長環形支架（U型鋼）耦合加固技術研究與應用

劉 凱 周洪文 丁其全

（1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北省武漢市，430070；2.冀中能源邯礦集團陶二煤礦，河北省邯鄲市，056200）

長環形支架（U型鋼）耦合加固技術研究與應用

劉 凱1周洪文1丁其全2

（1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北省武漢市，430070；2.冀中能源邯礦集團陶二煤礦，河北省邯鄲市，056200）

探討了錨網索＋長環形支架（U型鋼）的“雙殼”加固二次支護方法，在陶二煤礦首采區回風上山進行了二次支護技術工業性試驗，在巷道中共施工40組長環形支架進行試驗。結果表明，首采區回風上山巷道兩幫及頂底板變形量趨于平穩，巷道變形得到有效控制，達到預期支護效果。

松軟巖層 巷道支護 長環形支架 錨網支護 底板注漿

1 巷道概況

1.1 工程地質概況

陶二煤礦首采區回風上山下部與東副井井底車場繞道相連，上部與首采區總回風巷相通，設計服務年限20a。該巷道于2009年3月底竣工，目前已經過3次臥底維修。回風上山沿著2＃煤層底板掘進，總工程量為450m，巷道坡度約19°。回風上山所在巖層為粉砂巖，底板厚度為13～21m，裂隙發育，巖性較軟，含黃鐵礦和鈣質結核，夾有一層0.4m的薄層泥巖，泥巖極軟，易破碎。

1.2 回風上山原支護設計

回風上山設計斷面為直墻半圓拱形巷道，巷道凈斷面規格寬為4500mm、高為3550mm，巷道頂和兩幫采用錨梁網噴聯合支護。采用?22mm×2400mm螺紋鋼錨桿，間排距700mm×700mm；拱頂錨索選用?20mm×8000mm的鋼絞線錨索，每排布置3根，間排距1800mm×1400mm；錨桿間使用梯子梁連接，錨索間使用縱向梯子梁連接；表面噴射120mm厚的混凝土，見圖1。

圖1 回風上山原支護設計

2 巷道圍巖變形破壞原因分析及解決方案

2.1 回風上山圍巖變形破壞原因分析

2.1.1 巷道圍巖變形情況

經現場調查發現，回風上山全斷面變形嚴重，巷道底臌量在1.3～2.2m左右，兩幫收縮量達0.8～1.2m，特別是靠近軌道巷一側幫部變形量較大，腰線以下部位漿皮出現撕裂，寬度為200～300mm，頂板下沉量為0.8m左右。巷道下部底板涌水量較大，該巷道已經維修過3次，巷道淺部圍巖仍破碎嚴重，網兜較多。現巷道斷面高度為1.6～2.3m，腰線部寬度2.2～3.5m，回風上山原巷道輪廓與現輪廓對比見圖2，巷道斷面的較大變形嚴重影響了礦井的安全生產。

圖2 回風上山原巷道輪廓與現輪廓對比圖

2.1.2 現場巷道圍巖變形破壞原因分析

通過現場調查及分析，巷道圍巖破壞的主要原因如下：

（1）回風上山埋深在644～835.2m之間，東副井井底車場－711m水平巷道的實測地應力數據顯示該區域地應力較大，特別是水平地應力較大，最大水平主應力為31.0MPa，最小主應力為13.1 MPa，垂直主應力15.3MPa，說明構造應力影響顯著，雖然水平地應力方向與巷道軸向近似平行，但在高應力環境下巷道圍巖仍表現為工程軟巖的特性。

（2）巷道底板表面有流水與底板巖層接觸，粉砂巖中含泥質成分，遇水后降低了圍巖強度。

（3）回風上山原支護方案只考慮頂板和兩幫的支護，巷道底板無支護，碎裂底板自由變形，沒有得到限制。

2.2 巷幫及巷道底板破壞深度計算

巷道底板圍巖破壞深度主要與巷道斷面形狀、巷幫塑性區寬度、埋深、支護形式、圍巖性質等有關，巷幫中應力向底板轉移通道在巷幫塑性區深部，由極限應力平衡方程可得巷幫塑性區寬度為：

式中：x——巷幫的塑性區寬度，m；

φ——圍巖界面的內摩擦角，取20°；

C——圍巖界面的粘聚力，1.4MPa；

k——應力集中系數，取3；

γ——巖石平均容重，25kN／m3；

H——巷道埋深，700m；

Px——支架對巷幫的支護阻力，一般為0.1～0.2MPa，取0.2MPa。

將上述物理量代入式（1），得巷幫的塑性區寬度x＝1.4m。

巷道底板破壞深度計算：

將參數代入式（2），得h＝3m；

N.布什曼從很多模型中得到巷道底板最大破壞深度與巷道寬度有關，一般巷道底板最大破壞帶深度為：

式中：L——巷道寬度；

N—破壞系數，當巷道破壞深度在2.25～3.375m之間時，一般N＝0.5～0.75。

通過式（2）和式（3），破壞深度取大值，確定回風上山巷道底板破壞深度3.4m。

2.3 回風上山支護優化方案

對于回風上山底臌量大，幫側變形嚴重，提出采用“雙殼”支護巷道的思路，“雙殼”支護思路的主要依據：

（1）通過采用高強錨桿、錨索支護巷道圍巖，并施加較大預應力，使支護體結構與圍巖耦合成一體，提高圍巖的骨架承載能力，使巷道周圍形成第一應力承載殼；

（2）利用封閉式長環形支架較大的增阻和可縮性能，對巷道圍巖進行二次支護，形成第二應力承載殼，再次提高支護結構對圍巖變形的抵抗能力。

深部巷道的地應力增加，導致巷道圍巖塑性區和破碎區范圍增大，尤其在鄰近巷道和底板水的作用下，支承應力和圍巖變形量急劇增加。采用“雙殼”支護能系統地從圍巖深部到淺部控制圍巖變形，減少塑性區破壞范圍，從而提高巷道的穩定性。

3 長環形支架支護設計方案

3.1 支護設計

為了適應高水平應力的影響，減輕底板破壞程度，使支護體和圍巖耦合成相互平衡結構，達到控制底板較大變形的目的，采用錨網索＋長環形支架（U型鋼）二次支護方案。

實施方案步驟：

（1）建立高強錨桿、錨索協調支護系統；

（2）圍巖注漿，提高破碎區巖體強度；

（3）采用全斷面長環形支架控制圍巖，實施永久支護。

3.2 頂、幫錨網索支護設計

首先根據巷道斷面要求進行擴幫、挑頂、臥底，使巷道斷面尺寸達到設計要求，即寬5200mm，高5000mm，然后進行錨網索支護，其巷道及支護參數見圖3。

圖3 巷道斷面初始支護示意圖

錨桿采用超強螺紋鋼錨桿，規格為?22mm×2400mm，破斷強度為335kN，間排距800mm×800mm，每排布置13根，錨固劑為Z2360，2支，錨固段長度為1.5m，錨桿預緊力矩為300N·m，錨桿托盤采用130mm×130mm的鋼板托盤。

頂板錨索采用3根?17.8mm×8000mm的預應力錨索，間排距2000mm×1600mm，每幫使用1根預應力錨索，長4200mm，布置在巷道腰線位置，離底板高度為1300mm，錨索每排布置5根，錨索預緊力為100kN。每根錨索使用3支錨固劑Z2360，錨固長度為1.8m，錨索托盤為250mm×250mm×16mm的高強度球形托盤。

梯子梁規格為4.4m、1.6m和0.8m的，采用14＃鋼筋制作，鋼筋網規格為1250mm×950mm，網格100mm×100mm，搭接長度為150mm。

3.3 巷道圍巖注漿加固

為減小底板水滲流作用對巷道的影響，采用底板注漿來阻隔水源的流通渠道，達到封閉底板圍巖、提高底板圍巖自身支承強度、減小圍巖變形的目的。考慮到巖體漿液滲透距離，便于注漿孔施工和進行注漿工作，注漿孔布置參數為：底板每排布置4個注漿孔，頂板3個，兩幫各2個，孔徑均為?42mm，頂板、兩幫注漿孔孔深均為4000mm，底板注漿孔孔深為3500mm。注漿孔間排距為1800mm×3200mm，見圖4。

圖4 巷道注漿孔布置示意圖

3.4 長環形支架二次支護及支護時機確定

長環形支架采用4節U36型鋼搭接而成，每節長4400mm，中心彎曲半徑為1200mm，兩端水平長度為3700mm，支架排距為800mm，與錨桿支護排距相對應，支架之間采用扁鋼作為拉桿連接，扁鋼長為700mm。支架搭接處采用下限位式雙槽夾板（卡欄），搭接長度為550mm。

二次支護時機是決定巷道維護效果的關鍵因素。二次支護過早將難以抗拒圍巖的初期強烈變形；支護過晚，圍巖破壞程度加劇，其自身承載能力又會急劇下降。基于巷道底板已翻修過3次，圍巖變形基本穩定，長環形支架可在錨網索支護后直接進行，要求滯后距離不得超過2.5m。

二次支護結束后，巷道底板成圓弧狀，為了方便巷道行人及運輸作業，對底板進行澆注混凝土，澆注厚度900mm，保證底板形成水平面，見圖5。

圖5 巷道長環形支架支護示意圖

4 礦壓監測

4.1 兩幫變形規律

通過對回風上山兩幫移近量觀測，綜合原巷道觀測數據進行對比分析，觀測結果見圖6。

圖6 巷道兩幫移近量對比分析

巷道原支護方式時，觀測點1和觀測點2顯示：60d內，巷道兩幫最大移近量為380mm，后期移近量擴大到800mm～1200mm。

采用錨網索及長環形支架聯合支護后，觀測點1和觀測點2顯示，兩幫曲線規律基本相同。巷道兩幫最大移近量為152mm，在支護40d內，移近曲線速率較大，巷道兩幫變形最為明顯；支護40d后，曲線速率變得比較平緩，移動速率比較小，兩幫圍巖基本穩定；50d以后，兩幫變形基本穩定，移動速率接近于0。

4.2 頂底板圍巖移動規律

通過對回風上山底板移近量觀測，綜合原巷道觀測數據進行對比分析，觀測結果見圖7。

巷道原支護方式時，觀測點1和觀測點2顯示：60d內，巷道頂底板相對最大移近量為290mm；后期巷道頂底板相對移近量擴大到1000～1900mm。

圖7 巷道頂底板移近量對比分析

采用錨網索及長環形支架聯合支護后，觀測點1和觀測點2顯示，頂底板最大移近量為133mm，底板位移量較大，這和該區域較大的水平應力引起的松散巖體破碎變形有關，雖然底板巖體通過支架和注漿支護，但是較大構造應力仍然可以使巷道底板淺部發生碎脹變形，這是在支護過程中無法避免的。55d以后，頂底板變形呈現下降趨勢，巷道圍巖變形得到了有效控制。

5 結論

該技術可廣泛應用與各類失修巷道，完善高地應力區域巷道支護技術，滿足巷道支護要求，延長巷道安全使用周期；建立了“雙殼”支護理念方法為高地應力區域巷道支護提供了一種支護新思路。

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［7］ 任志新，上官峰，楊歲寒.柔性蓄能支護防沖技術應用研究［J］.中國煤炭，2012（3）

Research and application of strengthening technique for square ring support coupling

Liu Kai1，Zhou Hongwen1，Ding Qiquan2
（1.College of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei 430070，China；2.Taoer Coal Mine，Handan Coal Mining Group，Jizhong Energy Group Corporation Ltd.，Handan，Hebei 056200，China）

The double supporting way with cable anchor and rectangular ring（U－shape steel）supports was discussed，and applied to the first mining area of Taoer Coal Mine.40sets of rectangular ring supports were used in the center of roadway.The results showed that the roadway deformation tend to be stable and controlled effectively，achieving the desired supporting effect.

soft rock strata，roadway support，rectangular ring supports，anchor net support，floor grouting

TD353

A

劉凱（1983－），男，河北邯鄲人，在讀研究生，曾在邯鄲礦業集團陶二煤礦技術科工作，助理工程師。

（責任編輯 張毅玲）