大變形圍巖巷道支護技術實踐

張毅 蔣保光

【摘要】針對平涼新安煤業有限公司新安煤礦軟巖高應力巷道和動壓影響巷道變形量大，不能滿足安全生產需要的實際狀況，該礦制定了巷道的錨網梁索噴—格柵拱架的聯合支護方案。采用該方案后，提高巷道的自身承載力，減小了巷道變形量，滿足了安全生產需要，并獲得了較好的技術經濟效益。

【關鍵詞】巷道變形 常規支護 聯合支護

平涼新安煤業公司新安煤礦位于甘肅省平涼市崇信縣新窯鎮境內，海拔1250m，副井深750m。新安煤礦地壓大，巖石軟，巷道變形嚴重，尤其是底臌現象較為嚴重。由于巷道變形，巷道斷面縮小，通風風速提高，軌道陰陽道，運輸間距小，不能滿足使用要求，危機安全生產。新掘進的巷道在5～10天內就有不同程度的變形，為保證工程質量和安全生產，該礦每月都需要對后路進行維修整治。巷道整修占用了大量勞動用工和正常的作業時間，降低了礦井的單進水平，浪費了大量的人力、物力、財力。由此可見，巷道的變形已嚴重制約了礦井的發展，控制巷道變形，提供較好的支護方案成了亟待解決的問題。

1巷道變形原因分析

根據對該礦已掘的集中皮帶機道破壞情況的深入調查，并對已掌握的地質及技術資料進行分析，認定該巷道破壞因素有以下幾個方面。

1.1上覆巖層壓力大

原巖應力是巷道圍巖變形破壞的根源。根據地質資料顯示，集中皮帶機道處于煤層向斜軸心，即巷道所受地質構造應力較一般巷道大，這是巷道變形的原因之一。

1.2受動壓影響

受工作面回采（或周圍其它巷道的掘進）引起的強烈支承壓力作用，使圍巖應力值數倍于原巖應力，當支護結構承受不了該荷載作用時，必然產生變形，造成巷道支護結構的破壞。集中皮帶機道同期施工的還有集中膠帶機道等巷道，其它巷道的掘進對圍巖應力的分布產生重要影響，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，集中皮帶機道巖性為砂泥巖、泥巖，巷道施工中穿過1煤、5煤煤層。巖石遇水就發生膨脹，裸露狀態下隨時就發生掉落現象；由于底板也有水，底臌變形嚴重。巖性的不穩定，導致了巷道自身承載力下降，制約了常規支護方式的支護效果，這是巷道變形原因之三。

1.4巷道的布置位置

按常理說，通過調整巷道的布置位置來抵消巷道所受的構造應力，改變巷道通過的巖層，滿足支護要求及強度，但是由于該處特殊的地理位置（該處四面環山），工業廣場的選擇及主、副井位置的確定無選擇性，在考慮運輸功、礦井的優化開采等方面因素后，集中皮帶機道的布置位置也無選擇性，這是巷道變形原因之四。

2常規支護方式及存在不足

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

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

（2）采用普通的U型（工字）鋼支架支護，支護強度大大提高了，但支護體與圍巖在強度、剛度和結構等方面存在不耦合、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一支護體，共同發揮支護效能，因此在高應力作用下，支護不能保持長期穩定。

3錨網梁索噴—格柵拱架聯合支護

3.1聯合支護理論

采用聯合支護方式，主要是彌補常規支護的不足，以達到最大強度的支護效果。通過噴漿、打錨桿（含金屬梁、金屬網）、打錨索支護，彌補“U”（梯）型支架與圍巖之間的不耦合、不匹配的不足，使圍巖與支護體能形成統一支護體系，發揮“U”（梯）型支架的支護效能；通過加格柵拱架、噴漿、打錨桿支護，彌補了巷道底板的“斷口”的不足，形成了均衡的支護體系，大大增強了整體的抗破壞能力。

3.2聯合支護的應用

3.2.1施工工藝流程

（1）對巷道斷面擴刷，擴刷尺寸寬為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為預留變形量，100為初次錨噴網帶厚度，400為鋼筋混凝土襯砌厚度，50為二次錨注支護厚度。在條件允許時，采用全斷面一次擴刷，及時進行支護；若巷道圍巖條件不允許，或考慮到施工高度問題，可將整個擴刷斷面分為上下兩層，下分層預留高度約1200mm，并將上分層分為左右兩個擴刷斷面，左右斷面分界線以巷道中心線偏右斷面約100～200mm為準。可利用上分層擴刷的矸石作墊層，以減少施工高度。

（2）首先擴刷上左斷面，擴至設計斷面后噴漿封閉圍巖，之后對上左斷面采用螺紋鋼錨桿、鋼筋網、鋼帶進行初次支護（采用超前探梁作臨時支護）。

（3）然后擴刷上右斷面，擴至設計斷面后噴漿封閉圍巖，之后對上右斷面采用螺紋鋼錨桿、鋼筋網、鋼帶進行初次支護（采用單點柱作臨時支護）。

（4）對頂板及上分層兩幫按照設計錨索規格及位置實施低預應力錨索支護，對原有錨索可以繼續使用的，截斷后進行再張拉以繼續使用。

（5）進行上分層斷面復噴混凝土，覆蓋初次支護中的錨桿、金屬網、鋼帶和錨索。

（6）滯后上分層一定距離（以現場具體施工情況為準）進行下分層的擴刷和臥底，同時完成幫、角初次錨網噴及低預應力錨索支護，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、帶、噴支護和錨索加固基礎上，進行二次全封閉高強度格柵拱架混凝土砌碹支護；在進行二次全斷面格柵拱架支護時，必須保證巷道初次錨、網、索、噴等支護質量。全封閉高強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。澆灌混凝土前可預埋好注漿管，為后期實施高壓錨注加固提供基礎。

（8）待鋼筋砼砌碹達到一定強度后（混凝土齡期達一周后），利用預埋的注漿管（或后打眼安裝的注漿管）適時實施全斷面注漿加固。

（9）注漿后在預埋注漿管的位置采用高性能螺紋鋼錨桿進行加強支護，以形成復合錨殼支護結構。

3.2.2施工支護參數

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

（2）上下分層及左右擴刷斷面參數。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200mm為界分為上左、上右兩個小斷面進行分擴分支；滯后15～20m左右進行1.2m下分層的擴刷、臥底、幫角支護和底板初次硬化處理等。

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

（4）預應力錨索加固參數。錨索規格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，這里錨索預緊力采用較低值，約10～20kN，以允許圍巖產生較大的變形，釋放圍巖中的高應力。

對于幫部錨索，如果風鉆打不進去，可采用導軌式錨索鉆機打42～50mm左右的孔，用水灰比為0.4的525#水泥漿全長錨固，水泥漿中應摻加高效減水劑，摻量約為0.7%；灌注時，采用軟管插入到錨索孔孔底，注水泥漿，邊注邊抽軟管。

（5）全斷面高強度鋼筋砼砌碹結構加固參數。1）殼體結構由外圈錨網帶噴及內圈全封閉高強度格柵拱架混凝土砌碹兩層結構組成，并通過錨注加固形成一體，共同承載。2）完成外圈初次錨網帶噴支護施工后，根據變形監測結果，達到二次支護條件時及時實施二次支護。二次支護的主體全封閉高強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構成。格柵拱架凈斷面高350mm，寬200mm，縱筋（主筋）為6根Φ22mm的螺紋鋼，規格HRB335；箍筋為Φ12mm的圓鋼，規格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的高強度螺栓連接，并增加連接筋，以提高連接處結構強度。3）格柵拱架的排距為700mm，在立好拱架結構后，鋪設面層鋼筋網，通過鋼絲綁扎成一體，綁扎間距200mm；并在拱架間打孔預埋注漿管，將注漿管固定在鋼筋網上。注漿管采用鋼管制，配內螺紋，規格Φ32mm×600mm，間排距1400mm×1400mm。4）內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、連續施工，并應符合現行行業標準《混凝土泵送施工技術規程》JGJ/T10的規定，澆灌混凝土厚度400mm，強度等級C60。5）全斷面格柵拱架混凝土支護結構施工時，先施工底板反底拱和幫角部分，后施工兩幫和拱頂部分。底板反底拱設計為圓弧形，矢跨比為1：9左右，矢高600mm，拱厚為450～550mm，配筋同格柵鋼架；混凝土強度等級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預埋的注漿管，其間排距1400mm×1400mm。6）模板支設參數：①墻模支設：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，站柱底部及兩側采用100mm方木對撐固定牢固；站柱上部放托拱梁，托拱梁上固定碹胎。固定時各立柱之間要平行布置，站柱必須固定牢固。②碹胎支設：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。在高強度格柵拱架混凝土砌碹殼體達到一定的強度后，通過前期預留注漿管施工深部高壓注漿孔，進行高壓注漿，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，具體注漿壓力據現場實際情況調整。

注漿加固后再利用注漿孔安裝高性能螺紋鋼錨桿，形成錨殼支護結構，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，盡量完成達到設計的3.5m，如果不能達到，盡量使孔深不能少于2m。同時，在兩幫增打4根錨索Φ18.9mm×4300mm（每幫兩根），在頂部增打兩個錨索Φ18.9mm×8300mm。

3.3支護效果

采用聯合支護10個月后，巷道水平方向移近量為0mm，垂直方向移近量為0mm，巷道保持穩定。而采用常規支護8～10個月后，巷道移近量超過初期的70%以上，必須進行整修后才能使用。

4結語

通過在集中皮帶機道工程實踐證明，應用錨網梁索噴—格柵拱架的聯合支護方式，從加強圍巖自身強度和提高圍巖自身承載能力兩方面入手，充分發揮圍巖、錨桿（梁、網）、錨索格柵拱架、砼形成支護體系的力學性能，控制圍巖變形，解決高應力作用下巷道不穩定的難題，取得了一定的成功，具有一定的技術經濟效益。

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