巷道過陷落柱破碎帶支護技術研究

劉紅旗 張志明

（冀中能源峰峰集團有限公司羊東礦，河北 邯鄲 056201）

陷落柱是發育分布在石灰巖底層中，由流動的地下水經過長期的溶蝕作用而形成的，由煤系地層陷落而成，常呈不規則橢圓柱狀體。陷落柱常常被不同地層的巖煤體碎塊充填，無層序，混亂堆積。根據已揭露的地質資料，峰峰礦區的陷落柱邊緣地帶柱內干燥無水，陷落柱與圍巖的接觸面呈現不規則的鋸齒狀，界限明顯，接近陷落柱約3～5 m 時，巖層裂隙發育，破碎。根據錢鳴高等人提出的“關鍵層理論”，當采場上覆巖層中存在多個巖層時，對巖體活動全部或局部起控制作用的巖層稱為關鍵層，起承載主體與骨架作用，有些較為軟弱的薄巖層在活動中只起加載作用[1]。由于陷落柱構造帶圍巖本身結構和性能，導致巷道錨桿、錨索無法穩固到堅硬穩定巖層中[2]。巷道采用錨網支護后往往變形較大，無法滿足在服務期間的要求，巷道需要反復整修[3]。單獨采用可縮性U 鋼支護， 由于U 鋼支護方式屬于被動支護，在巷道變形初期無法提供有效初阻力，不能從根本上解決巷道圍巖不斷剪脹擴容和蠕變破碎的發展趨勢，巷道斷面收縮量極大[4-6]。基于此，羊東礦在8267 運料巷通路掘進過陷落柱過程中汲取了以前過陷落柱巷道變形大、支護難的經驗教訓，設計了“高預緊力加長錨固+U36鋼”聯合支護技術過陷落柱方案，并進行了現場工業性試驗，實現了對陷落柱區域巷道變形的有效控制，滿足了巷道服務期間的需要。

1 工程概況

羊東礦井田位于太行山支脈-鼓山的東麓，為峰峰集團有限公司所屬煤田的中東部，原羊渠河礦井的深部，屬于河北省邯鄲市峰峰礦區。8267 運料巷通路掘進過程中將揭露X20-8467-1 陷落柱，長度71 m，如圖1。根據探查的地質資料，該陷落柱為橢圓柱狀體，陷落柱不含水，層理不清晰，物質組成混亂，內部充填物多為大煤頂板以上的中粒砂巖、細粒砂巖、煤塊混合物等充填膠結，壓實和膠結情況較好。

圖1 巷道過陷落柱示意圖（m）

2 原過陷落柱巷道支護方案及存在的問題

羊東礦在與8267 運料巷通路鄰近的外8269 溜子道過X20-8471-1 陷落柱期間,采用了錨網索支護。頂板每排5 根單體錨索，直徑21.8 mm，長度7500 mm，排距2000 mm，間距950 mm；每排6 根錨桿，直徑20 mm，長度2400 mm，排距1000 mm，間距850 mm，均垂直于頂板打設；采用Φ6 mm 鋼筋網護頂。

巷道掘進通過陷落柱后變形很快，巷道掘后3個月頂底板移近量達600～1200 mm，兩幫收斂近700～1500 mm，巷道在服務期間經過3 次擴整。從原支護形式看，巷道支護主要存在以下問題：

1）巷道圍巖松散破碎，層理紊亂，錨桿、錨索無法錨固到堅硬穩定巖層中，巷道支護后圍巖應力來壓快且增速大，經常出現錨桿錨固失效，錨桿受力脫出失效、錨索預緊力不足等情況。

2）錨桿、錨索錨固力偏低，有效錨固范圍小。由于錨桿、錨索采用端頭錨固，有效錨固長度只有0.7 m 和1.05 m，破碎巖石產生的碎脹力對下位巖層產生擠壓作用。在錨桿、錨索支護強度不足以抵抗其擠壓作用力時，巷道就會出現大范圍變形，表現為頂板下沉、兩幫收斂。

3）由于巷道圍巖屬于破碎軟弱圍巖，巷道蠕動變形大[4]，巷道表面缺少剛性支撐骨架，單純使用錨網支護不能有效抵抗巷道變形。

3 優化支護設計后過陷落柱方案

1）適當增加巷道設計斷面，允許巷道有一定的變形，給予巷道一定的讓壓空間，巷道斷面設計值由4.0 m×3.0 m 擴大到4.5 m×3.5 m。

2）增加錨桿、錨索有效錨固范圍，錨桿錨固長度由700 mm 增加到1400 mm，錨索錨固長度由1050 mm 增加到1750 mm。

3）采用主被動聯合支護，即采用直墻半圓拱斷面錨網索槽鋼+U36鋼聯合支護技術。

支護參數：采用雙抗塑料網+鋼筋網裱背頂幫，錨桿采用Φ20 mm 左旋20MnSi 高強無縱筋螺紋鋼制成，錨桿長度2400 mm，間距700 mm，排距700 mm；用1 個K2335 藥卷和3 個Z2335 藥卷進行錨固，有效錨固長度1.4 m；錨桿螺母扭矩250 N·m，初錨力不小于60 kN，錨桿外露長度10～50 mm。錨索采用高強度低松弛鋼絞線，錨索直徑21.8 mm，長度7500 mm，間距1000 mm，排距1000 mm；錨索打設五排，錨固劑選用K2335 樹脂錨固劑2 卷，Z2335 樹脂錨固劑3 卷，有效錨固長度1.75 m；錨索預緊力不低于250 kN，外露長度150～250 mm。根據以往施工經驗，兩幫底根錨桿與水平面下斜15°。錨網支護打設后使用U36鋼套棚。采用4 節U36型鋼可縮性支架，直墻半圓拱斷面，凈寬×凈中高=4.3 m×3.7 m，支架下寬4.5 m，柱窩深度200 mm，支架間距為700 mm。支架節與節搭接500 mm，搭接處采用三副卡纜卡牢，卡纜凈間距280 mm，卡纜螺母扭矩不小于300 N·m，支架間裱背使用Φ60 mm 以上的圓木棍，間距≤300 mm。支架使用Φ18 mm 金屬支拉桿連鎖，每架使用3 個，位置在上面一副卡纜螺栓與支架之間空隙內，正頂及兩幫各使用一個，支拉桿保持前后成線。支架打設撐木5 根，頂撐木位置在支架正頂卡纜之間，兩幫撐木打在支架下面一副卡纜上側，底撐木打在距底板50 mm 處，用14#鐵絲或連網繩與支架固定防止脫落。撐木使用Φ60 mm 以上的圓木棍，順直打設成線。如圖2、圖3。

圖2 巷道加長錨固支護示意圖（mm）

圖3 架設U36 鋼示意圖（mm）

4 錨網設計支護參數校核

針對巷道錨網支護參數按照組合梁及懸吊理論進行校核。巷道最大埋深853 m，經地質調查及圍巖穩定性分類分析得知，該巷道圍巖巖性分類為Ⅲ類。

1）錨桿長度的選擇

式中：L1為錨桿外露長度，取0.05 m；L2為錨固有效組合拱厚度，m；L3為錨桿錨固段長度，1.4 m。

其中，L2=0.612·B{K1P/[φ（σ1+σ2）]}1/2（2）

式中：K1為與施工方法有關的安全系數，取5；B為巷道跨度，取4.7 m；P為組合梁上均布載荷，P=rL=24 kN/m3×2.4 m=57.6 kPa=0.057 6 MPa；r為上覆巖層容重，取24 kN/m3；L為頂錨桿長度，取2.4 m；φ為與組合梁層數有關的系數，取0.65；σ1為組合梁最上一層抗拉強度，取1.4 MPa；σ2為原巖水平應力，σ2=λrZ=0.3×24 kN/m3×853 m=6141 kPa ≈6.1 MPa；λ為側壓力系數，取0.3；Z為巷道埋深（最深值），853 m。

則L2=0.612×4.7 m×{5×0.0576 MPa÷[0.65×（1.4 MPa+6.1 MPa）]}1/2≈0.68 m。 因 此L=0.05 m+0.68 m+1.4 m=2.13 m。由于巷道屬于軟弱不穩定巖層，可選擇錨桿長度L=2.4 m。

2）錨桿間距

式中：m1為組合梁最下一層巖層厚度，0.5 m；σ1為最下一層巖層抗拉強度，1000 kPa；K為安全系數，取10；P為本層自重均布載荷，P=r·m1=24 kN/m3×0.5 m=12 kPa。

則D≤1.63×0.5 m×（1000 kPa/10/12 kPa）1/2=2.35 m。考慮到巷道埋藏較深，且屬于不穩定巖層，錨桿間距D取0.7 m。

3）錨桿排距

式中：N 為錨桿錨固力，110 kN；n為每排頂部錨桿根數，7 根；K為安全系數，取1.2；r為上覆巖層容重，取24 kN/m3；a為巷道掘進寬度一半，2.35 m；L為錨桿長度，2.4 m。

則L0≤110 kN×7/（2×1.2×24 kN/m3×2.35 m×2.4 m）≈2.37 m。考慮到巷道埋深較深，且屬于不穩定巖層，錨桿排距L0取0.7 m。

4）錨索長度

根據該處巖層情況，將頂板錨索固定到穩定巖層1.5 m 以上計算可知，錨索長度初取為6.5 m 類型。施工時可以用打鉆的方法由地質組測定現場穩定巖層厚度而確定錨索長度，保證施工時錨索錨固到穩定巖層內1.5 m 以上。

式中：La為錨索伸入到較穩定巖層的錨固長度，取1.5 m；Lb為需要懸吊的不穩定巖層厚度，取5.5 m；Lc為上托盤及錨具的厚度，取0.1 m；Ld為需要外露的張拉長度，取0.15 m。

則L=1.5 m+5.5 m+0.1 m+0.15 m=7.25 m。支護設計采用Φ21.8 mm×7500 mm 的錨索進行支護。

5）錨索的間排距

設計垂直巷道打5 趟錨索，錨索懸吊的重量選取直接頂塌陷范圍內巖石的重量。設錨索的間距為L0，則：

推出L0=n·P/（L·B·γ） （6）

式中：n為每排錨索根數，n=5；P為錨索的破斷載荷，P=583 kN；L為巖層厚度，L=7.25 m；B為巷道塌陷范圍內的寬度，B=4.7 m（按最大寬度計算）；γ為巖體容重，γ=24 kN/m3。

則L0=5×583 kN÷（7.25 m×4.7 m×24 kN/m3）≈3.56 m。考慮到巷道屬于軟弱不穩定巖層，故錨索間距選取1.0 m，排距選取1.0 m。

5 聯合支護形式的作用機理

1）注重“支護體-圍巖”的雙重作用。采用主被動的聯合支護形式，能充分發揮錨桿、錨索、U鋼各自的特點，使得圍巖在各個方向受力均衡，三向受壓，將支護體系和圍巖結合在一起，圍巖成為了承載體。

2）通過架設U 型鋼可縮性支架，即給巷道表面軟弱巖層提供了較大的支撐力，又具有一定的緩沖作用，允許巷道有一定的變形，具有“柔性支護”和“剛性支護”的雙重特點。

3）當增加錨桿、錨索預緊力時，在提高錨固力的同時又能通過錨固劑的黏結作用對破碎圍巖起到更好控制效果[6]。在施工時，通過托盤對淺部圍巖施加有效壓應力，進而對巷道周邊破碎圍巖的控制效果顯著增強[2]。

6 支護效果分析

1）為了驗證加長錨固后的錨桿桿體、錨固劑、巖石黏結到一起的錨固效果，對8267 運料通路巷幫使用不同藥卷數量的錨桿做工業試驗。試驗共選取2 個測站，采取5 組幫部錨桿，試驗結果如圖4、圖5。試驗表明，使用2 卷Z2335 錨固劑的錨桿拉拔載荷在110～135 kN 時發生錨固失效，而使用1卷K2335+3 卷Z2335 錨固劑的錨桿拉拔載荷普遍在145～170 kN。

圖4 第一組現場錨桿拉拔試驗圖

圖5 第二組現場錨桿拉拔試驗圖

2）為驗證巷道采用聯合支護后的效果，在巷道選取2 個斷面布置測站，采用十字布點法監測巷道掘進后3 個月內頂底板移近量、兩幫收斂量，觀測OA、OB、OC、OD 數值變化。

巷道兩幫及頂底板圍巖收斂變形情況如表1 所示。巷道在掘進支護后的前30 d 內，巷道圍巖變形最快，隨后兩幫收斂量和頂底移近量逐步變小，60 d 后趨于穩定。頂底移進量最大450 mm，兩幫收斂量最大490 mm，現場未見明顯底鼓現象。結果表明巷道維護效果較好，優化巷道斷面及支護方案后圍巖變形得到了有效控制。

表1 巷道兩幫及頂底板圍巖收斂變形情況 mm

7 結論

針對巷道掘進過陷落柱破碎圍巖的特殊結構，分析了陷落柱圍巖結構特征，揭示了巷道支護難、變形大的原因，針對支護存在的問題，提出了“高預緊力加長錨固+可縮性U 鋼支架”的聯合支護方案。通過增加錨桿、錨索的錨固長度和預緊力，可增加支護體對破碎圍巖的控制力，再架設可縮性U鋼支架，實現“柔性支護”和“剛性支護”的緊密結合。現場應用結果表明：使用聯合支護后，巷道周邊破碎圍巖的控制效果顯著增強，巷道變形由原來的掘后3 個月巷道頂底板移近量600～1200 mm，兩幫收斂700～1500 mm，控制到頂底移進量最大450 mm，兩幫收斂量最大490 mm，巷道圍巖變形量得到了有效控制，完全滿足了巷道采掘期間的生產需要，為同地區相似條件的掘進巷道過陷落柱支護方案提供了實踐參考。