长环形支架（U型钢）耦合加固技术研究与应用

刘 凯 周洪文 丁其全

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北省武汉市，430070；2.冀中能源邯矿集团陶二煤矿，河北省邯郸市，056200）

长环形支架（U型钢）耦合加固技术研究与应用

刘 凯1周洪文1丁其全2

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北省武汉市，430070；2.冀中能源邯矿集团陶二煤矿，河北省邯郸市，056200）

探讨了锚网索＋长环形支架（U型钢）的“双壳”加固二次支护方法，在陶二煤矿首采区回风上山进行了二次支护技术工业性试验，在巷道中共施工40组长环形支架进行试验。结果表明，首采区回风上山巷道两帮及顶底板变形量趋于平稳，巷道变形得到有效控制，达到预期支护效果。

松软岩层 巷道支护 长环形支架 锚网支护 底板注浆

1 巷道概况

1.1 工程地质概况

陶二煤矿首采区回风上山下部与东副井井底车场绕道相连，上部与首采区总回风巷相通，设计服务年限20a。该巷道于2009年3月底竣工，目前已经过3次卧底维修。回风上山沿着2＃煤层底板掘进，总工程量为450m，巷道坡度约19°。回风上山所在岩层为粉砂岩，底板厚度为13～21m，裂隙发育，岩性较软，含黄铁矿和钙质结核，夹有一层0.4m的薄层泥岩，泥岩极软，易破碎。

1.2 回风上山原支护设计

回风上山设计断面为直墙半圆拱形巷道，巷道净断面规格宽为4500mm、高为3550mm，巷道顶和两帮采用锚梁网喷联合支护。采用ø22mm×2400mm螺纹钢锚杆，间排距700mm×700mm；拱顶锚索选用ø20mm×8000mm的钢绞线锚索，每排布置3根，间排距1800mm×1400mm；锚杆间使用梯子梁连接，锚索间使用纵向梯子梁连接；表面喷射120mm厚的混凝土，见图1。

图1 回风上山原支护设计

2 巷道围岩变形破坏原因分析及解决方案

2.1 回风上山围岩变形破坏原因分析

2.1.1 巷道围岩变形情况

经现场调查发现，回风上山全断面变形严重，巷道底臌量在1.3～2.2m左右，两帮收缩量达0.8～1.2m，特别是靠近轨道巷一侧帮部变形量较大，腰线以下部位浆皮出现撕裂，宽度为200～300mm，顶板下沉量为0.8m左右。巷道下部底板涌水量较大，该巷道已经维修过3次，巷道浅部围岩仍破碎严重，网兜较多。现巷道断面高度为1.6～2.3m，腰线部宽度2.2～3.5m，回风上山原巷道轮廓与现轮廓对比见图2，巷道断面的较大变形严重影响了矿井的安全生产。

图2 回风上山原巷道轮廓与现轮廓对比图

2.1.2 现场巷道围岩变形破坏原因分析

通过现场调查及分析，巷道围岩破坏的主要原因如下：

（1）回风上山埋深在644～835.2m之间，东副井井底车场－711m水平巷道的实测地应力数据显示该区域地应力较大，特别是水平地应力较大，最大水平主应力为31.0MPa，最小主应力为13.1 MPa，垂直主应力15.3MPa，说明构造应力影响显著，虽然水平地应力方向与巷道轴向近似平行，但在高应力环境下巷道围岩仍表现为工程软岩的特性。

（2）巷道底板表面有流水与底板岩层接触，粉砂岩中含泥质成分，遇水后降低了围岩强度。

（3）回风上山原支护方案只考虑顶板和两帮的支护，巷道底板无支护，碎裂底板自由变形，没有得到限制。

2.2 巷帮及巷道底板破坏深度计算

巷道底板围岩破坏深度主要与巷道断面形状、巷帮塑性区宽度、埋深、支护形式、围岩性质等有关，巷帮中应力向底板转移通道在巷帮塑性区深部，由极限应力平衡方程可得巷帮塑性区宽度为：

式中：x——巷帮的塑性区宽度，m；

φ——围岩界面的内摩擦角，取20°；

C——围岩界面的粘聚力，1.4MPa；

k——应力集中系数，取3；

γ——岩石平均容重，25kN／m3；

H——巷道埋深，700m；

Px——支架对巷帮的支护阻力，一般为0.1～0.2MPa，取0.2MPa。

将上述物理量代入式（1），得巷帮的塑性区宽度x＝1.4m。

巷道底板破坏深度计算：

将参数代入式（2），得h＝3m；

N.布什曼从很多模型中得到巷道底板最大破坏深度与巷道宽度有关，一般巷道底板最大破坏带深度为：

式中：L——巷道宽度；

N—破坏系数，当巷道破坏深度在2.25～3.375m之间时，一般N＝0.5～0.75。

通过式（2）和式（3），破坏深度取大值，确定回风上山巷道底板破坏深度3.4m。

2.3 回风上山支护优化方案

对于回风上山底臌量大，帮侧变形严重，提出采用“双壳”支护巷道的思路，“双壳”支护思路的主要依据：

（1）通过采用高强锚杆、锚索支护巷道围岩，并施加较大预应力，使支护体结构与围岩耦合成一体，提高围岩的骨架承载能力，使巷道周围形成第一应力承载壳；

（2）利用封闭式长环形支架较大的增阻和可缩性能，对巷道围岩进行二次支护，形成第二应力承载壳，再次提高支护结构对围岩变形的抵抗能力。

深部巷道的地应力增加，导致巷道围岩塑性区和破碎区范围增大，尤其在邻近巷道和底板水的作用下，支承应力和围岩变形量急剧增加。采用“双壳”支护能系统地从围岩深部到浅部控制围岩变形，减少塑性区破坏范围，从而提高巷道的稳定性。

3 长环形支架支护设计方案

3.1 支护设计

为了适应高水平应力的影响，减轻底板破坏程度，使支护体和围岩耦合成相互平衡结构，达到控制底板较大变形的目的，采用锚网索＋长环形支架（U型钢）二次支护方案。

实施方案步骤：

（1）建立高强锚杆、锚索协调支护系统；

（2）围岩注浆，提高破碎区岩体强度；

（3）采用全断面长环形支架控制围岩，实施永久支护。

3.2 顶、帮锚网索支护设计

首先根据巷道断面要求进行扩帮、挑顶、卧底，使巷道断面尺寸达到设计要求，即宽5200mm，高5000mm，然后进行锚网索支护，其巷道及支护参数见图3。

图3 巷道断面初始支护示意图

锚杆采用超强螺纹钢锚杆，规格为ø22mm×2400mm，破断强度为335kN，间排距800mm×800mm，每排布置13根，锚固剂为Z2360，2支，锚固段长度为1.5m，锚杆预紧力矩为300N·m，锚杆托盘采用130mm×130mm的钢板托盘。

顶板锚索采用3根ø17.8mm×8000mm的预应力锚索，间排距2000mm×1600mm，每帮使用1根预应力锚索，长4200mm，布置在巷道腰线位置，离底板高度为1300mm，锚索每排布置5根，锚索预紧力为100kN。每根锚索使用3支锚固剂Z2360，锚固长度为1.8m，锚索托盘为250mm×250mm×16mm的高强度球形托盘。

梯子梁规格为4.4m、1.6m和0.8m的，采用14＃钢筋制作，钢筋网规格为1250mm×950mm，网格100mm×100mm，搭接长度为150mm。

3.3 巷道围岩注浆加固

为减小底板水渗流作用对巷道的影响，采用底板注浆来阻隔水源的流通渠道，达到封闭底板围岩、提高底板围岩自身支承强度、减小围岩变形的目的。考虑到岩体浆液渗透距离，便于注浆孔施工和进行注浆工作，注浆孔布置参数为：底板每排布置4个注浆孔，顶板3个，两帮各2个，孔径均为ø42mm，顶板、两帮注浆孔孔深均为4000mm，底板注浆孔孔深为3500mm。注浆孔间排距为1800mm×3200mm，见图4。

图4 巷道注浆孔布置示意图

3.4 长环形支架二次支护及支护时机确定

长环形支架采用4节U36型钢搭接而成，每节长4400mm，中心弯曲半径为1200mm，两端水平长度为3700mm，支架排距为800mm，与锚杆支护排距相对应，支架之间采用扁钢作为拉杆连接，扁钢长为700mm。支架搭接处采用下限位式双槽夹板（卡栏），搭接长度为550mm。

二次支护时机是决定巷道维护效果的关键因素。二次支护过早将难以抗拒围岩的初期强烈变形；支护过晚，围岩破坏程度加剧，其自身承载能力又会急剧下降。基于巷道底板已翻修过3次，围岩变形基本稳定，长环形支架可在锚网索支护后直接进行，要求滞后距离不得超过2.5m。

二次支护结束后，巷道底板成圆弧状，为了方便巷道行人及运输作业，对底板进行浇注混凝土，浇注厚度900mm，保证底板形成水平面，见图5。

图5 巷道长环形支架支护示意图

4 矿压监测

4.1 两帮变形规律

通过对回风上山两帮移近量观测，综合原巷道观测数据进行对比分析，观测结果见图6。

图6 巷道两帮移近量对比分析

巷道原支护方式时，观测点1和观测点2显示：60d内，巷道两帮最大移近量为380mm，后期移近量扩大到800mm～1200mm。

采用锚网索及长环形支架联合支护后，观测点1和观测点2显示，两帮曲线规律基本相同。巷道两帮最大移近量为152mm，在支护40d内，移近曲线速率较大，巷道两帮变形最为明显；支护40d后，曲线速率变得比较平缓，移动速率比较小，两帮围岩基本稳定；50d以后，两帮变形基本稳定，移动速率接近于0。

4.2 顶底板围岩移动规律

通过对回风上山底板移近量观测，综合原巷道观测数据进行对比分析，观测结果见图7。

巷道原支护方式时，观测点1和观测点2显示：60d内，巷道顶底板相对最大移近量为290mm；后期巷道顶底板相对移近量扩大到1000～1900mm。

图7 巷道顶底板移近量对比分析

采用锚网索及长环形支架联合支护后，观测点1和观测点2显示，顶底板最大移近量为133mm，底板位移量较大，这和该区域较大的水平应力引起的松散岩体破碎变形有关，虽然底板岩体通过支架和注浆支护，但是较大构造应力仍然可以使巷道底板浅部发生碎胀变形，这是在支护过程中无法避免的。55d以后，顶底板变形呈现下降趋势，巷道围岩变形得到了有效控制。

5 结论

该技术可广泛应用与各类失修巷道，完善高地应力区域巷道支护技术，满足巷道支护要求，延长巷道安全使用周期；建立了“双壳”支护理念方法为高地应力区域巷道支护提供了一种支护新思路。

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［6］ 国兆乾.锚注支护技术在复杂应力结构高流变巷道底板加固中的应用［J］.中国煤炭，2009（5）

［7］ 任志新，上官峰，杨岁寒.柔性蓄能支护防冲技术应用研究［J］.中国煤炭，2012（3）

Research and application of strengthening technique for square ring support coupling

Liu Kai1，Zhou Hongwen1，Ding Qiquan2
（1.College of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei 430070，China；2.Taoer Coal Mine，Handan Coal Mining Group，Jizhong Energy Group Corporation Ltd.，Handan，Hebei 056200，China）

The double supporting way with cable anchor and rectangular ring（U－shape steel）supports was discussed，and applied to the first mining area of Taoer Coal Mine.40sets of rectangular ring supports were used in the center of roadway.The results showed that the roadway deformation tend to be stable and controlled effectively，achieving the desired supporting effect.

soft rock strata，roadway support，rectangular ring supports，anchor net support，floor grouting

TD353

A

刘凯（1983－），男，河北邯郸人，在读研究生，曾在邯郸矿业集团陶二煤矿技术科工作，助理工程师。

（责任编辑 张毅玲）