谷恒山

（大同煤礦集團(tuán)，山西 大同 037000）

同生安平煤業(yè)一盤區(qū)運(yùn)輸巷出現(xiàn)嚴(yán)重變形失穩(wěn)情況，頂、底板及兩幫變形量分別達(dá)到1255mm 和1236mm，巷道斷面凈面積減小25%以上，已然無法滿足支護(hù)要求，嚴(yán)重影響運(yùn)輸巷的安全，有必要對(duì)運(yùn)輸巷圍巖變形量進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原支護(hù)方案下圍巖變形破壞情況的分析，提出“全斷面高強(qiáng)錨注+U 型鋼支架”聯(lián)合支護(hù)的方法進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的控制。

1 工程背景

該礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90 萬t/a，埋深223m，運(yùn)輸巷位于一盤區(qū)，該巷道服務(wù)年限較長(zhǎng)，服務(wù)于整個(gè)盤區(qū)，受臨近采動(dòng)及采空區(qū)影響十分明顯，圍巖變形較大。

巷道斷面形狀為半圓拱平頂形斷面，凈寬5000mm，凈高4500mm，原支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 原支護(hù)方案

頂、幫采用Ф22mm、2400mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，設(shè)計(jì)扭矩均為200N?m，間排距為800mm×800mm；錨索采用Ф22mm、6500mm高強(qiáng)低松弛預(yù)緊力鋼絞線及配套鎖具，間排距為1200mm×1600mm，預(yù)緊力為150kN，每排布置2根；兩幫分別平行頂板錨索布置一根錨索于兩根垂直錨桿中間。

鋼筋網(wǎng)采用Ф6.5mm 鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔尺寸為150mm×150mm，規(guī)格為2000mm×1800mm，噴漿所用混凝土強(qiáng)度為C20。

2 原支護(hù)變形規(guī)律及分析

2.1 變形規(guī)律

巷道所處層位為泥巖，直接頂為0.7~2.5m 的砂質(zhì)泥巖，基本頂為15m 厚的粉細(xì)砂巖，圍巖性質(zhì)具有遇水易膨脹變形、風(fēng)化脫落、承載能力低等特性，頂板易冒落；直接底為厚度2.8m 的砂質(zhì)泥巖，同樣遇水易膨脹，控制變形具有一定難度。圍巖力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

原支護(hù)方案下巷道變形主要表現(xiàn)為：（1）在巷道掘進(jìn)60d 后，圍巖變形量大，破壞嚴(yán)重，頂板下沉量達(dá)到581mm，底臌量為674mm，兩幫移近量達(dá)到1236mm。（2）頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，護(hù)表作用無法有效發(fā)揮。出現(xiàn)錨桿斷錨、錨具脫落等現(xiàn)象，導(dǎo)致支護(hù)構(gòu)件無法充分發(fā)揮支護(hù)作用。（3）頂板出現(xiàn)離層以及底板出現(xiàn)嚴(yán)重底臌現(xiàn)象。

2.2 變形原因分析

（1）圍巖所處應(yīng)力場(chǎng)條件復(fù)雜。受采掘交替作業(yè)影響，運(yùn)輸巷緊鄰上一工作面采空區(qū)，隨下一工作面回采的影響，采空區(qū)覆巖重新運(yùn)動(dòng)，對(duì)該巷道產(chǎn)生較大擾動(dòng)，因此該巷道在緊鄰采空區(qū)側(cè)煤柱受力明顯大于實(shí)體煤幫受力；同時(shí)由于水平應(yīng)力在該巷道兩側(cè)的不均勻性導(dǎo)致頂板受到擠壓產(chǎn)生破碎以及下沉等現(xiàn)象。因此，要保證巷道圍巖在掘進(jìn)期間的穩(wěn)定性，就需要保證支護(hù)構(gòu)件保留充分的殘余強(qiáng)度余量。

（2）巷道頂板在高水平應(yīng)力的作用下，頂板巖梁發(fā)生失穩(wěn)，并且隨埋深增加，失穩(wěn)的程度越大，在動(dòng)力擾動(dòng)作用下，發(fā)生沖擊性破壞，由于沖擊載荷通常表現(xiàn)為垂直加載的形式，因此離層現(xiàn)象不可避免。

（3）該巷道屬于典型大斷面巷道，頂板在兩幫跨度較大，頂板中間容易出現(xiàn)局部集中應(yīng)力，造成頂板彎曲下沉，形成網(wǎng)兜，嚴(yán)重時(shí)造成冒頂事故；巷道高度的增加，也為兩幫的承載性能增加了難度。因此，如果關(guān)鍵部位支護(hù)不到位，或者護(hù)表面積的不足都會(huì)導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性變差。

（4）錨桿斷錨、錨具脫落等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，主要原因在于該巷道兩側(cè)受力差異較大，煤柱側(cè)緊鄰采空區(qū)受力較大，實(shí)體煤幫受力相對(duì)較小，因此造成頂板泥巖與砂巖出現(xiàn)水平錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致錨桿發(fā)生剪切破斷。另外，鋼筋網(wǎng)焊接強(qiáng)度較低，出現(xiàn)金屬網(wǎng)開焊及脫落現(xiàn)象。

（5）支護(hù)構(gòu)件間排距較大，支護(hù)強(qiáng)度低是造成圍巖穩(wěn)定性差的另一原因。支護(hù)構(gòu)件護(hù)表面積小，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果差，遇到集中應(yīng)力出現(xiàn)，不能及時(shí)擴(kuò)散至其他構(gòu)件以分散集中應(yīng)力，無法形成構(gòu)件之間的聯(lián)動(dòng)支護(hù)效應(yīng)。

3 支護(hù)方案改進(jìn)

（1）增加支護(hù)強(qiáng)度。變普通錨索（桿）為中空注漿錨索（桿），可以實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固，防止頂?shù)装瀹a(chǎn)生離層，固結(jié)破碎巖體，使頂?shù)装逍纬煞€(wěn)定的一個(gè)整體，對(duì)兩幫實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固可以防止兩幫產(chǎn)生位移，控制變形，提高承載能力。

（2）布置U 型鋼支架，圍巖與支架間用背板背實(shí)，以提高承載能力，U 型鋼支架能夠有效分散頂板中部出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，防止離層，同時(shí)對(duì)于控制兩側(cè)圍巖變形具有積極作用。

（3）施加高預(yù)緊力，在注漿加固的基礎(chǔ)上，對(duì)錨索（桿）等構(gòu)件施加高預(yù)緊力，提高主動(dòng)支護(hù)效果，抵抗圍巖變形。

（4）超挖底板，對(duì)底板采用注漿錨索進(jìn)行支護(hù)，每排錨索采用槽鋼進(jìn)行連接，共同抵抗底板變形。

支護(hù)參數(shù)如下：

頂板兩側(cè)中空注漿錨桿采用Ф25mm、3000mm規(guī)格，傾斜30°布置，排距為800mm。底腳注漿錨桿規(guī)格同上，傾斜45°布置。每斷面4 根。

頂板注漿錨索采用Ф22mm、6500mm 規(guī)格，間排距為1400mm×1400mm，每排之間用槽鋼進(jìn)行連接；巷道兩側(cè)注漿錨索規(guī)格同上，布置于兩側(cè)每?jī)膳佩^桿之間，間距1400mm；底板超挖300mm 布置注漿錨索，間排距為1200mm×1200mm，每排注漿錨索采用槽鋼進(jìn)行連接，混凝土回填，保證錨索不露頭。每斷面7 根。

U 型鋼支架排距為1200mm，支護(hù)穩(wěn)固后采用噴漿進(jìn)行處理。具體設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后支護(hù)方案

4 應(yīng)用效果

對(duì)采用改進(jìn)后的支護(hù)方案進(jìn)行檢驗(yàn)，設(shè)置斷面監(jiān)測(cè)，觀測(cè)圍巖表面變形量情況，如圖3 所示。

圖3 圍巖變形曲線

通過圖3 可以發(fā)現(xiàn)，圍巖在初期變形量較大，隨時(shí)間推移，變形量趨緩，直至穩(wěn)定。頂板下沉量最大達(dá)到121mm，底臌量最大為143mm，兩幫移近量最大為251mm，分別較原支護(hù)方案下降了79.2%、78.8%和79.7%，取得了良好效果。

分析圖3，可得：

（1）由于注漿錨索（桿）的全長(zhǎng)錨固，提高了圍巖整體承載能力，巷道在掘進(jìn)20d 內(nèi)，圍巖變形呈現(xiàn)快速增加后趨緩直至穩(wěn)定的特征，至觀測(cè)第60d 時(shí)，圍巖基本不再發(fā)生形變；另外注漿錨索通過槽鋼進(jìn)行連接，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力有效轉(zhuǎn)移，防止局部應(yīng)力集中的出現(xiàn)。

（2）U 型鋼支架的布置，結(jié)合頂板注漿錨索支護(hù)對(duì)于頂板巖梁中部發(fā)生彎曲變形以及離層均能夠有效控制，對(duì)于分散頂板集中應(yīng)力，并且抵抗圍巖變形，固結(jié)破碎頂板，形成整體穩(wěn)定具有重要作用。

（3）圍巖變形量得到有效控制，說明改進(jìn)后的技術(shù)方案在主動(dòng)承載能力的發(fā)揮上能夠得到有效實(shí)施，使得圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖變形趨于平緩。

5 結(jié)論

（1）原支護(hù)方案下無法有效發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)變形速度較快、變形量較大、錨桿斷裂、托盤脫落、網(wǎng)兜等現(xiàn)象。主要在于圍巖所處應(yīng)力場(chǎng)條件復(fù)雜、底板易膨脹變形、圍巖整體承載能力較低、護(hù)表面積小以及斷面尺寸較大等原因。

（2）改進(jìn)后的支護(hù)方案提出針對(duì)性措施：一方面通過將普通錨索（桿）替換為注漿錨索（桿）實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固，縮小間排距；另一方面采用U 型鋼支架聯(lián)合支護(hù)的方法，共同抵抗圍巖變形；最后通過底板布置注漿錨索，有效控制底臌量，實(shí)現(xiàn)圍巖變形量的控制。

（3）通過設(shè)計(jì)全斷面高強(qiáng)錨注+U 型鋼支架聯(lián)合支護(hù)的方案，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：改進(jìn)后的支護(hù)方案頂板下沉量、底臌量、兩幫移近量分別較原支護(hù)方案下降了79.2%、78.8%和79.7%，對(duì)于安全生產(chǎn)具有重要意義。