松散膨胀复合型软岩巷道的管棚超前支护技术研究

赵术江,臧燕杰,袁 越,

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3.国网能源和丰煤电有限公司，新疆 和布克赛尔 834411)

1 工程概况及地质条件

国网能源和丰煤电有限公司沙吉海煤矿位于新疆和布克赛尔蒙古自治县城东南63km，新疆和什托洛盖合什东-沙吉海矿区的南部，设计产能为 500万t/a，采用2斜井1立井综合开拓方式。目前正在施工的轨道石门(如图1)为沙吉海煤矿+550m水平开拓巷道。巷道全长为694m，巷道断面形状为直墙半圆拱，巷道净宽为5000mm，净高为4200mm，净断面积为18.8m2，采用锚网索喷支护，锚喷厚度为150mm。石门穿过的岩层大多为松散的含水砂岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩与砾石互层，节理裂隙发育，胶结性差，岩石强度低，膨胀系数大，遇空气易风化，遇水后岩石崩解沙化，岩石强度迅速降低，掘进过程中容易片帮、漏顶、泥化、安全威胁大、施工困难。

图1 矿井巷道布置平面图

2 破坏机理及支护对策分析

2.1 围岩破坏机理

沙吉海煤矿轨道石门围岩松散破碎，胶结性差，岩石强度低，自由膨胀率大，易风化、泥化，遇水后岩石软化膨胀，并伴随膨胀附加应力的产生，造成巷道围岩整体变形量大，顶板下沉明显，喷层由于受到拉剪应力的作用，开始开裂、脱落。根据围岩X射线衍射分析结果可知，石门底板泥质岩石膨胀性粘土矿物含量高，最高可达73%，在水的作用及施工开挖扰动作用下，底板岩层产生显著的臌起变形，水沟破坏，进而影响巷道两帮及顶板的稳定。巷道穿层掘进，各岩层之间层理、节理发育，结合力低，砂岩富水性较强，泥质岩石遇水砂化、崩解，掘进过程中巷道经常发生漏顶、片帮现象，造成支护困难。

2.2 支护对策

3 管棚工作原理及数值模拟分析

3.1 超前管棚支护的工作原理

超前管棚支护的工作原理与撞楔法工作原理相似。采取超前支护的工艺，超前支护顶板，在距巷道轮廓线一定距离的位置，按照一定的间距打设超前管棚孔，并沿孔口送入无缝钢管，能有效的控制顶板下沉，对顶板提前进行支护，形成对围岩爆破松动圈内的破碎岩石的超前临时支护[2-4]。

3.2 轨道石门超前支护的数值模拟

1) 数值计算模型及参数

为了了解巷道采用管棚支护后围岩的应力、位移、破坏场分布特征，并验证其合理性，选取沙吉海煤矿轨道石门作为研究对象，采用三维有限差分大变形模拟程序FLAC3D，构建了巷道三维工程地质力学模型及锚网索+管棚+底角锚杆支护工况模型(图2～3)。其中，锚杆、锚索分别采用恒阻大变形锚杆(Φ22mm×2700mm)和恒阻大变形锚索(Φ15.24mm×8000mm)。

图2 工程地质力学模型

图3 管棚+锚网索+底角锚杆支护模型

模型的计算范围长×宽×高=20m×40m×40m，一共划分了76271个单元，13254个节点。模型侧面限制水平移动，底部为固定边界，模型上表面为上覆岩体自重应力边界，施加的荷载为7.7MPa。围岩物理力学性质参数，综合参考地质勘探报告以及岩体力学室内试验结果确定(表1)。围岩材料本构关系，采用Mohr-Coulumb模型。

表1 围岩物理力学参数

2) 数值模拟结果分析

从水平位移场及竖向位移场(图4～6)可以看出，巷道在采用锚网索+管棚+底角锚杆支护的工况下，位移量较小，变形得到了有效控制，巷道断面形状维持的较好，因此也未影响其正常使用。最大顶板下沉量为23mm，顶板无明显的应力集中区，底板应力分布较为均匀，两帮应力有向深部岩体转移及扩散的趋势。另外，从破坏场分布特征图(图7)可以看出，巷道顶板剪切塑性区范围显著小于两帮，两底角周边的塑性区已基本消除。以上模拟结果及位移、应力、塑性区分布特征，表明了底角锚杆有效控制了两底角及底板的塑性变形，减小了应力集中程度，恒阻大变形锚杆(索)起到了转移围岩的高应力、释放一定变形能的作用。而超前管棚在巷道开挖前就已对松散顶板实行了预加固，提高了围岩的整体性。巷道打开后，管棚及时阻止了浅部松动岩体的进一步离层、滑动发展，缩小了顶部的破裂区范围，较大程度上保持了岩体的强度，有利于围岩的稳定，同时也消除了频繁漏顶、片帮现象的发生[4-5]。

图4 水平位移场

图5 竖向位移场

图6 竖向应力场

图7 塑性区分布

4 支护设计及支护施工工艺

超前管棚+锚网索断面支护图，如图8所示。超前管棚支护是在即将开挖的巷道沿外轮廓周边上,间隔一定的间距,沿洞轴以一定的外插角钻孔,安装无缝钢管。无缝钢管外留一定长度，与预先锚网索喷预留的金属锚网连接成整体。加固环发挥“承载拱”的作用,承受拱上部的地面荷载和岩层重量,使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变压力,从而创造了理想的开挖条件。

陈主任将吕凌子带到办公室的一个内间。内间除了办公桌、文件柜，靠门处还摆放了茶几和沙发，看上去比外间至少大了两倍。

1) 锚杆：锚杆选用恒阻大变形锚杆，锚杆分为两部分：恒阻器和杆体，恒阻器规格为Φ34mm×500mm，杆体为Φ22mm×2200mm，总长度应为2700mm，锚杆间排距为800mm×800mm，锚杆托板规格为120mm×120mm×10mm碟形铁托板，锚固剂药卷采用K2370和CK2370各一根。

2) 锚索；选用恒阻大变形锚索，锚索分为两部分：恒阻器和锚索。恒阻器规格为Φ34mm×500mm，锚索规格为Φ15.24mm×7500mm，总长度应为8000mm，锚索间排距为1800mm×2400mm，锚索托盘采用400mm×200mm×80mm的槽钢和200mm×150mm×10mm钢板焊接而成。锚固剂药卷采用3根K2370和1根CK2370药卷。

3) 金属网：网片采用Φ6.5mm的钢筋编制网，网目规格为100mm×100mm，搭接为100mm采用14#铁丝每隔200mm绑扎一道。

4) 喷层：喷射砼厚度为150mm，使用标号不低于P.O32.5R普通硅酸盐水泥，砂为纯净的中粗河砂，石子为粒径5～10mm的碎石。喷砼强度等级C20，重量配合比为水泥∶砂∶石子=1∶2.03∶2.19，水灰比0.48；速凝剂掺入量一般为水泥重量的2.5%～4%。水沟砌筑砼强度等级C20，砼重量配合比水泥∶沙∶石子=1∶1.29∶2.31，水灰比0.69。

5) 管棚超前支护参数

①超前支护长度：掘进过程中，循环进尺1.2m，在对围岩性质分析的基础上，确定超前支护长度为3600mm，超前管棚长3800mm。选用Φ32mm×3800mm的钢管制作管棚。

②超前管棚的布置方式(图9～10)：管棚眼距为450mm,在距巷道轮廓线100mm处以30的夹角斜向轮廓线外打眼，眼底坐落于巷道轮廓线外150mm处，眼深3600mm，外露的管棚大约200mm，用14号铁丝双股绑在顶部金属锚网上[8]。

图8 巷道断面支护图

图9 管棚支护图

图10 管棚剖面图

5 管棚施工工艺流程

按设计打管棚孔→安装固定管棚→按设计打爆破眼→爆破→处理顶部围岩→打锚杆挂网支护顶板→处理两帮并进行支护→打锚索喷浆成型。各环节具体施工过程如下：

1) 管棚插入及孔口处理：超前管棚管径，选用Φ32mm 钢管，管棚钢管长度采用3800mm，管棚应沿巷道开挖轮廓线向外倾斜，其倾角一般不宜大于5度，管棚钢管沿巷道拱部开挖轮廓线布设，布设宽度为450mm，沿拱部开挖外轮廓布置。

2) 管棚打设：打设排干眼时，要严格按设计的眼距、眼深、倾斜角打设；安装排干时，管棚要与巷道顶部的金属网连接牢固，同时相邻的管棚也要用12号铁丝相连，以防放炮打偏。

3) 炮眼布置及打设：周边眼距排杆眼200mm，周边眼尽量与管棚眼成交错布置，炮眼深度为1400mm，每眼装药不超过1块。

4) 爆破后及时检查管棚与顶网的连接和相邻管棚之间的连接是否被打开，及时将其连接牢固，以作为临时支护。然后打锚杆挂网喷浆支护顶板，金属网挂在管棚下，将管棚连成一个整体[6-9]。

6 应用效果分析

沙吉海煤矿含水松散膨胀复合型软岩巷道采用管棚超前支护，保证施工中安全与巷道成型，降低了工人的劳动强度，为矿井快速、安全施工创造有利条件，缩短了建矿周期，提高了社会、经济效益。

1) 安全质量分析：超前支护的管棚间距0.45m，相当于提前进行了临时支护，这是一种类似主动支护方式。巷道开挖后，煤矿职工可在管棚超前支护的掩护下进行作业，强化顶板控制，消除片帮、漏顶的安全隐患，实现安全生产。实践证明，使用管棚超前支护在施工轨道石门过程中，没有出现片帮冒顶现象，对巷道的成型起到了决定性的作用。同时，也相应的降低材料消耗及浪费，节省了人力、物力、财力。

2) 经济效益分析：管棚超前支护长度3.8m，施工过程中循环进尺1.2m，按正常的施工顺序，每天完成三个循环，进尺3.6m，只需要打一次管棚即可，提高了掘进速度，缩短了施工周期。自从实行了管棚超前支护以来，2012年3月份该掘进工作面掘进50m，4月份进尺70m，5月份进尺90m，为矿井快速施工创造良好条件。

7 结语

针对沙吉海煤矿轨道石门遇水泥化、沙化严重，易片帮、漏顶，在掘进过程中随掘随冒、安全威胁大、施工困难的问题，通过现场工程地质调查及理论分析，明确了其破坏机理，提出了超前管棚+锚网索喷耦合支护对策。在数值模拟分析的基础上，进行了巷道的断面支护设计、施工工艺设计和现场工业性试验。通过本次研究与工程实践，主要得到了以下几点认识和体会：

1) 采用超前管棚+锚索网喷的支护方式，有效控制了沙吉海煤矿含水松散膨胀复合型软岩巷道大变形破坏，保证了围岩稳定，消除了大面积冒顶、片帮的安全隐患，为巷道快速、安全施工创造了良好条件。

2) 松散膨胀复合型软岩巷道在施工过程中，易频繁发生片帮、漏顶现象，此时对掘进工作面前方围岩实施超前管棚支护，对围岩能起到有效的支撑作用，形成统一有效的整体，为后续的掘进施工提供了安全保证。

3) 应用超前管棚+锚索网喷对松散膨胀复合型软岩巷道进行支护，具有显著的经济效益和较强的实用性，并在沙吉海煤矿运输石门、回风石门、内外水仓掘进过程中成功应用，为沙吉海矿区类似围岩地质条件的工程支护提供了有益的借鉴和参考，具有一定的推广应用价值。

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