張躍豐，郭江紅

（晉能控股煤業(yè)集團侯甲煤礦，山西晉城 048105）

晉能控股煤礦一公司煤礦回采巷道支護時，出現(xiàn)了頂板部分噴水，造成淋水段巷道破壞，底鼓量大，底角破壞，錨索支護體系在施工中的應用效果較差。軟巖巷道采用錨索支護、錨網(wǎng)帶噴支護、錨注支護等；錨桿錨固結合噴混支護和錨噴支架組合支護。在頂板淋水巷道施工中，錨索與錨索結合，并應用了防水錨固液、馬麗散注漿、錨索注漿、鉆眼疏水和封堵止水的綜合防治。針對煤層底鼓的治理，目前有灌漿法、挖底法、加固法和卸壓法等幾種技術。由于該回采巷中既有復合軟巖，又有頂板淋水、大變形及底鼓等復雜的圍巖控制，至今尚無相關的研究。通過對回采巷道的問題和原有的支護設計方案進行了詳細的分析，并結合已有的支護經(jīng)驗，給出了最優(yōu)的支護方案，并根據(jù)底鼓巷的復雜軟巖頂板大變形和底鼓巷道錨注一體化支護技術[1]。在此基礎上，提出了施工中關鍵工序銜接的支護方法，對同類軟巖巷的治理具有一定的參考價值。

1 工程概況

1.1 巷道概況

110207 工作面2 煤層位于11 采區(qū)北翼，東為二煤層實體煤，南起二煤層一號回風聯(lián)絡巷，西段110205工作面皮帶運輸機間巷內(nèi)預留19～25m的隔離煤柱，向北到F9斷層南側69m 處。工程總推進深度為496～551m，工程推進長度2658m。

1.2 頂?shù)装鍡l件

二煤層和頂?shù)装宓膸r石性質見表1。厚度為0.63m的薄層粘土巖石，其上部為粗粒度砂土，厚度為13.94m左右。在頂部的粗顆粒砂體中，有一部分是含水層，泥漿粘合，當錨（索）孔與粗砂相接觸時，水流會沿著錨桿或錨索的孔洞排出，從而使泥漿的強度大大下降，從而造成嚴重的坑洞損壞。

表1 二煤層及頂?shù)装鍘r性

1.3 構造特征及水文地質

110207 工作面是一個傾斜度為4°～12°的單斜井，不會對巷道的開挖產(chǎn)生任何影響。在掘進區(qū)域，沒有發(fā)生斷裂，也沒有巖漿侵入，也沒有塌方。通過鉆井抽水實驗，發(fā)現(xiàn)直羅組砂巖（Ⅲ）的涌水量q為0.0099L/(s·m)，滲透率為0.0096m/d，富水性較差。在掘進過程中，頂板厚砂巖含水層水沿巷道頂板的裂縫和錨桿、錨索眼進入工作面，是工作面的主要淋水來源，給施工帶來了一定的影響。

1.4 巷道支護特點及存在問題

隧道具有較高埋深。頂?shù)字饕悄鄮r、粉砂巖和粗砂巖，泥質粘合，遇水膨脹泥化，煤巷沿煤層頂部設置。在下肩窩處預留500～800mm 的頂煤，左邊幫的下段是1m厚的粉砂，底面是5m厚的細砂，在已經(jīng)開挖的巷道中，發(fā)現(xiàn)了左邊底角處的軟面滑移和整體底鼓。在開挖到1100m 的時候，已經(jīng)重新進行兩次起底施工。在頂板錨索孔進入蓄水層后，經(jīng)常發(fā)生淋水事故，導致了大量的淋水頂板破裂。由于頂板巖體整體剛度不夠，導致了頂板整體穩(wěn)定性較低，且有一定的安全風險。在掘進過程中，隧道的整體變形比較大，維修費用高，對礦井的安全生產(chǎn)也有一定的不利作用。

2 110207工作面帶式輸送機巷優(yōu)化設計方案

2.1 優(yōu)化設計思路

（1）采用錨索支撐的巷道頂板抗彎性差，為提升頂板抗彎性，采用限位抗剪錨以增加錨桿的抗剪強度，增加護表面積，以錨索為支護方式進一步提升支護能力。極限抗剪錨桿的技術特征：錨桿材料選用HRB500型螺紋鋼，桿體的抗剪切和抗扭能力得到大幅度的提升，同時，最大的能量吸收能力從34J 增加到100J。托盤的設計需要錨桿（索）的承載力和錨索斷裂強度，以保證在錨桿（索）斷裂之前不會發(fā)生故障。

（2）“梯度支護”技術應用于復合軟巖頂板，實現(xiàn)了對薄弱層的目標控制，從而有效地克服了復雜軟巖層的沉降問題。長錨索對錨桿錨固區(qū)段難以實現(xiàn)穩(wěn)定的控制，容易導致錨桿支護結構與錨桿支護之間的不協(xié)調。采用短錨索加固，控制軟弱結構層離層變形，形成錨桿+短錨索+長錨索的“梯度支護”技術方案，其支護方案更具針對性。圖1 為支護作用范圍內(nèi)的拉應力作用圖。

圖1 錨桿錨固段及一定范圍內(nèi)拉應力作用圖

（3）在原有的支護方案中，沒有對底板進行反底拱處理，而底板底鼓是該段最重要的變形破壞形式。軟巖巷道的圍巖存在著遇水、遇濕空氣易膨脹崩解、強度急劇下降的問題，對應力變化敏感，掘進初期易產(chǎn)生較大的變形，從而產(chǎn)生底鼓變形，因此必須采用反向底拱，同時對支座及底板錨桿既便于施入預緊力又能維持較好的機械性能。適用于巷道成形不良、坑壁破裂，在幫部和底板上應用等強預應力錨索，可在變形后將兩幫、底板反復固定，從而提高了錨桿的支護效果。

（4）針對巷道左幫底角因底鼓變形而產(chǎn)生的破壞，采取了短錨索+W鋼帶+W型錨索托的方法控制底角的變形。采用底角錨固加固措施，對張拉裂縫的形成和蔓延進行了有效的抑制。表面張拉主要是為了保持其表面的穩(wěn)定性，而內(nèi)部懸吊和表面張拉是其長期穩(wěn)定性的重要因素。表面張拉主要是為了保證錨桿的長期穩(wěn)定性，而內(nèi)部懸吊和表面張拉是其長期穩(wěn)定的重要因素。

（5）錨網(wǎng)索在支護后，依據(jù)裂縫的發(fā)展規(guī)律，采用滯后注漿法對基坑進行補強。采用注漿法對圍巖進行整體加固，防止圍巖錯動的發(fā)生，并使錨桿（索）的長度達到全長錨固，增強了圍巖的抗剪承載力，保持系統(tǒng)維持長期穩(wěn)定。

2.2 110207工作面帶式輸送機巷錨網(wǎng)索支護優(yōu)化方案

（1）錨桿支護設計。頂幫錨桿采用限位抗剪蛇型錨桿，采用HRB500高強度螺旋鋼，其強度為190kN，抗拉240kN，底部為等強度預應力錨桿；HRB500 礦用高強度螺紋鋼，采用?22mm×2800mm，棒身具有190kN的屈服強度和240kN 的抗拉強度。預緊力大于60kN。保護表層所用的金屬網(wǎng)片為?6.5mm 的金屬網(wǎng)眼，網(wǎng)眼尺寸為100mm×100mm；鋼板防護罩為450mm×280mm×4.75mm；頂幫錨桿板尺寸為150mm×150mm×10mm。左下角為1200mm×280mm×4.75mm W的鋼條，孔距800mm。錨桿之間的間距為800mm×900mm，其布置形式見圖2和圖3。

圖2 支護設計斷面圖（單位：mm）

圖3 支護設計展開圖（單位：mm）

（2）輔助支護設計。錨索具有防腐蝕的能力。長錨索：2條抗腐蝕的錨纜，最大斷裂強度不低于580kN，規(guī)格為?21.8mm×3300mm，短錨索：1 條抗腐蝕的錨纜，最大斷裂強度不低于530kN，規(guī)格為?21.8mm×3300mm，纜繩面支撐：300mm×300mm×14mm的高強度圓弧支架；左邊弱面的纜繩支撐：1200mm×280mm×4.75mm W 型鋼筋+250mm×250mm×12mm W 型錨桿。頂板錨間距2400mm×1800mm，左幫錨間距800mm×1800mm，錨索布置方式見圖2及圖3。

反底拱的設計深度為500mm，因底板后期需要噴入混凝土，首次臥底巷底板的中心位置比設計斷面低600mm。頂板不噴漿，底板和底角處噴漿30mm，混凝土強度C20，噴漿的方向為由下往上。為了避免煤層與煤層的交界面發(fā)生風化和泥化，使煤層與煤層的交界面發(fā)生軟面滑動，底板采用全封閉的形式。

2.3 110207工作面帶式輸送機巷底板注漿加固方案

在底板進行反底拱施工和封閉施工后，進行灌漿和封堵。存在裂縫和導通是注漿的最佳時間（注漿時間由現(xiàn)場試驗決定）。注漿時，采用空心注漿管，其規(guī)格為?25mm×2000mm×3mm，并準備一段?25mm×1000mm×3mm 的短注漿管段，用于表面破裂部位的防滲。在打漿管時，空心灌漿管一次打裝完畢，排距為1.8m。注漿時，按由外到里的順序進行灌漿，按前先中部后兩側的順序進行，最后的灌漿壓力為3MPa。

因井下有豐富的地下水，隧道采用反底拱洞鉆孔時，出現(xiàn)了明顯的裂縫，表明隧道采用了反底拱法，地基達到了灌漿補強的要求；本文介紹了一種新型的具有微膨脹性能的礦用親膠性注漿劑，該注漿劑具有更小的半徑，膨脹系數(shù)為1%～5%。本產(chǎn)品具有良好的封水固巖性能和強度，與高泥質圍巖的兼容性較好，注漿加固效果明顯。

3 井下試驗效果分析

3.1 現(xiàn)場施工支護狀態(tài)

按設計方案實施54m頂幫支護，頂板無明顯沉降、錨桿錨索斷裂等問題。通過對兩幫肩窩變形部位的鉆探實驗，可以看出，實驗段頂板和兩側幫部的壓力是可控的，支護整體剛度增加，局部有輕微下陷，其它地區(qū)沒有發(fā)生離層裂縫，優(yōu)化后的支護效果顯著。

3.2 礦壓觀測分析

壓力表在巷道中的實際位置與編號如圖4 所示。巷道中累計布置9 臺錨桿受力檢測儀，分別編號01、02、04、05、06、07、09、10、11。累計布置3臺錨索受力檢測儀，分別編號03、08、12。

圖4 壓力表測點布置圖

（1）錨索受力分析。錨桿的標準非比例拉伸強度為470kN，極限斷裂強度為530kN，在現(xiàn)場的實際最大斷裂強度不低于標準值。對頂板、幫部支護方案的施工、反底拱施工前后的錨索應力進行了整理和分析，3臺錨索檢測儀分別布置在距離實驗開始段的0m、25m、50m處的位置，3個錨桿壓力計的前后時段均處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明在試驗區(qū)采用錨索輔助支護能有效地抑制巖體的松動，頂板的應力顯示是在控制的。

（2）錨桿受力分析。根據(jù)設計規(guī)范，桿體屈服力為190kN，標準破斷力為240kN，在實際的施工中，實際的屈服力和標準破斷力都在標準值以上。在現(xiàn)場01、05、11是頂板錨固壓力計，壓力計的數(shù)值都超過了140kN，但搜沒有達到標準屈服力，頂壓較大，具有較好的支撐效果；02、06、10是右?guī)偷腻^桿壓力計，右肩15m的位置有巖體的變形，所以06壓力計數(shù)字相對較大，02、10兩塊壓力計壓力比較穩(wěn)定。04、07、09 是左幫錨壓力計，應力基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

3.3 巷道累計移近量分析

圖5 和圖6 分別表示了反底拱灌漿前巷和后巷的位移。從圖5 和圖6 可以看出，在反底拱施工后，頂板離層量、底板移動量，左、右?guī)鸵苿恿慷济黠@減小，表明支護優(yōu)化方案能有效地控制幫部和頂板的位移，巷道位移量滿足設計規(guī)范的要求。采用注漿法對110207工作面機巷底進行了施工，“擠出”、“趕走”了底板的水壓，利用了親泥漿類注漿劑的優(yōu)點，填充了基底裂縫，提高了基坑整體穩(wěn)定性；同時，“改性”了軟弱的底板圍巖，注漿工藝基本達到了擠水、堵泥巖裂隙、加固底板等效果，為清水營煤礦在井下注漿實踐中取得了良好的效果。

圖5 反底拱注漿前巷道移近量（1#十字布樁觀測點）

圖6 反底拱注漿后巷道移近量（6#十字布樁觀測點）

4 結語

（1）利用“梯度支護”技術，實現(xiàn)了對軟地層的目標控制，從而有效地克服了復雜軟巖層的沉降問題。圍巖一次支護后，其剛性能確保圍巖形成較好的加固效果，而大范圍的保護則能有效地降低“鼓包式”的圍巖變形。適當?shù)腻^桿錨栓大小可防止剪切、拉斷，并能對頂板淋水進行有效的控制。采用“梯度支護”方法，采用錨桿+短錨+長錨固，可以有效地克服復式軟巖冒頭頂板的支撐問題。

（2）采用等強預拉錨栓與反底拱親泥漿注漿，可以有效地克服富水地基底鼓包問題，采用自流注漿料“擠出”或“趕走”基底中的水分，從而改善和加強泥漿層的圍巖，抑制圍巖的惡化。在斜井底部，使用了短錨+W型鋼+W型錨桿，以確保整體圍巖的穩(wěn)定。