軟巖大變形巷道錨網索聯合支護技術應用

李 剛

(潞安集團 潞寧孟家窯煤業公司，山西 忻州 036000)

煤炭回采過程中，軟巖巷道常伴隨著持續大變形和難支護等問題[1]，兩幫移近和底鼓問題明顯，嚴重制約了工作面生產，巷道需多次返修導致維護費用提高[2]，且對支護技術有較高要求。為解決軟巖巷道難支護問題，多數學者通過提高支護強度達到削弱圍巖變形的目的[3]。本文針對孟家窯煤礦軟巖巷道的大變形破壞現象，采用錨網索聯合支護技術實現對軟巖大變形巷道長效控制。

1 工程概況

孟家窯煤礦11505工作面開采5號煤層，煤層平均厚度4.1 m，傾角18～30°，埋深約400 m，工作面為一單斜構造。煤層內部裂隙發育，直接頂和直接底均主要由泥巖、砂質泥巖和粉砂巖構成，強度較低承載性差；老頂和老底以中、細粒砂巖為主，屬半堅硬類巖石。頂底板詳細參數見表1。運輸巷設計長度為1 258 m，斷面形式為5.2 m×3.1 m的矩形斷面。在原支護設計下，巷道表現出持續的大變形現象，返修后短時間內易再次發生，給工作面的正常生產帶來了嚴重影響。

表1 頂底板巖性

2 巷道變形破壞特征及影響因素分析

為對11505工作面運輸巷采取針對性圍巖控制措施，通過對目標巷道現場勘測，對原有支護方案和變形破壞特性進行分析，確定了引起巷道變形破壞的影響因素。

2.1 變形破壞特征

如圖1所示，11505工作面運輸巷原支護方案采用常規錨桿索組合支護的方式，頂板按間排距0.94 m×0.9 m布置規格為D20 mm×2 200 mm的高強螺紋鋼錨桿，配合以間排距為2.0 m×2.7 m對稱布置D15.24 mm×7 300 mm的錨索，兩幫則選用D18 mm×2 000 mm的圓鋼麻花頭錨桿，按間排距0.85 m×0.9 m進行布置。在實地勘測中，巷道圍巖變形明顯，尤其是底鼓現象嚴重，在巷道兩幫巖體呈現高度破碎狀態，尤其頂角破壞嚴重，同時可發現支護體系存在許多錨桿索內斷及頂板錨桿脫落現象，可判斷支護體系已經失效。

圖1 原支護方案布置(mm)

2.2 變形破壞原因

1) 圍巖松動圈大。為了更直觀了解巷道破壞范圍，在勘察中借助圍巖松動圈探測儀進行了檢測，測試結果見表2。

表2 松動圈測試結果

表2為選取的3個斷面測試結果，由表2可知，多數測點的松動圈范圍超過了1.6 m，圍巖松動破壞較大，同時考慮施工中存在支護不到位導致支護效果不能發揮出來，這也是現場發現許多錨桿拉伸脫落的原因。

2) 巷道圍巖性質影響。11505運輸巷整體處于煤層內部，且頂底板以泥巖等軟巖為主，巷道圍巖本身在地應力條件下易呈現出一系列破碎、松散等流變特性，導致在巷道開挖后破碎程度加劇，巖層強度和整體性隨之降低，圍巖自身承載性能變差，開挖后在應力場二次平衡過程中不易穩定，且在返修后仍表現為反復且持續的變形破壞現象。

3) 支護體系不協調。原支護屬于剛性支護，未能給軟巖巷道留有足夠的能量釋放空間，因而表現出較強的不適應性。另外錨桿索布置忽略了幫角和底板的影響，造成巷道受力不均，使這些部位成為應力釋放的主要方向，任一關鍵部位的率先破壞進一步誘發整體支護結構失效。況且在兩錨桿之間沒有限制圍巖變形結構，在破碎程度較高的軟巖巷道中錨桿索的約束效果無法得到體現，使圍巖受力結構不完善，表現為持續的變形趨勢。

3 支護優化設計

3.1 優化設計方案

考慮原支護體系下巷道變形特征和影響因素，提出采用“錨桿+錨索+錨網”聯合支護方式，使圍巖與支護體系協調統一，充分發揮支護效果。

1) 優化錨桿索布置。聯合支護方案仍以錨桿索為主要支護手段，其布置方式影響著巷道受力狀態，首先重新評估地質狀況重新計算錨桿索間排距，同時考慮頂角為施加支護導致受力不均的影響，將頂角處的錨桿和錨索向外側偏轉加固幫角，改善圍巖應力分布。

2) 錨網支護。在兩幫和頂板鋪設錨網，限制巷道圍巖表面位移，將錨桿索對圍巖的約束力擴散至整個巷道表面，改善圍巖表面受力效果同時防止破碎巖體的垮落。

3) 地錨支護。通過增設地錨，使巷道具有一個完整的支護體系，抵抗應力在底板部位釋放的同時改善圍巖整體受力分布效果。

3.2 優化支護參數

1) 錨桿支護參數。錨桿均選用D22 mm×2 200 mm的高強度螺紋鋼錨桿，頂錨桿和幫錨桿的間排距分別為0.9 m×1.0 m和0.8 m×1.0 m，最外側頂錨桿距巷幫350 mm，并向巷幫偏轉20°，最外側幫錨桿距頂底板各350 mm，并分別向頂底板方向偏轉20°，地錨按間排距1.8 m×2.0 m對稱布置兩根，各距煤幫1 700 mm并向外偏轉20°。

2) 錨索支護參數。頂板按間排距1 800 mm×3 000 mm，對稱布置兩根規格為D15.24 mm×6 300 mm的錨索，施加150 kN預緊力，鉆孔深度為6 000 mm，并使錨索分別向煤幫偏轉20°，錨索托盤采用長×寬×厚=300 mm×300 mm×14 mm的剛托板。

3) 錨網支護參數。頂錨網采用D6.5 mm的鋼筋焊接成網片尺寸為長×寬=5 200 mm×1 000 mm的網片，網孔尺寸留置為120 mm×120 mm，網片搭接100 mm且每間隔200 mm聯網兩道；幫錨網則采用D4.0 mm鉛絲編織成網孔尺寸為50 mm×50 mm、網片長×寬=3 000 mm×1 000 mm的菱形金屬網，網片間搭接100 mm，每間隔200 mm聯網兩道，另外還需保持幫部與頂板錨網的對接。

支護示意如圖2所示。

圖2 錨網索聯合支護方案布置(mm)

4 現場試驗效果分析

為了驗證錨網索聯合支護效果的可靠性，在100 m試驗區段巷道上，間隔25 m布置四個圍巖表面位移測站，對運用錨網索聯合支護條件下巷道變形情況進行跟蹤監測，監測結果如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形時程曲線

由圖3可知，在支護后約15 d范圍內，巷道表面變形量迅速增加，變形量占總變形量的80%左右，在支護15～20 d范圍內，巷道變形量緩慢增加并逐漸趨于穩定，分析可知此時間段內錨網索支護體系開始逐漸生效，提高了圍巖的承載能力，此階段圍巖變形量占總變形量的14%左右，在支護20 d后，巷道圍巖基本停止變形。最終變形量為頂板65 mm，底板55 mm，兩幫移近量76 mm，巷道圍巖變形得到有效控制。