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，反底拱混凝土板的收縮縫間距為15m，收縮縫間填厚1.0cm木條；注意澆灌混凝土反底拱時(shí)預(yù)埋的注漿管，其間排距1400mm×1400mm。6）模板支設(shè)參數(shù)：①墻模支設(shè)：用巷道中線控制站柱位置，在底板通過與底板反底拱模板連接固定墻站柱。站柱采用200mm方木制作，間距1.2m，站柱底部及兩側(cè)采用100mm方木對(duì)撐固定牢固；站柱上部放托拱梁，托拱梁上固定碹胎。固定時(shí)各立柱之間要平行布置，站柱必須固定牢固。②碹胎支設(shè)：碹胎采用16＃槽鋼與14＃槽鋼焊接制作，底部與墻托拱梁連接，碹胎兩肩窩和頂部由14＃槽鋼通過螺栓互相連接。碹板采用6.0m長的10#槽鋼制作。對(duì)于底部碹板的固定，采用螺栓與底拱托梁連接固定。

（6）全斷面錨注加固參數(shù)。在高強(qiáng)度格柵拱架混凝土砌碹殼體達(dá)到一定的強(qiáng)度后，通過前期預(yù)留注漿管施工深部高壓注漿孔，進(jìn)行高壓注漿，注漿采用單液水泥漿液，水灰比控制在0.5，摻加0.7～1.0％高效減水劑，注漿壓力控制在3.0～5.0MPa，具體注漿壓力據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整。

注漿加固后再利用注漿孔安裝高性能螺紋鋼錨桿，形成錨殼支護(hù)結(jié)構(gòu)，巷道兩幫及頂采用Φ22mm×3500mm高性能螺紋鋼錨桿，樹脂加長錨固，錨固長度不少于1.8m，間排距與預(yù)埋的注漿管間排距相同，底板錨桿鉆孔存在難度，盡量完成達(dá)到設(shè)計(jì)的3.5m，如果不能達(dá)到，盡量使孔深不能少于2m。同時(shí)，在兩幫增打4根錨索Φ18.9mm×4300mm（每幫兩根），在頂部增打兩個(gè)錨索Φ18.9mm×8300mm。

3.3支護(hù)效果

采用聯(lián)合支護(hù)10個(gè)月后，巷道水平方向移近量為0mm，垂直方向移近量為0mm，巷道保持穩(wěn)定。而采用常規(guī)支護(hù)8～10個(gè)月后，巷道移近量超過初期的70%以上，必須進(jìn)行整修后才能使用。

4結(jié)語

通過在集中皮帶機(jī)道工程實(shí)踐證明，應(yīng)用錨網(wǎng)梁索噴—格柵拱架的聯(lián)合支護(hù)方式，從加強(qiáng)圍巖自身強(qiáng)度和提高圍巖自身承載能力兩方面入手，充分發(fā)揮圍巖、錨桿（梁、網(wǎng)）、錨索格柵拱架、砼形成支護(hù)體系的力學(xué)性能，控制圍巖變形，解決高應(yīng)力作用下巷道不穩(wěn)定的難題，取得了一定的成功，具有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

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