耦合支護技術在大斷面軟弱圍巖控制中的應用

馮 銳

（1.河南理工大學，河南 焦作454000；2.鄭州煤炭工業 （集團）有限責任公司項目建設部，河南 鄭州454000）

1 項目概況

鄭州煤炭工業（集團）振興二礦有限公司位于鄭州市二七區侯寨鄉三李村境內，從2005年4月開始進行技術改造，采用3個立井開拓全井田，現有主立井保持不變，現有副立井改造為專用回風井，報廢現有回風井，并在現有工業廣場東北側新打副立井。設計采用走向長壁炮采采煤法，工作面采用整體頂梁懸移支架支護。技術改造后設計礦井生產能力由0.3Mt／a提高到0.45Mt／a?？紤]到后期生產期間礦井涌水量增大，本次技術改造在11采區下部－280m水平建一主排水系統，設計最大排水能力1350m3／h。－280m水平主排水泵房位于DF5正斷層下盤40～50m處，該斷層落差約為35m，且泵房層位為二1煤層底板厚層泥巖中，附近巷道布置密集（見圖1），圍巖破碎、整體性差，設計斷面為5600mm×5000mm，因斷面較大，支護困難。

圖1 泵房巷道布置

2 泵房破壞現狀

－280m水平主排水泵房原設計支護形式為U36型鋼＋噴射混凝土＋5道工字鋼連鎖梁聯合支護，于2013年3月底施工完成20m后，礦壓開始顯現，局部幫部開始出現縱向、橫向裂紋，部分地點的噴層已經出現開裂，巷道底板也出現底臌開裂現象，局部底板開裂變形鼓起200～300 mm，泵房凈寬縮小200mm左右，已安裝的起重梁受兩幫擠壓開始變形，若再不采取有效措施將影響后期排水設備、排水管路安裝，更不能保證安全使用。盡管礦方對圍巖采取注漿加固措施，但效果甚微。

3 泵房支護失效原因分析

1）泵房硐室斷面較大，圍巖的松動圈也大，再加上泵房附近范圍內巷道密集，軌道下山、配水巷、井底水倉、管子道等巷道與之形成了復雜的結構體系，造成硐室周邊多重應力疊加，硐室一側的斷層加大了圍巖和支護結構上的荷載和應力集中程度，是造成硐室收斂變形嚴重的重要因素。

2）自身圍巖巖性。－280m水平泵房掘進過程中實際揭露的巖層主要有煤層底板砂質泥巖、泥巖及部分細砂巖，硐室盡管大部分布置在砂質泥巖中，圍巖破碎，整體性差，易膨脹變形，當頂部壓力較大時，造成底板圍巖出現應力集中，產生塑性變形而底臌，進而影響硐室兩幫穩定。

3）泵房位于DF5正斷層下盤40～50m處，該斷層落差約為35m，且泵房層位為二1煤層底板厚層泥巖中，再加上附近掘進巷道，對泵房的穩定性影響很大，

4）施工工藝、支護方法的影響，此類圍巖開挖后支護方案的設計應以加固圍巖，提高圍巖整體性，充分利用圍巖自身強度達到新的應力平衡穩定狀態。原設計采用U36型鋼＋噴射混凝土＋5道工字鋼連鎖梁聯合支護，再加上棚支架不能頂緊巖壁，圍巖封閉不及時，隨著時間的推移，開挖后圍巖松動圈不斷擴大，單靠棚支架被動支護難以抵抗硐室圍巖發生應變產生的應力，最終導致支護失敗。

4 支護方案及支護參數

4.1 支護方案

破碎軟巖硐室圍巖變形特征一般表現為三個階段：劇烈變形階段、穩定變形階段、加速變形階段。實踐證明，破碎圍巖硐室在穩定變形階段前后的變形速度在很大程度上取決于第一階段的支護和圍巖保持的狀態。如果在硐室開掘之初，圍巖未開始松動前就采取錨網噴＋必要時增加錨索、圍巖注漿加固措施及時支護，并通過錨桿、錨索對圍巖施加的預應力，使支護層與深部圍巖緊密接觸，防止深部圍巖進一步松動，再加上后期封閉剛性棚支架聯合支護技術，圍巖的變形就會得到有效控制，反之支護失效導致巷道變形。因此采取如下支護方案。

一次支護：預應力錨桿＋金屬網＋預應力高強錨索聯合支護，一次支護要加快速度，盡可能減少圍巖松動范圍擴大速度。錨桿和錨索的長度、錨固長度、預緊力應根據實際圍巖情況確定，通過錨桿、錨索組合支護技術來維持開挖初期硐室圍巖強度。

二次支護采用全斷面U36棚支架聯鎖支護，棚間距為600mm，棚子加工段與段之間的連接采用鋼板螺栓剛性對接，施工期間確保整環棚支架在同一平面上，防止棚子旋扭失穩降低支護強度，隨后進行噴射混凝土施工，一是封閉圍巖，阻止圍巖進一步風化，二是為后續圍巖注漿加固施工提供條件（見圖2）。

三次支護主要對反底拱進行混凝土澆筑，由于硐室圍巖較破碎，為了能夠利用水泥漿液的充填、擠壓、固結作用對圍巖進行加固，在澆筑底部鋼筋混凝土時要預埋注漿導管。

圖2 剛性棚支架加工示意示意

4.2 支護方案參數設計

錨桿：采用長度為2.5m、Φ22mm的高強螺紋鋼錨桿、樹脂錨固，錨固長度不低于1.30m，錨桿間排距700 mm×700mm，梅花形布置，螺母扭矩不低于200N×M，錨固力不低于120kN（見圖3）。

網片采用直徑Ф6mm的圓鋼冷拔絲制作，網格間距為60mm×60mm。

圖3 錨桿布置示意

錨索參數：每個斷面布置7根錨索，間排距為1800 mm×2000mm，沿硐頂呈扇形分布，外端沿硐室縱向利用槽鋼連接，形成錨桿連鎖加固。錨索長度根據超前巖層探測結果確定為8m，局部可適當調整，錨索采用Ф18.9mm低松弛高強鋼絞線，端頭利用4個z2350的藥卷進行錨固，錨固長度不低于3m，螺母扭矩不低于300N×M，錨固力不低于200kN（見圖4）。

圖4 錨索布置示意

注漿參數：注漿加固采用深淺孔交替注漿方式：淺孔注漿深度為1.2m，深孔注漿深度為3m深淺孔均呈梅花狀布置，深淺孔布置間排距均為1.5m×2m，間隔布置，淺孔注漿主要以棚背破碎圍巖充填為主，深孔注漿主要針對松散圍巖與穩定圍巖交界附近裂隙進行充填、擠密、固結加固。根據圍巖松動范圍及完整性，注漿孔間排距以及注漿孔深度可作適當調整。注漿管為復合注漿錨桿，注漿后上托盤作為錨桿使用，注漿管直徑25mm，為確保不損壞硼支架、噴層，注漿壓力不高于2.0MPa，注漿材料采用P.O32.5號普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1，注漿加固必須等噴射混凝土強度達到設計值的70%后進行。注漿結束后可利用注水試驗對圍巖注漿效果進行檢驗。

利用底板澆筑混凝土時預埋的注漿管對底板混凝土澆筑層以下圍巖進行注漿加固，以使硐室外部松動圍巖加固成環，確保支護強度。

5 施工中應注意的事項

1）施工期間要加強光面爆破管理，合理布置炮眼數量、炮眼間距，嚴格控制裝藥量，盡可能減少爆破對周圍圍巖的擾動，減少圍巖支護難度。

2）爆破后盡快進行錨網噴支護施工，及時初噴封閉圍巖，要加強錨網施工質量管理，嚴格按照設計預緊力進行施工，以減慢開挖后松動圈范圍發展速度，為后續施工創造條件。

3）封閉剛性棚支架連接板螺栓擰緊后要進行焊接，使之形成受力整體，井下安裝期間要加強封閉支架安裝質量管理，必須確保封閉支架安裝后在同一截面上，棚支架噴漿完成后，及時進行利用淺孔注漿對棚背圍巖進行充填固結。

4）利用探鉆探明圍巖松動圈范圍，根據探測的松動范圍合理設置錨桿長度和錨索長度及其錨固長度，確保錨桿錨索支護科學有效。

5）在施工期間合理確定控頂距離，盡可能在采用短掘短支，避免頂板事故發生。

6 支護效果檢驗

施工期間對已施工巷道的頂、底高度，巷道的凈寬進行了布點觀測，截止目前，巷道頂沉11mm，底板鼓起最大量18mm，凈高減少了32mm，兩幫寬度最大變形量為23 mm，進入2014年6月以來，巷道總變形量基本穩定。

7 結語

－280m泵房施工前20m范圍內，硐室變形嚴重，支護效果不理想，通過對泵房破壞的原因從多角度進行綜合分析，并根據分析結果及時制定了切實有效的支護方案，即錨網噴、錨索主動支護和36U封閉剛性支架相互協調聯合支護，取得了良好的效果，上述支護方案的成功為大斷面、弱膠接破碎圍巖支護積累了工程經驗，同時也取得了很好的經濟效果。