喬杰鵬

（1.河南理工大學(xué)，河南 焦作454000；2.汾西礦業(yè)集團 河?xùn)|礦，山西 靈石031302）

隨著煤礦開采深度不斷增加，生產(chǎn)條件不斷惡化，許多巷道不可避免的穿過軟巖破碎區(qū)，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖層破碎嚴(yán)重、巖體強度較低，巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的高地壓、大變形、自穩(wěn)能力差、難支護、失修嚴(yán)重等問題，且采用單一的支護形式難以滿足支護要求，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)〔1－2〕。

國內(nèi)學(xué)者對深井軟弱破碎圍巖巷道支護問題進(jìn)行了大量研究，提出了一些相關(guān)理論及針對性的支護技術(shù)，但由于巷道賦存條件和影響因素的復(fù)雜性、多變性和不確定性，巷道變形機理及支護技術(shù)不盡相同〔3－6〕?；?3采區(qū)皮帶下山埋深大、圍巖軟弱破碎的特點，分析巷道失穩(wěn)破壞的原因，提出U型鋼－錨網(wǎng)索耦合支護技術(shù)，探索與工作面實際條件相適應(yīng)的支護技術(shù)，研究成果對類似條件巷道支護具有重要意義。

1 工程條件概況

河?xùn)|礦23采區(qū)皮帶下山位于礦井東部，設(shè)計總長673 m，為永久性準(zhǔn)備巷道，主要用于23采區(qū)行人、運煤、通風(fēng)及31采區(qū)的延伸接替等，服務(wù)年限20年。巷道東為23采區(qū)末部聯(lián)絡(luò)巷，北為23采區(qū)軌道下山，南為23采區(qū)回風(fēng)下山，均已施工完畢，周圍無采掘擾動影響；地表為丘陵地帶，地面無建筑物。巷道沿二1煤層頂板布置，采深約800 m；煤層傾角15°，厚約6.46m；巷道圍巖基本以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，屬典型的深井軟弱破碎圍巖巷道。工作面地質(zhì)柱狀見圖1。

23采區(qū)皮帶下山梯形斷面，錨網(wǎng)索支護，凈寬×中高＝4800mm×3200mm。目前，23采區(qū)皮帶下山已掘進(jìn)137m，現(xiàn)巷道頂板泥巖破碎嚴(yán)重、完整度復(fù)雜多變，在完整、局部破碎、整體破碎等之間無序變化，頂板冒落0.5m左右，破碎區(qū)巷道長度約50m。巷道施工難度大，局部錨桿（索）失效損壞，采用錨網(wǎng)索支護已不能滿足支護要求，并且巷道發(fā)生過一次局部冒頂事故。因此，急需調(diào)整支護方案，最大限度維護巷道的穩(wěn)定性。

圖1 工作面地質(zhì)柱狀

2 巷道失穩(wěn)破壞原因分析

軟弱破碎圍巖變形與失穩(wěn)較為復(fù)雜，經(jīng)過理論分析和現(xiàn)場實測，影響該巷道失穩(wěn)破壞的主要因素為：

1）圍巖性質(zhì)差。圍巖性質(zhì)是影響巷道穩(wěn)定的內(nèi)在因素，23采區(qū)皮帶下山全斷面以松軟破碎的煤、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖體本身抗壓、抗拉強度低、殘余強度低、難以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，整體性不佳、承載力低、蠕變和流變特征明顯。

2）埋深大。巷道埋深800m左右，屬于深井巷道，原巖應(yīng)力達(dá)到20MPa，地應(yīng)力大，在高應(yīng)力作用下使原本松散的圍巖變得更加破碎，巷道處于極不穩(wěn)定狀態(tài)中。

3）支護體與圍巖不耦合。由于圍巖軟弱破碎，錨網(wǎng)支護強度低，護表力弱，承載能力差，無法與圍巖形成統(tǒng)一的整體；現(xiàn)場部分錨桿直接與圍巖脫落，無法起到錨固作用，且多處出現(xiàn)斷裂，支護質(zhì)量較差，各支護構(gòu)件與圍巖力學(xué)性質(zhì)不相互耦合，可見巷道初期不適用錨網(wǎng)支護。

3 軟弱破碎圍巖巷道支護技術(shù)

U型鋼支架具有高阻、可縮性和護表能力強等優(yōu)點，但有難以適應(yīng)圍巖產(chǎn)生的局部大變形問題，很大程度上受支架－圍巖相互作用關(guān)系制約〔7〕。錨桿支護作為一種巷道主動支護，具有高強度、高預(yù)緊力、較好圍巖適應(yīng)性，但對圍巖條件依賴性很高，尤其對于松散破碎圍巖巷道，錨桿護表性能不佳、錨固力不足、甚至產(chǎn)生失效破壞，難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)〔8〕。U型鋼可伸縮支架－錨網(wǎng)索聯(lián)合支護能夠?qū)崿F(xiàn)二者的優(yōu)勢互補，彌補各自的不足，使支護體系與圍巖共同構(gòu)成統(tǒng)一的承載體，確保巷道的穩(wěn)定。

1）巷內(nèi)U型鋼可縮性支架支護

初期支護既能對巷道提供一定的徑向阻力，并有一定的可縮量，對巷道進(jìn)行一定程度的卸壓。由于巷道初期無法使用錨網(wǎng)索支護，加之巷道不能空頂作業(yè)，為此巷道主體采用U36型鋼＋金屬網(wǎng)進(jìn)行支護，防止冒頂，保證人員安全。支架卡纜使用高預(yù)緊力螺母，對圍巖施加擠壓力；同時，支架與支架之間安裝高強度拉桿，使支護體系成為一個整體；此外，支架壁后鐵背板能使圍巖變形緩慢、均勻作用到支架上，實現(xiàn)均壓，提高支架承載力。

2）高強預(yù)應(yīng)力錨桿（索）加強支護

在U型鋼支架基礎(chǔ)上，對巷道實施高強預(yù)應(yīng)力錨桿（索）加強支護。通過安裝高強、高預(yù)緊力螺旋鋼錨桿，并配用高強度螺母、托盤，使圍巖處于三向受壓狀態(tài)，改善圍巖受力狀態(tài)，提高圍巖強度。加長、高預(yù)應(yīng)力錨索能夠?qū)㈠^桿支護形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部穩(wěn)定圍巖相連，提高承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，充分調(diào)動深部圍巖的承載能力，使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載，并使用高強度大托板，實現(xiàn)錨索預(yù)應(yīng)力與工作阻力的有效擴散，提高支護系統(tǒng)的整體承載力。

3）實現(xiàn)對圍巖的一次支護到位

U型鋼－錨網(wǎng)索聯(lián)合支護能夠?qū)崿F(xiàn)支護一次到位，維護巷道的穩(wěn)定性，長時間滿足其行人、運輸、通風(fēng)等功能，無需定期維修，節(jié)省了巷道支護成本，經(jīng)濟效益顯著。

4 工程實踐

針對23采區(qū)皮帶下山的具體條件，結(jié)合類似巷道的成功經(jīng)驗，巷道采用U36型鋼＋錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，有效確保圍巖的穩(wěn)定。巷道支護斷面見圖2。

圖2 巷道支護斷面

1）巷道斷面形狀為矩形，凈斷面規(guī)格：下凈寬×凈高＝5000mm×3200mm，凈斷面積13.2m2；掘進(jìn)斷面規(guī)格：掘進(jìn)寬度×高度＝5300mm×3350mm，掘進(jìn)斷面積14.8 m2。巷道采用EBZ－100型掘進(jìn)機沿煤層頂板掘進(jìn)，先架設(shè)U型鋼支架，然后打錨桿、錨索。

2）巷道采用36U型鋼支架配平鋼網(wǎng)（長×寬＝2300 mm×700mm）、白色塑料網(wǎng)（長×寬＝2300mm×700 mm）作永久支護，塑料網(wǎng)在里，平鋼網(wǎng)在外；支架由四部分組成：兩梁兩腿，支架間距600mm，柱窩深度200mm；支架梁腿、頂梁之間搭接位置采用卡纜固定，卡纜螺母扭矩300N·m，梁腿搭接長度500mm，卡纜間距250mm，每幫各采用3套卡纜，頂梁搭接長度1000mm，卡纜間距300 mm，采用4套卡纜，每棚共使用10套卡纜；相鄰支架之間采用6道拉板固定連接，頂部2套、幫部各2套；支架背后鋪設(shè)鐵背板，采用舊U29型鋼加工而成，相鄰支架之間布置9塊鐵背板；鋼網(wǎng)搭接長度100mm，采用雙股14＃鍍鋅鐵絲雙邊進(jìn)行連網(wǎng)，鐵絲扭結(jié)頭外露不超過30mm，朝向內(nèi)側(cè)。

3）U型鋼架好后采用錨桿、錨索緊跟迎頭加強支護。錨桿采用Φ20mm×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距800mm×600mm；錨桿角度垂直巷道輪廓線不小于75°，底角錨桿水平向下不大于15°，起錨高度≥300mm；托盤規(guī)格：長×寬×厚＝150mm×150mm×8mm；錨桿錨固力≥120kN，螺母預(yù)緊力矩≥150N·m，外露長度為10～40 mm；每根錨桿使用1卷CK2335和2卷Z2335樹脂錨固劑。鋼絞線錨索直徑18.9mm，長度8000mm，布置在巷中及距巷中左、右各1.5m處，間排距1500mm×1800 mm，每排3根；托盤規(guī)格：長×寬×厚＝300mm×300mm×15mm，每根錨索使用2卷CK2335和2卷Z2335樹脂錨固劑，外露長度為150～200mm，錨索張緊力≥100kN。

5 支護效果分析

為更好地檢驗巷道U型鋼－錨網(wǎng)索耦合支護的合理性和可靠性，對巷道進(jìn)行礦壓觀測，主要觀測指標(biāo)有頂?shù)装逡平?、兩幫移近量、頂板離層量、錨（索）工作阻力等，共布置兩組測點，觀測周期為90d。

1）巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰票O(jiān)測表明，頂?shù)装搴蛢蓭椭饕憩F(xiàn)為整體收斂變形，頂?shù)装遄冃伪葍蓭妥冃胃鼮槊黠@；頂?shù)装寮皟蓭鸵平恐饾u增加，變形速率逐漸降低，并慢慢趨于穩(wěn)定（50d后）；頂?shù)装逡平科骄鶠?02mm，變形速率最大為6mm／d；兩幫移近量平均為89mm，變形速率最大為2.8mm／d（見圖3）。

圖3 巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟?/p>

2）通過頂板離層儀觀察發(fā)現(xiàn)，頂板離層主要在淺部圍巖（0～3m），其最大值為5mm，深部圍巖沒有離層（3～8 m），頂板離層量較小，圍巖整體較為穩(wěn)定。

（3）從錨桿（索）測力計觀測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，錨桿測力計安裝40d內(nèi)，受力增長較慢，其最大值為30MPa，60d后基本保持穩(wěn)定；錨索測力計安裝30d內(nèi)，受力增長較快，其最大受力為45MPa，50d后趨于穩(wěn)定，因此建議后期適量增加錨索預(yù)緊力。

（4）目前該巷道圍巖破碎段已掘進(jìn)結(jié)束，巷道斷面能夠滿足要求，巷道穩(wěn)定性較好，整個支護體系的穩(wěn)定性與完整性都獲得顯著提升。

6 結(jié)語

1）軟弱破碎圍巖變形與失穩(wěn)較為復(fù)雜，影響該巷道失穩(wěn)破壞的主要因素為：圍巖性質(zhì)差，是影響巷道穩(wěn)定的內(nèi)在因素；埋深大，巷道埋深800m左右，地應(yīng)力大；支護體與圍巖不耦合，無法形成統(tǒng)一的整體。

2）U型鋼可伸縮支架－錨網(wǎng)索聯(lián)合支護能夠?qū)崿F(xiàn)二者的優(yōu)勢互補，彌補各自的不足，使支護體系與圍巖共同構(gòu)成統(tǒng)一的承載體，確保巷道的穩(wěn)定。巷道主體采用U型鋼＋金屬網(wǎng)進(jìn)行支護，防止冒頂，保證人員安全；在此基礎(chǔ)上，對巷道實施高強預(yù)應(yīng)力錨桿（索）加強支護，實現(xiàn)支護一次到位。

3）針對23采區(qū)皮帶下山的具體條件，巷道采用U36型鋼＋錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，確定合理的U36型鋼、錨桿（索）支護參數(shù)?，F(xiàn)場效果較好，維持了巷道的穩(wěn)定性，對類似條件巷道支護有借鑒作用。

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