运输大巷过老窑影响区联合支护技术实践

于宏斌

摘要：针对运输大巷巷道断面大，穿越采空区造成施工条件复杂、施工难度大、安全威胁大等技术难点，以陈家山煤矿二三新大巷为例，介绍了锚网喷+U型钢支架+浇注+注浆联合支护方式通过老窑采空区影响区域的支护设计和施工工艺。

关键词：运输大巷；采空区；联合支护；密集U型钢支架

1 概况

陈家山煤矿平硐二三新大巷是为替代变形严重的原二三石门间平硐大巷而设计施工的一条运输大巷。巷道全长1195m，坡度为+5‰，巷道净宽5.0m，净高3.75m，三心拱断面，掘进断面积21.3㎡，净断面积16.9㎡，支护形式为锚网索+U型钢支架+浇注联合支护。巷道埋深165-325 m，沿施工方向揭露岩性依次为中粗砂岩、泥岩、4#-2煤、泥质粉砂岩、细砂岩。

巷道掘进至610 m煤巷段时，巷道进入老窑采空区影响区域，此段煤层自然倾角32°，煤层层理明显，煤厚15m左右，底煤2.5m，煤层普氏系数2-3。采空区影响区段长20m，巷道顶板距采空区仅1.5m-5m。掘进过程中出现了顶板出水且水温过高，CH4、CO少量溢出的现象，判断老窑采空区赋存积水并且有自燃现象。

2 联合支护技术原理

针对穿越采空区造成施工条件复杂、施工难度大、安全威胁大等技术难点，确立了“先探后掘、短掘短支、联合支护、及时封闭、综合治理”的施工原则。联合支护是首先采用锚网喷一次支护和初步封闭，再采用密集U型钢支架（棚距400mm）作为二次支护，最后加以浇注和注浆进行加固和完全封闭，最大限度地发挥了围岩的自承能力，实现支护一体化、载荷均匀化，达到了巷道问题和及时封闭的目的，其原理分析如下：

1）针对巷道压力大的问题，采用锚网进行一次主动支护，能有效地控制巷道变形和防止顶板事故。初次喷浆及时封闭采空区的裂隙，防止向采空区漏风，控制采空区自燃。

2）密集U型钢支架是巷道压力的主要承载结构。松散应力集中围岩体，若采用刚度很大的支护材料进行支护，将在膨胀压力作用下导致支护失败，若支护材料刚度过小，巷道变形不能得到有效抑制。

U型钢可缩性支架是一种广泛应用于矿山巷道的支护器材，具有较高的初撑力，支护强度大，当围岩作用于支架上的压力达到一定值时，支架便产生屈服缩动，从而避免了围岩的压力大于支架的承载力而导致支架的破坏。采用U型钢可缩性支架可充分发挥其均布荷载情况下初撑力大、强度高、柔性可塑的特点。

3）巷道浇筑U型钢可缩性支架连为一体，使作用在U型钢支架载荷均匀分布；巷道浇筑完全阻斷了采空区与外界联系，同时支护体与水、空气间的联系全部中断，阻止锈蚀反应，保证支护体系的长期性和稳定性，避免水泥注浆渗漏跑浆。

4）巷道壁后水泥注浆，改善围岩的物理力学性质，调动了围岩的自身承载能力；破碎煤岩体重新胶结成一体，提高煤岩体的整体强度和稳定性；锚杆受力传递的可靠性和连续性得以充分发挥；覆盖采空区自燃区域，达到防灭火效果；填充导水裂隙，防止采空区积水对支护件的破坏。

综上所述锚网梁支护配合U型钢可缩型支架、喷浆和巷道壁后注浆，使巷道支护体可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、U型支架支护拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱。多层组合拱结构扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力，充分加大并利用了围岩体自身的强度。

3 联合支护施工

施工工序为探放水→掘进→锚网锁支护→初喷→安装支架→浇筑→注浆，循环进尺0.4m。锚网和U型钢支架支护如图1所示。

3.1 锚网喷支护

1）锚杆采用?20mm×2250mm螺纹钢锚杆，间排距为800mm×800mm，使用两节K2335型树脂锚固剂固定，锚固长度700 mm，锚杆外露长度不得大于50 mm；网采用?6mm冷拔丝金属网，网规格1000×2000mm，网格100mm×100mm。

2）喷浆混凝土配比为1：2：2，水泥为425#普通硅酸盐水泥，石子粒度为5 mm，速凝剂掺量为水泥质量的2%-3%，喷浆的厚度不得小于70 mm。

3.2 架设U型钢支护

U型棚材质选用U29型钢，该棚分为3个部分，底宽5300mm，腰宽5000mm，净高3750mm。支架搭接长度500mm，搭接段用3道卡缆拧紧，卡缆间距80mm，支架间距400mm，两架之间用L50角铁连杆连接，每架3根，两侧棚腿和顶梁各一根，顶部和两帮用板皮背实。

3.3 浇筑

浇注混凝土配比为1：2：2，水泥为425#普通硅酸盐水泥，石子粒度为20-40 mm，速凝剂掺量为水泥质量的2%-3%。采用模板浇筑，模板长度为2m，浇筑厚度为200mm。

3.4注浆

1）注浆孔采用矩形布置，排距为2m，每排4个孔，孔间距1.5m，孔深5m，孔径?35mm。注浆材料为425#普通硅酸盐水泥，浆液水灰比为（0.8-1）：1。

2）注浆压力。考虑巷道围岩滞后注浆加固是在围岩应力场相对稳定后对破裂岩体的固结，注浆压力主要用于克服浆液在裂隙中的流动阻力，同时保证实际有效扩散半径不小于2.0m，因此注浆压力宜控制在3.0MPa-4.0 MPa，并在施工中调整。

4 应用效果分析

为了考察联合支护效果，观测支护后围岩活动规律，保证施工质量，对巷道变形位移设三个观测点进行观测，经过六个月的观测，得出如下结论：

1）密集U型棚支护有效地控制了巷道变形，联合支护完成1个月后水平平均移近量为120mm，顶板位移量为30mm，底鼓量为500mm，施工60d后，顶底板及水平位移量趋于稳定，变化很小。

2）巷道两帮岩体在围岩应力作用下向地板挤压流动，使底板处于高应力场的力学环境中，底鼓明显。

3）巷道断面整体收缩，没有出现明显的局部变形破坏，支护体处于均匀受力状态，充分发挥了U型支架的支护性能。

4）巷道变形没有经过明显的、剧烈的来压过程，说明支架逐渐产生主动屈服缩动，使支架上的压力来压缓和，避免了围岩的压力大于支架的承载力而导致支架的破坏。

5 结论

1）巷道过采空区的支护设计必须充分考虑采空区自燃和积水的治理，综合治理才能有效地保证巷道施工质量和安全。

2）密集U型钢支架支护，具有更高的初撑力和支护强度，对于破碎散岩体具有很好的支护效果。

3）低压力注浆以渗透注入为主，结合架后充填可将围岩压力均匀作用在U型支架上，提高围岩强度、改善围岩状态，同时加强了锚网支护的整体性和协调性。

4）联合支护技术可以将锚网喷、U型支架和浇筑注浆加固技术有机结合，充分发挥了锚网的主动支护，U型钢可缩性支架配合壁后水泥注浆充分提高了围岩强度和锚网支护整体性能。联合支护技术研究的应用，较好地解决了运输大巷过采空区的支护难题，为今后巷道过采空区及松散破碎岩体的支护做出了有意义的探索。