直墻半圓拱型組合支護優化與應用實踐

史麗剛

（汾西礦業靈北煤礦，山西 靈石 031302）

引言

煤炭行業的巷道年長度達到6 000 km，其中10%以上是軟巖巷道。我國約有30 個井場存在軟巖巷道支護問題，給數百個煤礦的生產建設帶來了技術難題[1]。這種類型的巷道在開采時，巷道圍巖的應力急劇增加，往往超過巖石的單軸抗壓強度，導致巷道在使用期內發生嚴重的巖石變形[2]，變形范圍從幾百毫米到2 000 mm，圍巖變形速率可超過100 mm/d[3]，特別是在動壓、軟巖巷道和深豎井條件下，變形問題更加嚴重。大變形問題不僅增加了支護成本，而且造成連續開挖困難，嚴重影響煤礦的正常生產。因此，煤礦巷道支護是地下工程中最復雜的技術問題之一，也是地下資源挖掘的根本問題之一。

目前，支護體系有混凝土襯砌、鋼網、噴射混凝土和U型鋼或鋼支撐，錨桿和錨索，圍巖灌漿，組合式支架支護等，其中U型鋼可壓縮支架特別適用于周邊壓力較弱的巷道，因此被廣泛用于巷道的初步支護挖掘，為補充直墻半圓拱型（U型）鋼支護技術、發展一種適應直墻半圓拱型（U型）鋼抗壓特性的阻尼層與直墻半圓拱型（U型）鋼組合支護技術具有重要意義。

1 場地的地質及工程特征

山西某煤礦，20 世紀90 年代開始商業化生產，年產量400 萬t。新北翼軌道巷道為主要運輸路線，埋深超過700 m，頂板巖層為泥巖。原設計為籃柄拱，凈寬5 m，凈高4.3 m，采用錨網噴射混凝土作為支護。受多次橫切開采影響，巷道變形嚴重（見圖1），屋面表面開裂、沉降，出現褶網，兩邊的地表都被破壞、塌陷、移位，地面隆起，兩側最大內位移達到0.8 m，雷區正常運輸受到明顯阻礙。

圖1 巷道變形圖

2 支護系統的設計

通過對該高應力軟弱巷道變形特性的分析，提出了采用阻尼層、錨噴混凝土和U型鋼進行聯合支護的方案。從噴射混凝土、鋼網、錨桿、錨索支護開始，增加U型鋼可壓縮性支護，提供一定的變形能力和穩定的摩擦力。為保證可壓縮支座的收縮性能，在圍巖與U型鋼之間插入高抗壓性能的泡沫混凝土。圖2 描繪了支撐的形式，各支撐元件的功能說明如下：

圖2 阻尼層錨噴聯合支護方案

1）噴射混凝土、鋼網、錨桿、錨索初始支護：噴射混凝土對圍巖進行密封[4]，防止圍巖力學性能惡化，同時保證與軟弱圍巖緊密結合，其力學性能見下頁表1。

表1 混凝土、圍巖、錨桿（索）的力學參數

2）可壓縮U型鋼支架：采用全封閉U型鋼可壓縮支架，確保巷道支護結構的完整性。

3）泡沫混凝土阻尼層：泡沫混凝土是一種由封閉單元結構組成的輕質混凝土材料，這使得它具有許多獨特的優點，如高流動性、自重低、骨料消耗少、控制強度低、彈性模量低等。根據室內實驗結果，本研究使用的泡沫混凝土密度為500 kg/m3，其相關的力學性能見表2。

表2 泡沫混凝土的力學性能

4）裂隙巖墊層：使地板上的U型鋼在保持整體穩定性的同時保持可壓縮性[5]。

3 現場應用和監測

3.1 現場應用

第一步，斷面掘進：采用鉆爆法對巷道進行漂移，先后采用微差爆破技術、人工手鉆和錘頭鉆對破碎的周邊進行清理。

第二步，錨固網-噴射混凝土初始支護：將噴射混凝土、鋼網、錨桿和錨索組合形成初始支護支持。螺栓錨固力不小于100 kN，預拉力不小于150 N·m，暴露螺母長度在30～100 mm 之間。樹脂錨的錨固力不小于180 kN，暴露長度小于260 mm。鋼網互相搭接，以一個網的長度重疊，網片由12 號鋼絲連接。

第三步，可壓縮U型鋼支撐：當地板被填滿砂石時，吊臂和頂拱由腳手架上的工人建造，中央頂部和中央凹由木板或帶有背板和楔形木材的橋墩緊密連接（場地條件允許以這種方式建造樓板拱）。

第四步，在巷道自下而上設置雙層塑料網和風管布：單次布放長度為20 跨，底部一排的塑料網和風管布穿透地板約500 mm，其他幾排從下往上鋪設。相鄰的塑料網和風管布覆蓋100 mm，并在兩側被交替放置，每行高度1～1.5 m。

第五步，泡沫混凝土回填阻尼層：在U型鋼支座與初始支座之間的縫隙中加入泡沫混凝土，單個回填長度小于20 跨，回填從下往上，再從上往下（見圖3）。

圖3 現場應用情況

3.2 現場測量操作計劃

選擇沿新北翼軌道巷道最大變形位置，設置多個位移計來測量圍巖較深部分的位移。安裝壓力傳感器和鋼筋應力計，測量圍巖壓力和U型鋼支架的力。測試方案如下：

1）多點位移計監測深部位移：三個鉆孔位于變形最大處，將其中兩個鉆孔設于一側，深度為28 mm，將另一個鉆孔設于另一側，深度為10 m。在巷道壁面1 m、2 m、5 m、10 m 和25 m 處分別安裝多點位移傳感器和量具。

2）采用鋼筋應力計監測U型鋼拱架受力：分別在最大變形處的剖面左樓拱、左拱、拱頂、右拱、右樓拱的U型鋼支座上設置鋼筋應力計，應力計的總數為15 個。

3.3 監測結果分析

3.3.1 深部圍巖位移監測結果

下頁圖4-1 為監測深部圍巖的多點位移計示意圖。從圖中可以看出，巷道開挖后，各監測點位移隨時間都有不同程度的增加。選擇變形最大處進行監測。在監測初期，由于安裝多點位移計后，鉆孔內的漿液未得到固化，導致深部圍巖位移變化較小。安裝后5～20 d，排水量迅速增加；安裝20 d 后，深部圍巖位移的增加速率雖然仍在增加，但有所減緩。從最大位移點的變形曲線可以看出，鉆孔處圍巖變形最大，最大可達30 mm。

3.3.2 U型鋼受力監測結果

下頁圖4-2 顯示了U型鋼所承受的監測力示意圖。由圖可知：在支撐體系形成后的前20 d 內，U型鋼所承受的力呈現出增大的趨勢；20 d 后，增加的趨勢減小，U型鋼所承受的力增加緩慢。圍巖深部位移監測結果與圍巖壓力監測結果相吻合，因為在巷道左側發生大的位移和圍巖壓力時，U型鋼左側承受的力較大。然而，U型鋼支撐的整體力是均勻的，U型鋼承受的最大力為120 kN，這比滑動所需的最小摩擦力要小。從現場情況來看，U型鋼連接處未出現滑動現象，與實測結果一致。

圖4 巷道位移和U型支護受力圖

4 結論

由現場監測可知，用具有優異力學性能和適宜連接強度的可收縮填充材料對后支架空間進行回填時，支架的集中、偏心不均勻荷載轉化為均勻荷載。圍巖、回填與支護結構形成了一個協同的機械承載體系，充分利用了支護與圍巖的承載能力，有效控制了圍巖松動帶的擴張和圍巖的位移，提高了巷道的穩定性，由此驗證了本文提出的聯合支護措施在煤礦井下大變形巷道支護中的有效性。