千米深井軟巖巷道高強聯合支護技術研究與應用

文/劉 巖 關梅英 劉貴福

山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦-1020m車場、泵房及變電所大采深軟巖支護問題，是影響礦井安全生產的關鍵問題。礦井以此作為研究對象，在測試軟巖成分的基礎上，分析軟巖巷道變形機理和圍巖控制方法，提出“圓形斷面—強化圍巖—適度讓壓—鋼管砼封閉”的聯合支護方案。試驗表明，該技術取得了良好的支護效果和經濟效益，對于同類大采深軟巖巷道支護具有一定的借鑒作用。

一、 概況

1.地質概況

山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦-1020m車場、泵房及變電所層位在3煤頂板以上約100m，巖性為頂板細砂巖、中砂巖和褐色泥巖互層，中砂巖中含泥硅質膠結，巖層主要礦物成分為石英和高嶺石。遇水風化易碎、易膨脹，整體硬度較低，對巷道支護質量和巷道成型等帶來一定影響。

從鉆孔揭露情況分析，巷道位于中砂巖中，底板為泥巖，厚度約9m；頂板支護以錨索梁網為主，控制底板需特殊處理。

2.工程概況

-1020m車場、泵房及變電所巷道采用全錨索支護+金屬支架，下壓T型鋼帶及加密方格網。

巷道采用鉆爆法施工，迎頭分層掘進，掘進循環進尺1600mm。

二、巷道支護技術方案

1.巷道支護方案

陽城煤礦-1020m車場、泵房及變電所巷道埋藏深，巖層松軟破碎，地壓大，巷道返修率高、成本高，需進一步提高一次支護強度，盡量不返修或少維修。按照以上原則，提出了采用“圓形斷面—強化圍巖—適度讓壓—鋼管砼封閉”的支護方案。斷面及支護形式如圖1所示。

圖1 聯絡巷支護斷面圖

2.巷道施工順序

（1）巷道掘進與錨網噴支護。沿巷道周邊擴大100～200mm，圓形巷道掘進斷面直徑5000mm。按原設計一次支護采用錨網后噴射砼100mm，形成巷道斷面形狀。

（2）巷道收斂變化觀測。錨網噴一次支護后，立即進行巷道收斂變化觀測，根據時間和變形量曲線關系，確定注漿錨桿、注漿錨索的加固時機。

（3）錨注圍巖加固。注漿錨桿、注漿錨索環周加固圍巖，對已發生裂隙的圍巖進行錨注加固，形成新的再生圍巖體，其強度應比原巖提高1.5～2倍。

（4）可縮性讓壓層。采用橡膠顆粒噴射砼、瓦塊式可縮性墊層，或其他形式的可縮性讓壓層。

（5）架設剛性支架。選擇剛性有圓形鋼管砼支架、方鋼砼支架、U型鋼砼支架，先作強度實驗，再確定采用剛性支架材料及參數。

（6）鉆卸壓孔卸壓。這一步驟作為備用方案。

三、支護結構參數與技術要求

巷道施工的具體工序：巷道掘進—鉆取圍巖進行強度實驗—錨網噴支護—錨噴質量檢測—巷道收斂變化觀測—圍巖錨注加固—對錨桿、錨索分別抽樣檢查，對注漿加固的圍巖進行密實度及強度實驗—噴射讓壓砼—架設鋼管砼支架—鉆卸壓孔卸壓。

1.巷道掘進與圍巖強度測定

（1）斷面施工。圓形斷面巷道掘進的難度在于支護和底板處理，弧形底板錨噴網支護后用矸石鋪底，形成平面便于施工。根據現場施工經驗自行優化選擇合適的方式。

（2）圍巖強度測定。根據圍巖變化可分類型或每百米取一組3塊，進行原巖強度測定。做好巖性、位置的巖樣測定結果記錄。為研究巷道變形的原因提供基礎資料，以便與加固后的圍巖進行分析對比。

2.錨網噴支護

（1）高強錨桿。采用高強預應力左旋無縱筋錨桿，在圓形斷面圍巖、底板均勻布置，錨桿托盤采用熱軋扁鋼制作。

（2）錨索。采用φ22mm的低松弛預應力鋼絞線制作，每斷面頂、幫共布置7根，其中頂部3根，與高強梯形鋼帶聯合構成錨帶結構；兩幫各1根，底角布置2根，與錨索托板聯合使用。底板錨索布置3根。

（3）錨索梁。采用高強梯形鋼帶梁制作，與斷面頂部的三根錨索聯合使用，構成錨梁結構。

（4）金屬網。采用φ6m m的3＃普通鋼筋制作。

（5）噴射混凝土。采用C20的混凝土，噴層總厚度為100mm，分兩次噴射，鋪網及安裝高強錨桿和錨索后噴射厚度50mm，待二次支護后再復噴50mm。

3.錨噴質量檢測

在施工過程中，每班對錨桿安裝質量進行檢查，并做好記錄。當檢測結果不符合設計要求時，應停止施工并及時采取補救措施。

4.巷道收斂變形觀測

（1）收斂變形觀測要求。錨網噴后在距掘進工作面10 ～20m 左右處設觀測點，隨后每隔10m 設一組；每天定時觀測巷道收斂變形情況，并作好記錄。繪出變形量和時間關系曲線，并進行分析。

（2）注漿加固時機。當巷道變形量達到50mm 時，應立即對圍巖進行注漿加固。注漿加固的時機，要在巷道收斂變形量小于80mm 或沒有明顯的表面開裂、爆皮情況下進行。

5.注漿錨桿

選用無縫鋼管螺旋注漿錨桿，頂部、兩幫、底板均注漿。注漿液選用強度等級42.5 的普通硅酸鹽水泥，并摻入復合早強高效減水劑。

6.注漿錨索

注漿錨桿錨注加固后再進行注漿錨索施工，可同時施工，也可以單獨施工，以相互不影響、可提高工作效率為宜。

7.錨注質量檢測

（1）注漿錨索檢測。檢測錨桿、錨索的間排距、角度、外露長度、托盤安裝質量、錨固力等。

（2）圍巖加固效果檢測。對注漿后的再生圍巖進行取樣強度測定，分析研究圍巖加固效果，為研究確定“臨界支護強度”量化指標提供依據。

8.可縮性讓壓層

圍巖經錨注加固后同樣要及時進行礦壓觀測工作，隨時掌握巷道收斂變形情況。根據變形程度確定需要加強支護抗力時，采用可縮性讓壓層與剛性支架配套。

9.鋼管砼支架

選擇鋼管砼支架，鋼管支架架設完成后及時進行澆筑混凝土，混凝土強度為C40。

10.卸壓孔卸壓

根據圍巖壓力變化情況，選擇性采用卸壓孔卸壓方式。

四、礦壓觀測

-1020m車場、泵房及變電所巷道自2018年5月份開始改變支護方式，礦壓觀測段共100m，共設6個站點，對巷道頂板、底板、巷幫變形情況進行數據觀測，較上部車場巷道變形量大大減小，壓力集中處僅局部有輕微的開裂現象，說明巷道圍巖已趨于穩定。

五、結論

通過對-1020m車場、泵房及變電所巷道變形情況進行現場實測與分析，得出以下主要結論：

1．巷道巖性屬于膨脹性軟巖，單純采用傳統的錨網噴支護得不到預期的支護效果，采用“圓形斷面—強化圍巖—適度讓壓—鋼管砼封閉”的聯合支護方案取得了很好的支護效果。

2．通過爆破后及時初噴，避免了巖層長時間暴露在空氣中，提高了巷道的圍巖強度和掘進初期的支護強度。