深部大斷面巖巷過圍巖破碎帶支護設計優(yōu)化的研究與應用

郭貢獻

（河南能源集團陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

深部大斷面巖巷在掘進期間通常面臨著頂板壓力大、現(xiàn)有支護強度不足等問題，特別是在圍巖破碎帶，巖石破碎，頂板淋水，局部巷道頂板掉落，嚴重影響施工安全，亟須進行支護優(yōu)化。通過縮小永久支護排距、增加頂板錨索錨固深度、架設36U型鋼棚、壁后充填注漿等“主動+被動”聯(lián)合支護，對圍巖破碎帶巷道進行支護優(yōu)化，提高了巷道整體支護強度，保證了施工安全，取得較好的效果。

1 工程概況

2903 工作面位于九采區(qū)，該工作面對應地面標高為+33.80～ +32.81 m，工作面標高為-723.9～-874.3 m，工作面走向長1199～1216 m，傾斜長190 m，總面積222 566 m2。2903 工作面巷道平面布置示意圖如圖1。

圖1 2903 工作面巷道平面布置示意圖

2903 下順槽井下標高-726.4～-874.3 m，地面標高+33.80～+32.81 m，設計長度為1170 m。巷道開口處位于二2 煤層上方28 m 粉砂巖層位，按358°方位角施工163.2 m 后進入二2 煤層，然后沿二2 煤層掘進。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2903 下順槽巖巷段斷面設計凈寬× 凈高=5.2 m×3.8 m， 采 用“Φ22 mm×2500 mm 高 強錨桿+金屬網(wǎng)”進行支護，錨桿間距和排距均為800 mm；頂板施工四排單錨索加強支護，間排距為1600 mm×1600 mm，頂板錨索中間兩排使用Φ21.6 mm×10 200 mm 的鋼絞線，其余兩排使用Φ21.6 mm×8200 mm 的鋼絞線。2903 下順槽斷面支護示意圖如圖2。

圖2 2903 下順槽斷面支護示意圖（mm）

巷道自903X6 點前18.5 m（358°方位角）開始進入圍巖破碎帶，預計圍巖破碎帶長度24 m，破碎帶范圍內巷道巖石破碎，頂板淋水，局部巷道頂板出現(xiàn)掉落，影響施工安全，亟須進行支護優(yōu)化。2903 下順槽過圍巖破碎帶平、剖面示意圖如圖3。

圖3 2903 下順槽過圍巖破碎帶平、剖面示意圖

2 支護設計優(yōu)化

2.1 臨時支護

巷道頂板破碎，無法正常使用前探梁式臨時支護，采用施工管縫錨桿作為臨時支護。巷道開挖后在巷道拱部施工Φ43 mm×1800 mm 的管縫錨桿進行超前支護，間距為300～500 mm，角度（沿掘進方向）上挑3°～5°，外露不超過200 mm。如圖4。

圖4 2903 下順槽管縫錨桿臨時支護三視圖（mm）

2.2 支護參數(shù)設計

1）頂板錨桿支護參數(shù)計算(根據(jù)懸吊理論)

① 頂板錨桿長度：

式中：La為頂板錨桿長度，m；H為巷道冒落拱的高度，m；K為安全系數(shù)，一般取K=2；Lb為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，取0.4 m；Lc為錨桿的外露長度，取0.05 m。

其中：B為掘進巷道的寬度，取5.4 m；f為巖石堅固性系數(shù)，泥巖取3.5。

則H=5.4 m÷（2×3.5）=0.77 m，La=2×0.77 m+0.4 m+0.05 m=1.99 m。施工時取La=2.2 m，可以滿足要求。

② 錨桿間排距計算：

式中：α為錨桿間排距，m；Q為錨桿設計錨固力，150 kN；H為冒落拱高度，0.77 m；K為安全系數(shù)，一般取k=2；γ為支撐巖石的體積力，泥巖為20 kN/m3。

錨桿間排距α=800 mm、α=600 mm 均滿足要求。

2）錨索支護參數(shù)驗算

① 鋼絞線長度計算：

式中：Ld為鋼絞線總長度，m；Le為鋼絞線的自由段長度，取4 m；Lf為鋼絞線的錨固長度，m。

根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》（GB 50086-2015），鋼絞線的錨固長度Lf由下面兩個公式確定，選取兩個計算結果中較大的值：

式中：Lf為錨固段長度，mm；Nd為鋼絞線軸向拉力設計值，取200 kN；K為安全系數(shù)，取2.2；ψ為影響系數(shù)，取1.6；D為鉆孔直徑，取30 mm；d為單根鋼絞線直徑，取5 mm；n為單鋼絞線根數(shù)，取7 根；fmg為錨固體與巖石孔壁之間的黏結強度設計值，取2.4 MPa；f'ms為錨固體與鋼絞線之間的黏結強度設計值，取1.5 MPa；ξ為采用2 根及以上鋼絞線時，界面黏結強度降低系數(shù)，取0.7。

經計算可得出Lf取1733 mm。

則：Ld=Le+Lf=4000 mm+1733 mm=5733 mm。

② 鋼絞線的直徑按下列公式計算：

式中：d'為鋼絞線直徑，mm；Nd為鋼絞線軸向拉力設計值，取200 kN；fc為鋼絞線抗壓強度標準值，取1770 N/mm2；η為強度增大系數(shù)，取1.8。

設計選取錨索直徑為21.6 mm、長度為8200 mm 和10 200 mm，滿足支護要求。

3）鋼棚支護參數(shù)驗算

U 型鋼支架需要支撐的巖石重力為：

式中：Rmax為U 型鋼支架需要支撐的巖石重力，kN；γ為支撐巖石的體積力，取20 kN/m3；L為U型鋼棚棚距，取最大值0.85 m；B為巷道掘進寬度，取5.4 m；H為冒落拱高度，取0.77 m。

則：Rmax=20 kN/m3×0.85 m×5.4 m×0.77 m=70.7 kN。

根據(jù)《U 型鋼拱型可縮性支架技術條件和試驗方法》（MT/T 882-2000），使用的36U 型鋼支架斷面積為17.7 m2，額定工作阻力為420 kN，大于70.7 kN，滿足支護要求。

2.3 支護優(yōu)化

根據(jù)以上支護參數(shù)計算，在原支護基礎上，永久支護做如下優(yōu)化：

1）巷道采用“錨網(wǎng)索”支護，頂部采用8根Φ22 mm×2500 mm 高強錨桿，幫部采用6 根Φ22 mm×2500 mm 高強錨桿，錨桿間排距800 mm×600 mm。 金 屬 網(wǎng) 規(guī) 格 為1000 mm×2600 mm，網(wǎng)格70 mm×70 mm，金屬網(wǎng)搭接100～200 mm，采用雙股14#鍍鋅鐵絲雙邊連網(wǎng)，連網(wǎng)間距不大于210 mm。

頂板以巷中為中心線每排布置4 根錨索進行加固，肩窩2 根錨索為Φ21.6 mm×8200 mm 鋼絞線，其余錨索為Φ21.6 mm×10 200 mm 鋼絞線，間排距為1600 mm×1600 mm。巷幫肩窩處布置一排幫錨索加固，幫錨索距頂錨索間距800 mm，錨索均配300 mm×300 mm×16 mm 蝶形托盤使用。巷道頂板上方為煤層時，根據(jù)頂板與煤層的距離，頂板支護錨索采用Φ21.6 mm×8200 mm、Φ21.6 mm×10 200 mm 或Φ21.6 mm×12 200 mm 鋼絞線進行加固，確保錨索錨固在穩(wěn)定巖層中1.5 m 以上。

2）巷道自903X6 點前（358°方位角）18.5 m開始至圍巖破碎帶施工結束，巷道永久支護后采用5000 mm×3800 mm 直墻三心拱36U 型鋼棚加固。

U 型鋼棚共5 根梁，頂梁長2730 mm、肩梁長2590 mm、腿梁長2750 mm（水溝側為3150 mm），每道鋼棚使用鋼板連接板7 道（頂梁3 道，棚腿腿梁4 道），鋼棚卡纜12 副,其中包括8 副限位卡纜和4 副非限位卡纜，梁與梁之間搭接450 mm。鋼棚卡纜螺栓的預緊力矩為300～350 N·m，連接板螺栓的預緊力矩為100～150 N·m。共需架設鋼棚30 棚，鋼棚間距為800 mm，棚后背網(wǎng)格70 mm×70 mm 的金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)搭接100～200 mm，采用雙股14#鍍鋅鐵絲雙邊連網(wǎng)，連網(wǎng)間距不大于210 mm，噴漿厚度100 mm。

3）棚腿兩幫距底板500 mm 位置施工一排Φ21.6 mm×6200 mm 錨索+3.0 m 長12#槽鋼梁進行加固，一梁三索。

4）壁后注漿加固：待鋼棚噴漿全部封閉結束后，對架棚段統(tǒng)一進行注漿加固。

① 壁后充填注漿管布置方式：正頂1 根，兩肩窩各1 根，兩底角各1 根，每排共計5 根，注漿孔排距2.4 m。

②壁后充填注漿管使用鍍鋅鋼管(Φ20 mm×2000 mm)制作，要求注漿管埋設后外露不超過100 mm（距U 型鋼棚內沿）。注漿時，制漿配比:水灰比0.8～1，即每桶（Φ0.6 m×0.3 m）漿使用1.5～2 袋P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，注漿壓力不低于1 MPa。注漿后及時打探眼檢查注漿質量（注漿質量：探眼內無空洞或裂縫），探眼布置在兩排注漿孔之間，深度1 m，與注漿孔成五花型布置。

5）注意事項

① 當頂板巖石較軟，頂錨桿不能錨固在穩(wěn)定巖層中時，可采用Φ21.6 mm×4200 mm 錨索代替錨桿進行支護（錨索配250 mm×250 mm×16 mm 錨索托盤使用），確保錨固在穩(wěn)定巖層中。

② 巷道繼續(xù)向前掘進期間，巷道開挖后，如頂板較為破碎，先進行錨網(wǎng)支護后再進行套棚支護，套棚支護滯后迎頭距離不超過2400 mm。

2903 下順槽過圍巖破碎帶套棚支護示意圖如圖5。

圖5 2903 下順槽過圍巖破碎帶套棚支護示意圖（mm）

3 施工方法

1）2903 下順槽過圍巖破碎帶施工期間，采用掘進機配合人工開挖的方式掘進，使用掘進機配合帶式輸送機出矸。

2）2903 下順槽必須先對已掘圍巖破碎段巷道進行架設36U 型鋼棚后方可繼續(xù)向前掘進。

3）過圍巖破碎帶期間，嚴格控制循環(huán)進尺，循環(huán)進度不超過1 排，巷道破巖前上部兩根幫錨桿滯后迎頭的距離不超過1 排，破巖后上部兩根幫錨桿滯后迎頭距離不超過2 排，下部一根幫錨桿可在噴漿前進行施工（架棚時棚后必須先掛網(wǎng)支護）。

4）巷道繼續(xù)向前掘進時，先按照支護設計采用錨網(wǎng)進行支護頂幫，支護完畢后再進行套棚支護，U 型鋼棚支護滯后迎頭距離不超過2400 mm。

5）巷道套棚后對套棚段巷道進行噴漿覆蓋，噴漿厚度以覆蓋連接板為準。巷道套棚全部結束后統(tǒng)一進行壁后注漿。

4 架棚方法

1）架棚時登高作業(yè)需搭建作業(yè)平臺。使用兩個馬凳（馬凳高度不超過2 m、長度不低于1.2 m，使用時兩個馬凳沿巷道方向平行布置在兩幫）、厚度不低于40 mm 的木板（木板超出馬凳部分不得小于100 mm）及8#鐵絲搭建作業(yè)平臺（或采用掘進機、轉載部搭設木板作為作業(yè)平臺），平臺長度不低于3.0 m，寬度不低于0.5 m。

2）架棚前分別將棚腿按照設計位置及角度立好，再搭設肩梁，最后安設正頂?shù)囊桓斄骸?/p>

3）開棚腿窩：由驗收員根據(jù)巷道中腰線及鋼棚間距，定好棚腿窩位置，并根據(jù)腰線確定腿窩需要開挖深度，用手鎬將棚腿窩開至設計深度。

4）安裝棚腿：將棚腿抬至棚腿窩位置并放進棚腿窩內，按棚距及腰線調整好棚腿位置及深度，調整好前傾后仰，上好兩側棚腿的連接板。

5）安裝頂梁：在巷道兩肩窩處各施工1 根規(guī)格不低于Φ20 mm×2200 mm 起吊錨桿（使用兩卷錨固劑進行錨固），通過1 臺1 t 手拉葫蘆將頂梁吊起；或者至少3 名作業(yè)人員站在作業(yè)平臺上將鋼棚頂梁抬起、撥正至兩棚腿上端，將頂梁兩端按照提前標記好的搭接位置進行搭接，根據(jù)巷道中線和腰線調整好鋼棚中心及高低，上好連接板，上齊頂梁與棚腿搭接處的卡纜。

6）校核、調整：由驗收員根據(jù)巷道中心腰線對鋼棚的中心、邁步及前傾后仰進行校核，對于不符合設計要求的立即進行調整處理，處理好以后再次進行校核，直至達到設計要求。

7）使用風動扳手將連接板與卡纜螺栓緊固至設計預緊力矩。

8）在U 型鋼棚與巷道頂、幫之間按照設計要求鋪設金屬網(wǎng)，U 型鋼棚與巷道頂、幫之間使用半圓木背實。

9）對架棚段進行噴漿封閉，噴漿以蓋住連接板為準，噴漿后用刮桿刮平，并將鋼棚上的殘余噴漿料清理干凈。

10）如果缺少U 型鋼棚連接板，必須使用寬度不低于150 mm、厚度不低于20 mm 的木板或半圓木按照設計連接板數(shù)量進行臨時連接，采用雙股8#鐵絲將木連板與鋼棚綁扎至少3 圈。

5 壁后注漿加固方法

1）采用MQS-50/1.7 型氣動手持式幫錨桿鉆機施工幫部注漿管眼孔，MQT-130 錨桿鉆機施工頂部和肩窩注漿管眼孔（巷道向前掘進套棚施工時，可先預埋注漿管）；采用2ZBQ 型礦用氣動注漿泵進行注漿。注漿泵供氣壓力最大為1.62 m3/min，流量為0～50 L/min，壓力0～6 MPa。

2）制漿時，往攪拌桶內加半桶水，邊攪拌邊往桶內加水泥，當加夠水泥袋數(shù)后再往桶內加水至桶滿，然后攪拌均勻。制漿配比:水灰比0.8～1，即每桶（Φ0.6 m×0.3 m）漿使用1.5～2 袋P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥。

3）每班第一次使用注漿泵前必須采用清水進行試泵，在泵的出漿口位置接上膠管，膠管的另一端放到吸漿桶內并向桶內加滿水，待開泵后，注意觀察注漿泵出水脈沖情況是不是與泵的柱塞往復次數(shù)相同；確認注漿泵完好后，往桶內放入漿液后方可開泵注漿。

4）施工順序：由外往里、由幫及頂?shù)捻樞?，注漿時逐排進行，并由當班驗收員在記錄本上做好注漿記錄。

5）注漿過程中觀察巷道頂、幫有無跑漿、漏漿情況，若有跑漿、漏漿時及時使用炮泥封堵，注漿壓力不低于1 MPa。每次注好一個注漿管眼孔后，必須關閉注漿管孔口處閘門，防止漏液跑漿現(xiàn)象發(fā)生。

6）每班壁后注漿加固結束后，向吸漿桶內加注清水，使用清水對注漿泵進行清洗。

6 應用效果

通過3 個月的礦壓觀測，圍巖破碎帶段巷道變形量均控制在100 mm 內，達到了設計目的，并具有以下優(yōu)點：

1）增加錨索錨固深度。在陳四樓煤礦順槽施工中首次采用了Φ21.6 mm×12 200 mm 超長支護錨索，增加了錨索錨固深度，錨固范圍避開了頂板軟弱破碎區(qū)域，提高了支護強度，發(fā)揮錨索的預緊功能，使得懸吊作用更加明顯。

2）增強巷道支護安全性。將錨桿支護排距縮小為600 mm，實現(xiàn)了短掘短支，確保了巷道過圍巖破碎帶期間施工安全。

3）提高巷道支護強度。在錨網(wǎng)索支護的基礎上，在軟弱破碎帶巷道架設三心拱36U 型鋼棚，在U 型鋼棚與頂板之間使用木板背實，并進行壁后注漿加固，將鋼棚與頂板之間空隙充實，改善鋼棚與圍巖的相互作用關系，能夠更好發(fā)揮U 型鋼棚拱部的支撐作用，避免偏載對鋼棚支撐力的影響，實現(xiàn)了支架與圍巖的耦合支護，提高了巷道整體支護強度。

7 結語

深部大斷面巖巷過破碎帶期間通過在錨網(wǎng)索支護的基礎上架設三心拱36U 型鋼棚，同時在U 型鋼棚與頂板之間使用木板背實，并進行壁后注漿加固，將鋼棚與頂板之間空隙充實，改善鋼棚與圍巖的相互作用關系，能夠更好發(fā)揮U 型鋼棚拱部的支撐作用，避免了偏載對鋼棚支撐力的影響，實現(xiàn)了支架與圍巖的耦合支護，提高了巷道整體支護強度，使2903 下順槽平穩(wěn)通過圍巖破碎帶，保障了掘進施工期間的安全，為同類巷道過圍巖破碎帶提供了借鑒。