锚喷支护在破碎岩巷的使用

梁文江

摘  要：文章以曲斗煤矿二号井上姚采区+395运输大巷为例，揭示了其变形破坏机理，提出破碎岩巷二次锚喷支护技术，工程实践表明该支护方式能够抑制围岩大变形，取得了良好支护效果。

关键词：破碎岩巷;破坏机理;二次锚喷;应力均匀化

中图分类号：TD353.5     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）36-0034-01

随着煤炭开采强度的不断增加，巷道掘进与维护工程量日益增多。尤其当巷道所处围岩地质条件复杂时，巷道掘进后围岩多处于松散破碎状态;高围压状态下围岩积聚了大量变形能，使得巷道围岩表现出初期变形速率快、整体收敛、四周来压以及强烈变形等特点，破碎围岩巷道支护已成为深部煤炭开采亟待解决问题。

1  工程概况

曲斗煤矿二号井上姚采区+395运输大巷的地层为侏罗系上统长林组（J3c）岩性复杂，从沉积岩—火山碎屑岩—熔岩都有。它们有沉积砂砾岩，细—中—粗粒砂岩、粉砂岩、凝灰质砾岩、火山角砾岩、凝灰质页岩、凝灰岩、流纹岩等。岩石质量劣，岩石完整性差。岩层顶板发育，水平层理，伴生褶皱及分支断裂发育，将其划分为“三层结构型”，其主体构造为一复杂的复式向斜、在剖面上主要发育了三条缓断裂，均呈“舟状”（厚度>  300 m。呈断层接触。岩石质量劣，岩石完整性差，巷道原支护为一次锚网喷支护成巷方式，围岩变形收敛情况十分严重，影响矿井正常的生产开采活动。

2  巷道变形破坏机理

对该巷道地质情况进行分析发现，巷道变形破坏因素是多方面的，各因素所引起的影响程度各不相同。综合分析可知，巷道变形破坏因素主要为以下几个方面。

2.1  地应力大

对巷道围岩进行应力测试得出，巷道围岩所处地质条件较为复杂，断层、动压等影响使得围岩所受地应力极大，围岩碎涨蠕变情况较为严重。

2.2  围岩性质

该运输大巷巷道所处围岩性质主要为粉砂岩，并且围岩中含有遇水膨胀的高岭石与伊利石，围岩整体较为破碎，属于Ⅳ～Ⅴ类围岩。巷道围岩存在严重的开石蚀变和风化现象，局部地段围岩在高地应力作用下具有明显的工程软岩特性。随着巷道服务年限的增长，围岩碎裂现象日益严重，围岩中积聚了巨大碎涨变形能，增加了巷道支护的难度。

并且，由于碎涨变形能在围岩中的不均衡分布，其施加在支护结构的力亦不均匀，使得支护结构局部受力过大而出现严重破坏。

2.3  巷道掘进

该巷道掘进方式为爆破，爆破会加速围岩破碎松动，使得浅部围岩松散破碎程度加剧。

2.4  原支护方案不合理

该巷道原有支护方式为一次锚网喷支护成巷方式，巷道支护初期就表现出明显的破坏变形，表现为部分锚杆断裂、顶部掉渣剥落，后期甚至出现严重的巷道变形现象。分析其原因主要有两个方面：其一，巷道支护阻力不够，高地应力作用下锚网喷支护阻力不能够承载外部巨大的弹性能;其二，支护方案不合理，由于巷道围岩较为松散，锚杆支护在其中并不能发挥良好的控制效果。

3  破碎岩巷围岩稳定性控制

分析巷道变形破坏特征及机理可知，传统的单一支护方式很难达到破碎围岩稳定性控制的目的。同时，由于巷道围岩中积聚了大量的碎涨变形能，一味增加支护刚度不符合深部围岩控制原则。结合相关工程施工技术与围岩控制理论，设计对轨道大巷采用二次锚喷支护方式。

3.1  二次锚喷支护机理

深部巷道围岩稳定性控制的关键在于充分发挥围岩自身承载能力，将支护体与围岩视为统一的支護结构。相较于支护强度较大的U型棚支护而言，一次锚喷支护具有一定的主动性与支护柔性，能够释放部分围岩变形能，支护效果要更好。但两种支护方式都存在柔性差、可缩性小的问题，支护以抗压方式为主，难以调动围岩自承载能力，在深部破碎岩巷支护中差强人意。因此，深部破碎岩巷支护体亦需要兼顾“主动与被动”、“让压与抗压”，二次锚喷支护就是基于此提出的支护方式。

二次锚喷支护机理为：①初次锚喷施以一定强度支护结构，允许围岩在不影响巷道安全使用的前提下释放部分膨胀变形能，转移应力峰值至深部围岩，降低作用在支护结构上的载荷大小。②二次锚喷支护结构强度要大于第一次锚喷，选用高强度的锚杆或者锚索作为支护材料，支护体需具备较大的预紧力与延伸量;二次锚喷的作用在于强化初次锚喷支护体结构，改善深部破碎围岩受力状态，抑制塑性区与松动区围岩的扩展，补强两帮、底角等支护薄弱环节，提升支护体整体承载能力，其支护结构如图1所示。通过二次锚喷结构的动态耦合支护，改善支护圈内所有锚杆受力载荷，使得围岩应力场更加均匀，协调发挥围岩与支护体共同承载能力，维持二者强度、变形、结构的稳定性。

3.2  支护参数

新支护方案施工工艺为：扩修至设计断面→初喷混凝土→锚网一次支护→复喷混凝土→二次锚杆（锚索）支护。支护关键参数设计如下：①岩石巷道掘出后，首先喷射30 mm混凝土将围岩表面封闭，并安装初次锚杆，间排距控制在1 000 mm×1 000 mm，五花布置。②二次喷射混凝土，混凝土厚度控制在80 mm，混凝土喷层的骨料选用煤矸石陶粒。二次锚杆选用强螺纹钢锚杆，尺寸Φ20×2 200 mm，间排距1 000 mm×1 000 mm;二次支护锚杆穿插布置在一次锚杆布置间隔之中，锚杆端部锚杆将铺设网压住，并用铁丝捆绑加以固定，上覆30 mm左右喷浆防锈。二次锚喷总支护厚度约在150 mm，与初次锚喷支护时间间隔视围岩变形速度确定，一般在30 d左右，具体可根据围岩变形情况进行调整。如岩巷松动圈范围较大，或者遇到特殊地质岩层，可将二次锚喷支护改为注浆、挂网或锚索加固，亦可将几种加固方式进行有效叠加。如图1所示。

4  工程支护效果

为了解新支护方案支护效果，在采用新支护方案后对西翼轨道大巷围岩表面收敛位移情况进行观测，为期90 d。观测期间巷道累计变形量，如图2所示。

分析运输大巷围岩变形收敛曲线可知，巷道顶底板与两帮变形均较小，顶底板移近量55～60 mm， 两帮变形量20～25 mm，巷道围岩变形均在安全允许范围内。而由围岩变形曲线波动情况得到，围岩变形经历了三个阶段，即急速增长、缓慢增长和趋于稳定。急速增长阶段（2～20 d），此阶段的围岩变形量占到了整个围岩变形量的多大部分，约为70%，而且第一次锚网喷初期能够阻止围岩过度变形。缓慢增长阶段（20～60 d），这一阶段的两帮和顶底板变形量为9 mm和12 mm，表明：随着围岩变形，二次锚喷支护阻力逐渐增加，提高了支护体的承载能力;变形稳定阶段的围岩变形速率及变形量均非常小，逐步达到稳定状态。围岩整个变形周期较长（90 d），巷道围岩表现出较强的流变特性。

5   结  语

①运输大巷围岩变形机理为：松散围岩巷道在高地应力作用下产生围岩变形，受环境水、围岩特性的影响加劇了围岩变形速率，进而导致原支护失效。②二次锚喷支护的关键在于：初次锚喷封闭围岩，提供一定的支护强度，允许围岩有一定程度的变形;二次锚喷在第一次锚喷基础上提高支护强度与范围，补强支护薄弱环节，均匀化锚杆受力情况，实现支护体与围岩强度、刚度与变形的动态耦合。③运输大巷采用二次锚喷支护后，巷道围岩变形得到有效控制（顶底移近量55～60 mm，两帮收敛在20～25 mm），支护体受力情况良好，巷道未出现明显围岩变形及底鼓现象。工程实践证明，相较于一次锚喷支护而言，二次锚喷支护在破碎岩巷围岩稳定性控制性能更好，具有较大的推广应用价值。

参考文献：

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