耦合支护技术在大断面软弱围岩控制中的应用

冯 锐

（1.河南理工大学，河南 焦作454000；2.郑州煤炭工业 （集团）有限责任公司项目建设部，河南 郑州454000）

1 项目概况

郑州煤炭工业（集团）振兴二矿有限公司位于郑州市二七区侯寨乡三李村境内，从2005年4月开始进行技术改造，采用3个立井开拓全井田，现有主立井保持不变，现有副立井改造为专用回风井，报废现有回风井，并在现有工业广场东北侧新打副立井。设计采用走向长壁炮采采煤法，工作面采用整体顶梁悬移支架支护。技术改造后设计矿井生产能力由0.3Mt／a提高到0.45Mt／a。考虑到后期生产期间矿井涌水量增大，本次技术改造在11采区下部－280m水平建一主排水系统，设计最大排水能力1350m3／h。－280m水平主排水泵房位于DF5正断层下盘40～50m处，该断层落差约为35m，且泵房层位为二1煤层底板厚层泥岩中，附近巷道布置密集（见图1），围岩破碎、整体性差，设计断面为5600mm×5000mm，因断面较大，支护困难。

图1 泵房巷道布置

2 泵房破坏现状

－280m水平主排水泵房原设计支护形式为U36型钢＋喷射混凝土＋5道工字钢连锁梁联合支护，于2013年3月底施工完成20m后，矿压开始显现，局部帮部开始出现纵向、横向裂纹，部分地点的喷层已经出现开裂，巷道底板也出现底臌开裂现象，局部底板开裂变形鼓起200～300 mm，泵房净宽缩小200mm左右，已安装的起重梁受两帮挤压开始变形，若再不采取有效措施将影响后期排水设备、排水管路安装，更不能保证安全使用。尽管矿方对围岩采取注浆加固措施，但效果甚微。

3 泵房支护失效原因分析

1）泵房硐室断面较大，围岩的松动圈也大，再加上泵房附近范围内巷道密集，轨道下山、配水巷、井底水仓、管子道等巷道与之形成了复杂的结构体系，造成硐室周边多重应力叠加，硐室一侧的断层加大了围岩和支护结构上的荷载和应力集中程度，是造成硐室收敛变形严重的重要因素。

2）自身围岩岩性。－280m水平泵房掘进过程中实际揭露的岩层主要有煤层底板砂质泥岩、泥岩及部分细砂岩，硐室尽管大部分布置在砂质泥岩中，围岩破碎，整体性差，易膨胀变形，当顶部压力较大时，造成底板围岩出现应力集中，产生塑性变形而底臌，进而影响硐室两帮稳定。

3）泵房位于DF5正断层下盘40～50m处，该断层落差约为35m，且泵房层位为二1煤层底板厚层泥岩中，再加上附近掘进巷道，对泵房的稳定性影响很大，

4）施工工艺、支护方法的影响，此类围岩开挖后支护方案的设计应以加固围岩，提高围岩整体性，充分利用围岩自身强度达到新的应力平衡稳定状态。原设计采用U36型钢＋喷射混凝土＋5道工字钢连锁梁联合支护，再加上棚支架不能顶紧岩壁，围岩封闭不及时，随着时间的推移，开挖后围岩松动圈不断扩大，单靠棚支架被动支护难以抵抗硐室围岩发生应变产生的应力，最终导致支护失败。

4 支护方案及支护参数

4.1 支护方案

破碎软岩硐室围岩变形特征一般表现为三个阶段：剧烈变形阶段、稳定变形阶段、加速变形阶段。实践证明，破碎围岩硐室在稳定变形阶段前后的变形速度在很大程度上取决于第一阶段的支护和围岩保持的状态。如果在硐室开掘之初，围岩未开始松动前就采取锚网喷＋必要时增加锚索、围岩注浆加固措施及时支护，并通过锚杆、锚索对围岩施加的预应力，使支护层与深部围岩紧密接触，防止深部围岩进一步松动，再加上后期封闭刚性棚支架联合支护技术，围岩的变形就会得到有效控制，反之支护失效导致巷道变形。因此采取如下支护方案。

一次支护：预应力锚杆＋金属网＋预应力高强锚索联合支护，一次支护要加快速度，尽可能减少围岩松动范围扩大速度。锚杆和锚索的长度、锚固长度、预紧力应根据实际围岩情况确定，通过锚杆、锚索组合支护技术来维持开挖初期硐室围岩强度。

二次支护采用全断面U36棚支架联锁支护，棚间距为600mm，棚子加工段与段之间的连接采用钢板螺栓刚性对接，施工期间确保整环棚支架在同一平面上，防止棚子旋扭失稳降低支护强度，随后进行喷射混凝土施工，一是封闭围岩，阻止围岩进一步风化，二是为后续围岩注浆加固施工提供条件（见图2）。

三次支护主要对反底拱进行混凝土浇筑，由于硐室围岩较破碎，为了能够利用水泥浆液的充填、挤压、固结作用对围岩进行加固，在浇筑底部钢筋混凝土时要预埋注浆导管。

图2 刚性棚支架加工示意示意

4.2 支护方案参数设计

锚杆：采用长度为2.5m、Φ22mm的高强螺纹钢锚杆、树脂锚固，锚固长度不低于1.30m，锚杆间排距700 mm×700mm，梅花形布置，螺母扭矩不低于200N×M，锚固力不低于120kN（见图3）。

网片采用直径Ф6mm的圆钢冷拔丝制作，网格间距为60mm×60mm。

图3 锚杆布置示意

锚索参数：每个断面布置7根锚索，间排距为1800 mm×2000mm，沿硐顶呈扇形分布，外端沿硐室纵向利用槽钢连接，形成锚杆连锁加固。锚索长度根据超前岩层探测结果确定为8m，局部可适当调整，锚索采用Ф18.9mm低松弛高强钢绞线，端头利用4个z2350的药卷进行锚固，锚固长度不低于3m，螺母扭矩不低于300N×M，锚固力不低于200kN（见图4）。

图4 锚索布置示意

注浆参数：注浆加固采用深浅孔交替注浆方式：浅孔注浆深度为1.2m，深孔注浆深度为3m深浅孔均呈梅花状布置，深浅孔布置间排距均为1.5m×2m，间隔布置，浅孔注浆主要以棚背破碎围岩充填为主，深孔注浆主要针对松散围岩与稳定围岩交界附近裂隙进行充填、挤密、固结加固。根据围岩松动范围及完整性，注浆孔间排距以及注浆孔深度可作适当调整。注浆管为复合注浆锚杆，注浆后上托盘作为锚杆使用，注浆管直径25mm，为确保不损坏硼支架、喷层，注浆压力不高于2.0MPa，注浆材料采用P.O32.5号普通硅酸盐水泥，水灰比1∶1，注浆加固必须等喷射混凝土强度达到设计值的70%后进行。注浆结束后可利用注水试验对围岩注浆效果进行检验。

利用底板浇筑混凝土时预埋的注浆管对底板混凝土浇筑层以下围岩进行注浆加固，以使硐室外部松动围岩加固成环，确保支护强度。

5 施工中应注意的事项

1）施工期间要加强光面爆破管理，合理布置炮眼数量、炮眼间距，严格控制装药量，尽可能减少爆破对周围围岩的扰动，减少围岩支护难度。

2）爆破后尽快进行锚网喷支护施工，及时初喷封闭围岩，要加强锚网施工质量管理，严格按照设计预紧力进行施工，以减慢开挖后松动圈范围发展速度，为后续施工创造条件。

3）封闭刚性棚支架连接板螺栓拧紧后要进行焊接，使之形成受力整体，井下安装期间要加强封闭支架安装质量管理，必须确保封闭支架安装后在同一截面上，棚支架喷浆完成后，及时进行利用浅孔注浆对棚背围岩进行充填固结。

4）利用探钻探明围岩松动圈范围，根据探测的松动范围合理设置锚杆长度和锚索长度及其锚固长度，确保锚杆锚索支护科学有效。

5）在施工期间合理确定控顶距离，尽可能在采用短掘短支，避免顶板事故发生。

6 支护效果检验

施工期间对已施工巷道的顶、底高度，巷道的净宽进行了布点观测，截止目前，巷道顶沉11mm，底板鼓起最大量18mm，净高减少了32mm，两帮宽度最大变形量为23 mm，进入2014年6月以来，巷道总变形量基本稳定。

7 结语

－280m泵房施工前20m范围内，硐室变形严重，支护效果不理想，通过对泵房破坏的原因从多角度进行综合分析，并根据分析结果及时制定了切实有效的支护方案，即锚网喷、锚索主动支护和36U封闭刚性支架相互协调联合支护，取得了良好的效果，上述支护方案的成功为大断面、弱胶接破碎围岩支护积累了工程经验，同时也取得了很好的经济效果。