21采區(qū)皮帶下山支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

摘 要：本文為解決采動(dòng)影響下軟巖巷道支護(hù)技術(shù)難題，基于某礦21采區(qū)皮帶下山地質(zhì)條件分析以及工程的重要性，采用巷道破壞原因分析、支護(hù)方案確定、及現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果分析相結(jié)合的方法，對(duì)軟巖巷道采用一次錨網(wǎng)支護(hù)+二次錨梁索支護(hù)相結(jié)合的二次支護(hù)技術(shù)，保證巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)試驗(yàn)效果分析，進(jìn)一步說明巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)為二次支護(hù)技術(shù)在該礦區(qū)類似軟巖巷道中的推廣提供實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：采區(qū)下山；圍巖；支護(hù)結(jié)構(gòu)；二次支護(hù)

某礦21采區(qū)是礦井下一階段的主采區(qū)，巷道所在位置如圖1所示。21采區(qū)皮帶下山作為21采區(qū)行人、回風(fēng)和主運(yùn)輸?shù)难屎硪溃渲ёo(hù)情況的好壞直接影響著21采區(qū)和整個(gè)礦井的安全生產(chǎn)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)21采區(qū)皮帶下山變形破壞情況有其自己的特點(diǎn)，巷道表面未出現(xiàn)明顯剪脹變形縫，但是由于圍巖巖性較差，巷道出現(xiàn)整體內(nèi)縮，同時(shí)底板出現(xiàn)褶皺型底臌，這主要是由于21采區(qū)皮帶下山巷道圍巖巖性和應(yīng)力水平所造成的。

目前，21采區(qū)皮帶下山破壞情況已經(jīng)嚴(yán)重影響整個(gè)礦井的生產(chǎn)接替，急需進(jìn)行治理，同時(shí)由于21采區(qū)皮帶下山為整個(gè)采區(qū)服務(wù)，使用斷面要求較高，并且巷道處于工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱邊緣，在21采區(qū)工作面回采后期皮帶下山將長(zhǎng)期受到采動(dòng)影響和集中應(yīng)力的影響，迫切需要對(duì)21采區(qū)皮帶下山合理支護(hù)方式進(jìn)行研究，從而保證巷道斷面能夠長(zhǎng)期有效的滿足使用要求。

1 地質(zhì)概況

該礦21采區(qū)皮帶下山所處的層位主要是L9灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖，L9灰?guī)r上部還有少部分一18煤線夾層和一19煤線夾層，巷道實(shí)際埋深約770m左右。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，21采區(qū)皮帶下山頂板以灰?guī)r和泥巖混層為主，豎向節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，并且巷道周圍有斷層存在，致使巖體完整性進(jìn)一步降低，巷道周圍應(yīng)力水平較高。21采區(qū)皮帶下山綜合柱狀圖見圖2。

2 巷道破壞原因分析

2.1 巷道原有支護(hù)形式

21采區(qū)皮帶下山采用直墻半圓拱形斷面，原設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面面積為9m2，掘進(jìn)巷道寬度為3000mm，高度為3000mm，但由于巷道變形破壞嚴(yán)重，礦方對(duì)巷道進(jìn)行了擴(kuò)刷，擴(kuò)刷后巷道的凈寬為5000mm，凈高為4100mm，凈斷面面積為20.5m2。支護(hù)方式選用錨網(wǎng)噴支護(hù)，主要支護(hù)參數(shù)如下：錨桿Φ20×2200mm，間排距700×700mm，每根錨桿使用1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷錨固。金屬網(wǎng)為Φ6×800×1500mm鋼筋網(wǎng)，錨索采用Φ15.24×6000mm鋼絞線，間排距1400×1400mm，三排五花眼布置，每根錨索采用1支K2360樹脂藥卷和3支Z2360樹脂藥卷錨固。噴C15砼，噴層厚度100mm。

2.2 巷道失穩(wěn)破壞特征

通過對(duì)試驗(yàn)巷道變形破壞情況的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，21采區(qū)皮帶下山失穩(wěn)破壞特征如下：

（1）巷道幫部變形嚴(yán)重，幫腳產(chǎn)生強(qiáng)烈內(nèi)移。由于巷道兩幫強(qiáng)烈內(nèi)移，幫部與底板夾角由直角變?yōu)閳A弧狀。巷道兩幫出現(xiàn)少部分較小的剪切變形縫，同時(shí)巷道兩幫漿皮少部分開裂掉落。巷道圍巖裸露處可以明顯看到此段巷道圍巖以泥巖為主，并且?guī)r體出現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象，巖體非常破碎，強(qiáng)度明顯降低。

（2）巷道底臌明顯。從現(xiàn)場(chǎng)的底臌情況來看，呈現(xiàn)褶曲狀底臌，平均底臌量達(dá)到500mm；

（3）巷道頂板出現(xiàn)明顯的下沉。整個(gè)試驗(yàn)巷道頂板基本都呈現(xiàn)壓平狀態(tài)，平均下沉量較大，同時(shí)巷道頂板出現(xiàn)明顯的變形縫。

由于整條巷道幫腳內(nèi)移量與頂?shù)装逡平慷驾^大，致使巷道淺部圍巖較破碎，巖體完整性較差。

2.3 巷道失穩(wěn)破壞原因

根據(jù)21采區(qū)皮帶下山的圍巖巖性、現(xiàn)有支護(hù)狀況、變形破壞特征分析，21采區(qū)皮帶下山的主要破壞原因如下：

（1）巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，圍巖性質(zhì)較差。21采區(qū)皮帶下山埋深約770m左右，若上部煤巖層平均容重按2000kg/m3考慮，巷道周圍垂直應(yīng)力水平將達(dá)到約15.4Mpa。如圖1所示，21采區(qū)皮帶下山一側(cè)存在多條落差不大的斷層，但產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力不容忽視，大量實(shí)測(cè)資料表明，地質(zhì)構(gòu)造形成的構(gòu)造應(yīng)力往往數(shù)倍于原巖應(yīng)力，若應(yīng)力集中系數(shù)k按2.5考慮，則巷道所處的應(yīng)力水平將高達(dá)40Mpa左右。同時(shí)21采區(qū)皮帶下山圍巖巖性以灰?guī)r、泥巖為主，雖然灰?guī)r強(qiáng)度較高，但由于巷道圍巖巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，使得灰?guī)r和泥巖巖體完整性降低，巖體強(qiáng)度降低，造成巷道所處應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于圍巖體自身的強(qiáng)度，在高應(yīng)力作用下巷道淺部破碎巖體極易產(chǎn)生強(qiáng)烈剪脹變形，造成巷道淺部圍巖向巷道自由空間強(qiáng)烈移動(dòng)。

由于巷道已擴(kuò)修過，人為的擴(kuò)大了巷道圍巖的松動(dòng)圈，使得巷道圍巖的整體性降低，節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，巷道圍巖承載能力較低，巷道極易產(chǎn)生變形破壞。

（2）原有支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，缺少針對(duì)性。原有支護(hù)設(shè)計(jì)中采用了鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，但是沒有配套使用鋼筋梯子梁或鋼帶，這直接導(dǎo)致錨桿作用效果大大降低，同時(shí)，由于鋼筋網(wǎng)自身強(qiáng)度和剛度都相對(duì)較低，當(dāng)圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈變形時(shí)，錨桿間的巖體會(huì)使鋼筋網(wǎng)產(chǎn)生不同程度的屈服變形，且相鄰金屬網(wǎng)間搭接部位也極易拉開。隨著錨桿間巖體的碎脹變形，加上鋼筋網(wǎng)的破壞，使得錨網(wǎng)的實(shí)際承載能力得不到充分發(fā)揮，支護(hù)效果不理想。

此外，原有支護(hù)設(shè)計(jì)中雖然布置點(diǎn)錨索，但是并未針對(duì)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的薄弱部位布置錨索，這樣巷道支護(hù)承載的薄弱部位就成為巷道失穩(wěn)破壞的突破口。并且原設(shè)計(jì)中錨索未配合使用鋼筋梯子梁或鋼帶，致使錨索單個(gè)承載，造成巷道在高地應(yīng)力條件下出現(xiàn)整體內(nèi)縮的情況。

（3）錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。原支護(hù)設(shè)計(jì)中并未采取提高幫部承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)措施，使得巷道幫部成為失穩(wěn)破壞的突破口，高應(yīng)力作用下巷道兩幫產(chǎn)生強(qiáng)烈內(nèi)移，這在很大程度上降低了巷道承載結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，而此時(shí)結(jié)構(gòu)本身已成為不穩(wěn)定承載體，控制巷道圍巖變形破壞的能力也就隨之降低，隨著錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)薄弱部位的失穩(wěn)、破壞，錨網(wǎng)支護(hù)也會(huì)整體失去原有支護(hù)效果。

（4）底板未采取支護(hù)措施。結(jié)合21采區(qū)皮帶下山變形破壞特征分析，支護(hù)后的巷道兩幫強(qiáng)度遠(yuǎn)大于未采取控底措施的底板強(qiáng)度，底板軟弱巖層在受到兩幫強(qiáng)烈的擠壓作用后，向巷道自由空間臌起，造成擠壓型底臌，當(dāng)?shù)纂窟^大時(shí)，為保證巷道正常使用，往往會(huì)選擇進(jìn)行臥底，而巷道的臥底施工對(duì)底板巖層產(chǎn)生擾動(dòng)，這使得巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大降低，使得巷道兩幫產(chǎn)生強(qiáng)烈內(nèi)移，變形破壞嚴(yán)重。

3 支護(hù)技術(shù)方案

3.1 支護(hù)技術(shù)思路

21采區(qū)皮帶下山位于工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱邊緣，與保護(hù)煤柱邊緣的平均距離為50m，由于21采區(qū)皮帶下山周圍分布著多個(gè)工作面（見圖1），各工作面回采后期對(duì)21采區(qū)皮帶下山產(chǎn)生明顯采動(dòng)影響，并且工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱為永久煤柱，因此21采區(qū)工作面回采后期在皮帶下山周圍形成永久支承壓力，這對(duì)巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

根據(jù)21采區(qū)皮帶下山的變形破壞特征，為保證巷道受采動(dòng)影響和永久支承壓力影響后仍能正常使用，確定在21采區(qū)皮帶下山采用二次支護(hù)技術(shù)方案，其中一次支護(hù)采用錨網(wǎng)支護(hù)，二次支護(hù)是在一次支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用錨梁索支護(hù)對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償。即首先在巷道淺部圍巖形成較穩(wěn)定的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)，然后通過結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索作用，使巷道深部圍巖的承載能力能夠得到充分利用，通過提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)自身的承載能力和穩(wěn)定性，達(dá)到理想的支護(hù)效果。

3.2 支護(hù)方案具體參數(shù)

（1）一次錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)參數(shù)如下：巷道全斷面共布置13根高強(qiáng)樹脂錨桿錨桿型號(hào)為Φ22×2500mm，間排距為700×700mm，其中幫腳錨桿與幫中錨桿間距1300mm，幫腳錨桿距底板高度不大于150mm，下扎角為15°，每根錨桿使用2支Z2350樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨桿托盤采用140×140×10mm A3鋼鼓形托盤；巷道拱部和幫腳位置分別布置2根材質(zhì)為Φ18.9×6000mm1860鋼絞線的錨索，錨索與頂部及幫中錨桿的間距為700mm，每根錨索使用4支Z2350樹脂藥卷，托盤為400mm 18#槽鋼；采用Φ8mm型高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)護(hù)表；沿巷道周向布置高強(qiáng)度鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁采用Φ14mm鋼筋焊接而成，巷道兩幫采用幫部鋼筋梯子梁，頂板采用頂部鋼筋梯子梁。一次支護(hù)斷面圖見圖3，鋼筋梯子梁見圖4。

（2）二次支護(hù)技術(shù)參數(shù)如下：一次支護(hù)施工完成后，待巷道變形趨于穩(wěn)定時(shí)，采用二次錨梁索支護(hù)對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，巷道全斷面共布置8根錨索和6根錨桿，具體布置方式見圖5，二次支護(hù)錨桿采用Φ22×3000mm型高強(qiáng)樹脂錨桿，錨索采用Φ18.9×5000mm 1860鋼絞線，樹脂藥卷和托盤與一次支護(hù)相同；沿巷道軸向布置高強(qiáng)度鋼筋梯子梁將二次支護(hù)斷面的錨桿和錨索連接起來，鋼筋梯子梁采用Φ14mm鋼筋焊接而成。二次支護(hù)完成后巷道中錨桿、錨索具體布置參數(shù)見巷道支護(hù)側(cè)視圖（圖6）。

4 支護(hù)效果分析

21采區(qū)皮帶下山采用二次支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行支護(hù)后，為了掌握圍巖活動(dòng)規(guī)律，正確評(píng)價(jià)圍巖控制效果，分析支護(hù)方式的合理性，同時(shí)為類似圍巖條件下巷道支護(hù)采取合理的技術(shù)措施提供依據(jù)，在支護(hù)或加固的同時(shí)，對(duì)巷道表面位移情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，主要觀測(cè)巷道兩幫和頂?shù)装逡平俊Ｄ壳埃?1采區(qū)皮帶下山已采進(jìn)行一次錨網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)后20天，兩幫移近量、頂?shù)滓平烤?00mm以內(nèi)，這說明巷道圍巖變形得到了有效控制，一次錨網(wǎng)支護(hù)效果良好，待巷道圍巖位移量趨于穩(wěn)定后再對(duì)二次支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行施工，二次支護(hù)后巷道圍巖的變形以及采動(dòng)影響下巷道變形情況仍有待進(jìn)一步觀測(cè)。

5 結(jié)論

本文以某礦21采區(qū)皮帶下山為研究對(duì)象，通過對(duì)巷道破壞原因分析、支護(hù)方案確定、及現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果分析，得出的主要結(jié)論如下：

（1）采用一次錨網(wǎng)支護(hù)+二次錨梁索支護(hù)方式，能夠充分發(fā)揮淺部圍巖和深部圍巖各自的承載性能，從而提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的整體承載能力。

（2）支護(hù)效果分析表明，一次錨網(wǎng)支護(hù)下巷道圍巖變形得到了有效控制，支護(hù)效果良好，同時(shí)，二次支護(hù)技術(shù)在21采區(qū)皮帶下山取得了成功，為巷道正常安全使用提供了有力保障。

（3）二次支護(hù)技術(shù)為該礦區(qū)類似軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了重要技術(shù)途徑，具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]石偉，孫德林等.深井軟巖巷道圍巖二次支護(hù)新技術(shù)[J].礦山壓力與頂板控制.2003（01）.

[2]魯巖，柏建彪等.深井軟巖巷道二次支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭. 2007（07）.

[3]胡兆峰，曹國(guó)華.高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)[J].礦山壓力與頂板管理.2003（04）.

[4]王其洲；謝文兵等.高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制技術(shù)研究[J].中國(guó)煤炭.2011（10）.

基金項(xiàng)目：貴州省教育廳采礦工程重點(diǎn)學(xué)科（黔財(cái)教[2013]140號(hào)）；貴州省礦山壓力與巖層控制工程中心：（黔教合KY字[2012]027號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：李志剛（1988-），男，貴州盤縣人，碩士，助教，從事采礦工程專業(yè)的教學(xué)和科研工作。