姚 賀，董抗抗，位兆瑞

(河南能源化工集團 永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600)

復雜地質(zhì)條件下的大埋深巷道存在變形嚴重，影響安全使用的情況。地質(zhì)條件復雜、應力隨采深加深而增大、附近采掘活動的擾動加之地質(zhì)構(gòu)造的影響，導致深部巷道圍巖的支護難度加大，巷道成巷后極易發(fā)生嚴重形變。巖體開挖后，巷道圍巖由三向受力狀態(tài)變?yōu)閮上蚴芰顟B(tài)，加之高應力場的特殊條件，如巷道支護強度低，圍巖將經(jīng)歷彈性變形和塑性變形，持續(xù)發(fā)展為破碎，并由巷道以淺圍巖向以深圍巖發(fā)展，最終導致圍巖整體失穩(wěn)，巷道嚴重變形甚至出現(xiàn)垮塌、漏頂?shù)惹闆r，嚴重威脅安全生產(chǎn)[1-7]。

陳四樓煤礦九采區(qū)泵房底板標高-859.4 m，處于煤層頂板的砂質(zhì)泥巖層位，與九采區(qū)軌道下山底車場、九采區(qū)回風下山下平巷相交，臨近巷道間圍巖應力疊加影響明顯，且巷道靠近向斜軸部，巷道穿過落差為7 m的正斷層。初期采用“錨網(wǎng)噴+錨索”支護時，巷道出現(xiàn)錨桿索拉斷失效、頂?shù)讕妥冃?，嚴重影響巷道的使用，對安全管理造成較大的威脅。為了解決九采區(qū)泵房支護難題，提出了先“錨桿錨索間隔布置+長錨索”先噴后錨讓壓支護，再進行“錨索注漿+二次錨網(wǎng)加固”的高預應力強力支護方案，并對底板采用“錨網(wǎng)帶+錨索梁+注漿”加固。

1 工程概況

陳四樓煤礦九采區(qū)發(fā)育有落差為7 m的正斷層。九采區(qū)泵房沿二2煤層頂板的砂質(zhì)泥巖掘進，全長約44.7 m，距離二2煤層18.3～29.1 m，煤層頂板9.61～43.23 m內(nèi)為砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖遇水易發(fā)生膨脹、破碎且?guī)r石硬度降低。九采區(qū)泵房北部為軌道下山底車場，兩巷間巖柱寬11.5 m，底板落差0.7 m；南部為已掘的九采區(qū)回風下山下平巷，兩巷間巖柱寬9.68 m，底板落差7.4 m。九采區(qū)泵房埋深約900 m，斷面為直墻半圓拱形，寬4 200 mm，高4 600 mm。九采區(qū)泵房平剖面布置如圖1所示。

圖1 九采區(qū)泵房平剖面布置

九采區(qū)泵房及泵房管子道最初支護方案設計參照九采區(qū)回風下山下平巷，采用“錨網(wǎng)噴+錨索”支護形式，選用φ22 mm×2 500 mm左旋高強螺紋鋼錨桿端頭錨固，間排距700 mm×700 mm；選用φ21.6 mm×6 300 mm的錨索加強支護，間排距1.6 m×1.4 m；噴漿厚度為100 mm。按照初始支護方案施工時，巷道出現(xiàn)較大程度的變形破壞，巷道斷面收縮嚴重，頂?shù)装寮皟蓭鸵平拷?00 mm，嚴重影響巷道的安全使用。

2 支護方案及技術(shù)原理

2.1 支護方案

(1)拱部及幫部支護(圖2)。

圖2 九采區(qū)泵房支護方案

使用短錨索替代錨桿，加長加固錨索的長度，采取先噴后錨的讓壓支護、然后打注漿錨索進行壁后注漿加固的支護形式。先采用短錨索和錨桿間隔五花布置支護，排距700 mm。一排全斷面采用18根φ22 mm×2 500 mm高強錨桿支護(屈服強度500 MPa)，錨桿間距700 mm，下一排拱部采用9根φ21.6 mm×4 200 mm錨索支護，幫部采用8根φ21.6 mm×3 200 mm錨索支護，錨索間距700 mm。拱部采用5根φ21.6 mm×8 300 mm長錨索加強支護，支護滯后掘進面不超過10 m，圍巖破碎、過斷層期間錨索緊跟掘進面施工。讓壓穩(wěn)定后再對巷道噴漿封閉，噴厚50～100 mm。再進行二次錨網(wǎng)索加固(先打注漿錨索并進行注漿，然后再掛網(wǎng)打錨桿)，拱部采用φ21.6 mm×8 500 mm中空注漿錨索，幫部采用φ21.6 mm×6 300 mm中空注漿錨索，注漿錨索間排距1 400 mm×1 400 mm；全斷面采用φ22 mm×2 500 mm高強錨桿，錨桿間排距700 mm×700 mm，打錨索位置不再打錨桿。每根注漿錨索配備2卷MSM2350樹脂錨固劑，在注漿錨索安裝30 min后方可安裝托盤及鎖具進行初次張緊，待注漿后等待至少2 d再進行二次張緊，保證錨索張緊力不低于36 MPa。待注漿錨索注漿結(jié)束后再進行二次錨網(wǎng)支護，錨桿的預緊力矩為250～300 N·m；最后對巷道薄噴封閉，以覆蓋金屬網(wǎng)為準。

(2)底板支護。巷道底板采取“錨網(wǎng)帶+錨索梁+注漿”的復合加固形式。先采用錨網(wǎng)帶加固，M鋼帶沿垂直巷道方向布置。采用φ22 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿(屈服強度500 MPa)，4 m的M鋼帶(錨桿間距750 mm，共6根錨桿)，錨桿排距為800 mm。再施工錨索梁進行二次加固，錨索梁沿巷道方向布置在錨網(wǎng)帶上方，錨索梁為3 m的12號槽鋼梁，φ21.6 mm×6 300 mm的中空注漿錨索，錨索間距1 300 mm，并通過中空錨索對底板進行注漿加固。漿液凝固后再安裝錨索梁并配備錨索托盤，對注漿錨索進行張緊加壓。漿液水灰配比為0.8～1.0，使用P.O42.5號普通硅酸鹽水泥，注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa。鋪設由φ6 mm鋼筋加工而成、網(wǎng)目為100 mm×100 mm的金屬網(wǎng)片。噴射混凝土的強度等級為C20，使用P.O.425號普通硅酸鹽水泥、中粗砂、粒徑5～15 mm石子，速凝劑摻入量為水泥質(zhì)量的2%～5%。

九采區(qū)泵房加固支護方案如圖3所示。

圖3 九采區(qū)泵房加固支護方案

2.2 技術(shù)原理

(1)“錨桿+錨索”梯次耦合讓壓支護系統(tǒng)。采用錨桿錨索耦合支護，對巷道進行多層次支護，體現(xiàn)了“讓壓有度、剛強足夠”的支護理念，較大程度地提高了支護與圍巖共同有機動態(tài)耦合承載的作用，提高了整體性，增加了圍巖強度。高強度錨桿錨索配合由托板和金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成的高剛度護表結(jié)構(gòu)，施加高預應力，形成主動支護，充分保護和利用圍巖的自承能力，對于控制軟巖巷道的長期穩(wěn)定起到關鍵性作用。

(2)關鍵部位加強支護。采用錨索對破壞關鍵部位加強耦合支護，降低甚至消除巖層之間的剪切滑移變形，并通過調(diào)動深部圍巖，減少頂幫垂直應力作用在底板的應力集中程度。巷道幫部為應力集中區(qū)，提高相應區(qū)域的支護強度，可有效控制兩幫破壞區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展。加固幫、角，減少由于兩幫破裂圍巖壓縮下沉所造成的底鼓、體積膨脹、頂板的破裂和離層，從而減少巷道底鼓和頂板下沉量。提高頂板錨桿支護的剛度與強度可有效減小巷幫壓力和底鼓。提高錨桿預緊力及強度，不僅能有效減少頂板的離層、滑動，維持頂板的相對完整性，還能使頂板的垂直壓力向更深、更遠的兩側(cè)巖體轉(zhuǎn)移，大幅降低巷道幫部的壓力，有利于對底鼓的控制。

(3)高預應力短錨索控制技術(shù)。①預應力大小對預應力場分布有決定性作用。預應力較小時，錨索引起的有效壓應力區(qū)小，分布相對孤立。預應力增大時，在錨索自由段長度范圍內(nèi)形成了連接成一片、相互疊加的有效壓應力區(qū)，提升了其對圍巖的支護作用。②錨索長度的影響。隨著錨索長度的增加，壓應力區(qū)的范圍在高度方向上逐漸增加，在寬度方向上變化微弱且有減小的趨勢，錨索中上部分及錨索間圍巖的壓應力逐步減??；預應力一定時，短錨索的主動支護作用明顯優(yōu)于長錨索。③錨索密度的影響。隨著錨索分布密度的增加，錨索間形成的壓應力區(qū)逐漸靠近、相互疊加，有效壓應力區(qū)擴大并連成一體；到一定程度后，錨索密度的增加，對有效壓應力區(qū)擴大、錨索預應力的擴散作用的影響將越來越微弱。

(4)預應力長錨索加固技術(shù)。針對應力集中、圍巖巖性較差，采用一般錨桿支護難以承受載荷作用而易失穩(wěn)破壞的情況，采用預應力長錨索技術(shù)，利用其長度優(yōu)勢，可穿過圍巖松動圈或破碎帶到達深部穩(wěn)定巖體中，施以較大的預應力，將形成明顯的主動支護效果，能有效控制圍巖的變形。長錨索與錨桿短錨索相結(jié)合的支護方式，是通過把錨桿短錨索支護范圍內(nèi)的圍巖自承拱通過長錨索固定在較大的壓縮圈內(nèi)，并把力傳遞到圍巖深部的穩(wěn)定巖體內(nèi)，發(fā)揮圍巖自承作用，改善圍巖力學性能及受力狀態(tài)。

(5)錨索注漿加固技術(shù)。利用漿液封堵圍巖裂隙，防止圍巖因風化或被水浸濕而降低強度。漿液將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體強度，且與原巖形成一個整體，提升圍巖的抗壓和抗彎性能，使巷道保持穩(wěn)定。采用注漿技術(shù)配合錨索支護技術(shù)，能夠極大地提升錨索的加固性能，加強拉錨點的連接性能，對加固圍巖起到很大的作用；注漿技術(shù)能夠加強圍巖的殘余強度、提升摩擦力，增強圍巖的強度和支撐力，降低圍巖松動半徑，使其應力圈得到改善提高。

3 工程實施效果

為驗證支護方案的實施效果，在泵房安裝表面位移測站，測量基點分別定在巷道拱頂、底板及兩幫。嚴格按照規(guī)定對巷道變形量進行連續(xù)觀測并做好記錄。經(jīng)過觀測與記錄，采取高預應力強力支護方式的九采區(qū)泵房圍巖變形量均小于55 mm，圍巖控制效果明顯。采取高預應力強力支護方案的九采區(qū)泵房與采取錨網(wǎng)噴支護的泵房管子道巷道變形量對比如圖4所示。

圖4 巷道變形觀測結(jié)果

從圖4可以看出，采用錨網(wǎng)噴的九采區(qū)泵房管子道巷道變形量大、變形時間長，60 d內(nèi)變形量接近300 mm；采用高預應力強力支護的九采區(qū)泵房，巷道初期變形較快，25 d后巷道圍巖變形量增量趨近于0，圍巖趨于穩(wěn)定。礦壓觀測結(jié)果表明：高預應力強力支護方案較為合理，可以滿足九采區(qū)泵房圍巖控制要求。

4 安全效益與經(jīng)濟效益分析

巷道采用普通的錨網(wǎng)噴支護時變形量超過300 mm，出現(xiàn)了漿皮開裂脫落的現(xiàn)象，巷道尺寸也難以滿足要求，嚴重影響了巷道的安全使用，易發(fā)生漿皮傷人和冒頂事故；在采用高預應力強力支護方案后，巷道支護效果提升明顯，巷道變形量大幅降低，有效保證了巷道的正常使用，避免了安全事故。在經(jīng)濟效益方面，采用錨網(wǎng)噴支護時，需要的材料費用約為3 000元/m，人工費約為1 000元/m，而采用高預應力強力支護需要的材料費用約為3 500元/m，人工費約為1 200元/m，掘進期間采用高預應力強力支護增加費用700元/m；但采用高預應力強力支護能夠避免因巷道變形而重新擴修，減少了材料費用投入約900元/m，人工費投入約400元/m；因此，采用高預應力強力支護能夠節(jié)約費用約600元/m，同時也避免了在巷道維修上的人力投入，提高了礦井的整體施工效率。

5 結(jié)語

陳四樓煤礦九采區(qū)泵房鄰近陳四樓向斜軸部，穿過一次斷層，附近巷道多、關系復雜，且處于大埋深泥巖環(huán)境，巷道圍巖極易發(fā)生形變，有效控制巷道變形難度較大。采取“錨桿錨索間隔布置+長錨索”先噴后錨讓壓支護，再進行“錨索注漿+二次錨網(wǎng)加固”的高預應力強力支護方案，并對底板采用“錨網(wǎng)帶+錨索梁+注漿”加固，巷道頂板、幫部及底板的變形量大幅降低，有效保障了巷道的安全使用，可為相似條件下的巖巷支護提供參考。