软岩大变形巷道锚网索联合支护技术应用

李 刚

(潞安集团 潞宁孟家窑煤业公司，山西 忻州 036000)

煤炭回采过程中，软岩巷道常伴随着持续大变形和难支护等问题[1]，两帮移近和底鼓问题明显，严重制约了工作面生产，巷道需多次返修导致维护费用提高[2]，且对支护技术有较高要求。为解决软岩巷道难支护问题，多数学者通过提高支护强度达到削弱围岩变形的目的[3]。本文针对孟家窑煤矿软岩巷道的大变形破坏现象，采用锚网索联合支护技术实现对软岩大变形巷道长效控制。

1 工程概况

孟家窑煤矿11505工作面开采5号煤层，煤层平均厚度4.1 m，倾角18～30°，埋深约400 m，工作面为一单斜构造。煤层内部裂隙发育，直接顶和直接底均主要由泥岩、砂质泥岩和粉砂岩构成，强度较低承载性差；老顶和老底以中、细粒砂岩为主，属半坚硬类岩石。顶底板详细参数见表1。运输巷设计长度为1 258 m，断面形式为5.2 m×3.1 m的矩形断面。在原支护设计下，巷道表现出持续的大变形现象，返修后短时间内易再次发生，给工作面的正常生产带来了严重影响。

表1 顶底板岩性

2 巷道变形破坏特征及影响因素分析

为对11505工作面运输巷采取针对性围岩控制措施，通过对目标巷道现场勘测，对原有支护方案和变形破坏特性进行分析，确定了引起巷道变形破坏的影响因素。

2.1 变形破坏特征

如图1所示，11505工作面运输巷原支护方案采用常规锚杆索组合支护的方式，顶板按间排距0.94 m×0.9 m布置规格为D20 mm×2 200 mm的高强螺纹钢锚杆，配合以间排距为2.0 m×2.7 m对称布置D15.24 mm×7 300 mm的锚索，两帮则选用D18 mm×2 000 mm的圆钢麻花头锚杆，按间排距0.85 m×0.9 m进行布置。在实地勘测中，巷道围岩变形明显，尤其是底鼓现象严重，在巷道两帮岩体呈现高度破碎状态，尤其顶角破坏严重，同时可发现支护体系存在许多锚杆索内断及顶板锚杆脱落现象，可判断支护体系已经失效。

图1 原支护方案布置(mm)

2.2 变形破坏原因

1) 围岩松动圈大。为了更直观了解巷道破坏范围，在勘察中借助围岩松动圈探测仪进行了检测，测试结果见表2。

表2 松动圈测试结果

表2为选取的3个断面测试结果，由表2可知，多数测点的松动圈范围超过了1.6 m，围岩松动破坏较大，同时考虑施工中存在支护不到位导致支护效果不能发挥出来，这也是现场发现许多锚杆拉伸脱落的原因。

2) 巷道围岩性质影响。11505运输巷整体处于煤层内部，且顶底板以泥岩等软岩为主，巷道围岩本身在地应力条件下易呈现出一系列破碎、松散等流变特性，导致在巷道开挖后破碎程度加剧，岩层强度和整体性随之降低，围岩自身承载性能变差，开挖后在应力场二次平衡过程中不易稳定，且在返修后仍表现为反复且持续的变形破坏现象。

3) 支护体系不协调。原支护属于刚性支护，未能给软岩巷道留有足够的能量释放空间，因而表现出较强的不适应性。另外锚杆索布置忽略了帮角和底板的影响，造成巷道受力不均，使这些部位成为应力释放的主要方向，任一关键部位的率先破坏进一步诱发整体支护结构失效。况且在两锚杆之间没有限制围岩变形结构，在破碎程度较高的软岩巷道中锚杆索的约束效果无法得到体现，使围岩受力结构不完善，表现为持续的变形趋势。

3 支护优化设计

3.1 优化设计方案

考虑原支护体系下巷道变形特征和影响因素，提出采用“锚杆+锚索+锚网”联合支护方式，使围岩与支护体系协调统一，充分发挥支护效果。

1) 优化锚杆索布置。联合支护方案仍以锚杆索为主要支护手段，其布置方式影响着巷道受力状态，首先重新评估地质状况重新计算锚杆索间排距，同时考虑顶角为施加支护导致受力不均的影响，将顶角处的锚杆和锚索向外侧偏转加固帮角，改善围岩应力分布。

2) 锚网支护。在两帮和顶板铺设锚网，限制巷道围岩表面位移，将锚杆索对围岩的约束力扩散至整个巷道表面，改善围岩表面受力效果同时防止破碎岩体的垮落。

3) 地锚支护。通过增设地锚，使巷道具有一个完整的支护体系，抵抗应力在底板部位释放的同时改善围岩整体受力分布效果。

3.2 优化支护参数

1) 锚杆支护参数。锚杆均选用D22 mm×2 200 mm的高强度螺纹钢锚杆，顶锚杆和帮锚杆的间排距分别为0.9 m×1.0 m和0.8 m×1.0 m，最外侧顶锚杆距巷帮350 mm，并向巷帮偏转20°，最外侧帮锚杆距顶底板各350 mm，并分别向顶底板方向偏转20°，地锚按间排距1.8 m×2.0 m对称布置两根，各距煤帮1 700 mm并向外偏转20°。

2) 锚索支护参数。顶板按间排距1 800 mm×3 000 mm，对称布置两根规格为D15.24 mm×6 300 mm的锚索，施加150 kN预紧力，钻孔深度为6 000 mm，并使锚索分别向煤帮偏转20°，锚索托盘采用长×宽×厚=300 mm×300 mm×14 mm的刚托板。

3) 锚网支护参数。顶锚网采用D6.5 mm的钢筋焊接成网片尺寸为长×宽=5 200 mm×1 000 mm的网片，网孔尺寸留置为120 mm×120 mm，网片搭接100 mm且每间隔200 mm联网两道；帮锚网则采用D4.0 mm铅丝编织成网孔尺寸为50 mm×50 mm、网片长×宽=3 000 mm×1 000 mm的菱形金属网，网片间搭接100 mm，每间隔200 mm联网两道，另外还需保持帮部与顶板锚网的对接。

支护示意如图2所示。

图2 锚网索联合支护方案布置(mm)

4 现场试验效果分析

为了验证锚网索联合支护效果的可靠性，在100 m试验区段巷道上，间隔25 m布置四个围岩表面位移测站，对运用锚网索联合支护条件下巷道变形情况进行跟踪监测，监测结果如图3所示。

图3 巷道围岩变形时程曲线

由图3可知，在支护后约15 d范围内，巷道表面变形量迅速增加，变形量占总变形量的80%左右，在支护15～20 d范围内，巷道变形量缓慢增加并逐渐趋于稳定，分析可知此时间段内锚网索支护体系开始逐渐生效，提高了围岩的承载能力，此阶段围岩变形量占总变形量的14%左右，在支护20 d后，巷道围岩基本停止变形。最终变形量为顶板65 mm，底板55 mm，两帮移近量76 mm，巷道围岩变形得到有效控制。