大埋深泥巖巷道高預應力強力支護方式應用研

姚 賀，董抗抗，位兆瑞

(河南能源化工集團 永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600)

復雜地質條件下的大埋深巷道存在變形嚴重，影響安全使用的情況。地質條件復雜、應力隨采深加深而增大、附近采掘活動的擾動加之地質構造的影響，導致深部巷道圍巖的支護難度加大，巷道成巷后極易發生嚴重形變。巖體開挖后，巷道圍巖由三向受力狀態變為兩向受力狀態，加之高應力場的特殊條件，如巷道支護強度低，圍巖將經歷彈性變形和塑性變形，持續發展為破碎，并由巷道以淺圍巖向以深圍巖發展，最終導致圍巖整體失穩，巷道嚴重變形甚至出現垮塌、漏頂等情況，嚴重威脅安全生產[1-7]。

陳四樓煤礦九采區泵房底板標高-859.4 m，處于煤層頂板的砂質泥巖層位，與九采區軌道下山底車場、九采區回風下山下平巷相交，臨近巷道間圍巖應力疊加影響明顯，且巷道靠近向斜軸部，巷道穿過落差為7 m的正斷層。初期采用“錨網噴+錨索”支護時，巷道出現錨桿索拉斷失效、頂底幫變形，嚴重影響巷道的使用，對安全管理造成較大的威脅。為了解決九采區泵房支護難題，提出了先“錨桿錨索間隔布置+長錨索”先噴后錨讓壓支護，再進行“錨索注漿+二次錨網加固”的高預應力強力支護方案，并對底板采用“錨網帶+錨索梁+注漿”加固。

1 工程概況

陳四樓煤礦九采區發育有落差為7 m的正斷層。九采區泵房沿二2煤層頂板的砂質泥巖掘進，全長約44.7 m，距離二2煤層18.3～29.1 m，煤層頂板9.61～43.23 m內為砂質泥巖，砂質泥巖遇水易發生膨脹、破碎且巖石硬度降低。九采區泵房北部為軌道下山底車場，兩巷間巖柱寬11.5 m，底板落差0.7 m；南部為已掘的九采區回風下山下平巷，兩巷間巖柱寬9.68 m，底板落差7.4 m。九采區泵房埋深約900 m，斷面為直墻半圓拱形，寬4 200 mm，高4 600 mm。九采區泵房平剖面布置如圖1所示。

圖1 九采區泵房平剖面布置

九采區泵房及泵房管子道最初支護方案設計參照九采區回風下山下平巷，采用“錨網噴+錨索”支護形式，選用φ22 mm×2 500 mm左旋高強螺紋鋼錨桿端頭錨固，間排距700 mm×700 mm；選用φ21.6 mm×6 300 mm的錨索加強支護，間排距1.6 m×1.4 m；噴漿厚度為100 mm。按照初始支護方案施工時，巷道出現較大程度的變形破壞，巷道斷面收縮嚴重，頂底板及兩幫移近量近300 mm，嚴重影響巷道的安全使用。

2 支護方案及技術原理

2.1 支護方案

(1)拱部及幫部支護(圖2)。

圖2 九采區泵房支護方案

使用短錨索替代錨桿，加長加固錨索的長度，采取先噴后錨的讓壓支護、然后打注漿錨索進行壁后注漿加固的支護形式。先采用短錨索和錨桿間隔五花布置支護，排距700 mm。一排全斷面采用18根φ22 mm×2 500 mm高強錨桿支護(屈服強度500 MPa)，錨桿間距700 mm，下一排拱部采用9根φ21.6 mm×4 200 mm錨索支護，幫部采用8根φ21.6 mm×3 200 mm錨索支護，錨索間距700 mm。拱部采用5根φ21.6 mm×8 300 mm長錨索加強支護，支護滯后掘進面不超過10 m，圍巖破碎、過斷層期間錨索緊跟掘進面施工。讓壓穩定后再對巷道噴漿封閉，噴厚50～100 mm。再進行二次錨網索加固(先打注漿錨索并進行注漿，然后再掛網打錨桿)，拱部采用φ21.6 mm×8 500 mm中空注漿錨索，幫部采用φ21.6 mm×6 300 mm中空注漿錨索，注漿錨索間排距1 400 mm×1 400 mm；全斷面采用φ22 mm×2 500 mm高強錨桿，錨桿間排距700 mm×700 mm，打錨索位置不再打錨桿。每根注漿錨索配備2卷MSM2350樹脂錨固劑，在注漿錨索安裝30 min后方可安裝托盤及鎖具進行初次張緊，待注漿后等待至少2 d再進行二次張緊，保證錨索張緊力不低于36 MPa。待注漿錨索注漿結束后再進行二次錨網支護，錨桿的預緊力矩為250～300 N·m；最后對巷道薄噴封閉，以覆蓋金屬網為準。

(2)底板支護。巷道底板采取“錨網帶+錨索梁+注漿”的復合加固形式。先采用錨網帶加固，M鋼帶沿垂直巷道方向布置。采用φ22 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿(屈服強度500 MPa)，4 m的M鋼帶(錨桿間距750 mm，共6根錨桿)，錨桿排距為800 mm。再施工錨索梁進行二次加固，錨索梁沿巷道方向布置在錨網帶上方，錨索梁為3 m的12號槽鋼梁，φ21.6 mm×6 300 mm的中空注漿錨索，錨索間距1 300 mm，并通過中空錨索對底板進行注漿加固。漿液凝固后再安裝錨索梁并配備錨索托盤，對注漿錨索進行張緊加壓。漿液水灰配比為0.8～1.0，使用P.O42.5號普通硅酸鹽水泥，注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa。鋪設由φ6 mm鋼筋加工而成、網目為100 mm×100 mm的金屬網片。噴射混凝土的強度等級為C20，使用P.O.425號普通硅酸鹽水泥、中粗砂、粒徑5～15 mm石子，速凝劑摻入量為水泥質量的2%～5%。

九采區泵房加固支護方案如圖3所示。

圖3 九采區泵房加固支護方案

2.2 技術原理

(1)“錨桿+錨索”梯次耦合讓壓支護系統。采用錨桿錨索耦合支護，對巷道進行多層次支護，體現了“讓壓有度、剛強足夠”的支護理念，較大程度地提高了支護與圍巖共同有機動態耦合承載的作用，提高了整體性，增加了圍巖強度。高強度錨桿錨索配合由托板和金屬網等構件組成的高剛度護表結構，施加高預應力，形成主動支護，充分保護和利用圍巖的自承能力，對于控制軟巖巷道的長期穩定起到關鍵性作用。

(2)關鍵部位加強支護。采用錨索對破壞關鍵部位加強耦合支護，降低甚至消除巖層之間的剪切滑移變形，并通過調動深部圍巖，減少頂幫垂直應力作用在底板的應力集中程度。巷道幫部為應力集中區，提高相應區域的支護強度，可有效控制兩幫破壞區、塑性區的發展。加固幫、角，減少由于兩幫破裂圍巖壓縮下沉所造成的底鼓、體積膨脹、頂板的破裂和離層，從而減少巷道底鼓和頂板下沉量。提高頂板錨桿支護的剛度與強度可有效減小巷幫壓力和底鼓。提高錨桿預緊力及強度，不僅能有效減少頂板的離層、滑動，維持頂板的相對完整性，還能使頂板的垂直壓力向更深、更遠的兩側巖體轉移，大幅降低巷道幫部的壓力，有利于對底鼓的控制。

(3)高預應力短錨索控制技術。①預應力大小對預應力場分布有決定性作用。預應力較小時，錨索引起的有效壓應力區小，分布相對孤立。預應力增大時，在錨索自由段長度范圍內形成了連接成一片、相互疊加的有效壓應力區，提升了其對圍巖的支護作用。②錨索長度的影響。隨著錨索長度的增加，壓應力區的范圍在高度方向上逐漸增加，在寬度方向上變化微弱且有減小的趨勢，錨索中上部分及錨索間圍巖的壓應力逐步減?。活A應力一定時，短錨索的主動支護作用明顯優于長錨索。③錨索密度的影響。隨著錨索分布密度的增加，錨索間形成的壓應力區逐漸靠近、相互疊加，有效壓應力區擴大并連成一體；到一定程度后，錨索密度的增加，對有效壓應力區擴大、錨索預應力的擴散作用的影響將越來越微弱。

(4)預應力長錨索加固技術。針對應力集中、圍巖巖性較差，采用一般錨桿支護難以承受載荷作用而易失穩破壞的情況，采用預應力長錨索技術，利用其長度優勢，可穿過圍巖松動圈或破碎帶到達深部穩定巖體中，施以較大的預應力，將形成明顯的主動支護效果，能有效控制圍巖的變形。長錨索與錨桿短錨索相結合的支護方式，是通過把錨桿短錨索支護范圍內的圍巖自承拱通過長錨索固定在較大的壓縮圈內，并把力傳遞到圍巖深部的穩定巖體內，發揮圍巖自承作用，改善圍巖力學性能及受力狀態。

(5)錨索注漿加固技術。利用漿液封堵圍巖裂隙，防止圍巖因風化或被水浸濕而降低強度。漿液將松散破碎的圍巖膠結成整體，提高了巖體強度，且與原巖形成一個整體，提升圍巖的抗壓和抗彎性能，使巷道保持穩定。采用注漿技術配合錨索支護技術，能夠極大地提升錨索的加固性能，加強拉錨點的連接性能，對加固圍巖起到很大的作用；注漿技術能夠加強圍巖的殘余強度、提升摩擦力，增強圍巖的強度和支撐力，降低圍巖松動半徑，使其應力圈得到改善提高。

3 工程實施效果

為驗證支護方案的實施效果，在泵房安裝表面位移測站，測量基點分別定在巷道拱頂、底板及兩幫。嚴格按照規定對巷道變形量進行連續觀測并做好記錄。經過觀測與記錄，采取高預應力強力支護方式的九采區泵房圍巖變形量均小于55 mm，圍巖控制效果明顯。采取高預應力強力支護方案的九采區泵房與采取錨網噴支護的泵房管子道巷道變形量對比如圖4所示。

圖4 巷道變形觀測結果

從圖4可以看出，采用錨網噴的九采區泵房管子道巷道變形量大、變形時間長，60 d內變形量接近300 mm；采用高預應力強力支護的九采區泵房，巷道初期變形較快，25 d后巷道圍巖變形量增量趨近于0，圍巖趨于穩定。礦壓觀測結果表明：高預應力強力支護方案較為合理，可以滿足九采區泵房圍巖控制要求。

4 安全效益與經濟效益分析

巷道采用普通的錨網噴支護時變形量超過300 mm，出現了漿皮開裂脫落的現象，巷道尺寸也難以滿足要求，嚴重影響了巷道的安全使用，易發生漿皮傷人和冒頂事故；在采用高預應力強力支護方案后，巷道支護效果提升明顯，巷道變形量大幅降低，有效保證了巷道的正常使用，避免了安全事故。在經濟效益方面，采用錨網噴支護時，需要的材料費用約為3 000元/m，人工費約為1 000元/m，而采用高預應力強力支護需要的材料費用約為3 500元/m，人工費約為1 200元/m，掘進期間采用高預應力強力支護增加費用700元/m；但采用高預應力強力支護能夠避免因巷道變形而重新擴修，減少了材料費用投入約900元/m，人工費投入約400元/m；因此，采用高預應力強力支護能夠節約費用約600元/m，同時也避免了在巷道維修上的人力投入，提高了礦井的整體施工效率。

5 結語

陳四樓煤礦九采區泵房鄰近陳四樓向斜軸部，穿過一次斷層，附近巷道多、關系復雜，且處于大埋深泥巖環境，巷道圍巖極易發生形變，有效控制巷道變形難度較大。采取“錨桿錨索間隔布置+長錨索”先噴后錨讓壓支護，再進行“錨索注漿+二次錨網加固”的高預應力強力支護方案，并對底板采用“錨網帶+錨索梁+注漿”加固，巷道頂板、幫部及底板的變形量大幅降低，有效保障了巷道的安全使用，可為相似條件下的巖巷支護提供參考。