劉紅旗 張志明

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司羊東礦，河北 邯鄲 056201）

陷落柱是發(fā)育分布在石灰?guī)r底層中，由流動的地下水經(jīng)過長期的溶蝕作用而形成的，由煤系地層陷落而成，常呈不規(guī)則橢圓柱狀體。陷落柱常常被不同地層的巖煤體碎塊充填，無層序，混亂堆積。根據(jù)已揭露的地質(zhì)資料，峰峰礦區(qū)的陷落柱邊緣地帶柱內(nèi)干燥無水，陷落柱與圍巖的接觸面呈現(xiàn)不規(guī)則的鋸齒狀，界限明顯，接近陷落柱約3～5 m 時，巖層裂隙發(fā)育，破碎。根據(jù)錢鳴高等人提出的“關(guān)鍵層理論”，當(dāng)采場上覆巖層中存在多個巖層時，對巖體活動全部或局部起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層，起承載主體與骨架作用，有些較為軟弱的薄巖層在活動中只起加載作用[1]。由于陷落柱構(gòu)造帶圍巖本身結(jié)構(gòu)和性能，導(dǎo)致巷道錨桿、錨索無法穩(wěn)固到堅硬穩(wěn)定巖層中[2]。巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)后往往變形較大，無法滿足在服務(wù)期間的要求，巷道需要反復(fù)整修[3]。單獨采用可縮性U 鋼支護(hù)， 由于U 鋼支護(hù)方式屬于被動支護(hù)，在巷道變形初期無法提供有效初阻力，不能從根本上解決巷道圍巖不斷剪脹擴(kuò)容和蠕變破碎的發(fā)展趨勢，巷道斷面收縮量極大[4-6]?；诖?，羊東礦在8267 運料巷通路掘進(jìn)過陷落柱過程中汲取了以前過陷落柱巷道變形大、支護(hù)難的經(jīng)驗教訓(xùn)，設(shè)計了“高預(yù)緊力加長錨固+U36鋼”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)過陷落柱方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗，實現(xiàn)了對陷落柱區(qū)域巷道變形的有效控制，滿足了巷道服務(wù)期間的需要。

1 工程概況

羊東礦井田位于太行山支脈-鼓山的東麓，為峰峰集團(tuán)有限公司所屬煤田的中東部，原羊渠河礦井的深部，屬于河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)。8267 運料巷通路掘進(jìn)過程中將揭露X20-8467-1 陷落柱，長度71 m，如圖1。根據(jù)探查的地質(zhì)資料，該陷落柱為橢圓柱狀體，陷落柱不含水，層理不清晰，物質(zhì)組成混亂，內(nèi)部充填物多為大煤頂板以上的中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、煤塊混合物等充填膠結(jié)，壓實和膠結(jié)情況較好。

圖1 巷道過陷落柱示意圖（m）

2 原過陷落柱巷道支護(hù)方案及存在的問題

羊東礦在與8267 運料巷通路鄰近的外8269 溜子道過X20-8471-1 陷落柱期間,采用了錨網(wǎng)索支護(hù)。頂板每排5 根單體錨索，直徑21.8 mm，長度7500 mm，排距2000 mm，間距950 mm；每排6 根錨桿，直徑20 mm，長度2400 mm，排距1000 mm，間距850 mm，均垂直于頂板打設(shè)；采用Φ6 mm 鋼筋網(wǎng)護(hù)頂。

巷道掘進(jìn)通過陷落柱后變形很快，巷道掘后3個月頂?shù)装逡平窟_(dá)600～1200 mm，兩幫收斂近700～1500 mm，巷道在服務(wù)期間經(jīng)過3 次擴(kuò)整。從原支護(hù)形式看，巷道支護(hù)主要存在以下問題：

1）巷道圍巖松散破碎，層理紊亂，錨桿、錨索無法錨固到堅硬穩(wěn)定巖層中，巷道支護(hù)后圍巖應(yīng)力來壓快且增速大，經(jīng)常出現(xiàn)錨桿錨固失效，錨桿受力脫出失效、錨索預(yù)緊力不足等情況。

2）錨桿、錨索錨固力偏低，有效錨固范圍小。由于錨桿、錨索采用端頭錨固，有效錨固長度只有0.7 m 和1.05 m，破碎巖石產(chǎn)生的碎脹力對下位巖層產(chǎn)生擠壓作用。在錨桿、錨索支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗其擠壓作用力時，巷道就會出現(xiàn)大范圍變形，表現(xiàn)為頂板下沉、兩幫收斂。

3）由于巷道圍巖屬于破碎軟弱圍巖，巷道蠕動變形大[4]，巷道表面缺少剛性支撐骨架，單純使用錨網(wǎng)支護(hù)不能有效抵抗巷道變形。

3 優(yōu)化支護(hù)設(shè)計后過陷落柱方案

1）適當(dāng)增加巷道設(shè)計斷面，允許巷道有一定的變形，給予巷道一定的讓壓空間，巷道斷面設(shè)計值由4.0 m×3.0 m 擴(kuò)大到4.5 m×3.5 m。

2）增加錨桿、錨索有效錨固范圍，錨桿錨固長度由700 mm 增加到1400 mm，錨索錨固長度由1050 mm 增加到1750 mm。

3）采用主被動聯(lián)合支護(hù)，即采用直墻半圓拱斷面錨網(wǎng)索槽鋼+U36鋼聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

支護(hù)參數(shù)：采用雙抗塑料網(wǎng)+鋼筋網(wǎng)裱背頂幫，錨桿采用Φ20 mm 左旋20MnSi 高強(qiáng)無縱筋螺紋鋼制成，錨桿長度2400 mm，間距700 mm，排距700 mm；用1 個K2335 藥卷和3 個Z2335 藥卷進(jìn)行錨固，有效錨固長度1.4 m；錨桿螺母扭矩250 N·m，初錨力不小于60 kN，錨桿外露長度10～50 mm。錨索采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，錨索直徑21.8 mm，長度7500 mm，間距1000 mm，排距1000 mm；錨索打設(shè)五排，錨固劑選用K2335 樹脂錨固劑2 卷，Z2335 樹脂錨固劑3 卷，有效錨固長度1.75 m；錨索預(yù)緊力不低于250 kN，外露長度150～250 mm。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，兩幫底根錨桿與水平面下斜15°。錨網(wǎng)支護(hù)打設(shè)后使用U36鋼套棚。采用4 節(jié)U36型鋼可縮性支架，直墻半圓拱斷面，凈寬×凈中高=4.3 m×3.7 m，支架下寬4.5 m，柱窩深度200 mm，支架間距為700 mm。支架節(jié)與節(jié)搭接500 mm，搭接處采用三副卡纜卡牢，卡纜凈間距280 mm，卡纜螺母扭矩不小于300 N·m，支架間裱背使用Φ60 mm 以上的圓木棍，間距≤300 mm。支架使用Φ18 mm 金屬支拉桿連鎖，每架使用3 個，位置在上面一副卡纜螺栓與支架之間空隙內(nèi)，正頂及兩幫各使用一個，支拉桿保持前后成線。支架打設(shè)撐木5 根，頂撐木位置在支架正頂卡纜之間，兩幫撐木打在支架下面一副卡纜上側(cè)，底撐木打在距底板50 mm 處，用14#鐵絲或連網(wǎng)繩與支架固定防止脫落。撐木使用Φ60 mm 以上的圓木棍，順直打設(shè)成線。如圖2、圖3。

圖2 巷道加長錨固支護(hù)示意圖（mm）

圖3 架設(shè)U36 鋼示意圖（mm）

4 錨網(wǎng)設(shè)計支護(hù)參數(shù)校核

針對巷道錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)按照組合梁及懸吊理論進(jìn)行校核。巷道最大埋深853 m，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查及圍巖穩(wěn)定性分類分析得知，該巷道圍巖巖性分類為Ⅲ類。

1）錨桿長度的選擇

式中：L1為錨桿外露長度，取0.05 m；L2為錨固有效組合拱厚度，m；L3為錨桿錨固段長度，1.4 m。

其中，L2=0.612·B{K1P/[φ（σ1+σ2）]}1/2（2）

式中：K1為與施工方法有關(guān)的安全系數(shù)，取5；B為巷道跨度，取4.7 m；P為組合梁上均布載荷，P=rL=24 kN/m3×2.4 m=57.6 kPa=0.057 6 MPa；r為上覆巖層容重，取24 kN/m3；L為頂錨桿長度，取2.4 m；φ為與組合梁層數(shù)有關(guān)的系數(shù)，取0.65；σ1為組合梁最上一層抗拉強(qiáng)度，取1.4 MPa；σ2為原巖水平應(yīng)力，σ2=λrZ=0.3×24 kN/m3×853 m=6141 kPa ≈6.1 MPa；λ為側(cè)壓力系數(shù)，取0.3；Z為巷道埋深（最深值），853 m。

則L2=0.612×4.7 m×{5×0.0576 MPa÷[0.65×（1.4 MPa+6.1 MPa）]}1/2≈0.68 m。 因 此L=0.05 m+0.68 m+1.4 m=2.13 m。由于巷道屬于軟弱不穩(wěn)定巖層，可選擇錨桿長度L=2.4 m。

2）錨桿間距

式中：m1為組合梁最下一層巖層厚度，0.5 m；σ1為最下一層巖層抗拉強(qiáng)度，1000 kPa；K為安全系數(shù)，取10；P為本層自重均布載荷，P=r·m1=24 kN/m3×0.5 m=12 kPa。

則D≤1.63×0.5 m×（1000 kPa/10/12 kPa）1/2=2.35 m?？紤]到巷道埋藏較深，且屬于不穩(wěn)定巖層，錨桿間距D取0.7 m。

3）錨桿排距

式中：N 為錨桿錨固力，110 kN；n為每排頂部錨桿根數(shù)，7 根；K為安全系數(shù)，取1.2；r為上覆巖層容重，取24 kN/m3；a為巷道掘進(jìn)寬度一半，2.35 m；L為錨桿長度，2.4 m。

則L0≤110 kN×7/（2×1.2×24 kN/m3×2.35 m×2.4 m）≈2.37 m?？紤]到巷道埋深較深，且屬于不穩(wěn)定巖層，錨桿排距L0取0.7 m。

4）錨索長度

根據(jù)該處巖層情況，將頂板錨索固定到穩(wěn)定巖層1.5 m 以上計算可知，錨索長度初取為6.5 m 類型。施工時可以用打鉆的方法由地質(zhì)組測定現(xiàn)場穩(wěn)定巖層厚度而確定錨索長度，保證施工時錨索錨固到穩(wěn)定巖層內(nèi)1.5 m 以上。

式中：La為錨索伸入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，取1.5 m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取5.5 m；Lc為上托盤及錨具的厚度，取0.1 m；Ld為需要外露的張拉長度，取0.15 m。

則L=1.5 m+5.5 m+0.1 m+0.15 m=7.25 m。支護(hù)設(shè)計采用Φ21.8 mm×7500 mm 的錨索進(jìn)行支護(hù)。

5）錨索的間排距

設(shè)計垂直巷道打5 趟錨索，錨索懸吊的重量選取直接頂塌陷范圍內(nèi)巖石的重量。設(shè)錨索的間距為L0，則：

推出L0=n·P/（L·B·γ） （6）

式中：n為每排錨索根數(shù)，n=5；P為錨索的破斷載荷，P=583 kN；L為巖層厚度，L=7.25 m；B為巷道塌陷范圍內(nèi)的寬度，B=4.7 m（按最大寬度計算）；γ為巖體容重，γ=24 kN/m3。

則L0=5×583 kN÷（7.25 m×4.7 m×24 kN/m3）≈3.56 m。考慮到巷道屬于軟弱不穩(wěn)定巖層，故錨索間距選取1.0 m，排距選取1.0 m。

5 聯(lián)合支護(hù)形式的作用機(jī)理

1）注重“支護(hù)體-圍巖”的雙重作用。采用主被動的聯(lián)合支護(hù)形式，能充分發(fā)揮錨桿、錨索、U鋼各自的特點，使得圍巖在各個方向受力均衡，三向受壓，將支護(hù)體系和圍巖結(jié)合在一起，圍巖成為了承載體。

2）通過架設(shè)U 型鋼可縮性支架，即給巷道表面軟弱巖層提供了較大的支撐力，又具有一定的緩沖作用，允許巷道有一定的變形，具有“柔性支護(hù)”和“剛性支護(hù)”的雙重特點。

3）當(dāng)增加錨桿、錨索預(yù)緊力時，在提高錨固力的同時又能通過錨固劑的黏結(jié)作用對破碎圍巖起到更好控制效果[6]。在施工時，通過托盤對淺部圍巖施加有效壓應(yīng)力，進(jìn)而對巷道周邊破碎圍巖的控制效果顯著增強(qiáng)[2]。

6 支護(hù)效果分析

1）為了驗證加長錨固后的錨桿桿體、錨固劑、巖石黏結(jié)到一起的錨固效果，對8267 運料通路巷幫使用不同藥卷數(shù)量的錨桿做工業(yè)試驗。試驗共選取2 個測站，采取5 組幫部錨桿，試驗結(jié)果如圖4、圖5。試驗表明，使用2 卷Z2335 錨固劑的錨桿拉拔載荷在110～135 kN 時發(fā)生錨固失效，而使用1卷K2335+3 卷Z2335 錨固劑的錨桿拉拔載荷普遍在145～170 kN。

圖4 第一組現(xiàn)場錨桿拉拔試驗圖

圖5 第二組現(xiàn)場錨桿拉拔試驗圖

2）為驗證巷道采用聯(lián)合支護(hù)后的效果，在巷道選取2 個斷面布置測站，采用十字布點法監(jiān)測巷道掘進(jìn)后3 個月內(nèi)頂?shù)装逡平俊蓭褪諗苛浚^測OA、OB、OC、OD 數(shù)值變化。

巷道兩幫及頂?shù)装鍑鷰r收斂變形情況如表1 所示。巷道在掘進(jìn)支護(hù)后的前30 d 內(nèi)，巷道圍巖變形最快，隨后兩幫收斂量和頂?shù)滓平恐鸩阶冃。?0 d 后趨于穩(wěn)定。頂?shù)滓七M(jìn)量最大450 mm，兩幫收斂量最大490 mm，現(xiàn)場未見明顯底鼓現(xiàn)象。結(jié)果表明巷道維護(hù)效果較好，優(yōu)化巷道斷面及支護(hù)方案后圍巖變形得到了有效控制。

表1 巷道兩幫及頂?shù)装鍑鷰r收斂變形情況 mm

7 結(jié)論

針對巷道掘進(jìn)過陷落柱破碎圍巖的特殊結(jié)構(gòu)，分析了陷落柱圍巖結(jié)構(gòu)特征，揭示了巷道支護(hù)難、變形大的原因，針對支護(hù)存在的問題，提出了“高預(yù)緊力加長錨固+可縮性U 鋼支架”的聯(lián)合支護(hù)方案。通過增加錨桿、錨索的錨固長度和預(yù)緊力，可增加支護(hù)體對破碎圍巖的控制力，再架設(shè)可縮性U鋼支架，實現(xiàn)“柔性支護(hù)”和“剛性支護(hù)”的緊密結(jié)合?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：使用聯(lián)合支護(hù)后，巷道周邊破碎圍巖的控制效果顯著增強(qiáng)，巷道變形由原來的掘后3 個月巷道頂?shù)装逡平?00～1200 mm，兩幫收斂700～1500 mm，控制到頂?shù)滓七M(jìn)量最大450 mm，兩幫收斂量最大490 mm，巷道圍巖變形量得到了有效控制，完全滿足了巷道采掘期間的生產(chǎn)需要，為同地區(qū)相似條件的掘進(jìn)巷道過陷落柱支護(hù)方案提供了實踐參考。