動壓巷道錨桿條帶碹支護技術研究與應用

劉文偉

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

1.1 9號煤輔運大巷地質概況

陽煤集團新元礦9號煤層輔運大巷位于南燕竹以南，冀家垴以西，韓莊以北，蘭垴村、宋家灣以東，其上部為3號煤層（現已采空）。由井下鉆孔揭露情況來看，由于9號煤層與8下號煤層相距較近且多數區域發生合并，因此合并為9號煤層進行開采，其厚度為4.2～6.2m之間，均厚5.2m，煤層間含有夾矸2層。煤層上覆頂板主要為泥巖及砂質泥巖互層，煤層底板主要為泥巖及砂質泥巖互層、局部區域為粉砂巖。

1.2 支護現狀及存在問題

9號煤輔運大巷原設計支護橫斷面見圖1。

由圖1可知，9號煤層輔運大巷采用矩形斷面，其掘進寬度為5600mm、掘進高度為4500mm，采用錨桿錨索聯合支護方式，屬于大斷面巷道。該巷道所處區域水平應力相對較高，在高應力作用下，巷道圍巖出現嚴重變形，頂底板及兩幫均變形較大，局部區域兩幫累計水平位移量可達到1800mm，頂底離層變形量可達到500mm，已經無法滿足正常生產需求使用。在期使用年限內已進行多次整修，整修巷道浪費大量人力物力，不僅增加開采成本，同時對9號煤層的正常采掘活動影響巨大。

圖1 9號煤輔運大巷支護示意圖

2 錨桿條帶碹支護機理與技術

2.1 錨桿條帶碹支護機理

針對9號煤輔運大巷原有支護設計及補強支護無法滿足要求的現狀，項目組提出了錨桿條帶碹支護的支護方案。

混凝土砌碹支護具有支護強度高、服務年限長等優點，但是傳統混凝土砌碹支護需要制作碹胎，以固定混凝土模板，碹胎不僅施工復雜，施工速度慢，而且占用了巷道空間，影響巷道正常掘進或使用。西安科技大學王曉利教授發明了一次性可彎曲柔性模板，不僅簡化了模板固定工藝，而且實現了錨桿-混凝土碹聯合支護，其作用機理如下：

1）通過錨桿將柔模混凝土碹體與圍巖組合為整體，碹體與圍巖充分耦合，構建錨桿與混凝土碹體聯合支護結構，充分發揮二者的優勢，如圖2所示。

圖2 錨桿條帶碹支護結構

2）錨桿改變了碹體的支承方式，顯著提高了碹體的穩定性，并對其施加了徑向作用力，減少了碹體環向應力，同等支護強度下碹體厚度可減少15%～20%，為降低碹體厚度、混凝土強度等級和施工難度提供了理論依據。

3）碹體將單個錨桿組合在一起，均衡了各錨桿受力，充分發揮了錨桿的群體支護作用，提高了錨桿的支護效果，并對錨桿施加橫向支護力，支護圍巖免壓區，有效控制圍巖變形破壞。

4）采用柔模替代了剛性模板，并發明了錨桿懸吊混凝土模板技術，增加了巷道施工空間，實現了掘進與支護平行作業，比傳統混凝土砌碹速度快3倍以上。

2.2 錨桿條帶碹支護技術

錨桿條帶碹的核心支護理念為：先柔后剛、剛柔并舉、抗讓結合，即對巷道的支護分為兩個階段進行，第一階段支護在巷道開外初期，全斷面采用“錨網噴”支護，在初期支護完成后進行第二階段柔模混凝土碹體支護。

2.2.1 初期支護設計

1）錨桿支護參數。錨桿選用直徑為22mm、長度為2400mm的左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，其極限拉斷力為255kN，采用全斷面垂直于巷道斷面布置方式，間排距為800×800mm，每排共計布置21根錨桿。錨桿安裝預緊力再400～500N·m之間，每根錨桿配合MSK2335型和MSZ2360型樹脂錨固劑各一支。錨桿輔助支護材料為W鋼護板及穹形托板，W鋼帶為矩形斷面，其長、寬、高分別為460mm、300mm、4mm；托盤為150mm正方形斷面，其厚度為36mm，其極限承載能力要大于錨桿尾部螺紋的極限抗拉強度。巷道斷面所使用的鋼筋網選用直徑為6.5mm的圓鋼，編織為100mm的矩形孔，網片長度為5000mm、寬度為1000mm。

2）噴射混凝土支護參數。在對巷道全斷面錨桿支護完成后，沿巷道圍巖表面進行混凝土噴漿工作，選用C20混凝土，噴層厚度不低于100mm，噴射混凝土不僅可將處理巷道欠挖區域，使巷道表面平整，同時可以使巷道圍巖應力分布均勻，提高巷道圍巖的穩定性，為碹體支護進行初期鋪墊。

2.2.2 后期柔模混凝土碹體支護設計

初期支護完成后，進行柔模混凝土碹體支護，條帶碹體澆筑位置為相鄰兩排錨桿間，碹體寬度為1600mm、厚度為250mm，相鄰兩組碹體間距為800mm作卸壓使用。巷道底板混凝土澆筑厚度不小于500mm，以滿足柔模混凝土碹體不小于500mm的插底要求，巷道內側碹體及底板混凝土共同作用對巷道圍巖起到支撐作用。

2.2.3 柔性模板固定技術

柔性模板采用三維紡織結構，待巷道初次錨網噴支護完成后進行掛模作業，通過周邊打設的錨桿將其固定，隨后在其中注入混凝土，帶混凝土凝固穩定后，最終形成錨桿條帶碹支護結構體。

錨桿選用直徑為20mm、長度為1400mm的左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿，間排距為800×800mm，全斷面垂直于巷道圍巖打設錨桿共計22根，桿體伸入圍巖1000mm，桿體外露400mm。由于初期支護時已進行了錨桿支護，為了防止該錨桿打設過程中遇到錨桿（索）托板，造成該錨桿無法施工，要求該錨桿與初期支護錨桿的橫縱向位置各錯開400mm。每根錨桿使用1支Z2360型錨固劑加長錨固。柔模混凝土碹體澆筑成型并養護28d后，給錨桿施加預緊力矩，預緊力矩不小于150N.m。錨桿配合150×150×36mm的穹形托板共同使用，鋼材強度不低于Q235。

鋼筋網：柔模混凝土碹體表面鋪設Φ8mm圓鋼焊接而成的鋼筋網，網片寬度宜為1700mm，每張網片長度一般為4400mm，網孔規格為100×100mm；網片搭接長度不應小于100mm，并采用10號鐵絲雙絲雙扣，孔孔相聯。

鋼筋梯子梁：每排錨桿采用Φ12mm圓鋼焊接而成的鋼筋梯進行環向組合，鋼筋梯寬度為80mm；在布設錨桿處焊接卡欄，卡欄間距為800mm，錨桿需安裝在卡欄內。錨桿條帶碹支護橫斷面見圖3。

2.2.4 仰拱支護設計

條帶碹體為環形結構，為使其整體受力狀態更好，同時方便無軌膠輪車在井下的運行，對巷道底板進行混凝土仰拱澆筑工作，選用C30混凝土，仰拱澆筑形狀為弧形，靠近巷道底角側澆筑厚度為500mm，底板中心處澆筑厚度為1000mm。

圖3 錨桿條帶碹支護橫斷面

3 現場工業性試驗效果

圖4 巷道圍巖變形曲線

對9號煤輔運大巷采用錨桿條帶碹方案返修支護后，對巷道圍巖頂底板即兩幫變形進行監測，繪制如圖4所示的巷道圍巖變形曲線。由圖可知，不論是巷道兩幫還是頂底板圍巖變形主要出現在巷道返修支護后的初期，即巷道支護后的10～20d范圍內，此后巷道圍巖變形趨于緩慢直至最終穩定，巷道圍巖變形穩定后，兩幫累計移近量為24mm，頂底板累移近量為22mm，巷道返修支護后較使用原支護方案的回風石門段相比較，巷道頂底板及兩幫圍巖變形量均得到大幅減小，表明該方法可以有效緩解巷道圍巖的應力環境，巷道圍巖的整體性及穩定性得到提升，為錨桿及錨索提供穩定著力點，錨固強度得到提高，有效控制了巷道圍巖的變形。

4 結論

1）針對新元礦9號煤輔運大巷圍巖破碎需多次返修支護現狀，采用錨桿條帶碹支護理念返修支護的巷道，巷道初期支護采用“錨網噴”聯合支護，后期支護采用柔模混凝土碹體支護，錨固區破碎圍巖得到有效固結，使錨索預應力有效擴散，進而有效發揮錨索的主動支護作用。通過現場試驗與觀測，在采動影響下巷道圍巖變形量明顯減小，圍巖承載能力得到充分發揮，表明該種形式的支護技術對動壓影響巷道有較好的支護效果。

2）錨桿條帶碹支護作為一個整體結構，在錨索結構補償力作用下，支架被束縛在有限的變形空間，而其余大變形通過柔模混凝土碹體釋放，實現了錨桿條帶碹支護高阻可縮的特性。