雙網支護技術在煤礦巷道支護中的應用研究

姜 慧

（山西省太原市萬柏林區西山高級技工學校， 山西 太原 030053）

引言

煤礦開采過程中，采煤巷道的安全穩定對煤礦開采意義重大。傳統的支護方法主要是利用錨桿對采煤巷道圍巖進行加固形成完整連續的加固帶，從而提高采煤巷道周圍煤巖體的穩定性，或者采用金屬支架約束巷道周圍煤巖體的變形，減少巷道失穩風險，提高巷道穩定性。用錨桿加固巷道圍巖的工藝復雜，對松散破碎的巖體適應性差；用金屬支架加固巷道圍巖的方法，本質上是利用鋼架自身的支撐力約束巷道周圍煤巖體的變形。雙網支護技術利用錨桿和兩層鋼筋混凝土對巷道圍巖進行支護，在采煤巷道周圍應力重平衡后，將錨桿植入巷道圍巖，錨桿入土深度根據巷道所處位置的水土壓力確定，隨著巷道埋深增大、巷道所處位置水文地質條件的變化，適當增大錨桿的入土深度后將鋼筋網片使用鉚釘固定在圍巖上，固定牢固，分別在第一層和第二層煤巖體上噴涂不同厚度的混凝土，約束巷道內松散圍巖的破碎變形[1-3]。雙網支護技術廣泛地適用于粉土、黏土等地質條件，在增大巷道周圍煤巖體受力整體性的同時，對松散破碎的粉土具有很強的約束作用，可以明顯地改善巷道周圍煤巖體的受力環境，避免因頂板掉落巖石或側壁片幫導致應力集中，極大地提高了采煤巷道的穩定性和安全性。

1 雙網支護技術的作用機理

雙網支護技術利用錨桿、鋼筋混凝土結構，從內部增強巷道圍巖的應力強度，從外部約束圍巖的破碎變形，形成內外結合的兩道支護結構。其中，沿巷道植入錨桿的作用是從內部增強巷道圍巖的應力結構，同時改善鋼筋混凝土結構的受力環境。利用錨桿沿巷道周長在巷道附近的煤巖體內形成一道完整穩定殼體結構，對抗巷道所處位置的水土壓力；在巷道內，將鋼筋網片使用鉚釘固定在圍巖上，固定牢固后噴射混凝土，形成第二道支護結構，防止因頂板掉落巖石或側壁片幫導致應力集中，提高采煤巷道煤巖體的整體穩定性和安全性。拱形采煤巷道截面上雙網支護技術簡圖如圖1 所示。

圖1 拱形采煤巷道截面上雙網支護的作用簡圖

如圖1 所示，采煤巷道開挖導致巷道周圍應力重新分布，待采煤巷道周圍煤巖體受力達到新的平衡、巷道斷面穩定、拱頂松散煤巖體處理后，沿巷道周長植入長度適當的錨桿，在巷道幫部，考慮水土壓力下壓作用，錨桿成一定角度斜向上方植入側幫，在巷道拱頂，沿弧形拱頂半徑方向植入錨桿。單獨的一根錨桿ab 植入煤巖體后形成一個近似菱形的加固區，在合適的錨桿間距控制下，相鄰的數個錨桿的菱形作用區部分重疊，形成完整的殼型加固帶，在巷道截面上形成穩定加固帶，如圖1 所示。圖1 中相鄰錨桿的菱形加固帶部分重疊形成穩定的條帶型加固帶AB（圖1 中陰影部分），H 為采煤巷道受到的上覆巖層的水土壓力，錨桿的入土深度根據巷道所處位置的巖層性質、巷道埋深、斷面大小、采煤巷道所處位置的水土壓力、水文地質條件等參數確定。圖1 中CD 為第一層鋼筋網片加固區，EF 為第二層鋼筋網片加固區，將第一層鋼筋網片使用鉚釘固定在圍巖上，固定牢固，然后噴射一定厚度的混凝土，待第一層噴射混凝土終凝后，架設第二層鋼筋網，噴射一定厚度的混凝土，待混凝土終凝后尋找漏水點并進行堵漏。第一層鋼筋混凝土主要用來防止菱形加固區外采煤巷道方向煤巖體的破碎脫落，維持采煤巷道周圍煤巖體的穩定。當采煤巷道某處頂板或側幫的煤巖塊從圍巖上脫落時，第一層鋼筋混凝土在約束巷道變形的同時，可以通過自身的破斷變形吸收一部分煤巖體變形，避免應力和應變直接作用在第二層鋼筋混凝土上，起一定的緩沖作用，提高支護結構的可靠性；第二層鋼筋混凝土的剛度和強度應大于第一層鋼筋混凝土，作用方向從巷道指向煤巖體內部，與水土壓力作用方向相反，起支撐第一層鋼筋混凝土的作用，約束第一層鋼筋混凝土的變形，因此，通常情況下第一層鋼筋混凝土的厚度小于第二層鋼筋混凝土的厚度。單獨的一個錨桿形成的加固區是菱形的，通過設置適當的錨桿間距，相鄰錨桿的菱形加固區會部分重疊形成穩定連續的殼體結構，增強巷道周圍煤巖體的承壓能力，但是在菱形加固區重疊部分之外靠近巷道方向存在一塊近似三角形的區域，錨桿的菱形加固區無法覆蓋，在上覆巖層水土壓力或沖擊礦壓作用下，容易松散破碎，在破碎點形成應力集中，破壞殼體加固區域完整性和穩定性，形成錨桿支護的的薄弱環節，傳統的支護方法是在錨桿的桿位固定一塊托盤，約束錨桿菱形加固區外的煤巖體變形，這種方法可以在一定程度上維持殼體結構的完整性，但不能從根本上消除巷道周圍煤巖體松散破碎的現象，錨桿的錨固深度和兩層鋼筋混凝土的噴射厚度與巷道所處位置的水土壓力、水文地質等情況有關，當采煤巷道所處位置水土壓力較大或巖石松散破碎時，應適當加大錨桿的入土深度，確保錨桿長度超過潛在滑裂面。水土壓力的計算分為水壓力和土壓力分別計算及水壓力和土壓力合算兩種，水土壓力合算方法不成熟，對地層的適用性存在局限性，而且不適用于黏土地質。為了采煤巷道的安全穩定，采用水壓力和土壓力分別計算的方法確定采煤巷道所處位置水土壓力，土壓力的計算如下：

式中：Pa為采煤巷道所處位置的主動土壓力，kPa；Pb為采煤巷道所處位置的被動土壓力，kPa；qi為采煤巷道上覆煤巖體的重度，kN/m3；hi為采煤巷道上覆煤巖體的厚度，m；Ka為采煤巷道所處位置的主動土壓力系數；Kb為采煤巷道所處位置的被動土壓力系數；C 為采煤巷道所處位置煤巖體的總應力抗剪強度指標。

水壓力計算公式如下：

式中：Pw為采煤巷道所處位置的靜水壓力強度，kPa；hw為采煤巷道所處位置的水頭高度，m；Yw為采煤巷道上覆含水層的水的重度，kN/m3。

從式（1）、式（2）中可以發現，采煤巷道所處位置的主動土壓力與采煤巷道上覆煤巖體的重度、厚度和采煤巷道所處位置煤巖體的總應力抗剪強度指標成正比例關系，其中采煤巷道上覆煤巖體的重度取值受地下水位的影響，在地下水位之上的巖層取天然重度，在地下水位之下的取水下重度；采煤巷道所處位置的被動土壓力與采煤巷道上覆煤巖體的重度、厚度成正比例關系。從式（3）中可以發現，采煤巷道所處位置的靜水壓力強度與采煤巷道所處位置的水頭高度及水的重度有關，在計算采煤巷道所處位置的靜水壓力強度時，應充分考慮地勢高處的含水層與采煤巷道上覆承壓水聯通的可能性，水頭高度測算時應取最大值并留有裕量，確保采煤巷道安全性。

2 雙網支護技術在煤礦中的應用

采用雙網支護技術對某礦+1 200 m 聯絡巷道進行支護設計：

1）錨桿采用20 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿沿巷道周長和巷道走向呈800 mm×800 mm 布置，在巷道幫部錨桿與兩幫成小于15°向斜上方植入錨桿，兩幫部錨桿長度2 000 mm，在巷道拱頂位置，錨桿沿弧形半徑方向植入錨桿，錨桿長度2 500 mm。

2）鋼筋網片采用6.5 mm 圓鋼加工成4 000 mm×900 mm 鋼筋網片，網孔尺寸150 mm×150 mm，沿采煤巷道掘進方向搭接布置，搭接長度不小于100 mm，第一層鋼筋混凝土主要用來防止松散破碎地質下采煤巷道周圍煤巖體的破碎脫落，起緩沖作用，設計混凝土噴射厚度5 mm，第二層鋼筋混凝土起支撐第一層鋼筋混凝土的作用，約束第一層鋼筋混凝土的變形，設計厚度15 mm，分層噴射混凝土，待下層混凝土終凝后噴射上層混凝土。待混凝土終凝后尋找漏水點并及時進行封堵，使用雷達掃描鋼筋混凝土結構，當發現背后空洞時及時進行二次注漿，使支護結構背后密實，確保其支撐作用。

在該礦+1 200 m 聯絡巷道支護運用中的結果表明，雙網支護技術比單一的錨桿支護或鋼架支護系統的可靠性更高。植入采煤巷道圍巖的錨桿有效改善了巷道圍巖的應力環境，錨桿加固區重疊形成的殼體結構極大地提高了采煤巷道的抗壓能力；采煤巷道內部的兩層鋼筋混凝土結構能保證錨桿加固區重疊形成的殼體結構的穩定性和耐久性，減少了后期的維護工作，提高了采煤巷道的安全性。雙網支護技術工藝簡單，支護效果好，能較大提高采煤巷道的安全性和穩定性，具有一定的實用價值。

3 結語

將本文設計的雙網支護技術運用于某礦+1 200 m聯絡巷道支護系統中，結果表明，雙網支護技術能充分發揮錨桿和雙層鋼筋混凝土的支護作用，提高了采煤巷道的安全性和穩定性，具有一定的實用性。