高地壓巷道圍巖加固支護技術研究

劉鵬程

(內蒙古煤礦設計研究院有限責任公司, 內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引 言

巷道圍巖的工程性質好壞直接影響巷道支護的難易和巷道工程的穩定性，有些巷道由于礦井開采需要不得不布置在受斷層影響帶內或圍巖地質條件不良的區域，而此類區域圍巖內積聚了巨大的彈性能或者圍巖松散破碎，巷道的開挖導致彈性能的釋放，巷道變形顯現出明顯的大變形特征，圍巖的變形不再是幾十毫米的小變形，而是幾百甚至上千毫米的大變形[1-3]。圍巖的劇烈變形不僅發生在掘進影響的短期內，而且會持續更長時間，巷道不再有最終變形的穩定期，而是會始終處于變形和不穩定的變化之中[4-5]，造成巷道每隔一兩年或更短周期就需返修一次，嚴重影響煤礦的安全高效開采。

安徽某礦二水平北翼總回風巷上部聯巷位于該礦井二水平Ⅱ62軌道下山附近，巷道圍巖地質條件差，圍巖大部分是泥巖、粉砂巖、煤層及煤線，同時巷道還位于孟口斷層帶影響范圍內。孟口斷層為井田內一大型逆斷層，斷層落差高達40 m，其上、下盤斷層帶累計寬度達到150 m左右，斷層帶內發育有大量小斷層。斷層帶內的構造應力較高，巷道圍巖裂隙極為發育。除此之外，巷道還受到采動集中應力作用影響，位于6煤層各工作面回采后所形成的半徑為25～100 m不等的遺留煤柱的孤島內。

1 巷道鉆孔窺視

為了解圍巖內部裂隙發育規律，利用鉆孔探測儀對巷道頂板及兩幫圍巖內部破壞情況進行了探測分析，可以為分析巷道目前穩定狀況提供依據。

圖1 巷幫鉆孔探測成像

圖2 頂板鉆孔探測成像

圖1、圖2探測結果表明，受斷層影響，巷道圍巖裂隙極為發育，圍巖破碎，給巷道錨梁網支護帶來不利影響。巷幫1.4 m深度范圍內，巖體被節理切割成碎塊，巖體破碎，1.4～4 m深度范圍內圍巖狀況整體較好，未發現明顯裂隙；頂板0～1.4 m巖性裂隙較為發育，巖性軟，但成孔較好，1.4～5.5 m裂隙極為發育，巖體被多個方向的節理切割成小塊體，部分形成較大孔洞，錨桿、錨索錨固在此類巖體中，錨固效果將大大降低，影響巷道支護安全。施工時應盡量加長錨索的長度及錨固長度，使之深入到穩定巖層中，保證錨索懸吊可靠[6]；其次采用錨注綜合加固方法將破碎或軟弱的巖體膠結在一起，提高圍巖自穩能力[7]。

2 巷道支護方案

設計巷道斷面為直墻半圓拱形，掘進巷寬4300 mm，巷高3450 mm，掘進斷面積12.85 m2；巷道凈寬4200 mm，凈高3400 mm，凈斷面積12.38 m2。巷道掘進采用鉆爆法施工，全斷面光面爆破掘進，采用錨梁索噴支護(見圖3)。

(1)頂板組合式拉力分散型樹脂與注漿全長錨固錨索支護。采用18#槽鋼梁作為組合梁，顯著提高鋼梁的抗彎性能，防止在頂板壓力作用下超過梁的許用應力而彎曲屈服，造成錨索間巖體壓力卸載；采用改進的錨索注漿方式，在不改變現有錨索錨固結構的同時，利用自行設計的新型注漿結構在自由段注漿，使錨索由端錨變為全長錨固，由拉力集中型變為拉力分散型，顯著提高錨索強度利用率和防腐性能。

(2)底板注漿全長錨固錨索配合鋼筋混凝土底梁支護。巷道圍巖是一個有機整體，底板支護必須同頂板、巷幫一樣給予足夠重視，否則巷道圍巖應力以底板為突破口卸載，進而造成巷道的失穩。采用鋼筋混凝土底梁配合注漿錨索綜合加固支護技術，收集并使表面圍巖變形壓力通過錨索轉移至深部，降低底板破壞程度。鋼筋混凝土底梁鋪設在巷道底板下面500 mm處，在巷道現場進行澆制。組合錨索按正交布置，底板錨索間排距為2000 mm×1200 mm，鋼筋龍骨縱筋為Φ18 mm、箍筋為Φ14 mm，扎制截面為200 mm×240 mm。鋼筋混凝土底梁截面：寬×高=400 mm×300 mm。混凝土強度不低于C30。底板錨索穿過底梁錨入底板，每排安裝2根錨索，規格為Φ18 mm×6500 mm，錨索孔徑為Φ40 mm，孔深為6000 mm；錨索錨固材料配比為：水灰比0.38；水泥為93%，膨脹劑為7%；減水劑為0.6%。灰砂比為1∶0.8。

錨梁索噴支護體系由四部分組成：

第一部分是金屬網背護。巷道掘進成形后，鋪設金屬網。采用Φ6 mm鋼筋焊接的、孔徑不大于Φ40 mm的鋼筋背板背護圍巖表面。

第二部分是錨桿支護。采用鋼帶配合錨桿進行錨桿支護，錨桿規格為Φ20 mm×2400 mm，錨桿間排距為850 mm×800 mm。錨固長度不短于1000 mm，錨桿孔徑為Φ28 mm；鋼帶規格為3000 mm×280 mm×5 mm。鋼帶沿頂板橫向鋪設，相鄰鋼帶相互搭茬，并壓緊金屬網或鋼筋背板，錨桿垂直圍巖表面錨固。

第三部分是圍巖表面噴漿。錨桿支護施工完成后，對巷道表面噴射混凝土砂漿。砂漿標號C30，噴層厚度為50 mm，噴漿后的巷道圍巖表面應當平整，斷面形狀符合巷道斷面設計要求。

圖3 巷道錨梁索支護技術方案

第四部分是組合式拉力分散型全長錨固錨索支護。組合式拉力分散型全長錨固錨索由錨索與18#槽鋼梁及讓壓錨索墊板組成。組合錨索沿巷道走向布置，錨索間排距為1100 mm×1400 mm。槽鋼梁沿巷道走向布置，壓住錨桿、鋼帶。沿巷道中、上部周向共布置5排錨索組合梁，相互錯茬布置。槽鋼梁長3200 mm，一梁三索布置。鋼絞線規格為Φ18 mm×8000 mm，錨索采用樹脂和水泥漿混合全長錨固。靠近孔底部分采用樹脂錨固劑錨固，錨固長度為2000 mm；靠近孔口的其余部分采用水泥砂漿錨固。

3 巷道圍巖控制效果

為分析巷道掘進期間的變形規律，在測點布置上選擇具有代表性區域設置觀測點，觀測結果見圖4。礦山自行設計支護段支護采用單體錨桿初次支護，采用單體錨索二次補強，錨索長度6 m，未注漿。

各測站位移觀測結果表明，在圍巖壓力轉移支護技術試驗段，采用組合式拉力分散型樹脂與注漿全長錨固錨索支護，有效防止了錨索間巖體壓力卸載，同時實現了深孔注漿與錨索的全長錨固。在監測的280余天內，巷道兩幫移近量約25 mm，頂底板移近量約39 mm，基本無明顯變形，控制效果良好；礦山自行設計支護段，共監測300余天，期間巷道兩幫總移近量為161 mm，頂底板總移近量為220 mm，變形量較大，后期采用壓力轉移支護技術補強，巷道維護效果明顯好轉，變形速度得到控制。

圖4 巷道圍巖監測曲線

4 結 論

(1) 采用鉆孔窺視方法，探明了巷道圍巖頂板及兩幫破壞情況，給錨索支護參數提供了參考。錨索的錨固段必須位于破碎帶之外，使錨索生根于穩定巖層，保證錨索錨固可靠是保證本試驗巷道支護效果的決定性因素。

(2) 提出了鋼筋混凝土底梁配合注漿錨索綜合加固底板的支護技術，收集并使表面圍巖變形壓力通過錨索轉移至深部，降低底板破壞程度，防止圍巖應力以底板為突破口進行卸載，進而引起巷道的整體失穩。

(3) 通過研究總結出了高地壓軟巖巷道支護成功的三個重要途徑：一是支護體必須能夠有效收集巷道表面壓力，阻止圍巖壓力的卸載；二是錨索錨固深度必須位于巷道的塑性區范圍之外，保證錨索錨固可靠，使圍巖表面壓力轉移到深部；三是錨注聯合支護，實現錨索控制范圍大、承載力大、主動支護的優勢與注漿提高圍巖自穩能力的有效結合。

參考文獻：

[1]渠 濤,韓立軍，等.極軟巖巷道與硐室成套修復加固技術研究[J].煤礦安全，2008(9):6-9.

[2]馬生徽，王文杰，馬雄忠.基于正交數值試驗的玻璃鋼錨桿支護參數優化研究[J].礦業研究與開發，2013,33(2):46-48,56.

[3]侯朝炯,勾攀峰.巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究[J].巖石力學與工程學報,2000,19(3):342-345.

[4]高厚奇,喬中棟.高應力軟煤巖巷道錨噴支護技術[J].煤礦開采,2005,10(3):43-44.

[5]曹建軍,焦金寶.深井沿空巷道圍巖失穩機理與穩定性控制[J].煤礦安全,2010(2)：97-100.

[6]錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京:煤炭工業出版社，1984:69-84.

[7]尹站穩,軒艷偉,蔣佳政.斷層構造段高應力軟巖巷道支護技術研究[J].中州煤炭,2012(3):1-4.