锚网喷、锚索联合支护技术在深部岩巷中的应用

赵新慧，崔瑞环

(阳泉市燕龛煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000)



·技术经验·

锚网喷、锚索联合支护技术在深部岩巷中的应用

赵新慧，崔瑞环

(阳泉市燕龛煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000)

针对某矿1215工作面运料车场巷道围岩在原支护系统下损坏严重的情况，分析了其变形破坏的形态和诱因，阐述了锚网喷、锚索联合支护作用机理，提出了“长锚杆(索)+强金属网+二次喷浆”的联合支护方式，并应用于1215工作面运料车场巷道的扩刷工程中。经实践检验，支护效果显著，具有良好的推广应用价值。

深部岩巷；变形破坏；联合支护；巷道扩刷

我国煤炭赋存整体上埋藏较深，据调研统计，许多井工煤矿目前开采或开拓延伸深度已超过了800 m，甚至达到千米级，且开采深度以8～12 m/年的速度增加[1,2]. 深部巷道由于所处的地质条件复杂、地应力增大、破裂区的存在及围岩软化特性，其受力变形和破裂程度比浅部巷道要严重得多，这就对巷道围岩支护技术提出了更高的要求[3,4].

1 工程概况

某矿井生产能力为150万 t/年，属于低瓦斯矿井，矿井开拓方式为立井双水平(-650 m、-830 m)开拓，含可采煤层6层，主采2#和8#煤层。其中，1215工作面作为-650 m水平二采区的第5个生产工作面，埋深为786～839 m，平均812 m. 工作面位于-650 m轨道大巷以东，西边为1623探巷，南部200 m为F23导水断层。考虑导水断层的存在，北部40 m左右为F16断层，综合多种因素，工作面沿F16断层布置，而作为连接-650 m轨道大巷和运料巷枢纽的运料车场，平行于水平大巷沿岩层掘进。由于-650 m轨道大巷与运料巷之间高差及F23导水断层等既定地质条件的限制，加之运料绞车自身长度及行车条件的约束，运料车场并没有将两巷道以直线形式贯通，而是以折线方式，在距运料巷道口与等高线呈15°斜角方向，约60 m处交岔点汇合，全长为180 m的岩巷。在工作面运料车场掘进过程中揭露一条东西走向落差为7 m的F26-2正断层，附近围岩岩体破碎，承载能力较弱。

1215工作面运料车场巷道断面形状为直墙半圆拱，掘进规格宽5.0 m×高4.0 m，净断面14.96 m2. 原有支护采用较为传统的树脂全长锚固锚杆(d22 mm、长度为2.4 m的螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm)和金属网作为基本支护；后以d21.8 mm、L6.5 m的钢绞线，采用树脂药卷锚固方式补强加固，方式较为单一，总体支护强度较弱，在掘进阶段，巷道因受采动应力及断层作用，锚杆已不能有效地阻止顶板下沉，曾多次发生破碎岩块冒漏现象。投入使用后不久，两帮围岩变形，底鼓严重，锚杆弯曲、松动，托盘损坏、脱落，不得不重新扩刷。

2 巷道变形破坏原因

对于“三高一扰动”深部巷道环境，围岩失稳破坏的影响因素有很多，主要包括围岩强度、应力状况及支护与围岩的相互作用关系[5]. 通过分析工作面运料车场围岩及支护体的矿压显现特征，可将其巷道变形破坏影响因素归纳为以下几个方面：

1) 巷道埋深。

1215工作面运料车场埋深约815 m，原岩应力高达25.63 MPa，其承载上覆岩层的重量大，岩体内部积聚大量的弹性能，而且巷道的断面尺寸较大，对采掘扰动影响及地应力场变化更为敏感，一旦巷道开挖卸压，围岩中的弹性能急剧释放，易引起巷道围岩扩容变形。

2) 地质构造。

地质构造的存在不仅会影响围岩应力大小和方向，而且会破坏岩体的整体性和连续性，降低岩体强度，加剧岩层节理裂隙的扩展。工作面运料车场在连接-650 m大巷端口附近地段会受到导水断层的影响，且在掘进过程中又遇到一断层，整条巷道处于较多断层区域，因构造应力的存在而加剧巷道破坏变形。

3) 围岩物理力学性质。

1215工作面运料车场顶底板主要以粉砂岩和细砂岩为主，且周边存在较多复杂断层，在高应力作用下，围岩岩体进入大变形软化状态，其抗剪、抗拉强度严重削弱，裂隙和弱面的启裂、扩展、贯通以及分支裂纹的产生等劣化行为均会有所加剧。

4) 支护方式与支护结构。

深部岩体介质已进入到塑性、黏塑性和流变性的阶段，传统的浅部支护系统已不能与围岩产生良好的耦合作用关系。深部高应力场中，常规的锚网支护较为被动地承载围岩压力，一旦变形超出其极限强度范围，极易造成支护体的损坏而支护失败。工作面运料车场原有支护形式单一、支护构建不配套，支护强度不足，亦未能充分发挥围岩的自承能力，因此巷道支护体出现不同程度的破坏。

5) 施工工艺。

该巷道断面为直墙拱形，由直墙和拱形弧段组成，在支护施工操作上相比矩形巷道更为复杂。锚杆钻孔孔径和角度的偏差，树脂药卷搅拌不均匀，托盘与巷道面倾斜接触，螺母未拧紧等均会使锚杆预紧力达不到设计要求，而影响整体支护效果。

3 锚网喷、锚索联合支护机理

1) 锚杆(索)承压拱支护作用。

预应力锚杆锚入围岩后，其两端附近会形成锥形压缩区，随着巷道围岩不断外移变形，锚杆所受拉应力不断加大，两端锥形压缩区不断扩大后交融形成锚杆高压支承区，见图1. 相邻锚杆间的支承区相互叠加，在靠近锚杆顶部附近形成低压支承区，进而发展成一个连续压应力承压拱，共同承载着上部岩体的巨大载荷[6]. 同时，锚杆群承压拱可将浅部处于松动圈内的塑性岩块紧密束缚在深部完整岩体上，抑制浅部岩层离层、裂隙张开。

锚杆群支护形成的压缩承载拱因现有锚杆长度的限制，其作用的有效围岩深度相对较小。而锚索是以拉应力为主要受载方式的柔性支护体，通过锚索可将整个锚杆承压拱与深部围岩相连，既提高承载压缩拱的稳定性，又使围岩应力均匀扩散，减弱围岩局部应力集中，从而充分发挥深部围岩的自承能力，使得更大范围的岩体共同承担压力。锚索支承区及叠加区虽然承载力较小，但范围较广，亦可在深部围岩内形成一定承载力的组合压缩拱，与锚杆群形成的承载压缩拱组合成双拱支护结构，主动控制围岩，保证巷道围岩的完整体。

图1 锚杆(索)支护承压拱示意图

2) 喷层拱支护作用。

巷道开挖后及时喷层处理，可减弱围岩岩体的潮解和风化作用，防止因围岩膨胀变形而加剧岩体节理裂隙的扩展；同时高压喷射混凝土，会使部分混凝土浆液渗入围岩原生或次生裂隙中，起到胶结加固的效果，提高巷道围岩的强度和稳定性[7]. 混凝土喷层拱外铺设金属网，使得拱形结构具有较高的抗弯刚度和强度，既可以限制围岩产生较大变形，又可以利用喷层自身的柔韧性适度让压，减弱因围岩变形施加在支护结构上的作用力，较好地协调支护结构与围岩间的耦合作用[8,9]. 此外混凝土喷射往往不止一次，喷层固化后具有连续性和均匀性，保证了锚杆群形成的承压拱具有良好传递外力的介质。

4 支护方案与参数的确定

经过论证，工作面运料车场巷道扩刷时，选用“长锚杆(索)+强金属网+二次喷浆”联合方式进行支护。

1) 锚杆长度及间排距。

锚杆是巷道浅部围岩的骨架结构，合适的锚杆长度及间排距，能够提高锚固区围岩强度，形成承载能力大的承压拱。锚杆长度可由式(1)确定：

(1)

式中：

l—锚杆长度，m；

l1—顶板离层位置到巷道顶的距离，m；

l2—锚杆有效锚固长度，m；

l3—锚杆外露长度，m.

锚杆支护密度可由经验公式(2)计算得到：

(2)

式中：

e—每排锚杆间距，m；

n—每排锚杆数，根；

P—锚杆承载力，kN；

Ks—安全系数；

Q—载荷集中程度，kN/m.

根据相关规程资料，将工作面运料车场巷道支护及围岩参数带入式(1)、(2)可得锚杆参数如下：采用d22 mm螺纹钢超强锚杆，长度3 000 mm，每排布置13根，间排距800 mm×800 mm，底角处锚杆与水平方向呈15°；锚杆预紧扭矩不小于480 N·m.

2) 顶锚索长度及间排距。

顶板锚索长度与巷道宽度、顶板岩性等密切相关，可由式(3)来确定：

(3)

式中：

L—锚索长度，m；

L1—锚索外露长度，m；

L2—锚索有效锚固长度，m；

L3—锚索端长度，m.

锚索有效锚固长度，经大量现场实验结果验证，可取经验公式(4)：

L2=max[1.5a，∑hi]

(4)

式中：

a—巷道宽度，m；

∑hi—由巷道顶板到安全稳定层位间各岩层厚度之和，m；锚索外露长度取0.15～0.3，锚固端长度取0.5～1.

锚索间排距主要取决于锚固区围岩的重量，可由经验公式(5)计算：

(5)

式中：

b—锚索间距，m；

σt—锚索极限抗拉强度，MPa；

k—安全系数；

γ—围岩平均容重，kN/m3.

将1215工作面运料车场尺寸及使用材料参数带入式(3)、(4)、(5)中可得顶锚索参数：采用19股钢绞线加强支护，d21.8 mm，长度8 500 mm，每排布置3根，间排距2 000 mm×1 600 mm，五花眼布置；锚索预紧力不小于140 kN.

3) 支护构件参数。

金属网材质选用d6 mm冷拔丝钢筋，网片规格1 200 mm×1 200 mm，每排布置12片；钢筋梁d16 mm，长3 900 mm，每排布置4根；采用长2 800 mm的16号槽钢进行连锁，排距1 500 mm；托盘为拱形，保证托盘一面与锚杆垂直，一面紧贴岩面。

4) 喷层混凝土厚度。

混凝土喷层拱的作用在于阻止巷道浅部围岩塑性区出现松动破裂，当围岩塑性变形产生的压力大于混凝土喷层拱极限抗剪强度时，混凝土喷层将发生剪切破坏[10]. 由剪切破坏理论可得混凝土喷层厚度：

(6)

式中：

d—混凝土喷层厚度，m；

k—安全系数；

Pi—巷道围岩即将处于塑性状态下作用在支护体上的压力，MPa；

r0—巷道等效半径，m；

τ—混凝土喷层抗剪强度，MPa.

代入相关参数得：采用强度等级为C20的混凝土进行喷浆，巷道扩刷后及时进行第一喷浆，喷层厚度50 mm；施锚挂梁网后进行第二次喷浆，喷层厚度为50 mm；每排喷浆量为1.96 m3.

整个巷道的支护参数和布置方式见图2.

图2 扩刷时的巷道支护方式示意图

5 支护效果分析

为监测1215工作面运料车场扩刷后的支护效

果，分别在连接1215工作面运料巷交岔点附近区段、车场中部区段、连接-650 m轨道大巷交岔点附近区段，设置3个监测断面，采用“十字”布点法测量巷道顶底板、两帮的位移情况，见图3，监测结果见图4.

图3 监测断面布置图

由图4可知，3个测面巷道围岩收敛量随支护时间的变化趋势基本相同。支护初期围岩变形较快，随着支护结构与围岩逐渐耦合平衡，围岩变形速度减缓，最终趋于平稳。从巷道围岩收敛量看，运料车场交岔点附近区段围岩变形量较车场中部稍大，顶板最大下沉量为59 mm，底板最大移近量为78 mm，两帮最大相对移近量123 mm. 1215工作面运料车场维护期间未出现支护结构失效等严重矿压现象，表明“长锚杆(索)+金属网+二次喷浆”的联合支护方案对深部岩巷的控制效果良好。

图4 巷道表面位移量与时间关系曲线图

6 结 语

矿井开采深度日趋加大，复杂的“三高一扰动”深部地下环境必然会造成更大强度的巷道围岩破坏，给传统的巷道围岩支护方式带来巨大挑战。因此，加大对深部巷道围岩变形破坏的致因、机理和动态过程的研究显得尤为重要，在此基础上，加强多学科交叉理论、方法与技术的融合，对深部巷道围岩的支护方式与结构进行积极的探索创新，已成为深部煤炭资源安全高效开采保障系统中重要的一环。通过对该巷道扩刷过程中巷道支护方式的改进，有效促进了支护与围岩之间的耦合作用，优化了岩体内部的应力分布状况，明显提高了巷道围岩支护的稳定性，保障了矿井的安全生产。

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Application of Combined Support Technology with Bolt Mesh Spray and Anchor Cable in Deep Rock Roadway

ZHAO Xinhui, CUI Ruihuan

Aiming at the serious damage of the surrounding rock of the roadway in 1215 working face in a coal mine, the form and cause of the deformation and failure are analyzed. The mechanism of the combined support is introduced. The Long anchor (cable)+strong metal net+guniting joint support mode are applied to the roadway section-expansion engineering in the working face for material transportation. The practice shows remarkable effect in support with good value to promote in similar cases.

Deep rock roadway; Deformation and failure; Combined support; Roadway expansion

2017-03-02

赵新慧(1988—)，男，山西阳泉人，2010年毕业于山西煤炭职业技术学院，助理工程师，主要从事煤矿井下采掘技术管理工作

(E-mail)3410955640@qq.com

TD353

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1672-0652(2017)05-0039-04