深井軟巖煤巷U型鋼－錨網索聯合支護實踐

喬杰鵬

（1.河南理工大學，河南 焦作454000；2.汾西礦業集團 河東礦，山西 靈石031302）

隨著煤礦開采深度不斷增加，生產條件不斷惡化，許多巷道不可避免的穿過軟巖破碎區，節理裂隙發育、巖層破碎嚴重、巖體強度較低，巷道圍巖表現出明顯的高地壓、大變形、自穩能力差、難支護、失修嚴重等問題，且采用單一的支護形式難以滿足支護要求，嚴重影響礦井的安全生產〔1－2〕。

國內學者對深井軟弱破碎圍巖巷道支護問題進行了大量研究，提出了一些相關理論及針對性的支護技術，但由于巷道賦存條件和影響因素的復雜性、多變性和不確定性，巷道變形機理及支護技術不盡相同〔3－6〕。基于23采區皮帶下山埋深大、圍巖軟弱破碎的特點，分析巷道失穩破壞的原因，提出U型鋼－錨網索耦合支護技術，探索與工作面實際條件相適應的支護技術，研究成果對類似條件巷道支護具有重要意義。

1 工程條件概況

河東礦23采區皮帶下山位于礦井東部，設計總長673 m，為永久性準備巷道，主要用于23采區行人、運煤、通風及31采區的延伸接替等，服務年限20年。巷道東為23采區末部聯絡巷，北為23采區軌道下山，南為23采區回風下山，均已施工完畢，周圍無采掘擾動影響；地表為丘陵地帶，地面無建筑物。巷道沿二1煤層頂板布置，采深約800 m；煤層傾角15°，厚約6.46m；巷道圍巖基本以泥巖、砂質泥巖為主，屬典型的深井軟弱破碎圍巖巷道。工作面地質柱狀見圖1。

23采區皮帶下山梯形斷面，錨網索支護，凈寬×中高＝4800mm×3200mm。目前，23采區皮帶下山已掘進137m，現巷道頂板泥巖破碎嚴重、完整度復雜多變，在完整、局部破碎、整體破碎等之間無序變化，頂板冒落0.5m左右，破碎區巷道長度約50m。巷道施工難度大，局部錨桿（索）失效損壞，采用錨網索支護已不能滿足支護要求，并且巷道發生過一次局部冒頂事故。因此，急需調整支護方案，最大限度維護巷道的穩定性。

圖1 工作面地質柱狀

2 巷道失穩破壞原因分析

軟弱破碎圍巖變形與失穩較為復雜，經過理論分析和現場實測，影響該巷道失穩破壞的主要因素為：

1）圍巖性質差。圍巖性質是影響巷道穩定的內在因素，23采區皮帶下山全斷面以松軟破碎的煤、泥巖、砂質泥巖為主，巖體本身抗壓、抗拉強度低、殘余強度低、難以形成穩定結構，整體性不佳、承載力低、蠕變和流變特征明顯。

2）埋深大。巷道埋深800m左右，屬于深井巷道，原巖應力達到20MPa，地應力大，在高應力作用下使原本松散的圍巖變得更加破碎，巷道處于極不穩定狀態中。

3）支護體與圍巖不耦合。由于圍巖軟弱破碎，錨網支護強度低，護表力弱，承載能力差，無法與圍巖形成統一的整體；現場部分錨桿直接與圍巖脫落，無法起到錨固作用，且多處出現斷裂，支護質量較差，各支護構件與圍巖力學性質不相互耦合，可見巷道初期不適用錨網支護。

3 軟弱破碎圍巖巷道支護技術

U型鋼支架具有高阻、可縮性和護表能力強等優點，但有難以適應圍巖產生的局部大變形問題，很大程度上受支架－圍巖相互作用關系制約〔7〕。錨桿支護作為一種巷道主動支護，具有高強度、高預緊力、較好圍巖適應性，但對圍巖條件依賴性很高，尤其對于松散破碎圍巖巷道，錨桿護表性能不佳、錨固力不足、甚至產生失效破壞，難以形成穩定的承載結構〔8〕。U型鋼可伸縮支架－錨網索聯合支護能夠實現二者的優勢互補，彌補各自的不足，使支護體系與圍巖共同構成統一的承載體，確保巷道的穩定。

1）巷內U型鋼可縮性支架支護

初期支護既能對巷道提供一定的徑向阻力，并有一定的可縮量，對巷道進行一定程度的卸壓。由于巷道初期無法使用錨網索支護，加之巷道不能空頂作業，為此巷道主體采用U36型鋼＋金屬網進行支護，防止冒頂，保證人員安全。支架卡纜使用高預緊力螺母，對圍巖施加擠壓力；同時，支架與支架之間安裝高強度拉桿，使支護體系成為一個整體；此外，支架壁后鐵背板能使圍巖變形緩慢、均勻作用到支架上，實現均壓，提高支架承載力。

2）高強預應力錨桿（索）加強支護

在U型鋼支架基礎上，對巷道實施高強預應力錨桿（索）加強支護。通過安裝高強、高預緊力螺旋鋼錨桿，并配用高強度螺母、托盤，使圍巖處于三向受壓狀態，改善圍巖受力狀態，提高圍巖強度。加長、高預應力錨索能夠將錨桿支護形成的預應力承載結構與深部穩定圍巖相連，提高承載結構的穩定性，充分調動深部圍巖的承載能力，使更大范圍內的巖體共同承載，并使用高強度大托板，實現錨索預應力與工作阻力的有效擴散，提高支護系統的整體承載力。

3）實現對圍巖的一次支護到位

U型鋼－錨網索聯合支護能夠實現支護一次到位，維護巷道的穩定性，長時間滿足其行人、運輸、通風等功能，無需定期維修，節省了巷道支護成本，經濟效益顯著。

4 工程實踐

針對23采區皮帶下山的具體條件，結合類似巷道的成功經驗，巷道采用U36型鋼＋錨網索聯合支護，有效確保圍巖的穩定。巷道支護斷面見圖2。

圖2 巷道支護斷面

1）巷道斷面形狀為矩形，凈斷面規格：下凈寬×凈高＝5000mm×3200mm，凈斷面積13.2m2；掘進斷面規格：掘進寬度×高度＝5300mm×3350mm，掘進斷面積14.8 m2。巷道采用EBZ－100型掘進機沿煤層頂板掘進，先架設U型鋼支架，然后打錨桿、錨索。

2）巷道采用36U型鋼支架配平鋼網（長×寬＝2300 mm×700mm）、白色塑料網（長×寬＝2300mm×700 mm）作永久支護，塑料網在里，平鋼網在外；支架由四部分組成：兩梁兩腿，支架間距600mm，柱窩深度200mm；支架梁腿、頂梁之間搭接位置采用卡纜固定，卡纜螺母扭矩300N·m，梁腿搭接長度500mm，卡纜間距250mm，每幫各采用3套卡纜，頂梁搭接長度1000mm，卡纜間距300 mm，采用4套卡纜，每棚共使用10套卡纜；相鄰支架之間采用6道拉板固定連接，頂部2套、幫部各2套；支架背后鋪設鐵背板，采用舊U29型鋼加工而成，相鄰支架之間布置9塊鐵背板；鋼網搭接長度100mm，采用雙股14＃鍍鋅鐵絲雙邊進行連網，鐵絲扭結頭外露不超過30mm，朝向內側。

3）U型鋼架好后采用錨桿、錨索緊跟迎頭加強支護。錨桿采用Φ20mm×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距800mm×600mm；錨桿角度垂直巷道輪廓線不小于75°，底角錨桿水平向下不大于15°，起錨高度≥300mm；托盤規格：長×寬×厚＝150mm×150mm×8mm；錨桿錨固力≥120kN，螺母預緊力矩≥150N·m，外露長度為10～40 mm；每根錨桿使用1卷CK2335和2卷Z2335樹脂錨固劑。鋼絞線錨索直徑18.9mm，長度8000mm，布置在巷中及距巷中左、右各1.5m處，間排距1500mm×1800 mm，每排3根；托盤規格：長×寬×厚＝300mm×300mm×15mm，每根錨索使用2卷CK2335和2卷Z2335樹脂錨固劑，外露長度為150～200mm，錨索張緊力≥100kN。

5 支護效果分析

為更好地檢驗巷道U型鋼－錨網索耦合支護的合理性和可靠性，對巷道進行礦壓觀測，主要觀測指標有頂底板移近量、兩幫移近量、頂板離層量、錨（索）工作阻力等，共布置兩組測點，觀測周期為90d。

1）巷道頂底板和兩幫位移監測表明，頂底板和兩幫主要表現為整體收斂變形，頂底板變形比兩幫變形更為明顯；頂底板及兩幫移近量逐漸增加，變形速率逐漸降低，并慢慢趨于穩定（50d后）；頂底板移近量平均為202mm，變形速率最大為6mm／d；兩幫移近量平均為89mm，變形速率最大為2.8mm／d（見圖3）。

圖3 巷道頂底板及兩幫變形量

2）通過頂板離層儀觀察發現，頂板離層主要在淺部圍巖（0～3m），其最大值為5mm，深部圍巖沒有離層（3～8 m），頂板離層量較小，圍巖整體較為穩定。

（3）從錨桿（索）測力計觀測數據分析發現，錨桿測力計安裝40d內，受力增長較慢，其最大值為30MPa，60d后基本保持穩定；錨索測力計安裝30d內，受力增長較快，其最大受力為45MPa，50d后趨于穩定，因此建議后期適量增加錨索預緊力。

（4）目前該巷道圍巖破碎段已掘進結束，巷道斷面能夠滿足要求，巷道穩定性較好，整個支護體系的穩定性與完整性都獲得顯著提升。

6 結語

1）軟弱破碎圍巖變形與失穩較為復雜，影響該巷道失穩破壞的主要因素為：圍巖性質差，是影響巷道穩定的內在因素；埋深大，巷道埋深800m左右，地應力大；支護體與圍巖不耦合，無法形成統一的整體。

2）U型鋼可伸縮支架－錨網索聯合支護能夠實現二者的優勢互補，彌補各自的不足，使支護體系與圍巖共同構成統一的承載體，確保巷道的穩定。巷道主體采用U型鋼＋金屬網進行支護，防止冒頂，保證人員安全；在此基礎上，對巷道實施高強預應力錨桿（索）加強支護，實現支護一次到位。

3）針對23采區皮帶下山的具體條件，巷道采用U36型鋼＋錨網索聯合支護，確定合理的U36型鋼、錨桿（索）支護參數。現場效果較好，維持了巷道的穩定性，對類似條件巷道支護有借鑒作用。

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