大变形围岩巷道支护技术实践

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【摘　要】　针对平凉新安煤业有限公司新安煤矿软岩高应力巷道和动压影响巷道变形量大，不能满足安全生产需要的实际状况，该矿制定了巷道的锚网梁索喷—格栅拱架的联合支护方案。采用该方案后，提高巷道的自身承载力，减小了巷道变形量，满足了安全生产需要，并获得了较好的技术经济效益。

【关键词】　巷道变形 常规支护 联合支护

平凉新安煤业公司新安煤矿位于甘肃省平凉市崇信县新窑镇境内，海拔1250m，副井深750m。新安煤矿地压大，岩石软，巷道变形严重，尤其是底臌现象较为严重。由于巷道变形，巷道断面缩小，通风风速提高，轨道阴阳道，运输间距小，不能满足使用要求，危机安全生产。新掘进的巷道在5～10天内就有不同程度的变形，为保证工程质量和安全生产，该矿每月都需要对后路进行维修整治。巷道整修占用了大量劳动用工和正常的作业时间，降低了矿井的单进水平，浪费了大量的人力、物力、财力。由此可见，巷道的变形已严重制约了矿井的发展，控制巷道变形，提供较好的支护方案成了亟待解决的问题。

1　巷道变形原因分析

根据对该矿已掘的集中皮带机道破坏情况的深入调查，并对已掌握的地质及技术资料进行分析，认定该巷道破坏因素有以下几个方面。

1.1　上覆岩层压力大

原岩应力是巷道围岩变形破坏的根源。根据地质资料显示，集中皮带机道处于煤层向斜轴心，即巷道所受地质构造应力较一般巷道大，这是巷道变形的原因之一。

1.2　受动压影响

受工作面回采（或周围其它巷道的掘进）引起的强烈支承压力作用，使围岩应力值数倍于原岩应力，当支护结构承受不了该荷载作用时，必然产生变形，造成巷道支护结构的破坏。集中皮带机道同期施工的还有集中胶带机道等巷道，其它巷道的掘进对围岩应力的分布产生重要影响，这是巷道变形原因之二。

1.3　巷道的岩性

巷道的自身承载力与岩性有关，集中皮带机道岩性为砂泥岩、泥岩，巷道施工中穿过1煤、5煤煤层。岩石遇水就发生膨胀，状态下随时就发生掉落现象；由于底板也有水，底臌变形严重。岩性的不稳定，导致了巷道自身承载力下降，制约了常规支护方式的支护效果，这是巷道变形原因之三。

1.4　巷道的布置位置

按常理说，通过调整巷道的布置位置来抵消巷道所受的构造应力，改变巷道通过的岩层，满足支护要求及强度，但是由于该处特殊的地理位置（该处四面环山），工业广场的选择及主、副井位置的确定无选择性，在考虑运输功、矿井的优化开采等方面因素后，集中皮带机道的布置位置也无选择性，这是巷道变形原因之四。

2　常规支护方式及存在不足

现阶段采用的常规支护方式主要有锚网喷所支护、普通的U型（工字）钢支架支护，通过分析，存在以下不足。

（1）采用锚网喷索支护，虽然巷道顶帮支护强度得到提高，但由于巷道底板没有支护，支护体是开放型的，不稳定，不能形成均衡的支护体系。底板没有支护，受到高应力作用后，底板首先底臌，根据“区域多米诺破坏效应”和“断口效应”，巷道局部破坏后，整体抗破坏能力大大降低，支护体就会迅速造成连续性大破坏。因此，单纯提高顶帮支护强度是不行的。

（2）采用普通的U型（工字）钢支架支护，支护强度大大提高了，但支护体与围岩在强度、刚度和结构等方面存在不耦合、不匹配，支架刚度大大超过了围岩刚度，支架与围岩不能形成统一支护体，共同发挥支护效能，因此在高应力作用下，支护不能保持长期稳定。

3　锚网梁索喷—格栅拱架联合支护

3.1　联合支护理论

采用联合支护方式，主要是弥补常规支护的不足，以达到最大强度的支护效果。通过喷浆、打锚杆（含金属梁、金属网）、打锚索支护，弥补“U”（梯）型支架与围岩之间的不耦合、不匹配的不足，使围岩与支护体能形成统一支护体系，发挥“U”（梯）型支架的支护效能；通过加格栅拱架、喷浆、打锚杆支护，弥补了巷道底板的“断口”的不足，形成了均衡的支护体系，大大增强了整体的抗破坏能力。

3.2　联合支护的应用

3.2.1　施工工艺流程

（1）对巷道断面扩刷，扩刷尺寸宽为2×（150+100+400+50）+4300=5700mm，高为（150+100+400+50）+3750=4450mm，其中4300为巷道净宽，3750为巷道净高，150为预留变形量，100为初次锚喷网带厚度，400为钢筋混凝土衬砌厚度，50为二次锚注支护厚度。在条件允许时，采用全断面一次扩刷，及时进行支护；若巷道围岩条件不允许，或考虑到施工高度问题，可将整个扩刷断面分为上下两层，下分层预留高度约1200mm，并将上分层分为左右两个扩刷断面，左右断面分界线以巷道中心线偏右断面约100～200mm为准。可利用上分层扩刷的矸石作垫层，以减少施工高度。

（2）首先扩刷上左断面，扩至设计断面后喷浆封闭围岩，之后对上左断面采用螺纹钢锚杆、钢筋网、钢带进行初次支护（采用超前探梁作临时支护）。

（3）然后扩刷上右断面，扩至设计断面后喷浆封闭围岩，之后对上右断面采用螺纹钢锚杆、钢筋网、钢带进行初次支护（采用单点柱作临时支护）。

（4）对顶板及上分层两帮按照设计锚索规格及位置实施低预应力锚索支护，对原有锚索可以继续使用的，截断后进行再张拉以继续使用。

（5）进行上分层断面复喷混凝土，覆盖初次支护中的锚杆、金属网、钢带和锚索。

（6）滞后上分层一定距离（以现场具体施工情况为准）进行下分层的扩刷和卧底，同时完成帮、角初次锚网喷及低预应力锚索支护，并利用喷浆回弹料及素混凝土硬化和封闭巷道底板围岩。

（7）滞后一定距离（一般20～30m）在初次喷、锚、网、带、喷支护和锚索加固基础上，进行二次全封闭高强度格栅拱架混凝土砌碹支护；在进行二次全断面格栅拱架支护时，必须保证巷道初次锚、网、索、喷等支护质量。全封闭高强度格栅拱架混凝土砌碹的施工，首先从底板反底拱和底角部分做起，然后再施工拱顶部分。浇灌混凝土前可预埋好注浆管，为后期实施高压锚注加固提供基础。

（8）待钢筋砼砌碹达到一定强度后（混凝土龄期达一周后），利用预埋的注浆管（或后打眼安装的注浆管）适时实施全断面注浆加固。

（9）注浆后在预埋注浆管的位置采用高性能螺纹钢锚杆进行加强支护，以形成复合锚壳支护结构。

3.2.2　施工支护参数

（1）巷道扩刷断面几何参数。巷道采用半圆拱形断面，扩刷断面宽5700mm，高4450mm。

（2）上下分层及左右扩刷断面参数。将下分层高度控制在1.2m左右，然后将上分层以巷道中心线右侧200mm为界分为上左、上右两个小断面进行分扩分支；滞后15～20m左右进行1.2　m下分层的扩刷、卧底、帮角支护和底板初次硬化处理等。

（3）初次锚网带喷支护参数。锚杆采用Φ22　mm×2500mm的高强度螺纹钢锚杆，锚固长度1.0m以上，锚固力不低于120kN，预紧力不低于60kN，间排距700mm×700mm；钢筋网采用Φ6mm圆钢焊接的经纬网，网格100mm×100mm，规格2200mm×1500mm；钢带采用Φ16mm圆钢焊接，且增加锚杆孔间的连接筋，规格长×宽为2150mm×60mm；喷射混凝土强度等级C20，厚度100mm左右（初喷40～50mm，复喷50～60mm），保证覆盖住锚杆托盘、钢筋网、钢带和锚索等。

（4）预应力锚索加固参数。锚索规格Φ18.9mm×8300mm，锚固长度大于1.5m；排距1.4m，间距1.4m左右，极限锚固力不低于300kN，为了使围岩压力得到合理的释放，这里锚索预紧力采用较低值，约10～20kN，以允许围岩产生较大的变形，释放围岩中的高应力。

对于帮部锚索，如果风钻打不进去，可采用导轨式锚索钻机打42～50mm左右的孔，用水灰比为0.4的525#水泥浆全长锚固，水泥浆中应掺加高效减水剂，掺量约为0.7%；灌注时，采用软管插入到锚索孔孔底，注水泥浆，边注边抽软管。

（5）全断面高强度钢筋砼砌碹结构加固参数。1）壳体结构由外圈锚网带喷及内圈全封闭高强度格栅拱架混凝土砌碹两层结构组成，并通过锚注加固形成一体，共同承载。2）完成外圈初次锚网带喷支护施工后，根据变形监测结果，达到二次支护条件时及时实施二次支护。二次支护的主体全封闭高强度格栅拱架混凝土砌碹中的配筋由格栅拱架和外层钢筋网构成。格栅拱架净断面高350mm，宽200mm，纵筋（主筋）为6根Φ22mm的螺纹钢，规格HRB335；箍筋为Φ12mm的圆钢，规格HPB235，箍筋间距200mm；格栅拱架由顶梁、两帮立柱、底板反底拱左右半拱5块3种规格的拱架拼装而成，拱架拼装采用焊接的角钢通过M22的高强度螺栓连接，并增加连接筋，以提高连接处结构强度。3）格栅拱架的排距为700mm，在立好拱架结构后，铺设面层钢筋网，通过钢丝绑扎成一体，绑扎间距200mm；并在拱架间打孔预埋注浆管，将注浆管固定在钢筋网上。注浆管采用钢管制，配内螺纹，规格Φ32mm×600mm，间排距1400mm×1400mm。4）内层格栅拱架混凝土的浇灌，可在立模后采用长距离泵送入模、连续施工，并应符合现行行业标准《混凝土泵送施工技术规程》JGJ/T10的规定，浇灌混凝土厚度400mm，强度等级C60。5）全断面格栅拱架混凝土支护结构施工时，先施工底板反底拱和帮角部分，后施工两帮和拱顶部分。底板反底拱设计为圆弧形，矢跨比为1：9左右，矢高600mm，拱厚为450～550mm，配筋同格栅钢架；混凝土强度等级C60，反底拱混凝土板的收缩缝间距为15m，收缩缝间填厚1.0cm木条；注意浇灌混凝土反底拱时预埋的注浆管，其间排距1400mm×1400mm。6）模板支设参数：①墙模支设：用巷道中线控制站柱位置，在底板通过与底板反底拱模板连接固定墙站柱。站柱采用200mm方木制作，间距1.2m，站柱底部及两侧采用100mm方木对撑固定牢固；站柱上部放托拱梁，托拱梁上固定碹胎。固定时各立柱之间要平行布置，站柱必须固定牢固。②碹胎支设：碹胎采用16＃槽钢与14＃槽钢焊接制作，底部与墙托拱梁连接，碹胎两肩窝和顶部由14＃槽钢通过螺栓互相连接。碹板采用6.0m长的10#槽钢制作。对于底部碹板的固定，采用螺栓与底拱托梁连接固定。

（6）全断面锚注加固参数。在高强度格栅拱架混凝土砌碹壳体达到一定的强度后，通过前期预留注浆管施工深部高压注浆孔，进行高压注浆，注浆采用单液水泥浆液，水灰比控制在0.5，掺加0.7～1.0％高效减水剂，注浆压力控制在3.0～5.0MPa，具体注浆压力据现场实际情况调整。

注浆加固后再利用注浆孔安装高性能螺纹钢锚杆，形成锚壳支护结构，巷道两帮及顶采用Φ22mm×3500mm高性能螺纹钢锚杆，树脂加长锚固，锚固长度不少于1.8m，间排距与预埋的注浆管间排距相同，底板锚杆钻孔存在难度，尽量完成达到设计的3.5m，如果不能达到，尽量使孔深不能少于2m。同时，在两帮增打4根锚索Φ18.9mm×4300mm（每帮两根），在顶部增打两个锚索Φ18.9mm×8300mm。

3.3　支护效果

采用联合支护10个月后，巷道水平方向移近量为0mm，垂直方向移近量为0mm，巷道保持稳定。而采用常规支护8～10个月后，巷道移近量超过初期的70%以上，必须进行整修后才能使用。

4　结语

通过在集中皮带机道工程实践证明，应用锚网梁索喷—格栅拱架的联合支护方式，从加强围岩自身强度和提高围岩自身承载能力两方面入手，充分发挥围岩、锚杆（梁、网）、锚索格栅拱架、砼形成支护体系的力学性能，控制围岩变形，解决高应力作用下巷道不稳定的难题，取得了一定的成功，具有一定的技术经济效益。

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