大埋深、高地应力、断层带联合协同支护技术的应用

文/徐书航 张素磊

平煤股份十一矿-593北石门是一条主要运输巷道，地质条件复杂，由于岩性较差，围岩出现松散、软弱的特性，再加上巷道处于断层附近矿山压力大等因素，严重影响了巷道的稳定性，出现顶板下沉，底鼓，尖顶，两帮内挤等破坏现象，以致要进行大量的维修，从而大大增加了维修费用。经过分析研究，采用锚网喷+锚索+36U型钢支架+注浆联合协同支护，取得了良好的效果。

一、地质条件

-593北石门巷道地质条件复杂，埋深大，平均埋深720m，垂直方向地应力达到18MP，且巷道穿过张庄逆断层，所在岩层主要包括有砂质泥岩、粉砂岩、泥岩和煤等，由于岩性较差，围岩出现松散、软弱的特性，其中粉砂岩、泥岩遇水极易膨胀、破碎。

二、原支护及复修方式存在的问题

原设计断面为半圆拱形，断面净宽4400mm，净高 3700mm，初始采用 Φ20×2000mm等强锚杆配钢笆网，喷浆支护。由于巷道失修严重，先后进行了4次返修。分别用29U型钢支护；锚喷+注水泥浆支护；锚网喷+锚索支护；36U型钢支护。但效果均不明显，经过4～5个月后巷道两帮收缩及底鼓现象已经显现，巷道顶底板收敛量达到1700mm，巷道两帮收敛达到1000mm，失修严重。

通过现场调查，目前平煤股份十一矿深部巷道使用维护过程中存在的主要问题是：

1.支护强度不够，且难以形成支护的整体性。

2.锚杆支护未形成有效的主动支护。

3.采用锚喷+锚索支护，由于锚杆、锚索依次受力，形不成协同支护。锚杆由于预应力小、锚索预应力很大，造成开挖初期锚索独自受力，在浅部开采时该问题不突出，但在深部开采时，锚索将由于不能承受大变形而破断；依次锚杆滞后锚索受力，锚杆、锚索不能形成合力，支护效果大大降低。

4.采用U型支护，围岩强度得不到有效加强，当巷道周边的应力超过岩体的长期强度极限时，岩石将呈现塑性变形，变形并不随时间而衰减，随着巷道围岩的应力释放，出现的应力降低圈周边岩石逐渐松动，向巷内移动变形，由于支护阻力较小，而导致破碎围岩的碎胀。支架在围岩地压作用下，承受侧压力和不均匀的载荷，产生弯曲力矩造成支架达到屈服极限后破坏。

三、大埋深、高地应力软岩巷道支护方案及支护参数确定

1.协同联合支护方案

协同支护是指在现有理论基础和支护类型的基础上，在支护设计中，分析各支护构件之间的相互影响、相互作用关系，以及围岩荷载在它们之间的相互转移关系，充分考虑支护体的材料性能、支护性能以及对围岩支护作用范围的相互协同性，以保证各支护体相互补充，互相协调，共同作用，合理发挥各种支护构件的工作性能，实现主动支护，并产生1＋1≥2的“团队”作用。

（1）通过注浆将破坏区的围岩胶结成整体，提高岩体粘聚力和内摩擦角，强化岩体的力学性能。

（2）采用锚网喷+锚索：选择合适的锚杆、锚索与预应力协同支护。采用锚杆、锚索组合支护，关键就是协同作用（同步承载和刚度匹配）。按目前的施工机具，高性能锚杆的安装预应力仅为20～30kN，因而锚索的预应力一般不应超过80～100kN，才能形成同步承载。

通过对锚杆、锚索的不同预应力匹配进行数值模拟，得知对锚杆施加40kN的预应力与锚索120～140kN的预应力协同性较好，而锚杆60kN的预应力与锚索140～160kN的预应力产生协同性较好。

（3）与36U型钢形成协同支护。深部巷道围岩支护必须选择合理的支护时机并选择与之相适应的支护刚度进行协同支护。单一的U型钢支护，在高应力作用下（尤其是动压）易产生较大的变形和局部失稳，如果围岩破坏后的残余强度很低，则会导致巷道围岩自承能力大大下降，巷道处于不稳定（失稳）状态。所以，单一的U型钢支护不适合大松动圈巷道的支护，必须采用其他支护方式或与其他支护方式联合使用形成协同支护。

因此本方案采用锚网喷+锚索+36U型钢支架+注浆联合协同支护。

2.支护参数

带肋螺纹钢锚杆Φ22×2400mm，间排距700×700mm，网采用Φ6mm钢筋焊接网，锚索Φ17.8×7500mm、Φ17.8×4500mm，两种规格，间排距 1400×1400mm，每排7根；注浆采用Φ19.05mm钢管长度2500mm，孔排距4m，五个孔的分布为顶板中心一个孔，垂直于顶板，两帮距底板0.6m处各布置一个向下30°的孔，两帮距底板2m处垂直于两帮布置两个孔；36U型钢支架规格为4574×3700mm，棚距 600。

3.施工工艺

施工顺序为：人工扩帮拉底至设计尺寸，锚网加锚索喷浆，架36U型钢支架支护，喷浆封闭，注浆。

（1）注浆材料。选用德国巴斯夫公司的产品美固364。

（2）注浆设备。ZBQS-12/10双液压泵。

（3）注浆工艺。美固364是一种快速反应的双组分胶结固化剂，需用专用的注浆设备泵送注入煤岩体裂隙内。要求双液注浆泵注浆压力5～15MPa，保证两组分按照体积比1∶1充分混合；在需要进行加固区域的煤岩壁上布孔，根据煤岩体的岩性、破碎程度、裂隙发育程度、裂隙发展方向，结合美固364自身的特性，决定在煤岩壁上注浆孔的深度、方向、间排距；将注浆管塞入注浆孔，并把注浆管和注浆孔之间的空隙用水泥封好，封孔越深越严实越好；如果注浆压力超过15MPa或者煤岩壁漏浆严重则表明该区域已经注好，需要换孔进行下一轮注浆，每个孔注浆量最好不超过400kg。

（4）注意事项。注浆泵要放置平稳，且位于支护、通风良好的地方；注浆材料要置于注浆泵附近，并保证没有积水的地方；风管与注浆泵连接必须采用安全接头，并保证连接牢固、可靠；连接吸管与输液管，并保证A组分与B组分的吸管与输液管分别正确连接在A、B化学缸上；检查两组流量是否相同，并通过调节阀使A、B组分的流量达到1∶1的要求。

四、矿压观测及支护效果分析

每间隔30～40m设立一个测站，每站设立不少于2组测点，每组测点间距不超过15m，每组分别在顶、底、两帮中部布设测点测量。通过对巷道围岩变形情况监测结果，进行整理得出：三个月内巷道顶板收敛120mm，两帮收敛量为135mm，底板变形量为145mm，巷道围岩得到了有效控制，该段巷道采用该技术后未出现巷道失修现象，达到了较好支护效果。

此次十一矿-593北石门在大埋深、高地应力修复巷道中采用锚网喷+锚索+36U型钢支架+注浆联合协同支护后，巷道没有变形，区域顶板和两帮未进行维修，联合协同支护效果明显，大大降低了巷道的维修量。