秦慶舉，曹 飛

(皖北煤電集團(tuán)公司祁東煤礦，安徽宿州234000)

隨著祁東煤礦開采深度的增加，目前已開采至南部采區(qū)，水平標(biāo)高－650m。在埋深大、地壓強(qiáng)、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖性差的南部采區(qū)，巷道施工與支護(hù)越來越困難，單一的支護(hù)方式不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，已施工巷道屢遭破壞，需要反復(fù)維修，消耗了大量的人力、物力，南部采區(qū)軟巖巷道支護(hù)問題成為亟待解決的技術(shù)難題。

1 工程概況

祁東煤礦南部采區(qū)巖石巷道集中，包括南一(61－71)采區(qū)回風(fēng)上山、南一 (61－71)采區(qū)軌道上山、南部采區(qū)集中運(yùn)輸巷、－650m輔助水平水倉等開拓、準(zhǔn)備巷道。巷道大多處于6煤組影響范圍，揭、過煤次數(shù)較多;圍巖以深灰色、含植物化石的泥巖及灰色、塊狀、水平層理的粉砂巖為主，部分地段為節(jié)理性發(fā)育的細(xì)砂巖。根據(jù)資料:泥巖堅(jiān)固性系數(shù)為0.9～3.0之間;粉砂巖堅(jiān)固性系數(shù)在4.3～5.5之間。南部采區(qū)巷道原有支護(hù)方案為:當(dāng)頂板完整時(shí)，采用錨網(wǎng)噴支護(hù) (頂板壓力大時(shí)，采用錨索加固頂板)，半圓拱斷面，幫頂錨桿均采用φ20mm，長2.4m的左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為700mm×700mm;當(dāng)頂板破碎，錨網(wǎng)噴支護(hù)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求時(shí)，采用U29型棚支護(hù)，棚距700mm。

2 原支護(hù)存在的問題

2.1 支護(hù)方式不合理

首先，對(duì)于南部采區(qū)軟巖巷道，未對(duì)巷道變形特點(diǎn)及圍巖巖性進(jìn)行綜合分析，直接采用單一的支護(hù)方式 (錨網(wǎng)噴或U29型棚)，這是導(dǎo)致支護(hù)失效最為根本的原因;其次，錨桿端錨范圍內(nèi)圍巖破裂導(dǎo)致錨固力下降［1］，從而支護(hù)失效;第三，錨網(wǎng)噴支護(hù)體系中，錨桿、錨索單獨(dú)作用，未形成承載整體;第四，巷道兩肩窩處等首先開裂的關(guān)鍵部位失穩(wěn)后沒有及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)［2］，成為巷道破壞的突破點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)。

2.2 支護(hù)材料強(qiáng)度不夠

巷道圍巖應(yīng)力較大時(shí)，錨網(wǎng)噴支護(hù)巷道出現(xiàn)大量錨桿托盤變形或擠入碎脹的圍巖中，網(wǎng)片焊接處被拉開，φ17.8mm的錨索被拉斷等現(xiàn)象;U29型棚支護(hù)巷道棚梁成尖桃形破壞、棚腿折彎變形，上述現(xiàn)象表明支護(hù)材料強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)要求。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)管理不到位

由于施工工藝的限制，施工時(shí)不能做到全斷面一次成巷，支護(hù)時(shí)先支護(hù)拱基線以上部分巷道，拱基線下巷道長時(shí)間裸露在空氣中，引起風(fēng)化，導(dǎo)致碎脹。在爆破掘進(jìn)時(shí)，少打眼，多裝藥現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，造成爆破時(shí)沖擊波未將矸石拋出反而加大巷道圍巖破壞，為后期支護(hù)帶來不便。噴漿時(shí)漿料未按設(shè)計(jì)比例拌勻，噴漿后不灑水養(yǎng)護(hù)，造成漿皮粘結(jié)強(qiáng)度不夠，巷道一旦來壓則大面積開裂、脫落。

3 針對(duì)原支護(hù)失效的解決方案

3.1 優(yōu)化支護(hù)方式，構(gòu)建多重支護(hù)體系

對(duì)巷道變形特點(diǎn)及圍巖巖性進(jìn)行綜合分析后，針對(duì)壓力不同巷道采取不同措施。

對(duì)較高應(yīng)力圍巖巷道，采用錨網(wǎng)噴+注漿，U型棚外扎網(wǎng)、噴漿或U型棚+錨索等復(fù)合支護(hù)，其作用機(jī)理為:注漿可提高圍巖支撐圈的強(qiáng)度與自支撐力，對(duì)錨噴巷道則使普通端部錨固變?yōu)槿L錨固，使錨桿與圍巖形成整體，充分發(fā)揮錨桿錨固作用;對(duì)可伸縮性支架則對(duì)架后空間進(jìn)行充填，使支架沿周邊承受均布載荷;噴漿可以封閉圍巖，減少圍巖的膨脹與風(fēng)化;主動(dòng)支護(hù)錨索和被動(dòng)支護(hù)U型棚同時(shí)承載巷道圍巖壓力，有效避免單一支護(hù)的弊端。

對(duì)高應(yīng)力圍巖巷道，采用二次聯(lián)合支護(hù)，初次支護(hù)采用錨網(wǎng)噴索支護(hù)，二次支護(hù)采用套U36型棚、噴漿、注漿進(jìn)行聯(lián)合加固，其作用機(jī)理主要有:高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索可改變軟弱圍巖的承載能力，配合“錨、噴、網(wǎng)”形成噴網(wǎng)組合拱，具有很高的支護(hù)阻力和剛度［3］;采用錨網(wǎng)索支護(hù)與注漿加固的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，特別是長短管組合注漿工藝，能有效地控制圍巖變形，提高圍巖的穩(wěn)定性［4］;錨注聯(lián)合加固支護(hù)技術(shù)把碎巖由載荷變?yōu)槌休d體，有效地改善了軟弱圍巖性能［5］。另外，松軟巖層錨噴支護(hù)要及時(shí)處理底板［6］，巷道兩幫的底角錨桿或錨索下扎一定角度，以轉(zhuǎn)移應(yīng)力防止底鼓。

3.2 優(yōu)化支護(hù)材料，構(gòu)建承載整體結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力錨索由φ17.8mm更改為φ21.6mm，可伸縮性金屬棚由U29型棚更改為U36型棚，以更好地支撐圍巖壓力。錨桿托盤由板式托盤更改為蝶形托盤，長×寬由140mm×140mm改為200mm×200mm，進(jìn)一步增大錨桿托盤的支撐面積。鋼筋網(wǎng)由受力筋和分布筋組成，受力筋主要用來承受由荷載引起的拉應(yīng)力，應(yīng)適當(dāng)加粗，用φ10mm圓鋼;分布筋用來固定受力鋼筋的位置，將荷載分散到受力筋上，用φ6mm圓鋼;網(wǎng)格約150mm×150mm;焊接牢固。

當(dāng)鋼筋網(wǎng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求時(shí)，采用鋼筋梯子梁配合錨桿，KTM3鋼帶梁配合錨索對(duì)巷道進(jìn)行加固支護(hù)，如圖1。

圖1 巷道加固結(jié)構(gòu)

當(dāng)圍巖變形時(shí)，錨索、鋼帶梁、錨桿、梯子梁、金屬網(wǎng)共同作用，在圍巖表面形成一個(gè)三維支護(hù)體系，與圍巖共同組成一個(gè)整體承載結(jié)構(gòu)，使圍巖提早達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

3.3 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)工程管理

結(jié)合20世紀(jì)70年代末傳入我國的“新的奧地利隧道施工法”的精華［7］，同時(shí)從祁東煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況出發(fā)，在現(xiàn)場(chǎng)工程管理方面有以下要求:

(1)強(qiáng)化光面爆破管理 在松軟巖石中采用鉆爆法，掘進(jìn)時(shí)采用光面爆破，以防止圍巖遭到破壞。巷道周邊多打眼，少裝藥，要達(dá)到爆破基本成型，然后按設(shè)計(jì)輪廓用風(fēng)鎬和手稿對(duì)巷道進(jìn)行規(guī)整，做到頂幫平直以消除因巖面不平而引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免過大的集中應(yīng)力造成圍巖破壞。

(2)推行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化管理 南部采區(qū)條件差，壓力大，應(yīng)牢固樹立質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化意識(shí)。要求全斷面一次成巷，巷道掘出后及時(shí)初噴，以實(shí)行密貼支護(hù)，減少圍巖在空氣中暴露的時(shí)間，防止因水和風(fēng)化作用造成圍巖剝落和破壞;加強(qiáng)網(wǎng)片連接，特別是兩肩窩處網(wǎng)片;噴漿前嚴(yán)格按照噴配比和水灰比將漿料拌勻;噴漿后嚴(yán)格對(duì)噴層進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。對(duì)當(dāng)班施工的錨桿進(jìn)行自檢，并將工程質(zhì)量納入考核范疇等。巷道掘進(jìn)過程中，加強(qiáng)對(duì)后路的巡查工作，及時(shí)對(duì)兩肩窩等首先開裂的關(guān)鍵部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以保證支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖力學(xué)特性匹配。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

(1)94采區(qū)61煤底板運(yùn)輸上山 (下段) 巷道斷面為半圓拱形，凈寬×凈高為3.8m×3.3m，全長約400m，分段按7°，11°，15°上山施工，巷道處于63煤層位，巷頂距63煤底板薄煤層法距0.5～2.0m，63煤底板薄煤層上距63煤法距約2.0～4.5m，施工范圍內(nèi)主要巖性為泥巖，灰色，薄片狀，質(zhì)軟，較破碎。

由于巷道靠近6煤組施工，施工過程中反復(fù)揭露63煤底板薄煤層及63煤，頂板以完整性差的泥巖 (堅(jiān)固性系數(shù)為1.7～3.8)為主，設(shè)計(jì)支護(hù)方式為U29型棚支護(hù)。支護(hù)失效后采用φ17.8mm、長7.5m的錨索對(duì)巷道加固，錨索間排距為1.4m×1.4m，1排5根，正頂1根，兩肩窩各1根，兩幫距拉桿100mm上方各1根;頂部錨索托盤長500mm，垂直巷道方向布置;為防止棚腿出現(xiàn)折彎變形，幫部錨索托盤長1.0m，平行巷道方向布置，錨索打在棚檔正中且托盤卡住前后兩個(gè)棚腿;為避免水泥背板被壓碎，將水泥背板更改為鐵背板。

經(jīng)過半年時(shí)間對(duì)現(xiàn)場(chǎng)表面位移測(cè)量，未采用錨索加固段巷道底鼓、脹幫嚴(yán)重，底鼓量平均600mm，兩幫棚腿變形嚴(yán)重，局部折彎，棚梁向上彎曲，呈現(xiàn)尖桃形破壞;采用錨索加固段，基本沒有底鼓現(xiàn)象，但幫部錨索托盤未護(hù)住棚腿段巷道，棚腿距離幫部圍巖有一定空隙，沒有承載幫部圍巖壓力，只有主動(dòng)支護(hù)錨索承載，從而出現(xiàn)錨索被拉斷的現(xiàn)象;幫部錨索托盤護(hù)住棚腿段巷道，棚腿緊貼幫部圍巖，與錨索形成整體，一起承載幫部壓力，但由于錨索托盤長度較長，出現(xiàn)從錨索孔處折彎變形的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步加強(qiáng)錨索托盤強(qiáng)度。

(2)南一 (61－71)采區(qū)軌道上山 (中段)

巷道斷面為半圓拱形，凈寬×凈高為4.6m×3.9m，全長約900m，按16°上山施工，施工范圍內(nèi)主要巖性為粉砂巖，灰色，塊狀，水平層理;泥巖，深灰色，含植物化石。

由于巷道頂板以較中等完整的粉砂巖 (堅(jiān)固性系數(shù)在4.3～5.5之間)為主，設(shè)計(jì)支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴索支護(hù)。一段時(shí)間后，巷道幫頂位移變形明顯、噴層開裂破壞嚴(yán)重，于是采用鋼筋梯子梁配合錨桿，KTM3鋼帶梁配合錨索對(duì)巷道進(jìn)行加固。鋼筋梯子梁采用φ12mm鋼筋焊接而成，眼孔間距為700mm，垂直巷道布置。施工時(shí)拱基線以上使用1根長度為6.0m的梯子梁，拱基線以下使用2根長度為2.3m的梯子梁，兩端眼孔壓茬搭接形成整體。KTM3鋼帶梁與錨索托盤平行巷道布置，鋼帶梁兩端眼孔壓茬搭接形成整體。經(jīng)過一段時(shí)間的應(yīng)用，巷道基本沒有出現(xiàn)變形、漿皮開裂等現(xiàn)象，加固效果明顯。

(3) －650m輔助水平水倉 (外倉) 巷道斷面為半圓拱形，全長約310m，主要巖性為泥巖，深灰色，性脆，塊狀，含粉砂質(zhì);粉砂巖，灰色，薄層狀，層理清晰，層間夾有少許泥巖條帶;63煤，黑色，粉末狀，厚0～400mm。

由于巷道處于63煤層位，揭、過63煤距離較長，過煤后巷頂距63煤底板≤7.0m，頂板以中等完整的泥巖 (堅(jiān)固性系數(shù)為2.0～3.0)為主，加上該巷道需要滿足南部采區(qū)后期儲(chǔ)水需要，服務(wù)年限較長，設(shè)計(jì)支護(hù)方式采用二次支護(hù)。

初次支護(hù)采用錨網(wǎng)噴索支護(hù)，凈寬×凈高為4.2m×3.2m，頂部采用鋼筋梯子梁配合7根錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索 φ17.8mm，長7.5m，間排距為700mm×700mm;錨索托盤為2塊采用16mm厚鋼板加工的蝶形托盤疊加，長×寬為300mm×200mm、140mm×140mm;鋼筋梯子梁長6.0m;鋼筋梯子梁、錨索托盤垂直巷道中線布置。兩幫采用6根錨桿配合鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯梁支護(hù)，錨桿φ20mm、長2.4m;鋼筋梯子梁長1.8m，頂幫鋼筋梯子梁壓茬搭接成整體。

二次支護(hù)采用套U36型棚+錨索+噴漿+注漿進(jìn)行聯(lián)合加固，U型棚規(guī)格為3.8mm×2.9m，棚距為700mm，套棚滯后迎頭不大于20m。套棚后外扎網(wǎng)片，打錨索、注漿錨桿，經(jīng)驗(yàn)收后再對(duì)巷道進(jìn)行噴漿 (噴厚以覆蓋外扎網(wǎng)片為宜)，兩幫共施工4根錨索并配合KTM3鋼帶梁使用，錨索φ17.8mm，長5.5m，KTM3鋼帶梁長3.0m;錨索托盤采用11號(hào)工字鋼加工而成，長1.0m。施工時(shí)錨索打在幫部上下相臨兩個(gè)錨桿正中，間排距為700mm×1400mm，兩幫底角錨索下扎15°，KTM3鋼帶梁、錨索托盤平行巷道布置，卡住前后兩個(gè)棚腿，并用球形鎖具進(jìn)行漲緊;噴漿緊跟耙矸機(jī)。－650m輔助水平水倉支護(hù)圖見圖2。

圖2 －650m輔助水平水倉支護(hù)

注漿錨桿為空心有孔錨桿，φ22mm，長2.0m，端頭開孔1.0m;長4.0m，端頭開孔3.0m，間排距為1.0m×2.1m，一排9根;施工時(shí)長、短兩種注漿錨桿交替布置，底角錨桿下扎角度為15°。注漿采用水泥單液漿，標(biāo)號(hào)不低于P.O 32.5普通硅酸鹽水泥。注漿滯后噴漿不大于20m。注漿加固如圖3所示。

圖3 －650m輔助水平水倉注漿加固

5 結(jié)論

根據(jù)巷道變形破壞特點(diǎn)和圍巖條件，從支護(hù)作用機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)支護(hù)方式重新組合、參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，形成了適合本礦巷道支護(hù)需求的支護(hù)方案。對(duì)圍巖應(yīng)力較大巷道，在基本支護(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行噴漿、打錨索或注漿等補(bǔ)強(qiáng)加固，可有效地控制巷道圍巖變形，支護(hù)效果較理想。對(duì)高應(yīng)力圍巖巷道，在鋼帶梁配合錨索、錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用錨索配合U36型棚進(jìn)行二次加固后，采用長短管組合注漿構(gòu)建疊加支護(hù)體系，現(xiàn)正在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐階段，具體實(shí)施效果及參數(shù)優(yōu)化還有待跟進(jìn)研究。

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