深部大斷面巖巷過圍巖破碎帶支護設計優化的研究與應用

郭貢獻

（河南能源集團陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

深部大斷面巖巷在掘進期間通常面臨著頂板壓力大、現有支護強度不足等問題，特別是在圍巖破碎帶，巖石破碎，頂板淋水，局部巷道頂板掉落，嚴重影響施工安全，亟須進行支護優化。通過縮小永久支護排距、增加頂板錨索錨固深度、架設36U型鋼棚、壁后充填注漿等“主動+被動”聯合支護，對圍巖破碎帶巷道進行支護優化，提高了巷道整體支護強度，保證了施工安全，取得較好的效果。

1 工程概況

2903 工作面位于九采區，該工作面對應地面標高為+33.80～ +32.81 m，工作面標高為-723.9～-874.3 m，工作面走向長1199～1216 m，傾斜長190 m，總面積222 566 m2。2903 工作面巷道平面布置示意圖如圖1。

圖1 2903 工作面巷道平面布置示意圖

2903 下順槽井下標高-726.4～-874.3 m，地面標高+33.80～+32.81 m，設計長度為1170 m。巷道開口處位于二2 煤層上方28 m 粉砂巖層位，按358°方位角施工163.2 m 后進入二2 煤層，然后沿二2 煤層掘進。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

2903 下順槽巖巷段斷面設計凈寬× 凈高=5.2 m×3.8 m， 采 用“Φ22 mm×2500 mm 高 強錨桿+金屬網”進行支護，錨桿間距和排距均為800 mm；頂板施工四排單錨索加強支護，間排距為1600 mm×1600 mm，頂板錨索中間兩排使用Φ21.6 mm×10 200 mm 的鋼絞線，其余兩排使用Φ21.6 mm×8200 mm 的鋼絞線。2903 下順槽斷面支護示意圖如圖2。

圖2 2903 下順槽斷面支護示意圖（mm）

巷道自903X6 點前18.5 m（358°方位角）開始進入圍巖破碎帶，預計圍巖破碎帶長度24 m，破碎帶范圍內巷道巖石破碎，頂板淋水，局部巷道頂板出現掉落，影響施工安全，亟須進行支護優化。2903 下順槽過圍巖破碎帶平、剖面示意圖如圖3。

圖3 2903 下順槽過圍巖破碎帶平、剖面示意圖

2 支護設計優化

2.1 臨時支護

巷道頂板破碎，無法正常使用前探梁式臨時支護，采用施工管縫錨桿作為臨時支護。巷道開挖后在巷道拱部施工Φ43 mm×1800 mm 的管縫錨桿進行超前支護，間距為300～500 mm，角度（沿掘進方向）上挑3°～5°，外露不超過200 mm。如圖4。

圖4 2903 下順槽管縫錨桿臨時支護三視圖（mm）

2.2 支護參數設計

1）頂板錨桿支護參數計算(根據懸吊理論)

① 頂板錨桿長度：

式中：La為頂板錨桿長度，m；H為巷道冒落拱的高度，m；K為安全系數，一般取K=2；Lb為錨桿錨入穩定巖層的深度，取0.4 m；Lc為錨桿的外露長度，取0.05 m。

其中：B為掘進巷道的寬度，取5.4 m；f為巖石堅固性系數，泥巖取3.5。

則H=5.4 m÷（2×3.5）=0.77 m，La=2×0.77 m+0.4 m+0.05 m=1.99 m。施工時取La=2.2 m，可以滿足要求。

② 錨桿間排距計算：

式中：α為錨桿間排距，m；Q為錨桿設計錨固力，150 kN；H為冒落拱高度，0.77 m；K為安全系數，一般取k=2；γ為支撐巖石的體積力，泥巖為20 kN/m3。

錨桿間排距α=800 mm、α=600 mm 均滿足要求。

2）錨索支護參數驗算

① 鋼絞線長度計算：

式中：Ld為鋼絞線總長度，m；Le為鋼絞線的自由段長度，取4 m；Lf為鋼絞線的錨固長度，m。

根據《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB 50086-2015），鋼絞線的錨固長度Lf由下面兩個公式確定，選取兩個計算結果中較大的值：

式中：Lf為錨固段長度，mm；Nd為鋼絞線軸向拉力設計值，取200 kN；K為安全系數，取2.2；ψ為影響系數，取1.6；D為鉆孔直徑，取30 mm；d為單根鋼絞線直徑，取5 mm；n為單鋼絞線根數，取7 根；fmg為錨固體與巖石孔壁之間的黏結強度設計值，取2.4 MPa；f'ms為錨固體與鋼絞線之間的黏結強度設計值，取1.5 MPa；ξ為采用2 根及以上鋼絞線時，界面黏結強度降低系數，取0.7。

經計算可得出Lf取1733 mm。

則：Ld=Le+Lf=4000 mm+1733 mm=5733 mm。

② 鋼絞線的直徑按下列公式計算：

式中：d'為鋼絞線直徑，mm；Nd為鋼絞線軸向拉力設計值，取200 kN；fc為鋼絞線抗壓強度標準值，取1770 N/mm2；η為強度增大系數，取1.8。

設計選取錨索直徑為21.6 mm、長度為8200 mm 和10 200 mm，滿足支護要求。

3）鋼棚支護參數驗算

U 型鋼支架需要支撐的巖石重力為：

式中：Rmax為U 型鋼支架需要支撐的巖石重力，kN；γ為支撐巖石的體積力，取20 kN/m3；L為U型鋼棚棚距，取最大值0.85 m；B為巷道掘進寬度，取5.4 m；H為冒落拱高度，取0.77 m。

則：Rmax=20 kN/m3×0.85 m×5.4 m×0.77 m=70.7 kN。

根據《U 型鋼拱型可縮性支架技術條件和試驗方法》（MT/T 882-2000），使用的36U 型鋼支架斷面積為17.7 m2，額定工作阻力為420 kN，大于70.7 kN，滿足支護要求。

2.3 支護優化

根據以上支護參數計算，在原支護基礎上，永久支護做如下優化：

1）巷道采用“錨網索”支護，頂部采用8根Φ22 mm×2500 mm 高強錨桿，幫部采用6 根Φ22 mm×2500 mm 高強錨桿，錨桿間排距800 mm×600 mm。 金 屬 網 規 格 為1000 mm×2600 mm，網格70 mm×70 mm，金屬網搭接100～200 mm，采用雙股14#鍍鋅鐵絲雙邊連網，連網間距不大于210 mm。

頂板以巷中為中心線每排布置4 根錨索進行加固，肩窩2 根錨索為Φ21.6 mm×8200 mm 鋼絞線，其余錨索為Φ21.6 mm×10 200 mm 鋼絞線，間排距為1600 mm×1600 mm。巷幫肩窩處布置一排幫錨索加固，幫錨索距頂錨索間距800 mm，錨索均配300 mm×300 mm×16 mm 蝶形托盤使用。巷道頂板上方為煤層時，根據頂板與煤層的距離，頂板支護錨索采用Φ21.6 mm×8200 mm、Φ21.6 mm×10 200 mm 或Φ21.6 mm×12 200 mm 鋼絞線進行加固，確保錨索錨固在穩定巖層中1.5 m 以上。

2）巷道自903X6 點前（358°方位角）18.5 m開始至圍巖破碎帶施工結束，巷道永久支護后采用5000 mm×3800 mm 直墻三心拱36U 型鋼棚加固。

U 型鋼棚共5 根梁，頂梁長2730 mm、肩梁長2590 mm、腿梁長2750 mm（水溝側為3150 mm），每道鋼棚使用鋼板連接板7 道（頂梁3 道，棚腿腿梁4 道），鋼棚卡纜12 副,其中包括8 副限位卡纜和4 副非限位卡纜，梁與梁之間搭接450 mm。鋼棚卡纜螺栓的預緊力矩為300～350 N·m，連接板螺栓的預緊力矩為100～150 N·m。共需架設鋼棚30 棚，鋼棚間距為800 mm，棚后背網格70 mm×70 mm 的金屬網，金屬網搭接100～200 mm，采用雙股14#鍍鋅鐵絲雙邊連網，連網間距不大于210 mm，噴漿厚度100 mm。

3）棚腿兩幫距底板500 mm 位置施工一排Φ21.6 mm×6200 mm 錨索+3.0 m 長12#槽鋼梁進行加固，一梁三索。

4）壁后注漿加固：待鋼棚噴漿全部封閉結束后，對架棚段統一進行注漿加固。

① 壁后充填注漿管布置方式：正頂1 根，兩肩窩各1 根，兩底角各1 根，每排共計5 根，注漿孔排距2.4 m。

②壁后充填注漿管使用鍍鋅鋼管(Φ20 mm×2000 mm)制作，要求注漿管埋設后外露不超過100 mm（距U 型鋼棚內沿）。注漿時，制漿配比:水灰比0.8～1，即每桶（Φ0.6 m×0.3 m）漿使用1.5～2 袋P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，注漿壓力不低于1 MPa。注漿后及時打探眼檢查注漿質量（注漿質量：探眼內無空洞或裂縫），探眼布置在兩排注漿孔之間，深度1 m，與注漿孔成五花型布置。

5）注意事項

① 當頂板巖石較軟，頂錨桿不能錨固在穩定巖層中時，可采用Φ21.6 mm×4200 mm 錨索代替錨桿進行支護（錨索配250 mm×250 mm×16 mm 錨索托盤使用），確保錨固在穩定巖層中。

② 巷道繼續向前掘進期間，巷道開挖后，如頂板較為破碎，先進行錨網支護后再進行套棚支護，套棚支護滯后迎頭距離不超過2400 mm。

2903 下順槽過圍巖破碎帶套棚支護示意圖如圖5。

圖5 2903 下順槽過圍巖破碎帶套棚支護示意圖（mm）

3 施工方法

1）2903 下順槽過圍巖破碎帶施工期間，采用掘進機配合人工開挖的方式掘進，使用掘進機配合帶式輸送機出矸。

2）2903 下順槽必須先對已掘圍巖破碎段巷道進行架設36U 型鋼棚后方可繼續向前掘進。

3）過圍巖破碎帶期間，嚴格控制循環進尺，循環進度不超過1 排，巷道破巖前上部兩根幫錨桿滯后迎頭的距離不超過1 排，破巖后上部兩根幫錨桿滯后迎頭距離不超過2 排，下部一根幫錨桿可在噴漿前進行施工（架棚時棚后必須先掛網支護）。

4）巷道繼續向前掘進時，先按照支護設計采用錨網進行支護頂幫，支護完畢后再進行套棚支護，U 型鋼棚支護滯后迎頭距離不超過2400 mm。

5）巷道套棚后對套棚段巷道進行噴漿覆蓋，噴漿厚度以覆蓋連接板為準。巷道套棚全部結束后統一進行壁后注漿。

4 架棚方法

1）架棚時登高作業需搭建作業平臺。使用兩個馬凳（馬凳高度不超過2 m、長度不低于1.2 m，使用時兩個馬凳沿巷道方向平行布置在兩幫）、厚度不低于40 mm 的木板（木板超出馬凳部分不得小于100 mm）及8#鐵絲搭建作業平臺（或采用掘進機、轉載部搭設木板作為作業平臺），平臺長度不低于3.0 m，寬度不低于0.5 m。

2）架棚前分別將棚腿按照設計位置及角度立好，再搭設肩梁，最后安設正頂的一根頂梁。

3）開棚腿窩：由驗收員根據巷道中腰線及鋼棚間距，定好棚腿窩位置，并根據腰線確定腿窩需要開挖深度，用手鎬將棚腿窩開至設計深度。

4）安裝棚腿：將棚腿抬至棚腿窩位置并放進棚腿窩內，按棚距及腰線調整好棚腿位置及深度，調整好前傾后仰，上好兩側棚腿的連接板。

5）安裝頂梁：在巷道兩肩窩處各施工1 根規格不低于Φ20 mm×2200 mm 起吊錨桿（使用兩卷錨固劑進行錨固），通過1 臺1 t 手拉葫蘆將頂梁吊起；或者至少3 名作業人員站在作業平臺上將鋼棚頂梁抬起、撥正至兩棚腿上端，將頂梁兩端按照提前標記好的搭接位置進行搭接，根據巷道中線和腰線調整好鋼棚中心及高低，上好連接板，上齊頂梁與棚腿搭接處的卡纜。

6）校核、調整：由驗收員根據巷道中心腰線對鋼棚的中心、邁步及前傾后仰進行校核，對于不符合設計要求的立即進行調整處理，處理好以后再次進行校核，直至達到設計要求。

7）使用風動扳手將連接板與卡纜螺栓緊固至設計預緊力矩。

8）在U 型鋼棚與巷道頂、幫之間按照設計要求鋪設金屬網，U 型鋼棚與巷道頂、幫之間使用半圓木背實。

9）對架棚段進行噴漿封閉，噴漿以蓋住連接板為準，噴漿后用刮桿刮平，并將鋼棚上的殘余噴漿料清理干凈。

10）如果缺少U 型鋼棚連接板，必須使用寬度不低于150 mm、厚度不低于20 mm 的木板或半圓木按照設計連接板數量進行臨時連接，采用雙股8#鐵絲將木連板與鋼棚綁扎至少3 圈。

5 壁后注漿加固方法

1）采用MQS-50/1.7 型氣動手持式幫錨桿鉆機施工幫部注漿管眼孔，MQT-130 錨桿鉆機施工頂部和肩窩注漿管眼孔（巷道向前掘進套棚施工時，可先預埋注漿管）；采用2ZBQ 型礦用氣動注漿泵進行注漿。注漿泵供氣壓力最大為1.62 m3/min，流量為0～50 L/min，壓力0～6 MPa。

2）制漿時，往攪拌桶內加半桶水，邊攪拌邊往桶內加水泥，當加夠水泥袋數后再往桶內加水至桶滿，然后攪拌均勻。制漿配比:水灰比0.8～1，即每桶（Φ0.6 m×0.3 m）漿使用1.5～2 袋P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。

3）每班第一次使用注漿泵前必須采用清水進行試泵，在泵的出漿口位置接上膠管，膠管的另一端放到吸漿桶內并向桶內加滿水，待開泵后，注意觀察注漿泵出水脈沖情況是不是與泵的柱塞往復次數相同；確認注漿泵完好后，往桶內放入漿液后方可開泵注漿。

4）施工順序：由外往里、由幫及頂的順序，注漿時逐排進行，并由當班驗收員在記錄本上做好注漿記錄。

5）注漿過程中觀察巷道頂、幫有無跑漿、漏漿情況，若有跑漿、漏漿時及時使用炮泥封堵，注漿壓力不低于1 MPa。每次注好一個注漿管眼孔后，必須關閉注漿管孔口處閘門，防止漏液跑漿現象發生。

6）每班壁后注漿加固結束后，向吸漿桶內加注清水，使用清水對注漿泵進行清洗。

6 應用效果

通過3 個月的礦壓觀測，圍巖破碎帶段巷道變形量均控制在100 mm 內，達到了設計目的，并具有以下優點：

1）增加錨索錨固深度。在陳四樓煤礦順槽施工中首次采用了Φ21.6 mm×12 200 mm 超長支護錨索，增加了錨索錨固深度，錨固范圍避開了頂板軟弱破碎區域，提高了支護強度，發揮錨索的預緊功能，使得懸吊作用更加明顯。

2）增強巷道支護安全性。將錨桿支護排距縮小為600 mm，實現了短掘短支，確保了巷道過圍巖破碎帶期間施工安全。

3）提高巷道支護強度。在錨網索支護的基礎上，在軟弱破碎帶巷道架設三心拱36U 型鋼棚，在U 型鋼棚與頂板之間使用木板背實，并進行壁后注漿加固，將鋼棚與頂板之間空隙充實，改善鋼棚與圍巖的相互作用關系，能夠更好發揮U 型鋼棚拱部的支撐作用，避免偏載對鋼棚支撐力的影響，實現了支架與圍巖的耦合支護，提高了巷道整體支護強度。

7 結語

深部大斷面巖巷過破碎帶期間通過在錨網索支護的基礎上架設三心拱36U 型鋼棚，同時在U 型鋼棚與頂板之間使用木板背實，并進行壁后注漿加固，將鋼棚與頂板之間空隙充實，改善鋼棚與圍巖的相互作用關系，能夠更好發揮U 型鋼棚拱部的支撐作用，避免了偏載對鋼棚支撐力的影響，實現了支架與圍巖的耦合支護，提高了巷道整體支護強度，使2903 下順槽平穩通過圍巖破碎帶，保障了掘進施工期間的安全，為同類巷道過圍巖破碎帶提供了借鑒。