21采區皮帶下山支護技術研究與實踐

摘 要：本文為解決采動影響下軟巖巷道支護技術難題，基于某礦21采區皮帶下山地質條件分析以及工程的重要性，采用巷道破壞原因分析、支護方案確定、及現場支護效果分析相結合的方法，對軟巖巷道采用一次錨網支護+二次錨梁索支護相結合的二次支護技術，保證巷道的長期穩定；結合現場支護試驗效果分析，進一步說明巷道支護設計的合理性，同時為二次支護技術在該礦區類似軟巖巷道中的推廣提供實踐依據。

關鍵詞：采區下山；圍巖；支護結構；二次支護

某礦21采區是礦井下一階段的主采區，巷道所在位置如圖1所示。21采區皮帶下山作為21采區行人、回風和主運輸的咽喉要道，其支護情況的好壞直接影響著21采區和整個礦井的安全生產。現場調查發現21采區皮帶下山變形破壞情況有其自己的特點，巷道表面未出現明顯剪脹變形縫，但是由于圍巖巖性較差，巷道出現整體內縮，同時底板出現褶皺型底臌，這主要是由于21采區皮帶下山巷道圍巖巖性和應力水平所造成的。

目前，21采區皮帶下山破壞情況已經嚴重影響整個礦井的生產接替，急需進行治理，同時由于21采區皮帶下山為整個采區服務，使用斷面要求較高，并且巷道處于工業廣場保護煤柱邊緣，在21采區工作面回采后期皮帶下山將長期受到采動影響和集中應力的影響，迫切需要對21采區皮帶下山合理支護方式進行研究，從而保證巷道斷面能夠長期有效的滿足使用要求。

1 地質概況

該礦21采區皮帶下山所處的層位主要是L9灰巖、泥巖、砂質泥巖，L9灰巖上部還有少部分一18煤線夾層和一19煤線夾層，巷道實際埋深約770m左右。通過現場調查發現，21采區皮帶下山頂板以灰巖和泥巖混層為主，豎向節理裂隙發育，巖體完整性較差，并且巷道周圍有斷層存在，致使巖體完整性進一步降低，巷道周圍應力水平較高。21采區皮帶下山綜合柱狀圖見圖2。

2 巷道破壞原因分析

2.1 巷道原有支護形式

21采區皮帶下山采用直墻半圓拱形斷面，原設計掘進斷面面積為9m2，掘進巷道寬度為3000mm，高度為3000mm，但由于巷道變形破壞嚴重，礦方對巷道進行了擴刷，擴刷后巷道的凈寬為5000mm，凈高為4100mm，凈斷面面積為20.5m2。支護方式選用錨網噴支護，主要支護參數如下：錨桿Φ20×2200mm，間排距700×700mm，每根錨桿使用1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷錨固。金屬網為Φ6×800×1500mm鋼筋網，錨索采用Φ15.24×6000mm鋼絞線，間排距1400×1400mm，三排五花眼布置，每根錨索采用1支K2360樹脂藥卷和3支Z2360樹脂藥卷錨固。噴C15砼，噴層厚度100mm。

2.2 巷道失穩破壞特征

通過對試驗巷道變形破壞情況的現場調查分析，21采區皮帶下山失穩破壞特征如下：

（1）巷道幫部變形嚴重，幫腳產生強烈內移。由于巷道兩幫強烈內移，幫部與底板夾角由直角變為圓弧狀。巷道兩幫出現少部分較小的剪切變形縫，同時巷道兩幫漿皮少部分開裂掉落。巷道圍巖裸露處可以明顯看到此段巷道圍巖以泥巖為主，并且巖體出現風化現象，巖體非常破碎，強度明顯降低。

（2）巷道底臌明顯。從現場的底臌情況來看，呈現褶曲狀底臌，平均底臌量達到500mm；

（3）巷道頂板出現明顯的下沉。整個試驗巷道頂板基本都呈現壓平狀態，平均下沉量較大，同時巷道頂板出現明顯的變形縫。

由于整條巷道幫腳內移量與頂底板移近量都較大，致使巷道淺部圍巖較破碎，巖體完整性較差。

2.3 巷道失穩破壞原因

根據21采區皮帶下山的圍巖巖性、現有支護狀況、變形破壞特征分析，21采區皮帶下山的主要破壞原因如下：

（1）巷道礦壓顯現強烈，圍巖性質較差。21采區皮帶下山埋深約770m左右，若上部煤巖層平均容重按2000kg/m3考慮，巷道周圍垂直應力水平將達到約15.4Mpa。如圖1所示，21采區皮帶下山一側存在多條落差不大的斷層，但產生的構造應力不容忽視，大量實測資料表明，地質構造形成的構造應力往往數倍于原巖應力，若應力集中系數k按2.5考慮，則巷道所處的應力水平將高達40Mpa左右。同時21采區皮帶下山圍巖巖性以灰巖、泥巖為主，雖然灰巖強度較高，但由于巷道圍巖巖體內部節理裂隙發育，使得灰巖和泥巖巖體完整性降低，巖體強度降低，造成巷道所處應力水平遠高于圍巖體自身的強度，在高應力作用下巷道淺部破碎巖體極易產生強烈剪脹變形，造成巷道淺部圍巖向巷道自由空間強烈移動。

由于巷道已擴修過，人為的擴大了巷道圍巖的松動圈，使得巷道圍巖的整體性降低，節理裂隙進一步發育，巷道圍巖承載能力較低，巷道極易產生變形破壞。

（2）原有支護設計不合理，缺少針對性。原有支護設計中采用了鋼筋網進行護表，但是沒有配套使用鋼筋梯子梁或鋼帶，這直接導致錨桿作用效果大大降低，同時，由于鋼筋網自身強度和剛度都相對較低，當圍巖產生強烈變形時，錨桿間的巖體會使鋼筋網產生不同程度的屈服變形，且相鄰金屬網間搭接部位也極易拉開。隨著錨桿間巖體的碎脹變形，加上鋼筋網的破壞，使得錨網的實際承載能力得不到充分發揮，支護效果不理想。

此外，原有支護設計中雖然布置點錨索，但是并未針對支護承載結構的薄弱部位布置錨索，這樣巷道支護承載的薄弱部位就成為巷道失穩破壞的突破口。并且原設計中錨索未配合使用鋼筋梯子梁或鋼帶，致使錨索單個承載，造成巷道在高地應力條件下出現整體內縮的情況。

（3）錨網支護承載結構穩定性較差。原支護設計中并未采取提高幫部承載結構穩定性的相關措施，使得巷道幫部成為失穩破壞的突破口，高應力作用下巷道兩幫產生強烈內移，這在很大程度上降低了巷道承載結構的整體穩定性，而此時結構本身已成為不穩定承載體，控制巷道圍巖變形破壞的能力也就隨之降低，隨著錨網支護承載結構薄弱部位的失穩、破壞，錨網支護也會整體失去原有支護效果。

（4）底板未采取支護措施。結合21采區皮帶下山變形破壞特征分析，支護后的巷道兩幫強度遠大于未采取控底措施的底板強度，底板軟弱巖層在受到兩幫強烈的擠壓作用后，向巷道自由空間臌起，造成擠壓型底臌，當底臌量過大時，為保證巷道正常使用，往往會選擇進行臥底，而巷道的臥底施工對底板巖層產生擾動，這使得巷道圍巖松動圈發育范圍進一步擴大，導致支護承載結構穩定性大大降低，使得巷道兩幫產生強烈內移，變形破壞嚴重。

3 支護技術方案

3.1 支護技術思路

21采區皮帶下山位于工業廣場保護煤柱邊緣，與保護煤柱邊緣的平均距離為50m，由于21采區皮帶下山周圍分布著多個工作面（見圖1），各工作面回采后期對21采區皮帶下山產生明顯采動影響，并且工業廣場保護煤柱為永久煤柱，因此21采區工作面回采后期在皮帶下山周圍形成永久支承壓力，這對巷道穩定性產生了嚴重影響。

根據21采區皮帶下山的變形破壞特征，為保證巷道受采動影響和永久支承壓力影響后仍能正常使用，確定在21采區皮帶下山采用二次支護技術方案，其中一次支護采用錨網支護，二次支護是在一次支護的基礎上，采用錨梁索支護對錨網支護承載結構進行結構補償。即首先在巷道淺部圍巖形成較穩定的支護承載結構，然后通過結構補償錨索作用，使巷道深部圍巖的承載能力能夠得到充分利用，通過提高支護承載結構自身的承載能力和穩定性，達到理想的支護效果。

3.2 支護方案具體參數

（1）一次錨網支護技術參數如下：巷道全斷面共布置13根高強樹脂錨桿錨桿型號為Φ22×2500mm，間排距為700×700mm，其中幫腳錨桿與幫中錨桿間距1300mm，幫腳錨桿距底板高度不大于150mm，下扎角為15°，每根錨桿使用2支Z2350樹脂藥卷進行錨固，錨桿托盤采用140×140×10mm A3鋼鼓形托盤；巷道拱部和幫腳位置分別布置2根材質為Φ18.9×6000mm1860鋼絞線的錨索，錨索與頂部及幫中錨桿的間距為700mm，每根錨索使用4支Z2350樹脂藥卷，托盤為400mm 18#槽鋼；采用Φ8mm型高強度鋼筋網護表；沿巷道周向布置高強度鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁采用Φ14mm鋼筋焊接而成，巷道兩幫采用幫部鋼筋梯子梁，頂板采用頂部鋼筋梯子梁。一次支護斷面圖見圖3，鋼筋梯子梁見圖4。

（2）二次支護技術參數如下：一次支護施工完成后，待巷道變形趨于穩定時，采用二次錨梁索支護對錨網支護承載結構進行結構補償，巷道全斷面共布置8根錨索和6根錨桿，具體布置方式見圖5，二次支護錨桿采用Φ22×3000mm型高強樹脂錨桿，錨索采用Φ18.9×5000mm 1860鋼絞線，樹脂藥卷和托盤與一次支護相同；沿巷道軸向布置高強度鋼筋梯子梁將二次支護斷面的錨桿和錨索連接起來，鋼筋梯子梁采用Φ14mm鋼筋焊接而成。二次支護完成后巷道中錨桿、錨索具體布置參數見巷道支護側視圖（圖6）。

4 支護效果分析

21采區皮帶下山采用二次支護技術方案進行支護后，為了掌握圍巖活動規律，正確評價圍巖控制效果，分析支護方式的合理性，同時為類似圍巖條件下巷道支護采取合理的技術措施提供依據，在支護或加固的同時，對巷道表面位移情況進行實時觀測，主要觀測巷道兩幫和頂底板移近量。目前，21采區皮帶下山已采進行一次錨網支護，支護后20天，兩幫移近量、頂底移近量均在100mm以內，這說明巷道圍巖變形得到了有效控制，一次錨網支護效果良好，待巷道圍巖位移量趨于穩定后再對二次支護技術方案進行施工，二次支護后巷道圍巖的變形以及采動影響下巷道變形情況仍有待進一步觀測。

5 結論

本文以某礦21采區皮帶下山為研究對象，通過對巷道破壞原因分析、支護方案確定、及現場支護效果分析，得出的主要結論如下：

（1）采用一次錨網支護+二次錨梁索支護方式，能夠充分發揮淺部圍巖和深部圍巖各自的承載性能，從而提高支護承載結構的整體承載能力。

（2）支護效果分析表明，一次錨網支護下巷道圍巖變形得到了有效控制，支護效果良好，同時，二次支護技術在21采區皮帶下山取得了成功，為巷道正常安全使用提供了有力保障。

（3）二次支護技術為該礦區類似軟巖巷道支護設計提供了重要技術途徑，具有一定的指導意義。

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基金項目：貴州省教育廳采礦工程重點學科（黔財教[2013]140號）；貴州省礦山壓力與巖層控制工程中心：（黔教合KY字[2012]027號）。

作者簡介：李志剛（1988-），男，貴州盤縣人，碩士，助教，從事采礦工程專業的教學和科研工作。