耦合支護(hù)技術(shù)在大斷面軟弱圍巖控制中的應(yīng)用

馮 銳

（1.河南理工大學(xué)，河南 焦作454000；2.鄭州煤炭工業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司項(xiàng)目建設(shè)部，河南 鄭州454000）

1 項(xiàng)目概況

鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）振興二礦有限公司位于鄭州市二七區(qū)侯寨鄉(xiāng)三李村境內(nèi)，從2005年4月開始進(jìn)行技術(shù)改造，采用3個(gè)立井開拓全井田，現(xiàn)有主立井保持不變，現(xiàn)有副立井改造為專用回風(fēng)井，報(bào)廢現(xiàn)有回風(fēng)井，并在現(xiàn)有工業(yè)廣場東北側(cè)新打副立井。設(shè)計(jì)采用走向長壁炮采采煤法，工作面采用整體頂梁懸移支架支護(hù)。技術(shù)改造后設(shè)計(jì)礦井生產(chǎn)能力由0.3Mt／a提高到0.45Mt／a?？紤]到后期生產(chǎn)期間礦井涌水量增大，本次技術(shù)改造在11采區(qū)下部－280m水平建一主排水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)最大排水能力1350m3／h。－280m水平主排水泵房位于DF5正斷層下盤40～50m處，該斷層落差約為35m，且泵房層位為二1煤層底板厚層泥巖中，附近巷道布置密集（見圖1），圍巖破碎、整體性差，設(shè)計(jì)斷面為5600mm×5000mm，因斷面較大，支護(hù)困難。

圖1 泵房巷道布置

2 泵房破壞現(xiàn)狀

－280m水平主排水泵房原設(shè)計(jì)支護(hù)形式為U36型鋼＋噴射混凝土＋5道工字鋼連鎖梁聯(lián)合支護(hù)，于2013年3月底施工完成20m后，礦壓開始顯現(xiàn)，局部幫部開始出現(xiàn)縱向、橫向裂紋，部分地點(diǎn)的噴層已經(jīng)出現(xiàn)開裂，巷道底板也出現(xiàn)底臌開裂現(xiàn)象，局部底板開裂變形鼓起200～300 mm，泵房凈寬縮小200mm左右，已安裝的起重梁受兩幫擠壓開始變形，若再不采取有效措施將影響后期排水設(shè)備、排水管路安裝，更不能保證安全使用。盡管礦方對圍巖采取注漿加固措施，但效果甚微。

3 泵房支護(hù)失效原因分析

1）泵房硐室斷面較大，圍巖的松動(dòng)圈也大，再加上泵房附近范圍內(nèi)巷道密集，軌道下山、配水巷、井底水倉、管子道等巷道與之形成了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，造成硐室周邊多重應(yīng)力疊加，硐室一側(cè)的斷層加大了圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載和應(yīng)力集中程度，是造成硐室收斂變形嚴(yán)重的重要因素。

2）自身圍巖巖性。－280m水平泵房掘進(jìn)過程中實(shí)際揭露的巖層主要有煤層底板砂質(zhì)泥巖、泥巖及部分細(xì)砂巖，硐室盡管大部分布置在砂質(zhì)泥巖中，圍巖破碎，整體性差，易膨脹變形，當(dāng)頂部壓力較大時(shí)，造成底板圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生塑性變形而底臌，進(jìn)而影響硐室兩幫穩(wěn)定。

3）泵房位于DF5正斷層下盤40～50m處，該斷層落差約為35m，且泵房層位為二1煤層底板厚層泥巖中，再加上附近掘進(jìn)巷道，對泵房的穩(wěn)定性影響很大，

4）施工工藝、支護(hù)方法的影響，此類圍巖開挖后支護(hù)方案的設(shè)計(jì)應(yīng)以加固圍巖，提高圍巖整體性，充分利用圍巖自身強(qiáng)度達(dá)到新的應(yīng)力平衡穩(wěn)定狀態(tài)。原設(shè)計(jì)采用U36型鋼＋噴射混凝土＋5道工字鋼連鎖梁聯(lián)合支護(hù)，再加上棚支架不能頂緊巖壁，圍巖封閉不及時(shí)，隨著時(shí)間的推移，開挖后圍巖松動(dòng)圈不斷擴(kuò)大，單靠棚支架被動(dòng)支護(hù)難以抵抗硐室圍巖發(fā)生應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力，最終導(dǎo)致支護(hù)失敗。

4 支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)

4.1 支護(hù)方案

破碎軟巖硐室圍巖變形特征一般表現(xiàn)為三個(gè)階段：劇烈變形階段、穩(wěn)定變形階段、加速變形階段。實(shí)踐證明，破碎圍巖硐室在穩(wěn)定變形階段前后的變形速度在很大程度上取決于第一階段的支護(hù)和圍巖保持的狀態(tài)。如果在硐室開掘之初，圍巖未開始松動(dòng)前就采取錨網(wǎng)噴＋必要時(shí)增加錨索、圍巖注漿加固措施及時(shí)支護(hù)，并通過錨桿、錨索對圍巖施加的預(yù)應(yīng)力，使支護(hù)層與深部圍巖緊密接觸，防止深部圍巖進(jìn)一步松動(dòng)，再加上后期封閉剛性棚支架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，圍巖的變形就會(huì)得到有效控制，反之支護(hù)失效導(dǎo)致巷道變形。因此采取如下支護(hù)方案。

一次支護(hù)：預(yù)應(yīng)力錨桿＋金屬網(wǎng)＋預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨索聯(lián)合支護(hù)，一次支護(hù)要加快速度，盡可能減少圍巖松動(dòng)范圍擴(kuò)大速度。錨桿和錨索的長度、錨固長度、預(yù)緊力應(yīng)根據(jù)實(shí)際圍巖情況確定，通過錨桿、錨索組合支護(hù)技術(shù)來維持開挖初期硐室圍巖強(qiáng)度。

二次支護(hù)采用全斷面U36棚支架聯(lián)鎖支護(hù)，棚間距為600mm，棚子加工段與段之間的連接采用鋼板螺栓剛性對接，施工期間確保整環(huán)棚支架在同一平面上，防止棚子旋扭失穩(wěn)降低支護(hù)強(qiáng)度，隨后進(jìn)行噴射混凝土施工，一是封閉圍巖，阻止圍巖進(jìn)一步風(fēng)化，二是為后續(xù)圍巖注漿加固施工提供條件（見圖2）。

三次支護(hù)主要對反底拱進(jìn)行混凝土澆筑，由于硐室圍巖較破碎，為了能夠利用水泥漿液的充填、擠壓、固結(jié)作用對圍巖進(jìn)行加固，在澆筑底部鋼筋混凝土?xí)r要預(yù)埋注漿導(dǎo)管。

圖2 剛性棚支架加工示意示意

4.2 支護(hù)方案參數(shù)設(shè)計(jì)

錨桿：采用長度為2.5m、Φ22mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿、樹脂錨固，錨固長度不低于1.30m，錨桿間排距700 mm×700mm，梅花形布置，螺母扭矩不低于200N×M，錨固力不低于120kN（見圖3）。

網(wǎng)片采用直徑Ф6mm的圓鋼冷拔絲制作，網(wǎng)格間距為60mm×60mm。

圖3 錨桿布置示意

錨索參數(shù)：每個(gè)斷面布置7根錨索，間排距為1800 mm×2000mm，沿硐頂呈扇形分布，外端沿硐室縱向利用槽鋼連接，形成錨桿連鎖加固。錨索長度根據(jù)超前巖層探測結(jié)果確定為8m，局部可適當(dāng)調(diào)整，錨索采用Ф18.9mm低松弛高強(qiáng)鋼絞線，端頭利用4個(gè)z2350的藥卷進(jìn)行錨固，錨固長度不低于3m，螺母扭矩不低于300N×M，錨固力不低于200kN（見圖4）。

圖4 錨索布置示意

注漿參數(shù)：注漿加固采用深淺孔交替注漿方式：淺孔注漿深度為1.2m，深孔注漿深度為3m深淺孔均呈梅花狀布置，深淺孔布置間排距均為1.5m×2m，間隔布置，淺孔注漿主要以棚背破碎圍巖充填為主，深孔注漿主要針對松散圍巖與穩(wěn)定圍巖交界附近裂隙進(jìn)行充填、擠密、固結(jié)加固。根據(jù)圍巖松動(dòng)范圍及完整性，注漿孔間排距以及注漿孔深度可作適當(dāng)調(diào)整。注漿管為復(fù)合注漿錨桿，注漿后上托盤作為錨桿使用，注漿管直徑25mm，為確保不損壞硼支架、噴層，注漿壓力不高于2.0MPa，注漿材料采用P.O32.5號普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1，注漿加固必須等噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的70%后進(jìn)行。注漿結(jié)束后可利用注水試驗(yàn)對圍巖注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

利用底板澆筑混凝土?xí)r預(yù)埋的注漿管對底板混凝土澆筑層以下圍巖進(jìn)行注漿加固，以使硐室外部松動(dòng)圍巖加固成環(huán)，確保支護(hù)強(qiáng)度。

5 施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)

1）施工期間要加強(qiáng)光面爆破管理，合理布置炮眼數(shù)量、炮眼間距，嚴(yán)格控制裝藥量，盡可能減少爆破對周圍圍巖的擾動(dòng)，減少圍巖支護(hù)難度。

2）爆破后盡快進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)施工，及時(shí)初噴封閉圍巖，要加強(qiáng)錨網(wǎng)施工質(zhì)量管理，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)預(yù)緊力進(jìn)行施工，以減慢開挖后松動(dòng)圈范圍發(fā)展速度，為后續(xù)施工創(chuàng)造條件。

3）封閉剛性棚支架連接板螺栓擰緊后要進(jìn)行焊接，使之形成受力整體，井下安裝期間要加強(qiáng)封閉支架安裝質(zhì)量管理，必須確保封閉支架安裝后在同一截面上，棚支架噴漿完成后，及時(shí)進(jìn)行利用淺孔注漿對棚背圍巖進(jìn)行充填固結(jié)。

4）利用探鉆探明圍巖松動(dòng)圈范圍，根據(jù)探測的松動(dòng)范圍合理設(shè)置錨桿長度和錨索長度及其錨固長度，確保錨桿錨索支護(hù)科學(xué)有效。

5）在施工期間合理確定控頂距離，盡可能在采用短掘短支，避免頂板事故發(fā)生。

6 支護(hù)效果檢驗(yàn)

施工期間對已施工巷道的頂、底高度，巷道的凈寬進(jìn)行了布點(diǎn)觀測，截止目前，巷道頂沉11mm，底板鼓起最大量18mm，凈高減少了32mm，兩幫寬度最大變形量為23 mm，進(jìn)入2014年6月以來，巷道總變形量基本穩(wěn)定。

7 結(jié)語

－280m泵房施工前20m范圍內(nèi)，硐室變形嚴(yán)重，支護(hù)效果不理想，通過對泵房破壞的原因從多角度進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)制定了切實(shí)有效的支護(hù)方案，即錨網(wǎng)噴、錨索主動(dòng)支護(hù)和36U封閉剛性支架相互協(xié)調(diào)聯(lián)合支護(hù)，取得了良好的效果，上述支護(hù)方案的成功為大斷面、弱膠接破碎圍巖支護(hù)積累了工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果。