直墙半圆拱型组合支护优化与应用实践

史丽刚

（汾西矿业灵北煤矿，山西 灵石 031302）

引言

煤炭行业的巷道年长度达到6 000 km，其中10%以上是软岩巷道。我国约有30 个井场存在软岩巷道支护问题，给数百个煤矿的生产建设带来了技术难题[1]。这种类型的巷道在开采时，巷道围岩的应力急剧增加，往往超过岩石的单轴抗压强度，导致巷道在使用期内发生严重的岩石变形[2]，变形范围从几百毫米到2 000 mm，围岩变形速率可超过100 mm/d[3]，特别是在动压、软岩巷道和深竖井条件下，变形问题更加严重。大变形问题不仅增加了支护成本，而且造成连续开挖困难，严重影响煤矿的正常生产。因此，煤矿巷道支护是地下工程中最复杂的技术问题之一，也是地下资源挖掘的根本问题之一。

目前，支护体系有混凝土衬砌、钢网、喷射混凝土和U型钢或钢支撑，锚杆和锚索，围岩灌浆，组合式支架支护等，其中U型钢可压缩支架特别适用于周边压力较弱的巷道，因此被广泛用于巷道的初步支护挖掘，为补充直墙半圆拱型（U型）钢支护技术、发展一种适应直墙半圆拱型（U型）钢抗压特性的阻尼层与直墙半圆拱型（U型）钢组合支护技术具有重要意义。

1 场地的地质及工程特征

山西某煤矿，20 世纪90 年代开始商业化生产，年产量400 万t。新北翼轨道巷道为主要运输路线，埋深超过700 m，顶板岩层为泥岩。原设计为篮柄拱，净宽5 m，净高4.3 m，采用锚网喷射混凝土作为支护。受多次横切开采影响，巷道变形严重（见图1），屋面表面开裂、沉降，出现褶网，两边的地表都被破坏、塌陷、移位，地面隆起，两侧最大内位移达到0.8 m，雷区正常运输受到明显阻碍。

图1 巷道变形图

2 支护系统的设计

通过对该高应力软弱巷道变形特性的分析，提出了采用阻尼层、锚喷混凝土和U型钢进行联合支护的方案。从喷射混凝土、钢网、锚杆、锚索支护开始，增加U型钢可压缩性支护，提供一定的变形能力和稳定的摩擦力。为保证可压缩支座的收缩性能，在围岩与U型钢之间插入高抗压性能的泡沫混凝土。图2 描绘了支撑的形式，各支撑元件的功能说明如下：

图2 阻尼层锚喷联合支护方案

1）喷射混凝土、钢网、锚杆、锚索初始支护：喷射混凝土对围岩进行密封[4]，防止围岩力学性能恶化，同时保证与软弱围岩紧密结合，其力学性能见下页表1。

表1 混凝土、围岩、锚杆（索）的力学参数

2）可压缩U型钢支架：采用全封闭U型钢可压缩支架，确保巷道支护结构的完整性。

3）泡沫混凝土阻尼层：泡沫混凝土是一种由封闭单元结构组成的轻质混凝土材料，这使得它具有许多独特的优点，如高流动性、自重低、骨料消耗少、控制强度低、弹性模量低等。根据室内实验结果，本研究使用的泡沫混凝土密度为500 kg/m3，其相关的力学性能见表2。

表2 泡沫混凝土的力学性能

4）裂隙岩垫层：使地板上的U型钢在保持整体稳定性的同时保持可压缩性[5]。

3 现场应用和监测

3.1 现场应用

第一步，断面掘进：采用钻爆法对巷道进行漂移，先后采用微差爆破技术、人工手钻和锤头钻对破碎的周边进行清理。

第二步，锚固网-喷射混凝土初始支护：将喷射混凝土、钢网、锚杆和锚索组合形成初始支护支持。螺栓锚固力不小于100 kN，预拉力不小于150 N·m，暴露螺母长度在30～100 mm 之间。树脂锚的锚固力不小于180 kN，暴露长度小于260 mm。钢网互相搭接，以一个网的长度重叠，网片由12 号钢丝连接。

第三步，可压缩U型钢支撑：当地板被填满砂石时，吊臂和顶拱由脚手架上的工人建造，中央顶部和中央凹由木板或带有背板和楔形木材的桥墩紧密连接（场地条件允许以这种方式建造楼板拱）。

第四步，在巷道自下而上设置双层塑料网和风管布：单次布放长度为20 跨，底部一排的塑料网和风管布穿透地板约500 mm，其他几排从下往上铺设。相邻的塑料网和风管布覆盖100 mm，并在两侧被交替放置，每行高度1～1.5 m。

第五步，泡沫混凝土回填阻尼层：在U型钢支座与初始支座之间的缝隙中加入泡沫混凝土，单个回填长度小于20 跨，回填从下往上，再从上往下（见图3）。

图3 现场应用情况

3.2 现场测量操作计划

选择沿新北翼轨道巷道最大变形位置，设置多个位移计来测量围岩较深部分的位移。安装压力传感器和钢筋应力计，测量围岩压力和U型钢支架的力。测试方案如下：

1）多点位移计监测深部位移：三个钻孔位于变形最大处，将其中两个钻孔设于一侧，深度为28 mm，将另一个钻孔设于另一侧，深度为10 m。在巷道壁面1 m、2 m、5 m、10 m 和25 m 处分别安装多点位移传感器和量具。

2）采用钢筋应力计监测U型钢拱架受力：分别在最大变形处的剖面左楼拱、左拱、拱顶、右拱、右楼拱的U型钢支座上设置钢筋应力计，应力计的总数为15 个。

3.3 监测结果分析

3.3.1 深部围岩位移监测结果

下页图4-1 为监测深部围岩的多点位移计示意图。从图中可以看出，巷道开挖后，各监测点位移随时间都有不同程度的增加。选择变形最大处进行监测。在监测初期，由于安装多点位移计后，钻孔内的浆液未得到固化，导致深部围岩位移变化较小。安装后5～20 d，排水量迅速增加；安装20 d 后，深部围岩位移的增加速率虽然仍在增加，但有所减缓。从最大位移点的变形曲线可以看出，钻孔处围岩变形最大，最大可达30 mm。

3.3.2 U型钢受力监测结果

下页图4-2 显示了U型钢所承受的监测力示意图。由图可知：在支撑体系形成后的前20 d 内，U型钢所承受的力呈现出增大的趋势；20 d 后，增加的趋势减小，U型钢所承受的力增加缓慢。围岩深部位移监测结果与围岩压力监测结果相吻合，因为在巷道左侧发生大的位移和围岩压力时，U型钢左侧承受的力较大。然而，U型钢支撑的整体力是均匀的，U型钢承受的最大力为120 kN，这比滑动所需的最小摩擦力要小。从现场情况来看，U型钢连接处未出现滑动现象，与实测结果一致。

图4 巷道位移和U型支护受力图

4 结论

由现场监测可知，用具有优异力学性能和适宜连接强度的可收缩填充材料对后支架空间进行回填时，支架的集中、偏心不均匀荷载转化为均匀荷载。围岩、回填与支护结构形成了一个协同的机械承载体系，充分利用了支护与围岩的承载能力，有效控制了围岩松动带的扩张和围岩的位移，提高了巷道的稳定性，由此验证了本文提出的联合支护措施在煤矿井下大变形巷道支护中的有效性。