錨噴支護在破碎巖巷的使用

梁文江

摘 ?要：文章以曲斗煤礦二號井上姚采區+395運輸大巷為例，揭示了其變形破壞機理，提出破碎巖巷二次錨噴支護技術，工程實踐表明該支護方式能夠抑制圍巖大變形，取得了良好支護效果。

關鍵詞：破碎巖巷;破壞機理;二次錨噴;應力均勻化

中圖分類號：TD353.5 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）36-0034-01

隨著煤炭開采強度的不斷增加，巷道掘進與維護工程量日益增多。尤其當巷道所處圍巖地質條件復雜時，巷道掘進后圍巖多處于松散破碎狀態;高圍壓狀態下圍巖積聚了大量變形能，使得巷道圍巖表現出初期變形速率快、整體收斂、四周來壓以及強烈變形等特點，破碎圍巖巷道支護已成為深部煤炭開采亟待解決問題。

1 ?工程概況

曲斗煤礦二號井上姚采區+395運輸大巷的地層為侏羅系上統長林組（J3c）巖性復雜，從沉積巖—火山碎屑巖—熔巖都有。它們有沉積砂礫巖，細—中—粗粒砂巖、粉砂巖、凝灰質礫巖、火山角礫巖、凝灰質頁巖、凝灰巖、流紋巖等。巖石質量劣，巖石完整性差。巖層頂板發育，水平層理，伴生褶皺及分支斷裂發育，將其劃分為“三層結構型”，其主體構造為一復雜的復式向斜、在剖面上主要發育了三條緩斷裂，均呈“舟狀”（厚度> ?300 m。呈斷層接觸。巖石質量劣，巖石完整性差，巷道原支護為一次錨網噴支護成巷方式，圍巖變形收斂情況十分嚴重，影響礦井正常的生產開采活動。

2 ?巷道變形破壞機理

對該巷道地質情況進行分析發現，巷道變形破壞因素是多方面的，各因素所引起的影響程度各不相同。綜合分析可知，巷道變形破壞因素主要為以下幾個方面。

2.1 ?地應力大

對巷道圍巖進行應力測試得出，巷道圍巖所處地質條件較為復雜，斷層、動壓等影響使得圍巖所受地應力極大，圍巖碎漲蠕變情況較為嚴重。

2.2 ?圍巖性質

該運輸大巷巷道所處圍巖性質主要為粉砂巖，并且圍巖中含有遇水膨脹的高嶺石與伊利石，圍巖整體較為破碎，屬于Ⅳ～Ⅴ類圍巖。巷道圍巖存在嚴重的開石蝕變和風化現象，局部地段圍巖在高地應力作用下具有明顯的工程軟巖特性。隨著巷道服務年限的增長，圍巖碎裂現象日益嚴重，圍巖中積聚了巨大碎漲變形能，增加了巷道支護的難度。

并且，由于碎漲變形能在圍巖中的不均衡分布，其施加在支護結構的力亦不均勻，使得支護結構局部受力過大而出現嚴重破壞。

2.3 ?巷道掘進

該巷道掘進方式為爆破，爆破會加速圍巖破碎松動，使得淺部圍巖松散破碎程度加劇。

2.4 ?原支護方案不合理

該巷道原有支護方式為一次錨網噴支護成巷方式，巷道支護初期就表現出明顯的破壞變形，表現為部分錨桿斷裂、頂部掉渣剝落，后期甚至出現嚴重的巷道變形現象。分析其原因主要有兩個方面：其一，巷道支護阻力不夠，高地應力作用下錨網噴支護阻力不能夠承載外部巨大的彈性能;其二，支護方案不合理，由于巷道圍巖較為松散，錨桿支護在其中并不能發揮良好的控制效果。

3 ?破碎巖巷圍巖穩定性控制

分析巷道變形破壞特征及機理可知，傳統的單一支護方式很難達到破碎圍巖穩定性控制的目的。同時，由于巷道圍巖中積聚了大量的碎漲變形能，一味增加支護剛度不符合深部圍巖控制原則。結合相關工程施工技術與圍巖控制理論，設計對軌道大巷采用二次錨噴支護方式。

3.1 ?二次錨噴支護機理

深部巷道圍巖穩定性控制的關鍵在于充分發揮圍巖自身承載能力，將支護體與圍巖視為統一的支護結構。相較于支護強度較大的U型棚支護而言，一次錨噴支護具有一定的主動性與支護柔性，能夠釋放部分圍巖變形能，支護效果要更好。但兩種支護方式都存在柔性差、可縮性小的問題，支護以抗壓方式為主，難以調動圍巖自承載能力，在深部破碎巖巷支護中差強人意。因此，深部破碎巖巷支護體亦需要兼顧“主動與被動”、“讓壓與抗壓”，二次錨噴支護就是基于此提出的支護方式。

二次錨噴支護機理為：①初次錨噴施以一定強度支護結構，允許圍巖在不影響巷道安全使用的前提下釋放部分膨脹變形能，轉移應力峰值至深部圍巖，降低作用在支護結構上的載荷大小。②二次錨噴支護結構強度要大于第一次錨噴，選用高強度的錨桿或者錨索作為支護材料，支護體需具備較大的預緊力與延伸量;二次錨噴的作用在于強化初次錨噴支護體結構，改善深部破碎圍巖受力狀態，抑制塑性區與松動區圍巖的擴展，補強兩幫、底角等支護薄弱環節，提升支護體整體承載能力，其支護結構如圖1所示。通過二次錨噴結構的動態耦合支護，改善支護圈內所有錨桿受力載荷，使得圍巖應力場更加均勻，協調發揮圍巖與支護體共同承載能力，維持二者強度、變形、結構的穩定性。

3.2 ?支護參數

新支護方案施工工藝為：擴修至設計斷面→初噴混凝土→錨網一次支護→復噴混凝土→二次錨桿（錨索）支護。支護關鍵參數設計如下：①巖石巷道掘出后，首先噴射30 mm混凝土將圍巖表面封閉，并安裝初次錨桿，間排距控制在1 000 mm×1 000 mm，五花布置。②二次噴射混凝土，混凝土厚度控制在80 mm，混凝土噴層的骨料選用煤矸石陶粒。二次錨桿選用強螺紋鋼錨桿，尺寸Φ20×2 200 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm;二次支護錨桿穿插布置在一次錨桿布置間隔之中，錨桿端部錨桿將鋪設網壓住，并用鐵絲捆綁加以固定，上覆30 mm左右噴漿防銹。二次錨噴總支護厚度約在150 mm，與初次錨噴支護時間間隔視圍巖變形速度確定，一般在30 d左右，具體可根據圍巖變形情況進行調整。如巖巷松動圈范圍較大，或者遇到特殊地質巖層，可將二次錨噴支護改為注漿、掛網或錨索加固，亦可將幾種加固方式進行有效疊加。如圖1所示。

4 ?工程支護效果

為了解新支護方案支護效果，在采用新支護方案后對西翼軌道大巷圍巖表面收斂位移情況進行觀測，為期90 d。觀測期間巷道累計變形量，如圖2所示。

分析運輸大巷圍巖變形收斂曲線可知，巷道頂底板與兩幫變形均較小，頂底板移近量55～60 mm， 兩幫變形量20～25 mm，巷道圍巖變形均在安全允許范圍內。而由圍巖變形曲線波動情況得到，圍巖變形經歷了三個階段，即急速增長、緩慢增長和趨于穩定。急速增長階段（2～20 d），此階段的圍巖變形量占到了整個圍巖變形量的多大部分，約為70%，而且第一次錨網噴初期能夠阻止圍巖過度變形。緩慢增長階段（20～60 d），這一階段的兩幫和頂底板變形量為9 mm和12 mm，表明：隨著圍巖變形，二次錨噴支護阻力逐漸增加，提高了支護體的承載能力;變形穩定階段的圍巖變形速率及變形量均非常小，逐步達到穩定狀態。圍巖整個變形周期較長（90 d），巷道圍巖表現出較強的流變特性。

5 ? 結 ?語

①運輸大巷圍巖變形機理為：松散圍巖巷道在高地應力作用下產生圍巖變形，受環境水、圍巖特性的影響加劇了圍巖變形速率，進而導致原支護失效。②二次錨噴支護的關鍵在于：初次錨噴封閉圍巖，提供一定的支護強度，允許圍巖有一定程度的變形;二次錨噴在第一次錨噴基礎上提高支護強度與范圍，補強支護薄弱環節，均勻化錨桿受力情況，實現支護體與圍巖強度、剛度與變形的動態耦合。③運輸大巷采用二次錨噴支護后，巷道圍巖變形得到有效控制（頂底移近量55～60 mm，兩幫收斂在20～25 mm），支護體受力情況良好，巷道未出現明顯圍巖變形及底鼓現象。工程實踐證明，相較于一次錨噴支護而言，二次錨噴支護在破碎巖巷圍巖穩定性控制性能更好，具有較大的推廣應用價值。

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