回風大巷圍巖支護結構分析及優化研究

宋明明

（晉能控股集團寺河煤礦， 山西 晉城 048204）

基于回風大巷地質條件與原支護方式，對圍巖強化技術進行分析，探究內外承載結構耦合支護原理以及特點，進而設計出錨網索+注漿加固的耦合支護方案，經過比較發現，該方案能夠有效地提升支護圍巖的穩定性。

1 工程概況

晉能控股煤業集團某礦回風大巷掘進方位為270°，在巷道以南45 m 位置為井田邊界，以北25 m位置為主運大巷。該巷道沿著11 號煤層頂板掘進，其對應的煤層厚度約為4.0 m，而對應的煤層平均傾角達到了4°。相應的煤層頂底板巖層特征如表1所示。

表1 煤層頂底板情況

該回風大巷斷面是一個半圓拱形，巷道的凈寬、高分別為4.4 m、3.5 m。巷道傳統的支護形式是錨網噴支護，對應的錨桿為螺紋鋼錨桿，其參數為Φ22 mm×2 000 mm，對應的間排距參數為800 mm×800 mm，錨索股鋼絞線的參數為Φ15.24 mm×6 300 mm，對應的間排距參數為1 000 mm、1 600 mm。錨桿索之間通常借助鋼筋梯子梁進行連接，并且在巷道表面設置噴混凝土處理，而混凝土標號為C20，相應的噴射厚度參數為100 mm。巷道原有支護方式如圖1 所示。

圖1 巷道原有支護方案斷面圖（mm）

通過分析傳統巷道支護方式的勘探結果可以看出，巷道頂板存在的缺陷有開裂、噴漿崩落、幫部鼓出，且肩角變形以及底板鼓出比較普遍。由于巷道在變形的過程中受采動影響，從而導致圍巖發生更大的變形，不能滿足巷道回風的需要，因此需要對圍巖變形以及支護結構進行探究。

2 圍巖支護強化技術

通常可以將巷道圍巖支護劃分為三個部分：主動支護、被動支護以及主被動支護。其中，主動支護以錨桿索支護為主，而被動支護主要選用金屬支架、壁后充填的支護方式。對于主被動支護而言，主要借助錨桿索或U 型棚支護+注漿加固。通過分析回風大巷地質條件以及相應的支護方式，在對巷道圍巖進行支護的過程中，應以“內外承載結構、耦合支護技術”為原則。

由于回風大巷處于應力集中的位置，因此導致巷道頂板圍巖層節理裂隙較為發育。當圍巖處于采掘動壓作用下，往往產生比較嚴重的破碎區以及塑性區，因此將會導致巷道表面圍巖出現不穩定的情況，從而導致圍巖中存在的應力峰值將朝著圍巖表面區域發展，進而導致圍巖出現較長時間的變形。當巷道圍巖在原有支護的作用下，其產生較大的變形量由兩個方面的原因所致：其一為高應力與巖層傾角；其二為巷道圍巖遇水后出現軟化現象，從而大大降低了圍巖的穩定性。

通過分析大量的巷道圍巖控制的研究成果可以看出，通常巷道圍巖有內部承載結構和外部承載結構兩種結構形式，圖2 表示巷道內外承載結構力學模型。其中，R0表示相應的巷道的半徑；Rs表示相應的圍巖破碎區的外半徑；Rb0表示相應的外承載結構的外半徑；RP表示相應的塑性區的外半徑；Rbi表示相應的外承載結構的內半徑。

圖2 內外承載結構力學模型示意圖

在對巷道圍巖進行控制的過程中，若選用內外承載結構的耦合支護形式，那么并不能只將幾個支護結構進行簡單地疊加。在實際支護過程中，必須將各個支護結構的支護能力發揮到最大作用，從而實現圍巖與支護結構的耦合。其中內外承載結構耦合支護具有如下幾個方面的特點：

1）強度耦合。通過分析東西回風巷圍巖特點，由于圍巖比較松軟，并且圍巖處于應力集中的位置，從而導致圍巖在整體上存在的較大的變形量。因此在實施支護的過程中，必須將圍巖的變形量釋放，這樣才可以達到支護體與圍巖體之間的協調變形的效果。

2）剛度耦合。經過分析發現，煤層頂板與巖層都呈現出一定的角度，而相應的圍巖變形破壞主要是由于受采動影響，圍巖呈現出了非勻稱變形特征。由此可以看出，在進行支護設計的過程中，必須保證圍巖剛度與支護剛度之間的耦合性，這樣才可以保證圍巖表現出一定的柔度，從而可以為巷道支護提供一定的變形空間，同時可避免出現圍巖能量集聚的現象。

3）結構耦合。對回風大巷圍巖變形情況進行分析可以看出，內外承載結構耦合支護主要表現為不連續性以及非均勻性兩種特征。在實施支護設計時，可通過進行非均勻設計以達到非均勻局部強度耦合支護，從而實現限制結構面不連續變形。

3 支護結構優化方案

3.1 支護優化方案

基于當前支護形式下的圍巖支護，再結合回風大巷變形的原因以及所采用的內外承載結構耦合支護技術，可以確定巷道圍巖支護優化方案。因此巷道初次支護選用錨桿、梯子梁、金屬網、噴漿支護方式，第二次支護選用全斷面錨索、局部強度、注漿的形式。相應的巷道支護方案施工步驟如圖3 所示。

圖3 巷道支護方案施工步驟圖

鑒于上述圍巖支護原則，并充分結合內外承載結構耦合支護原則，針對巷道支護進行相應的優化設計。

3.2 錨網索支護參數優化

巷道支護優化設計后，將巷道全斷面錨桿替換成為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其參數為Φ22 mm ×2 200 mm，對應的間排距參數為700 mm、700 mm。對于所選取的鋼筋梯子梁而言，選用Φ12 mm 圓鋼進行焊接，金屬網參數為1 000 mm×800 mm。巷道底板錨桿與相應的頂部錨桿設置相同，底部錨桿之間的間排距為1 200 mm、700 mm。巷道改進后的錨網索支護布置如圖4 所示。

圖4 支護優化后錨網索支護斷面圖（mm）

3.3 注漿支護優化

在對巷道進行注漿處理時，選用深淺孔注漿耦合支護的形式。其中，將淺部注漿孔參數設定為Φ42 mm×2 000 mm。對于巷道頂拱間的排距而言，其參數設定為2 000 mm×1 500 mm，而對應的兩幫的間排距參數設定為1 200 mm、1 200 mm。對于巷道底部布局而言，設定3 個淺部注漿孔，對應的底板注漿孔間距設定為1 200 mm×1 200 mm。下頁圖5-1為相應的淺部注漿孔布置圖。對于深部注漿孔而言，其參數設定為Φ42 mm×5 000 mm，而對應的頂拱間排距設定為1 500 mm、2 000 mm，底板深部注漿孔間排距參數設定為2 000 mm、1 500 mm，并且在兩幫上分別設置1 個深部注漿孔，排距為1 200 mm。圖5-2為深部注漿孔布置圖。

圖5 注漿鉆孔布置形式示意圖（mm）

4 效果分析

在對回風大巷支護進行優化后，與傳統支護方案進行比較,通過對圍巖變形量進行觀察，得到了如圖6 所示的圍巖變形曲線圖。

圖6 支護方案優化前后圍巖變形曲線圖

從圖6 中可以看出，巷道在傳統支護下圍巖變形量呈現了一定的增大趨勢，并且隨著時間的增加而增加，因此看出圍巖處于不穩定的狀態。進行支護優化后，圍巖變形量隨著巷道掘進時間的不斷增加，相應的圍巖頂底板以及相應的兩幫變形率呈現出逐漸下降的趨勢，其頂底板以及相應的兩幫變形量為42 mm、28 mm，由此可以看出該方案有助于圍巖的穩定。