城郊煤礦深部巖巷全斷面支護(hù)技術(shù)實(shí)踐

楊長瑞

（河南省正龍煤業(yè)有限公司 城郊煤礦，河南 永城 476600）

1 工程背景

1.1 巷道位置

城郊煤礦二水平南翼軌道大巷為二水平行人、運(yùn)料以及工作面進(jìn)風(fēng)的通道。巷道設(shè)計(jì)長度1 596 m，施工坡度為3‰，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為20 a。巷道斷面為直墻半圓拱斷面，規(guī)格尺寸為5.0 m×4.0 m（寬×巷中高），墻高1.6 m。巷道位于二2 煤頂板中，層位如圖1 所示。

圖1 二水平南翼軌道大巷層位圖Fig.1 Layer of track roadway in the second horizontal south wing

1.2 巷道變形特征

二水平的埋深已經(jīng)超過800 m，初始采用的是錨噴支護(hù)方式?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，南翼軌道大巷的變形嚴(yán)重，底臌量大，頂板噴漿層多處開裂，鋼筋網(wǎng)拉斷扭曲，斷面收縮明顯，局部地區(qū)變形量超過1 200 mm，維修周期僅為1 a。巷道斷面收縮情況如圖2 所示。

圖2 巷道斷面變形素描Fig.2 Roadway section deformation sketch

二水平南翼軌道大巷變形特點(diǎn)主要如下。

（1） 水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

巷道掘進(jìn)過程中頂板及兩幫均有淋水現(xiàn)象，并且持續(xù)時(shí)間較長。在長期水環(huán)境的侵蝕下，圍巖強(qiáng)度大大減少，并且錨桿索等支護(hù)體也被腐蝕，影響了支護(hù)強(qiáng)度。

（2） 巷道層位巖性較差。

二水平南翼軌道大巷主要位于二2 煤頂板的砂質(zhì)泥巖中，圍巖力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果表明，砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度為42 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.76 MPa，強(qiáng)度低，抵抗變形能力差。

（3） 支護(hù)設(shè)計(jì)存在一定問題。

原支護(hù)設(shè)計(jì)中對巷道底板缺少支護(hù)，導(dǎo)致巷道底鼓嚴(yán)重，同時(shí)巷道表面采用簡單的水泥漿封閉，一次成形，厚度小，導(dǎo)致后期在水的影響下開裂掉皮。

2 深部巖巷控制及支護(hù)參數(shù)計(jì)算

對于深部巷道，采用常規(guī)的錨網(wǎng)索支護(hù)難以取得理想的支護(hù)效果[1-3]，在加強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化圍巖本身的強(qiáng)度以及加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù)是減小巷道變形的有效途徑[4-8]。

2.1 深部巖巷控制

2.1.1 圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化

研究表明，在巖體中施工錨桿索可以顯著提高巖體的承載能力。巷道開掘后，原巖應(yīng)力重新分布導(dǎo)致表面應(yīng)力集中，圍巖出現(xiàn)塑性破壞。錨桿支護(hù)可提高破碎圍巖的極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，提高其抗變形能力。并且在一定范圍內(nèi)，其支護(hù)強(qiáng)度與圍巖變形呈現(xiàn)顯著的負(fù)指數(shù)關(guān)系。隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，圍巖變形大大減少，如圖3 所示。

圖3 支護(hù)阻力與圍巖變形關(guān)系Fig.3 Relationship between support resistance and surrounding rock deformation

2.1.2 關(guān)鍵部位補(bǔ)強(qiáng)

由于巷道底鼓可以通過臥底的方式解決，因此我國巷道設(shè)計(jì)中對頂板及兩幫支護(hù)較多，底板支護(hù)較少甚至無支護(hù)。缺少底板支護(hù)，整個(gè)支護(hù)體沒有形成一個(gè)完整的承載結(jié)構(gòu)，底板尤其是底板與兩幫交接處為支護(hù)薄弱地帶，變形最為嚴(yán)重[9-10]。因此，對于大巷等永久巷道，應(yīng)在加強(qiáng)頂板及兩幫支護(hù)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)對底板進(jìn)行加固，保證巷道穩(wěn)定，減少維修。

2.2 支護(hù)參數(shù)計(jì)算

2.2.1 錨桿參數(shù)

（1） 錨桿長度計(jì)算。

錨桿長度Lg通常按下式計(jì)算：

式中：L1為錨桿末端外露長度，m；L2為錨桿有效長度，m；L3為錨桿錨固段長度，m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算得到錨桿長度不小于2.6 m。

（2） 錨桿桿體直徑。

根據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則確定錨桿直徑dg，一般按下式計(jì)算：

式中：σ 為錨固力，kN；σt為桿體材料抗拉強(qiáng)度，MPa。

代入計(jì)算可得，桿體直徑為20.6 mm。

（3） 錨桿間距、排距。

錨桿間排距a按照下式計(jì)算：

式中：a為錨桿間排距，m；Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，kN/根；H為自然平衡拱高度，m；γ 為被懸吊巖石的重力密度，kN/m3；K為安全系數(shù)。

代入計(jì)算可得，間排距為760 mm。

2.2.2 錨索參數(shù)

（1） 錨索鋼絞線長度計(jì)算。

鋼絞線長度Ls按照下式計(jì)算：

式中：La為鋼絞線的自由段長度，m；Lb為鋼絞線的錨固長度，m。

代入計(jì)算可得，錨索長度為6 970 mm，取7 300 mm。

（2） 鋼絞線的直徑計(jì)算。

鋼絞線的直徑ds按下式計(jì)算：

式中：Nt為鋼絞線軸向拉力設(shè)計(jì)值，kN；fptk為鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；k為鋼絞線界面設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

代入計(jì)算可得， 直徑為17.06 mm， 取18.9 mm。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 支護(hù)方案

綜合分析的基礎(chǔ)上，二水平南翼軌道大巷確定采用錨網(wǎng)索全斷面支護(hù)方式。

3.1.1 巷道頂板及兩幫

巷道頂板及兩幫支護(hù)如圖4 所示。

圖4 巷道頂板及兩幫支護(hù)方案Fig.4 Support scheme of roadway roof and two sides

（1） 初噴。

巷道成型后，首先對進(jìn)行敲幫問頂，及時(shí)噴漿將巷道進(jìn)行簡單密閉，噴漿層厚度不少于30 mm。

（2） 打錨桿上網(wǎng)。

從巷道正中間向巷道兩側(cè)依次施工錨桿。錨桿直徑為22 mm，長度為2 800 mm，間排距均為700 mm，所有錨桿垂直巷道表面，巷道兩幫最下位兩根錨桿向底板方向傾斜10°。每根錨桿配2 卷Z2360 樹脂藥卷錨固，錨固力不低于180 kN。錨桿托盤規(guī)格為200 mm×200 mm×10 mm（長×寬×厚）。所有鋼筋網(wǎng)為直徑6.5 mm 的鋼筋制作，網(wǎng)口規(guī)格為70 mm×70 mm，每片鋼筋網(wǎng)的尺寸為1 000 mm×2 000 mm，網(wǎng)片搭接不得小于200 mm。

（3） 施工頂錨索。

巷道頂錨索為φ18.9 mm 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作，長度為7 300 mm，間排距為1 700 mm×1 400 mm，每排布置3 根，均垂直巷道表面。每根頂錨索配3 卷Z2360 和2 卷K2335 樹脂藥卷錨固，設(shè)計(jì)錨固力不低于250 kN。頂錨索托盤為2 個(gè)，尺寸分為400 mm×400 mm×12 mm（長×寬×厚）和200 mm×200 mm×10 mm（長×寬×厚），大托盤在里，小托盤在外。

（4） 施工幫錨索。

巷道兩幫分別采用2 根錨索加固。錨索規(guī)格為18.9 mm×5 300 mm，間排距均為1 400 mm，2 根錨桿分別向上和向下傾斜15°布置。每根頂錨索配2 卷Z2360 和2 卷K2335 樹脂藥卷錨固，設(shè)計(jì)錨固力不低于250 kN。幫錨索配400 mm×400 mm×12 mm（長×寬×厚） 的大托盤。

（5） 復(fù)噴。

幫錨索施工完畢后，對錨桿和錨索施工質(zhì)量進(jìn)行檢查。確認(rèn)合格后對巷道表面進(jìn)行復(fù)噴，厚度不小于50 mm。

（6） 第三次噴漿。

復(fù)噴結(jié)束后，滯后70 m，對巷道進(jìn)行第三次噴漿，厚度不小于70 mm。

3 次噴漿材料中均加入聚丙烯纖維，摻入量為0.5 kg/m3。漿液攪拌時(shí)應(yīng)先將聚丙烯纖維、水泥等干料混合均勻，然后加入到噴漿機(jī)中，保證噴漿效果。

3.1.2 巷道底板支護(hù)

巷道底板采用反底拱和底板錨索注漿聯(lián)合加固的方式，如圖5 所示。

圖5 巷道底板加固Fig.5 Roadway floor reinforcement

（1） 反底拱。

在巷道底板位置，施工弧形卸壓槽作為反底拱，半徑為9 000 mm，巷道正中間最大深度為1 000 mm。反底拱施工完畢后，利用混凝土材料進(jìn)行回填。

（2） 注漿錨索。

在底板施工注漿錨索，規(guī)格為φ18.9 mm×5 300 mm，間排距為1 000 mm×1 400 mm，中間1根布置在巷道正中間位置，垂直巷道底板，兩側(cè)的2 根向外傾斜15°。注漿材料為525 的硫鋁酸鹽快硬水泥漿液，水灰比為0.9∶1，注漿壓力為6 MPa。注漿結(jié)束后安裝鎖具對錨索進(jìn)行張拉，拉力不得小于120 kN。

3.2 變形觀測

在二水平南翼軌道大巷掘進(jìn)過程中設(shè)置測站對巷道表面位移進(jìn)行觀測，共設(shè)置7 個(gè)測站，從巷道900 m 處開始，50 m 設(shè)置1 個(gè)，采用“十字布點(diǎn)法”對巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟窟M(jìn)行記錄，其中7號測點(diǎn)的巷道變形量最大，其觀測結(jié)果如圖6所示。

圖6 7 號測點(diǎn)巷道變形觀測結(jié)果Fig.6 Observation results of roadway deformation at No.7 measuring point

由圖6 可以看出，巷道掘進(jìn)后，巷道變形緩慢，持續(xù)時(shí)間長，但變形總量小，頂板下沉量為23 mm，兩幫的最大收斂量為58 mm，底臌量為45 mm，對生產(chǎn)無影響。巷道支護(hù)效果如圖7 所示。

圖7 二水平南翼軌道大巷支護(hù)效果Fig.7 The support effect of the second horizontal south wing track roadway

4 結(jié) 論

（1） 二水平南翼軌道大巷位于二2 煤頂板的砂質(zhì)泥巖中，強(qiáng)度低，且頂板有淋水，造成巷道變形嚴(yán)重，底臌量大，噴層多處開裂，鋼筋網(wǎng)拉斷扭曲，反復(fù)維修成本高。

（2） 圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化和關(guān)鍵部位補(bǔ)強(qiáng)是深部巖巷控制的有效措施，通過注漿可以顯著提高圍巖的承載能力以及支護(hù)體的完整性，是深部巷道支護(hù)的有效措施。

（3） 通過采用全斷面巷道支護(hù)以及底板錨索注漿和反底拱措施，400 d 的觀測周期內(nèi)，軌道大巷的變形量小，無需維修，降低了生產(chǎn)成本。