雙巷掘進大斷面巷道留巷中錨網索耦合及中隔墻支護技術應用與研究

房 帥，劉 洋，劉忠平

(1.山西晉煤集團 沁秀煤業有限公司，山西 晉城 048006；2.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054)

近年來，為解決煤炭資源緊張問題，很多專家提出了無煤柱開采技術。無煤柱開采技術是在井下開采過程中不留設保護煤柱，而采取其他方式支護、維護巷道的技術[1]。岳城煤礦在無煤柱開采技術的基礎上實施了雙巷掘進中隔墻無煤柱開采技術，但是普通的錨網索支護不能滿足雙巷掘進過程中產生的大斷面巷道支護的需要，巷道斷面很難維護，從而對工作面的正常生產產生了消極影響。國內學者為解決大斷面巷道支護問題展開了一系列的研究，如通過計算塑性區范圍[2-3]、松動圈[4-6]或者數值模擬[7-9]等方法來確定巷道的支護參數，從而在相應地質條件下有效控制了巷道的變形，為大斷面巷道的安全施工和工作面順利回采提供了可靠的依據。以晉煤集團岳城煤礦2301工作面雙巷掘進施工過程中產生的大斷面巷道作為工程背景，并且結合2301工作面地質條件及煤層頂底板情況，確定了23011雙巷掘進大斷面巷道的支護對象，并在此支護基礎上分析了23011大斷面巷道的力學狀態，提出分次開掘的施工方案和高強錨桿+鋼筋托梁+錨索+鋼帶+雙層金屬網相耦合及澆筑隔離墻的聯合支護方案。

1 工程概況

岳城煤礦井田面積為13.806 km2，可采煤層為3號、9號、15號煤層，現采3號煤層，該煤層多呈階梯狀斷口，具有似金屬光澤，以亮煤為主，顏色為黑色，傾角為0.6～4°，平均傾角為3°，是優質無煙煤；煤體破壞類型為Ⅱ類煤，煤層普氏硬度系數f=1.3～2，平均厚度6.13 m，核定生產能力150萬t/a，高瓦斯礦井。2301工作面工程平面如圖1所示。

圖1 2301工作面試驗段工程平面

23011巷道頂板直接頂為砂質泥巖，灰黑色，厚度1.80～6.80 m，平均厚度3.39 m；單向抗壓強度為83.7 MPa，單向抗拉強度為2.49 MPa，普氏硬度系數f=8.5；巷道的直接底為泥巖，黑色，厚度0～3.14 m，平均厚度1.06 m；細粒砂巖，灰黑色，厚度1.35～2.95 m，平均厚度2.28 m，單向抗壓強度為67.4 MPa，單向抗拉強度為1.57 MPa，普氏硬度系數f=6.9。

2 支護對象

錨桿(索)支護中支護體與巷道圍巖在實質上是相互作用的，錨桿(索)通過發揮其對圍巖的徑向與切向支護抗力來限制錨桿(索)作用范圍內圍巖的剪切變形和離層、滑移等破壞，以實現保持圍巖完整性并形成預應力承載結構的目的[10-11]。因此，巷道開掘后產生在巷道周圍巖層內發生塑性形變的煤巖體，即巷道的松動圈就是錨桿索的支護對象。

同時利用柔模泵注混凝土技術，即使用一種橫斜雙拉纖維柔性模板，該模板由外部加筋纖維布和內部拉筋組成，為封閉的三維紡織結構，外形與支護體相同，是支護體的預成型體，使用此柔性模板快速澆筑連續混凝土隔離墻。利用此技術柔模透水不透漿的特性和泵壓強制接頂，主動支撐頂板，構筑成隔離墻密閉采空區。

3 施工方案

一般情況下，大多中小型松動圈可以利用懸吊理論，采用錨桿進行有效控制，但對于雙巷掘進施工過程中產生的9.8 m大斷面巷道而言，就不能利用組合梁理論或加固拱理論、減跨理論、懸吊理論等單一的理論來解決掘進中形成的大松動圈支護問題，而應形成一種由多種理論組合且能對雙巷掘進大斷面巷道提供有效支護的支護理論。

針對2301工作面雙巷掘進施工中形成的大斷面巷道的實際情況，筆者提出了類減跨理論的雙巷掘進分次施工的施工方案和加固拱理論與懸吊理論相結合的錨桿(索)耦合及中間澆筑隔離墻的支護方案。實施過程主要包括以下四個步驟：

第一步：在23011巷煤柱幫一次擴巷，擴巷寬度3 000 mm，高度3 000 mm，擴幫段頂板采用樹脂加長錨固高強錨桿+鋼筋托梁+錨索+鋼帶+雙層金屬網，擴幫段煤幫采用玻璃鋼錨桿配合塑料網支護。

第二步：澆筑鋼筋混凝土條形基礎，基礎寬度2 000 mm，基礎埋置深度800 mm。

第三步：澆筑柔模混凝土隔離墻，墻體寬度1 400 mm。

第四步：二次擴巷，擴巷寬度2 600 mm。二次擴幫段頂板采用樹脂加長錨固高強錨桿+錨索+鋼筋托梁+雙層金屬網聯合支護，擴幫段煤幫采用高強錨桿+鋼筋托梁+雙層金屬網聯合支護。

4 隔離墻支護參數

在擴巷區澆筑橫斜雙拉纖維柔性模板混凝土隔離墻，墻體寬度1 400 mm，墻體一側與23011巷原煤柱幫平齊，另一側距離一次擴巷后新煤幫1 600 mm。

構筑隔離墻使用能滿足自密實、快硬、早強、高強等要求的礦用高性能混凝土。混凝土配比見表1。

表1 1 m3C40混凝土配合比

在地面攪拌站將砂子、石子、外加劑按照配合比攪拌均勻后，使用礦車運輸至井下混凝土制備輸送站儲料場；將攪拌好的干物料與水泥按照比例輸送至機組攪拌機內加水攪拌均勻，利用混凝土輸送泵將高性能混凝土泵送至柔模內。

由于混凝土墻寬為1.4 m，厚度大于1 m，因此屬于大體積混凝土。大體積混凝土水化發熱量大，混凝土澆筑成型后7 d內必須每班安排專人對墻體進行灑水、降溫和養護。

5 錨網索耦合支護參數

5.1 擴巷斷面初始參數及擴巷設計

根據掘進設備工作要求及沿空巷道掘進要求，設計沿頂留底煤擴幫，巷道設計為矩形斷面，23011巷施工選用錨梁網索鋼帶支護，采用分次擴巷施工，其中原巷道寬4 200 mm，一次擴巷寬度3 000 mm，高度3 000 mm；二次擴巷寬度2 600 mm，高度3 000 mm，最終擴巷完巷道總寬度為9 800 mm，高度為3 000 mm。

5.2 錨網索耦合支護參數

5.2.1 23011巷幫頂破壞深度的確定

利用自然平衡拱理論計算巷道掘進后圍巖破壞深度，從而確定23011巷幫頂圍巖松動圈的范圍，具體計算過程如下：

式中：C為煤幫最大破壞深度，m；Kc為采掘工程擾動系數，1.5；γ為上覆巖層平均重力密度，25 kN/m3；H為巷道埋深，平均423 m；fc為煤層普氏硬度系數，1.3；h為巷道矩形斷面內煤夾層的厚度，3.0 m；φ為煤體內摩擦角，30°。

由以上計算得出C≈0.38 m。

(2)

式中：b為巷道掘進后頂板最大破壞深度，m；C為煤幫最大破壞深度，0.38 m；fn為錨固巖層的硬度系數，取8.5；a為巷道的半跨距，4.9 m；α為煤層傾角，3°；ky為錨固巖層的穩定性系數，屬一般完整，取0.85。

由以上計算得出b=0.73 m。

5.2.2 錨桿支護參數計算

由對圍巖破壞深度的計算可知,該巷道的松動圈極大，因此可以利用加固拱理論對巷道松動圈進行支護，按擠壓加固拱理論計算錨桿支護參數如下：

b1·tanα1=(L桿·tanα1)-D

(3)

式中：b1為加固拱厚度，m；L桿為錨桿的有效長度，m；α1為錨桿在松散煤體中的控制角，45°；D為錨桿的間距。

按照公式(3)計算，錨桿長度選取2.4 m(有效長度2.3 m)，間距0.9 m，則加固拱厚度在1.4 m。23011雙巷掘進大斷面巷道錨桿選用D22 mm、長2.4 m的錨桿，頂板錨桿間排距為0.9 m×1 m。

5.2.3 錨索支護參數計算

1) 計算頂板錨索長度L：

L=La+Lb+Lc+Ld

式中：La為錨索伸入到較穩定巖層的錨固長度，0.5 m；Lb為頂板到穩定巖層最大深度，8.5 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0.2 m；計算得出錨索長度L=9.3 m。

2) 計算頂板錨索密度：

N≥KQd/P

式中：P為D21.8 mm錨索的破斷力，582 kN；Qd為頂板巖層壓力，按頂板松動圈內巖石重度計算，取178.85 kN；K為安全系數，取2。

由以上計算得出23011雙巷掘進期間錨索的打設密度N≥0.61。為確保施工安全，23011一次擴巷施工期間，錨索按照“333”的形式打設，間排距為1 200 mm×1 000 mm。

5.3 一次擴巷支護方案

5.3.1 一次擴巷錨桿支護方案

錨桿規格：桿體為超強熱處理左旋無縱肋螺紋鋼筋，鋼材為BHRB400號錨桿專用鋼，桿體直徑22 mm，長度2.4 m，延伸率不低于20%；桿尾螺紋公稱直徑為M24，長度120 mm。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支樹脂錨固劑，1支規格為MSK2335，1支規格為MSZ2360，錨固長度1 300 mm。

錨桿布置：每排布置4根錨桿，錨桿間距900 mm，排距1 000 mm，均垂直頂板布置。每排錨桿與原巷道錨桿錯距200 mm。

5.3.2 一次擴巷錨索支護方案

錨索型號：索體為D21.8 mm、1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，延伸率不小于7%，破斷荷載582 kN，錨索長度9 300 mm。

錨索布置：巷旁每排布置3根錨索，第一根布置于23011巷距離煤柱幫500 mm位置處，第二根和第三根布置于擴巷內，錨索間排距為1 200 mm×1 000 mm。

錨索角度：全部垂直于頂板煤巖面打設。

錨固方式：每根錨索采用4支樹脂錨固劑加長錨固，先安裝1支MSK2335型錨固劑，再安裝3支MSZ2360型錨固劑。23011巷一次擴巷支護如圖2所示。

圖2 23011巷一次擴巷支護示意(mm)

5.4 二次擴巷支護方案

5.4.1 二次擴巷錨桿支護方案

錨桿規格：桿體為超強熱處理左旋無縱肋螺紋鋼筋，鋼材為BHRB400號錨桿專用鋼，桿體直徑22 mm，長度2.4 m，延伸率不低于20%；桿尾螺紋公稱直徑為M24，長度120 mm。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支樹脂錨固劑，1支規格為MSK2335，1支規格為MSZ2360，錨桿鉆桿為B19鉆桿，雙翼鉆頭，鉆頭直徑30 mm，錨固長度1 300 mm。

錨桿布置：每排布置3根錨桿，錨桿間距900 mm，排距1 000 mm，除頂角錨桿外偏10°安設外，其余錨桿均垂直頂板布置。每排錨桿與第一次擴幫段錨桿布置在一排上。

5.4.2 二次擴巷錨索支護方案

錨索型號：索體為D21.8 mm、1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，延伸率不小于7%，破斷荷載582 kN，錨索長度9 300 mm。

錨索布置：巷內每排布置2根錨索，第一根錨索距離煤柱幫1 300 mm處布置，錨索間排距為1 200 mm×2 000 mm。

錨索角度：全部垂直于頂板煤巖面打設。

錨固方式：每根錨索采用4支樹脂錨固劑加長錨固，先安裝1支MSK2335型錨固劑，再安裝3支MSZ2360型錨固劑。

5.4.3 錨索及錨桿組合支護構件選型及參數確定

一次擴巷采用三孔W鋼帶將巷旁3根錨索組合為一體，W鋼帶型號為WD300-5-2800。W鋼帶限位孔間距1 200 mm，孔徑60 mm×40 mm，兩端各富余200 mm。

一次二次擴巷頂部要求采用整條鋼筋梯子梁組合錨桿鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁由兩根D14 mm的Q235圓鋼焊接而成，寬度80 mm，長度5 600 mm。煤幫采用兩根D14 mm的Q235圓鋼焊接而成寬度80 mm、長度2 600 mm的整條鋼筋梯子梁。

圓形托盤尺寸要求不小于150 mm×150 mm，高度不低于36 mm，厚度不小于10 mm，除設計有角度的錨桿使用圓形異形托盤外，其它均使用常規托盤。

采用雙層菱形金屬網護頂，材料為10號鉛絲，網孔邊長50 mm，網片規格4 200 mm×1 100 mm，每隔300～500 mm采用16號鉛絲將兩層網連為一體。兩兩相鄰網片采用16號鉛絲聯接，雙絲雙扣，隔孔相連，網片搭接寬度不小于100 mm。23011巷整體支護如圖3所示。

圖3 23011巷整體支護(mm)

6 支護效果分析

岳城煤礦雙巷掘進中隔墻無煤柱開采方案中，為檢驗雙巷掘進施工中大斷面巷道錨網索支護技術的支護效果，在新擴掘巷道中布置4個礦壓監測站，分別在試驗段開始25 m、75 m、125 m、175 m處布置。

每個測站裝有頂板離層量、錨桿、錨索測力計，掌握工作面回采后與擴掘巷過程中沿空巷道頂板，兩幫和墻體的錨桿、錨索工作阻力的變化規律，揭示頂板巖層活動規律。柔模砼墻體壓力測試儀掌握巷旁支護的壓力分布規律及壓力峰值，為進一步優化和設計支護提供依據。

同時采用十字監測法監測圍巖收斂變形，監測內容包括超前工作面巷道位移和留巷巷道位移兩部分。通過后期對礦壓監測站礦壓數據的收集，23011大斷面巷道的頂板離層值最小為30 mm，最大為75 mm，巷表位移量最大為63 mm。這表明23011留巷段所采用的高強錨桿+鋼筋托梁+錨索+鋼帶+雙層金屬網相耦合及澆筑隔離墻的聯合支護技術不僅有效解決了大斷面巷道的圍巖控制難題以及留巷后巷道變形量大的問題，還為留巷段的復用打下了堅實的基礎。礦壓監測站布置如圖4所示。

圖4 23011巷礦壓測站布置

7 結 語

本文根據晉煤集團岳城煤礦的地質條件，在2301工作面實施了雙巷掘進大斷面巷道留巷中錨網索耦合及中隔墻支護技術，并且取得了較好的效果。根據最終留巷實際情況，23011巷采用錨網索耦合及中隔墻支護技術后，不但解決了雙巷掘進過程中產生的大斷面巷道斷面大、支護困難問題，而且有效控制了留巷后的巷道變形量，留巷后頂板下沉量低，巷道基本滿足使用要求，從而為后續聯合工作面的安全回采打下了堅實的基礎，并且從中積累了大量技術經驗，可以在其他礦井推廣應用。

使用雙巷掘進大斷面巷道留巷中錨網索耦合及中隔墻支護技術之后，提高了煤炭的采出率和巷道的掘進效率，同時避免了井下煤柱的應力集中，最終增加了煤礦的年產量和經濟效益。