深部岩巷锚喷支护技术参数确定与试验研究

郑冬杰，孙庆润

（1.中赟国际工程有限公司，河南郑州 450007；2.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南郑州 450001）

长期以来，煤炭一直作为我国的主要消费能源之一，在能源生产、消费结构中所占比例在60%左右[1-2]。目前，我国中东部矿区已进入深部开采阶段，据不完全统计，中东部矿区开采深度超过800 m 的煤矿有100 余个[3-4]，开采深度以每年10～25 m 速度增加[5-6]。由于煤矿开采深度的增加，煤岩体在高地应力、高地温以及高渗透压的长时间作用下，其内部组织结构、响应行为特征均发生了根本性变化，导致巷道出现了不同程度的非线性大变形[7-13]。自新奥法提出“充分发挥围岩自身强度、促使围岩与支护结构形成共同承载圈”的核心理念后，锚杆和喷射混凝土支护技术得到快速发展[14-20]，相关专家学者进行了大量研究，比如苏永华等[17-18]研究了锚喷衬砌稳定可靠度对隧道围岩稳定的影响；刘泉声等[19]利用FDEM 软件模拟了“锚喷+注浆”条件下巷道围岩变形破坏特征，指出围岩破裂、碎胀是巷道大变形的主要原因；文竞舟等[20]提出了内、外复合拱理论，其中锚杆作为支护外拱，喷层与钢架作为支护内拱，研究表明在软弱破碎围岩中支护内拱起主要承载作用。虽然锚喷支护理论和技术得到了快速发展，但目前仍缺乏锚喷支护参数对深部巷道变形控制的系统性分析，为此，以三河尖煤矿吴庄区运输大巷为试验巷道开展锚喷支护参数对深部岩巷围岩变形控制作用的数值模拟研究，量化分析锚杆预紧力、密度、长度、锚固长度以及喷层厚度和强度对巷道变形的控制作用，提出1 种深部岩巷锚喷支护技术参数的确定思路和方法。

1 工程概况

试验巷道位于三河尖煤矿吴庄区，巷道开掘并与-700 m 西大巷相连，巷道总长度为1 442.8 m，施工过程中穿过断层H=100 m∠75°～80°、张庄断层H＝20～140 m∠70°后，进入7#煤底板、9#煤顶板岩层进行施工，巷道主要揭露岩性为中-细粒砂岩，巷道揭露岩层上方为15.15 m 厚的粉-细粒砂岩，下方为1.77 m 厚的粉砂岩和3.35 m 厚的9#煤层。试验巷道掘进断面为半圆拱形巷道，断面尺寸（宽×高）为5.0 m×4.0 m，巷道平均埋深约800 m，岩层综合柱状图如图1，各岩层基本力学参数见表1。

表1 岩层基本力学参数Table 1 Basic mechanical parameters of rock strata

图1 岩层综合柱状图Fig.1 Strata comprehensive column diagram

2 锚喷支护参数对深部岩巷变形的控制作用

为研究锚喷支护参数改变对深部岩巷变形的控制作用，根据试验巷道生产地质条件和支护参数，建立大尺寸“锚杆支护+混凝土喷层”三维数值计算模型，同时，采用邻近巷道现场实测获得的围岩变形作为已知特征值，校验模型参数。

2.1 数值模型

根据试验巷道生产地质条件，建立尺寸（长×宽×高）为60 m×30 m×60 m 的三维数值计算模型，已知巷道断面尺寸（宽×高）为5.0 m×4.0 m，模型四周及底部固定位移，上部施加19.25 MPa 均布载荷等价于上覆岩层重力，数值计算模型如图2。巷道开挖后施加锚杆支护，采用控制变量法计算分析锚杆参数和混凝土喷层参数对巷道变形的影响，具体计算路径：模型初始应力平衡开挖巷道添加锚杆支护添加混凝土喷层力学平衡。

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model

2.2 锚杆参数对巷道变形的控制作用

1）锚杆预紧力对巷道变形的控制作用。不同锚杆预紧力下巷道围岩变形情况如图3。从图3 中可以看出，预紧力为40 kN 时，巷道顶、底板及帮部最大变形量分别为118、427、213 mm，随着预紧力的增加，巷道变形量持续减小，当预紧力为120 kN 时，巷道顶、底板及帮部最大变形量分别为69、217、88 mm，顶、底板及帮部最大变形量分别减小了41.5%、49.2%、58.7%，此时巷道变形得到有效控制，因此，在锚杆支护设计时，应尽量设计高预紧力锚杆支护，促使锚杆支护形成有效的主动承载结构。

图3 锚杆预紧力与巷道围岩变形关系图Fig. 3 Relation between bolt preload and roadway surrounding rock deformation

2）锚杆间距对巷道变形的控制作用。不同锚杆间距下巷道围岩变形情况如图4。从图4 中可以看出，锚杆间距为600～800 mm 时，围岩变形量相对较小，当锚杆间距增加至900 mm 时，巷道整体变形量出现明显增加，顶、底板及帮部最大变形量分别为72、224、108 mm，锚杆间距继续减小至1 000 mm后，巷道变形出现大幅度增加。综上表明，该地质条件下锚杆间距应确定在在600～800 mm 范围内。

图4 锚杆间距与巷道围岩变形关系图Fig.4 Relation between bolt spacing and roadway surrounding rock deformation

3）锚杆长度对巷道变形的控制作用。不同锚杆长度下巷道围岩变形情况如图5。从图5 中可以看出，锚杆长度为1.6 m 时，顶、底板及帮部变形量分别为95、344、161 mm，围岩变形量最大，锚杆长度增加至1.8 m 时，围岩变形量明显减小，此时顶、底板及帮部变形量分别为82、300、128 mm，锚杆长度继续增加至2.0 m 时，围岩变形量继续减小，顶、底板及帮部变形量分别为69、217、88 mm，之后锚杆长度的继续增加并不会减小围岩的变形，锚杆长度为2.2 和2.4 m 时，巷道围岩变形出现了小幅度的增加。综上表明，该地质条件下锚杆长度应确定为2.0或2.2 mm 范围内。

图5 锚杆长度与巷道围岩变形关系图Fig.5 Relation between bolt length and roadway surrounding rock deformation

4）锚固长度对巷道变形的控制作用。不同锚固长度下巷道围岩变形情况如图6。从图6 中可以看出，锚固长度400 mm 时，巷道围岩变形的控制效果最差，顶、底板及帮部变形量分别为115、383、206 mm，锚固长度增加，围岩的控制效果逐渐改善，锚固长度增加至800 mm 时，顶、底板及帮部变形量分别为84、248、136 mm，之后锚固长度继续增加，巷道围岩变形继续减小，锚固长度继续增加至1 200 mm时，顶、底板及帮部变形量分别为63、187、81 mm，锚固长度由400 mm 增加至1 200 mm，顶、底板以及帮部围岩变形量分别减小了59.8%、51.2%、60.7%。综上表明，该地质条件下锚固长度应不低于800 mm。

图6 锚固长度与巷道围岩变形关系图Fig.6 Relation between anchorage length and roadway surrounding rock deformation

2.3 喷层参数对巷道变形的控制作用

1）喷层厚度对巷道变形的控制作用。不同混凝土喷层厚度下巷道围岩变形情况如图7。从图7 中可以看出，仅采用锚杆支护时，巷道顶、底板及帮部变形量分别为69、217、88 mm，而采用锚喷支护时，当喷层厚度为60 mm 时，巷道顶、底板及帮部变形量分别为66、171、121 mm，巷道底板变形量显著减小，而帮部变形量却有所增加，当喷层厚度增加至80 mm 时，底板变形量继续减小，帮部变形量也相对减小，当喷层厚度大于100 mm 时，围岩变形量均小于锚杆支护时的变形量，当喷层厚度为120 mm时，巷道顶、底板及帮部变形量分别为62、155、80 mm，同比仅采用锚杆支护的顶、底板以及帮部围岩变形量分别减小了10.1%、28.6%、9.1%。综上表明，该地质条件下喷层厚度应不低于100 mm。

图7 喷层厚度与巷道围岩变形关系图Fig.7 Relation between the thickness of shotcrete layer and surrounding rock deformation of roadway

2）喷层强度对巷道变形的控制作用。不同喷层强度下巷道围岩变形情况如图8。从图8 中可以看出，喷层强度的增加可改善巷道变形的控制效果，当喷层强度为10 MPa 时，巷道顶、底板及帮部变形量分别为68、180、104 mm，巷道底板变形量显著减小，而帮部变形量却有所增加，当喷层强度增加至20 MPa 时，巷道底板变形量继续减小，帮部变形量也开始减小，之后，随着喷层强度的增加，巷道底板变形量持续减小，顶板和帮部变形量缓慢减小，当喷层强度为40 MPa 时，巷道顶、底板及帮部最大变形量分别为63、156、84 mm，同比仅采用锚杆支护的顶、底板以及帮部围岩最大变形量分别减小了8.7%、28.1%、4.5%。综上表明，该地质条件下喷层强度应不低于30 MPa。

图8 喷层强度与巷道围岩变形关系图Fig.8 Relation between shotcrete layer strength and surrounding rock deformation of roadway

3 锚网喷支护技术与现场试验

3.1 锚网喷支护技术与参数

基于锚喷支护参数对巷道变形的控制作用分析，可以确定巷道围岩采用的锚网喷支护技术参数。

1）第1 次喷浆作业。在巷道初掘时期，初喷厚度为50 mm，初期可提供一定的临时支护作用，混凝土材料选取C30 等级混凝土，具体参数如下：水泥∶黄砂∶石子比（材料配比）为1∶2∶2，水灰比为0.45，最大粒径应小于20 mm，必要时可添加速凝剂和减水剂改善喷浆质量；喷浆作业时，工作风压保持在0.4 MPa 以上，喷头距受喷面距离在0.8～1.5 m 范围内，喷射角度在80°～110°范围内。

2）锚杆和金属网支护。待喷层凝固后进行锚杆和金属网支护，其中，锚杆型号BHRB500，规格φ20 mm×L2.0 m，间排距800 mm×800 mm，配套使用规格为140 mm×140 mm×10 mm 的碟形托盘，每根锚杆采用1 支CK-Z2370 树脂药卷锚固，预紧扭矩约300 N·m；锚杆采用φ14 mm 圆钢焊接而成的钢筋梯子梁连接；金属网采用8#铁丝编制而成，网口规格50 mm×50 mm，规格3 800 mm×1 100 mm。

3）第2 次喷浆作业。在掘进巷道稳定时期，巷道变形量区域稳定后，进行复喷，复喷厚度为50 mm，材料选用C30 等级混凝土，复喷时，喷层覆盖网、钢带、锚杆托板等，具体喷浆参数参照第1 次喷浆作业，喷层总厚度约100 mm，复喷可及时封闭围岩。巷道支护断面如图9。

图9 巷道支护断面Fig.9 Supporting section of roadway

3.2 现场试验效果

采用确定的锚网喷支护技术与参数进行了工业性试验，并进行了现场矿压监测，监测结果显示巷道服务期间，顶底板移近量约在276～333 mm 范围内，两帮变形量约在247～270 mm 范围内，其中主要变形发生在巷道底板，同时，现场调研发现，试验巷道喷层表面并未出现大范围开裂现象，其巷道表面喷层光洁度和密实度较好，验证了锚网喷支护技术与参数的合理性和可靠性。

4 结 语

1）系统研究了锚杆预紧力、间距、长度、锚固长度以及喷层厚度和强度对深部巷道变形的控制作用。研究表明：随锚杆预紧力、间距、锚固长度的增加，巷道围岩变形量得到有效控制，且受预紧力和锚固长度的控制更为显著，而适宜的锚杆长度可以有效控制巷道变形，喷层强度和厚度较小时，喷层结构会导致巷道顶底板变形向两帮转移，当喷层强度和厚度达到一定时，喷层结构可改善巷道围岩的控制效果。

2）基于锚喷支护参数对巷道变形的控制作用分析，确定了试验巷道锚网喷支护技术和参数：锚杆型号BHRB500，规格φ20 mm×L2.0 m，间排距800 mm×800 mm，预紧扭矩300 N·m，1 支CK-Z2370 树脂药卷，混凝土喷层厚度和强度分别为100 mm、30 MPa，现场工业性试验结果验证了试验巷道锚网喷支护技术和参数其合理性。