祁东煤矿软岩巷道支护技术研究与应用

秦庆举，曹 飞

(皖北煤电集团公司祁东煤矿，安徽宿州234000)

随着祁东煤矿开采深度的增加，目前已开采至南部采区，水平标高－650m。在埋深大、地压强、地质构造复杂、岩性差的南部采区，巷道施工与支护越来越困难，单一的支护方式不能满足现场需要，已施工巷道屡遭破坏，需要反复维修，消耗了大量的人力、物力，南部采区软岩巷道支护问题成为亟待解决的技术难题。

1 工程概况

祁东煤矿南部采区岩石巷道集中，包括南一(61－71)采区回风上山、南一 (61－71)采区轨道上山、南部采区集中运输巷、－650m辅助水平水仓等开拓、准备巷道。巷道大多处于6煤组影响范围，揭、过煤次数较多;围岩以深灰色、含植物化石的泥岩及灰色、块状、水平层理的粉砂岩为主，部分地段为节理性发育的细砂岩。根据资料:泥岩坚固性系数为0.9～3.0之间;粉砂岩坚固性系数在4.3～5.5之间。南部采区巷道原有支护方案为:当顶板完整时，采用锚网喷支护 (顶板压力大时，采用锚索加固顶板)，半圆拱断面，帮顶锚杆均采用φ20mm，长2.4m的左旋无纵筋等强螺纹钢树脂锚杆，间排距为700mm×700mm;当顶板破碎，锚网喷支护不能满足现场要求时，采用U29型棚支护，棚距700mm。

2 原支护存在的问题

2.1 支护方式不合理

首先，对于南部采区软岩巷道，未对巷道变形特点及围岩岩性进行综合分析，直接采用单一的支护方式 (锚网喷或U29型棚)，这是导致支护失效最为根本的原因;其次，锚杆端锚范围内围岩破裂导致锚固力下降［1］，从而支护失效;第三，锚网喷支护体系中，锚杆、锚索单独作用，未形成承载整体;第四，巷道两肩窝处等首先开裂的关键部位失稳后没有及时进行二次补强支护［2］，成为巷道破坏的突破点，进而导致整个支护系统失稳。

2.2 支护材料强度不够

巷道围岩应力较大时，锚网喷支护巷道出现大量锚杆托盘变形或挤入碎胀的围岩中，网片焊接处被拉开，φ17.8mm的锚索被拉断等现象;U29型棚支护巷道棚梁成尖桃形破坏、棚腿折弯变形，上述现象表明支护材料强度远远达不到现场要求。

2.3 现场管理不到位

由于施工工艺的限制，施工时不能做到全断面一次成巷，支护时先支护拱基线以上部分巷道，拱基线下巷道长时间裸露在空气中，引起风化，导致碎胀。在爆破掘进时，少打眼，多装药现象时常发生，造成爆破时冲击波未将矸石抛出反而加大巷道围岩破坏，为后期支护带来不便。喷浆时浆料未按设计比例拌匀，喷浆后不洒水养护，造成浆皮粘结强度不够，巷道一旦来压则大面积开裂、脱落。

3 针对原支护失效的解决方案

3.1 优化支护方式，构建多重支护体系

对巷道变形特点及围岩岩性进行综合分析后，针对压力不同巷道采取不同措施。

对较高应力围岩巷道，采用锚网喷+注浆，U型棚外扎网、喷浆或U型棚+锚索等复合支护，其作用机理为:注浆可提高围岩支撑圈的强度与自支撑力，对锚喷巷道则使普通端部锚固变为全长锚固，使锚杆与围岩形成整体，充分发挥锚杆锚固作用;对可伸缩性支架则对架后空间进行充填，使支架沿周边承受均布载荷;喷浆可以封闭围岩，减少围岩的膨胀与风化;主动支护锚索和被动支护U型棚同时承载巷道围岩压力，有效避免单一支护的弊端。

对高应力围岩巷道，采用二次联合支护，初次支护采用锚网喷索支护，二次支护采用套U36型棚、喷浆、注浆进行联合加固，其作用机理主要有:高强预应力锚索可改变软弱围岩的承载能力，配合“锚、喷、网”形成喷网组合拱，具有很高的支护阻力和刚度［3］;采用锚网索支护与注浆加固的联合支护技术，特别是长短管组合注浆工艺，能有效地控制围岩变形，提高围岩的稳定性［4］;锚注联合加固支护技术把碎岩由载荷变为承载体，有效地改善了软弱围岩性能［5］。另外，松软岩层锚喷支护要及时处理底板［6］，巷道两帮的底角锚杆或锚索下扎一定角度，以转移应力防止底鼓。

3.2 优化支护材料，构建承载整体结构

预应力锚索由φ17.8mm更改为φ21.6mm，可伸缩性金属棚由U29型棚更改为U36型棚，以更好地支撑围岩压力。锚杆托盘由板式托盘更改为蝶形托盘，长×宽由140mm×140mm改为200mm×200mm，进一步增大锚杆托盘的支撑面积。钢筋网由受力筋和分布筋组成，受力筋主要用来承受由荷载引起的拉应力，应适当加粗，用φ10mm圆钢;分布筋用来固定受力钢筋的位置，将荷载分散到受力筋上，用φ6mm圆钢;网格约150mm×150mm;焊接牢固。

当钢筋网不能满足现场要求时，采用钢筋梯子梁配合锚杆，KTM3钢带梁配合锚索对巷道进行加固支护，如图1。

图1 巷道加固结构

当围岩变形时，锚索、钢带梁、锚杆、梯子梁、金属网共同作用，在围岩表面形成一个三维支护体系，与围岩共同组成一个整体承载结构，使围岩提早达到一个动态的应力平衡状态。

3.3 加强现场工程管理

结合20世纪70年代末传入我国的“新的奥地利隧道施工法”的精华［7］，同时从祁东煤矿现场实际情况出发，在现场工程管理方面有以下要求:

(1)强化光面爆破管理 在松软岩石中采用钻爆法，掘进时采用光面爆破，以防止围岩遭到破坏。巷道周边多打眼，少装药，要达到爆破基本成型，然后按设计轮廓用风镐和手稿对巷道进行规整，做到顶帮平直以消除因岩面不平而引起的应力集中现象，避免过大的集中应力造成围岩破坏。

(2)推行质量标准化管理 南部采区条件差，压力大，应牢固树立质量标准化意识。要求全断面一次成巷，巷道掘出后及时初喷，以实行密贴支护，减少围岩在空气中暴露的时间，防止因水和风化作用造成围岩剥落和破坏;加强网片连接，特别是两肩窝处网片;喷浆前严格按照喷配比和水灰比将浆料拌匀;喷浆后严格对喷层进行洒水养护。对当班施工的锚杆进行自检，并将工程质量纳入考核范畴等。巷道掘进过程中，加强对后路的巡查工作，及时对两肩窝等首先开裂的关键部位进行补强支护，以保证支护体力学特性与围岩力学特性匹配。

4 现场应用实例

(1)94采区61煤底板运输上山 (下段) 巷道断面为半圆拱形，净宽×净高为3.8m×3.3m，全长约400m，分段按7°，11°，15°上山施工，巷道处于63煤层位，巷顶距63煤底板薄煤层法距0.5～2.0m，63煤底板薄煤层上距63煤法距约2.0～4.5m，施工范围内主要岩性为泥岩，灰色，薄片状，质软，较破碎。

由于巷道靠近6煤组施工，施工过程中反复揭露63煤底板薄煤层及63煤，顶板以完整性差的泥岩 (坚固性系数为1.7～3.8)为主，设计支护方式为U29型棚支护。支护失效后采用φ17.8mm、长7.5m的锚索对巷道加固，锚索间排距为1.4m×1.4m，1排5根，正顶1根，两肩窝各1根，两帮距拉杆100mm上方各1根;顶部锚索托盘长500mm，垂直巷道方向布置;为防止棚腿出现折弯变形，帮部锚索托盘长1.0m，平行巷道方向布置，锚索打在棚档正中且托盘卡住前后两个棚腿;为避免水泥背板被压碎，将水泥背板更改为铁背板。

经过半年时间对现场表面位移测量，未采用锚索加固段巷道底鼓、胀帮严重，底鼓量平均600mm，两帮棚腿变形严重，局部折弯，棚梁向上弯曲，呈现尖桃形破坏;采用锚索加固段，基本没有底鼓现象，但帮部锚索托盘未护住棚腿段巷道，棚腿距离帮部围岩有一定空隙，没有承载帮部围岩压力，只有主动支护锚索承载，从而出现锚索被拉断的现象;帮部锚索托盘护住棚腿段巷道，棚腿紧贴帮部围岩，与锚索形成整体，一起承载帮部压力，但由于锚索托盘长度较长，出现从锚索孔处折弯变形的现象，需要进一步加强锚索托盘强度。

(2)南一 (61－71)采区轨道上山 (中段)

巷道断面为半圆拱形，净宽×净高为4.6m×3.9m，全长约900m，按16°上山施工，施工范围内主要岩性为粉砂岩，灰色，块状，水平层理;泥岩，深灰色，含植物化石。

由于巷道顶板以较中等完整的粉砂岩 (坚固性系数在4.3～5.5之间)为主，设计支护方式为锚网喷索支护。一段时间后，巷道帮顶位移变形明显、喷层开裂破坏严重，于是采用钢筋梯子梁配合锚杆，KTM3钢带梁配合锚索对巷道进行加固。钢筋梯子梁采用φ12mm钢筋焊接而成，眼孔间距为700mm，垂直巷道布置。施工时拱基线以上使用1根长度为6.0m的梯子梁，拱基线以下使用2根长度为2.3m的梯子梁，两端眼孔压茬搭接形成整体。KTM3钢带梁与锚索托盘平行巷道布置，钢带梁两端眼孔压茬搭接形成整体。经过一段时间的应用，巷道基本没有出现变形、浆皮开裂等现象，加固效果明显。

(3) －650m辅助水平水仓 (外仓) 巷道断面为半圆拱形，全长约310m，主要岩性为泥岩，深灰色，性脆，块状，含粉砂质;粉砂岩，灰色，薄层状，层理清晰，层间夹有少许泥岩条带;63煤，黑色，粉末状，厚0～400mm。

由于巷道处于63煤层位，揭、过63煤距离较长，过煤后巷顶距63煤底板≤7.0m，顶板以中等完整的泥岩 (坚固性系数为2.0～3.0)为主，加上该巷道需要满足南部采区后期储水需要，服务年限较长，设计支护方式采用二次支护。

初次支护采用锚网喷索支护，净宽×净高为4.2m×3.2m，顶部采用钢筋梯子梁配合7根锚索进行支护，锚索 φ17.8mm，长7.5m，间排距为700mm×700mm;锚索托盘为2块采用16mm厚钢板加工的蝶形托盘叠加，长×宽为300mm×200mm、140mm×140mm;钢筋梯子梁长6.0m;钢筋梯子梁、锚索托盘垂直巷道中线布置。两帮采用6根锚杆配合钢筋网、钢筋梯梁支护，锚杆φ20mm、长2.4m;钢筋梯子梁长1.8m，顶帮钢筋梯子梁压茬搭接成整体。

二次支护采用套U36型棚+锚索+喷浆+注浆进行联合加固，U型棚规格为3.8mm×2.9m，棚距为700mm，套棚滞后迎头不大于20m。套棚后外扎网片，打锚索、注浆锚杆，经验收后再对巷道进行喷浆 (喷厚以覆盖外扎网片为宜)，两帮共施工4根锚索并配合KTM3钢带梁使用，锚索φ17.8mm，长5.5m，KTM3钢带梁长3.0m;锚索托盘采用11号工字钢加工而成，长1.0m。施工时锚索打在帮部上下相临两个锚杆正中，间排距为700mm×1400mm，两帮底角锚索下扎15°，KTM3钢带梁、锚索托盘平行巷道布置，卡住前后两个棚腿，并用球形锁具进行涨紧;喷浆紧跟耙矸机。－650m辅助水平水仓支护图见图2。

图2 －650m辅助水平水仓支护

注浆锚杆为空心有孔锚杆，φ22mm，长2.0m，端头开孔1.0m;长4.0m，端头开孔3.0m，间排距为1.0m×2.1m，一排9根;施工时长、短两种注浆锚杆交替布置，底角锚杆下扎角度为15°。注浆采用水泥单液浆，标号不低于P.O 32.5普通硅酸盐水泥。注浆滞后喷浆不大于20m。注浆加固如图3所示。

图3 －650m辅助水平水仓注浆加固

5 结论

根据巷道变形破坏特点和围岩条件，从支护作用机理进行研究，对支护方式重新组合、参数进一步优化，形成了适合本矿巷道支护需求的支护方案。对围岩应力较大巷道，在基本支护的基础上，进行喷浆、打锚索或注浆等补强加固，可有效地控制巷道围岩变形，支护效果较理想。对高应力围岩巷道，在钢带梁配合锚索、锚杆支护的基础上，采用锚索配合U36型棚进行二次加固后，采用长短管组合注浆构建叠加支护体系，现正在现场实践阶段，具体实施效果及参数优化还有待跟进研究。

［1］谷 满，姜 光.深井软岩巷道顶板围岩稳定性控制技术［J］.煤炭工程，2011(9):29－30，33.

［2］宋佶和.软岩矿井拓宽锚喷支护应用范围的研究［J］.煤矿开采，2006，11(1):44－45.

［3］张洪鹏.深井软岩巷硐支护技术研究与实践［J］.煤炭科技，2011(4):3－4.

［4］陈新年，张 琨，任建喜，等.锚注加固技术在高应力碎胀岩体巷道支护中的应用研究［J］.煤炭工程，2011(7).

［5］韩关桥.东庞煤矿软岩硐室加固技术研究［J］.煤炭工程，2010(10):23－25.

［6］张志远.松软岩层中光爆锚喷支护的应用研究［J］.采矿技术，2011(3):46－47.

［7］刘 刚.井巷工程 (第一版) ［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2005.