高地压巷道围岩加固支护技术研究

刘鹏程

(内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司, 内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引 言

巷道围岩的工程性质好坏直接影响巷道支护的难易和巷道工程的稳定性，有些巷道由于矿井开采需要不得不布置在受断层影响带内或围岩地质条件不良的区域，而此类区域围岩内积聚了巨大的弹性能或者围岩松散破碎，巷道的开挖导致弹性能的释放，巷道变形显现出明显的大变形特征，围岩的变形不再是几十毫米的小变形，而是几百甚至上千毫米的大变形[1-3]。围岩的剧烈变形不仅发生在掘进影响的短期内，而且会持续更长时间，巷道不再有最终变形的稳定期，而是会始终处于变形和不稳定的变化之中[4-5]，造成巷道每隔一两年或更短周期就需返修一次，严重影响煤矿的安全高效开采。

安徽某矿二水平北翼总回风巷上部联巷位于该矿井二水平Ⅱ62轨道下山附近，巷道围岩地质条件差，围岩大部分是泥岩、粉砂岩、煤层及煤线，同时巷道还位于孟口断层带影响范围内。孟口断层为井田内一大型逆断层，断层落差高达40 m，其上、下盘断层带累计宽度达到150 m左右，断层带内发育有大量小断层。断层带内的构造应力较高，巷道围岩裂隙极为发育。除此之外，巷道还受到采动集中应力作用影响，位于6煤层各工作面回采后所形成的半径为25～100 m不等的遗留煤柱的孤岛内。

1 巷道钻孔窥视

为了解围岩内部裂隙发育规律，利用钻孔探测仪对巷道顶板及两帮围岩内部破坏情况进行了探测分析，可以为分析巷道目前稳定状况提供依据。

图1 巷帮钻孔探测成像

图2 顶板钻孔探测成像

图1、图2探测结果表明，受断层影响，巷道围岩裂隙极为发育，围岩破碎，给巷道锚梁网支护带来不利影响。巷帮1.4 m深度范围内，岩体被节理切割成碎块，岩体破碎，1.4～4 m深度范围内围岩状况整体较好，未发现明显裂隙；顶板0～1.4 m岩性裂隙较为发育，岩性软，但成孔较好，1.4～5.5 m裂隙极为发育，岩体被多个方向的节理切割成小块体，部分形成较大孔洞，锚杆、锚索锚固在此类岩体中，锚固效果将大大降低，影响巷道支护安全。施工时应尽量加长锚索的长度及锚固长度，使之深入到稳定岩层中，保证锚索悬吊可靠[6]；其次采用锚注综合加固方法将破碎或软弱的岩体胶结在一起，提高围岩自稳能力[7]。

2 巷道支护方案

设计巷道断面为直墙半圆拱形，掘进巷宽4300 mm，巷高3450 mm，掘进断面积12.85 m2；巷道净宽4200 mm，净高3400 mm，净断面积12.38 m2。巷道掘进采用钻爆法施工，全断面光面爆破掘进，采用锚梁索喷支护(见图3)。

(1)顶板组合式拉力分散型树脂与注浆全长锚固锚索支护。采用18#槽钢梁作为组合梁，显著提高钢梁的抗弯性能，防止在顶板压力作用下超过梁的许用应力而弯曲屈服，造成锚索间岩体压力卸载；采用改进的锚索注浆方式，在不改变现有锚索锚固结构的同时，利用自行设计的新型注浆结构在自由段注浆，使锚索由端锚变为全长锚固，由拉力集中型变为拉力分散型，显著提高锚索强度利用率和防腐性能。

(2)底板注浆全长锚固锚索配合钢筋混凝土底梁支护。巷道围岩是一个有机整体，底板支护必须同顶板、巷帮一样给予足够重视，否则巷道围岩应力以底板为突破口卸载，进而造成巷道的失稳。采用钢筋混凝土底梁配合注浆锚索综合加固支护技术，收集并使表面围岩变形压力通过锚索转移至深部，降低底板破坏程度。钢筋混凝土底梁铺设在巷道底板下面500 mm处，在巷道现场进行浇制。组合锚索按正交布置，底板锚索间排距为2000 mm×1200 mm，钢筋龙骨纵筋为Φ18 mm、箍筋为Φ14 mm，扎制截面为200 mm×240 mm。钢筋混凝土底梁截面：宽×高=400 mm×300 mm。混凝土强度不低于C30。底板锚索穿过底梁锚入底板，每排安装2根锚索，规格为Φ18 mm×6500 mm，锚索孔径为Φ40 mm，孔深为6000 mm；锚索锚固材料配比为：水灰比0.38；水泥为93%，膨胀剂为7%；减水剂为0.6%。灰砂比为1∶0.8。

锚梁索喷支护体系由四部分组成：

第一部分是金属网背护。巷道掘进成形后，铺设金属网。采用Φ6 mm钢筋焊接的、孔径不大于Φ40 mm的钢筋背板背护围岩表面。

第二部分是锚杆支护。采用钢带配合锚杆进行锚杆支护，锚杆规格为Φ20 mm×2400 mm，锚杆间排距为850 mm×800 mm。锚固长度不短于1000 mm，锚杆孔径为Φ28 mm；钢带规格为3000 mm×280 mm×5 mm。钢带沿顶板横向铺设，相邻钢带相互搭茬，并压紧金属网或钢筋背板，锚杆垂直围岩表面锚固。

第三部分是围岩表面喷浆。锚杆支护施工完成后，对巷道表面喷射混凝土砂浆。砂浆标号C30，喷层厚度为50 mm，喷浆后的巷道围岩表面应当平整，断面形状符合巷道断面设计要求。

图3 巷道锚梁索支护技术方案

第四部分是组合式拉力分散型全长锚固锚索支护。组合式拉力分散型全长锚固锚索由锚索与18#槽钢梁及让压锚索垫板组成。组合锚索沿巷道走向布置，锚索间排距为1100 mm×1400 mm。槽钢梁沿巷道走向布置，压住锚杆、钢带。沿巷道中、上部周向共布置5排锚索组合梁，相互错茬布置。槽钢梁长3200 mm，一梁三索布置。钢绞线规格为Φ18 mm×8000 mm，锚索采用树脂和水泥浆混合全长锚固。靠近孔底部分采用树脂锚固剂锚固，锚固长度为2000 mm；靠近孔口的其余部分采用水泥砂浆锚固。

3 巷道围岩控制效果

为分析巷道掘进期间的变形规律，在测点布置上选择具有代表性区域设置观测点，观测结果见图4。矿山自行设计支护段支护采用单体锚杆初次支护，采用单体锚索二次补强，锚索长度6 m，未注浆。

各测站位移观测结果表明，在围岩压力转移支护技术试验段，采用组合式拉力分散型树脂与注浆全长锚固锚索支护，有效防止了锚索间岩体压力卸载，同时实现了深孔注浆与锚索的全长锚固。在监测的280余天内，巷道两帮移近量约25 mm，顶底板移近量约39 mm，基本无明显变形，控制效果良好；矿山自行设计支护段，共监测300余天，期间巷道两帮总移近量为161 mm，顶底板总移近量为220 mm，变形量较大，后期采用压力转移支护技术补强，巷道维护效果明显好转，变形速度得到控制。

图4 巷道围岩监测曲线

4 结 论

(1) 采用钻孔窥视方法，探明了巷道围岩顶板及两帮破坏情况，给锚索支护参数提供了参考。锚索的锚固段必须位于破碎带之外，使锚索生根于稳定岩层，保证锚索锚固可靠是保证本试验巷道支护效果的决定性因素。

(2) 提出了钢筋混凝土底梁配合注浆锚索综合加固底板的支护技术，收集并使表面围岩变形压力通过锚索转移至深部，降低底板破坏程度，防止围岩应力以底板为突破口进行卸载，进而引起巷道的整体失稳。

(3) 通过研究总结出了高地压软岩巷道支护成功的三个重要途径：一是支护体必须能够有效收集巷道表面压力，阻止围岩压力的卸载；二是锚索锚固深度必须位于巷道的塑性区范围之外，保证锚索锚固可靠，使围岩表面压力转移到深部；三是锚注联合支护，实现锚索控制范围大、承载力大、主动支护的优势与注浆提高围岩自稳能力的有效结合。

参考文献：

[1]渠 涛,韩立军，等.极软岩巷道与硐室成套修复加固技术研究[J].煤矿安全，2008(9):6-9.

[2]马生徽，王文杰，马雄忠.基于正交数值试验的玻璃钢锚杆支护参数优化研究[J].矿业研究与开发，2013,33(2):46-48,56.

[3]侯朝炯,勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J].岩石力学与工程学报,2000,19(3):342-345.

[4]高厚奇,乔中栋.高应力软煤岩巷道锚喷支护技术[J].煤矿开采,2005,10(3):43-44.

[5]曹建军,焦金宝.深井沿空巷道围岩失稳机理与稳定性控制[J].煤矿安全,2010(2)：97-100.

[6]钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制[M].北京:煤炭工业出版社，1984:69-84.

[7]尹站稳,轩艳伟,蒋佳政.断层构造段高应力软岩巷道支护技术研究[J].中州煤炭,2012(3):1-4.