城郊煤礦深部巖巷全斷面支護技術實踐

楊長瑞

（河南省正龍煤業有限公司 城郊煤礦，河南 永城 476600）

1 工程背景

1.1 巷道位置

城郊煤礦二水平南翼軌道大巷為二水平行人、運料以及工作面進風的通道。巷道設計長度1 596 m，施工坡度為3‰，設計服務年限為20 a。巷道斷面為直墻半圓拱斷面，規格尺寸為5.0 m×4.0 m（寬×巷中高），墻高1.6 m。巷道位于二2 煤頂板中，層位如圖1 所示。

圖1 二水平南翼軌道大巷層位圖Fig.1 Layer of track roadway in the second horizontal south wing

1.2 巷道變形特征

二水平的埋深已經超過800 m，初始采用的是錨噴支護方式。現場調研發現，南翼軌道大巷的變形嚴重，底臌量大，頂板噴漿層多處開裂，鋼筋網拉斷扭曲，斷面收縮明顯，局部地區變形量超過1 200 mm，維修周期僅為1 a。巷道斷面收縮情況如圖2 所示。

圖2 巷道斷面變形素描Fig.2 Roadway section deformation sketch

二水平南翼軌道大巷變形特點主要如下。

（1） 水文地質條件復雜。

巷道掘進過程中頂板及兩幫均有淋水現象，并且持續時間較長。在長期水環境的侵蝕下，圍巖強度大大減少，并且錨桿索等支護體也被腐蝕，影響了支護強度。

（2） 巷道層位巖性較差。

二水平南翼軌道大巷主要位于二2 煤頂板的砂質泥巖中，圍巖力學性質實驗測定結果表明，砂質泥巖的抗壓強度為42 MPa，抗拉強度為0.76 MPa，強度低，抵抗變形能力差。

（3） 支護設計存在一定問題。

原支護設計中對巷道底板缺少支護，導致巷道底鼓嚴重，同時巷道表面采用簡單的水泥漿封閉，一次成形，厚度小，導致后期在水的影響下開裂掉皮。

2 深部巖巷控制及支護參數計算

對于深部巷道，采用常規的錨網索支護難以取得理想的支護效果[1-3]，在加強支護的基礎上，強化圍巖本身的強度以及加強關鍵部位支護是減小巷道變形的有效途徑[4-8]。

2.1 深部巖巷控制

2.1.1 圍巖強度強化

研究表明，在巖體中施工錨桿索可以顯著提高巖體的承載能力。巷道開掘后，原巖應力重新分布導致表面應力集中，圍巖出現塑性破壞。錨桿支護可提高破碎圍巖的極限強度和殘余強度，提高其抗變形能力。并且在一定范圍內，其支護強度與圍巖變形呈現顯著的負指數關系。隨著支護強度的增加，圍巖變形大大減少，如圖3 所示。

圖3 支護阻力與圍巖變形關系Fig.3 Relationship between support resistance and surrounding rock deformation

2.1.2 關鍵部位補強

由于巷道底鼓可以通過臥底的方式解決，因此我國巷道設計中對頂板及兩幫支護較多，底板支護較少甚至無支護。缺少底板支護，整個支護體沒有形成一個完整的承載結構，底板尤其是底板與兩幫交接處為支護薄弱地帶，變形最為嚴重[9-10]。因此，對于大巷等永久巷道，應在加強頂板及兩幫支護的基礎上重點對底板進行加固，保證巷道穩定，減少維修。

2.2 支護參數計算

2.2.1 錨桿參數

（1） 錨桿長度計算。

錨桿長度Lg通常按下式計算：

式中：L1為錨桿末端外露長度，m；L2為錨桿有效長度，m；L3為錨桿錨固段長度，m。

將相關數據代入公式，計算得到錨桿長度不小于2.6 m。

（2） 錨桿桿體直徑。

根據桿體承載力與錨固力等強度原則確定錨桿直徑dg，一般按下式計算：

式中：σ 為錨固力，kN；σt為桿體材料抗拉強度，MPa。

代入計算可得，桿體直徑為20.6 mm。

（3） 錨桿間距、排距。

錨桿間排距a按照下式計算：

式中：a為錨桿間排距，m；Q為錨桿設計錨固力，kN/根；H為自然平衡拱高度，m；γ 為被懸吊巖石的重力密度，kN/m3；K為安全系數。

代入計算可得，間排距為760 mm。

2.2.2 錨索參數

（1） 錨索鋼絞線長度計算。

鋼絞線長度Ls按照下式計算：

式中：La為鋼絞線的自由段長度，m；Lb為鋼絞線的錨固長度，m。

代入計算可得，錨索長度為6 970 mm，取7 300 mm。

（2） 鋼絞線的直徑計算。

鋼絞線的直徑ds按下式計算：

式中：Nt為鋼絞線軸向拉力設計值，kN；fptk為鋼絞線抗拉強度標準值，N/mm2；k為鋼絞線界面設計安全系數。

代入計算可得， 直徑為17.06 mm， 取18.9 mm。

3 現場應用

3.1 支護方案

綜合分析的基礎上，二水平南翼軌道大巷確定采用錨網索全斷面支護方式。

3.1.1 巷道頂板及兩幫

巷道頂板及兩幫支護如圖4 所示。

圖4 巷道頂板及兩幫支護方案Fig.4 Support scheme of roadway roof and two sides

（1） 初噴。

巷道成型后，首先對進行敲幫問頂，及時噴漿將巷道進行簡單密閉，噴漿層厚度不少于30 mm。

（2） 打錨桿上網。

從巷道正中間向巷道兩側依次施工錨桿。錨桿直徑為22 mm，長度為2 800 mm，間排距均為700 mm，所有錨桿垂直巷道表面，巷道兩幫最下位兩根錨桿向底板方向傾斜10°。每根錨桿配2 卷Z2360 樹脂藥卷錨固，錨固力不低于180 kN。錨桿托盤規格為200 mm×200 mm×10 mm（長×寬×厚）。所有鋼筋網為直徑6.5 mm 的鋼筋制作，網口規格為70 mm×70 mm，每片鋼筋網的尺寸為1 000 mm×2 000 mm，網片搭接不得小于200 mm。

（3） 施工頂錨索。

巷道頂錨索為φ18.9 mm 的預應力鋼絞線制作，長度為7 300 mm，間排距為1 700 mm×1 400 mm，每排布置3 根，均垂直巷道表面。每根頂錨索配3 卷Z2360 和2 卷K2335 樹脂藥卷錨固，設計錨固力不低于250 kN。頂錨索托盤為2 個，尺寸分為400 mm×400 mm×12 mm（長×寬×厚）和200 mm×200 mm×10 mm（長×寬×厚），大托盤在里，小托盤在外。

（4） 施工幫錨索。

巷道兩幫分別采用2 根錨索加固。錨索規格為18.9 mm×5 300 mm，間排距均為1 400 mm，2 根錨桿分別向上和向下傾斜15°布置。每根頂錨索配2 卷Z2360 和2 卷K2335 樹脂藥卷錨固，設計錨固力不低于250 kN。幫錨索配400 mm×400 mm×12 mm（長×寬×厚） 的大托盤。

（5） 復噴。

幫錨索施工完畢后，對錨桿和錨索施工質量進行檢查。確認合格后對巷道表面進行復噴，厚度不小于50 mm。

（6） 第三次噴漿。

復噴結束后，滯后70 m，對巷道進行第三次噴漿，厚度不小于70 mm。

3 次噴漿材料中均加入聚丙烯纖維，摻入量為0.5 kg/m3。漿液攪拌時應先將聚丙烯纖維、水泥等干料混合均勻，然后加入到噴漿機中，保證噴漿效果。

3.1.2 巷道底板支護

巷道底板采用反底拱和底板錨索注漿聯合加固的方式，如圖5 所示。

圖5 巷道底板加固Fig.5 Roadway floor reinforcement

（1） 反底拱。

在巷道底板位置，施工弧形卸壓槽作為反底拱，半徑為9 000 mm，巷道正中間最大深度為1 000 mm。反底拱施工完畢后，利用混凝土材料進行回填。

（2） 注漿錨索。

在底板施工注漿錨索，規格為φ18.9 mm×5 300 mm，間排距為1 000 mm×1 400 mm，中間1根布置在巷道正中間位置，垂直巷道底板，兩側的2 根向外傾斜15°。注漿材料為525 的硫鋁酸鹽快硬水泥漿液，水灰比為0.9∶1，注漿壓力為6 MPa。注漿結束后安裝鎖具對錨索進行張拉，拉力不得小于120 kN。

3.2 變形觀測

在二水平南翼軌道大巷掘進過程中設置測站對巷道表面位移進行觀測，共設置7 個測站，從巷道900 m 處開始，50 m 設置1 個，采用“十字布點法”對巷道頂底板及兩幫變形量進行記錄，其中7號測點的巷道變形量最大，其觀測結果如圖6所示。

圖6 7 號測點巷道變形觀測結果Fig.6 Observation results of roadway deformation at No.7 measuring point

由圖6 可以看出，巷道掘進后，巷道變形緩慢，持續時間長，但變形總量小，頂板下沉量為23 mm，兩幫的最大收斂量為58 mm，底臌量為45 mm，對生產無影響。巷道支護效果如圖7 所示。

圖7 二水平南翼軌道大巷支護效果Fig.7 The support effect of the second horizontal south wing track roadway

4 結 論

（1） 二水平南翼軌道大巷位于二2 煤頂板的砂質泥巖中，強度低，且頂板有淋水，造成巷道變形嚴重，底臌量大，噴層多處開裂，鋼筋網拉斷扭曲，反復維修成本高。

（2） 圍巖強度強化和關鍵部位補強是深部巖巷控制的有效措施，通過注漿可以顯著提高圍巖的承載能力以及支護體的完整性，是深部巷道支護的有效措施。

（3） 通過采用全斷面巷道支護以及底板錨索注漿和反底拱措施，400 d 的觀測周期內，軌道大巷的變形量小，無需維修，降低了生產成本。