动压巷道锚杆条带碹支护技术研究与应用

刘文伟

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

1.1 9号煤辅运大巷地质概况

阳煤集团新元矿9号煤层辅运大巷位于南燕竹以南，冀家垴以西，韩庄以北，兰垴村、宋家湾以东，其上部为3号煤层（现已采空）。由井下钻孔揭露情况来看，由于9号煤层与8下号煤层相距较近且多数区域发生合并，因此合并为9号煤层进行开采，其厚度为4.2～6.2m之间，均厚5.2m，煤层间含有夹矸2层。煤层上覆顶板主要为泥岩及砂质泥岩互层，煤层底板主要为泥岩及砂质泥岩互层、局部区域为粉砂岩。

1.2 支护现状及存在问题

9号煤辅运大巷原设计支护横断面见图1。

由图1可知，9号煤层辅运大巷采用矩形断面，其掘进宽度为5600mm、掘进高度为4500mm，采用锚杆锚索联合支护方式，属于大断面巷道。该巷道所处区域水平应力相对较高，在高应力作用下，巷道围岩出现严重变形，顶底板及两帮均变形较大，局部区域两帮累计水平位移量可达到1800mm，顶底离层变形量可达到500mm，已经无法满足正常生产需求使用。在期使用年限内已进行多次整修，整修巷道浪费大量人力物力，不仅增加开采成本，同时对9号煤层的正常采掘活动影响巨大。

图1 9号煤辅运大巷支护示意图

2 锚杆条带碹支护机理与技术

2.1 锚杆条带碹支护机理

针对9号煤辅运大巷原有支护设计及补强支护无法满足要求的现状，项目组提出了锚杆条带碹支护的支护方案。

混凝土砌碹支护具有支护强度高、服务年限长等优点，但是传统混凝土砌碹支护需要制作碹胎，以固定混凝土模板，碹胎不仅施工复杂，施工速度慢，而且占用了巷道空间，影响巷道正常掘进或使用。西安科技大学王晓利教授发明了一次性可弯曲柔性模板，不仅简化了模板固定工艺，而且实现了锚杆-混凝土碹联合支护，其作用机理如下：

1）通过锚杆将柔模混凝土碹体与围岩组合为整体，碹体与围岩充分耦合，构建锚杆与混凝土碹体联合支护结构，充分发挥二者的优势，如图2所示。

图2 锚杆条带碹支护结构

2）锚杆改变了碹体的支承方式，显著提高了碹体的稳定性，并对其施加了径向作用力，减少了碹体环向应力，同等支护强度下碹体厚度可减少15%～20%，为降低碹体厚度、混凝土强度等级和施工难度提供了理论依据。

3）碹体将单个锚杆组合在一起，均衡了各锚杆受力，充分发挥了锚杆的群体支护作用，提高了锚杆的支护效果，并对锚杆施加横向支护力，支护围岩免压区，有效控制围岩变形破坏。

4）采用柔模替代了刚性模板，并发明了锚杆悬吊混凝土模板技术，增加了巷道施工空间，实现了掘进与支护平行作业，比传统混凝土砌碹速度快3倍以上。

2.2 锚杆条带碹支护技术

锚杆条带碹的核心支护理念为：先柔后刚、刚柔并举、抗让结合，即对巷道的支护分为两个阶段进行，第一阶段支护在巷道开外初期，全断面采用“锚网喷”支护，在初期支护完成后进行第二阶段柔模混凝土碹体支护。

2.2.1 初期支护设计

1）锚杆支护参数。锚杆选用直径为22mm、长度为2400mm的左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，其极限拉断力为255kN，采用全断面垂直于巷道断面布置方式，间排距为800×800mm，每排共计布置21根锚杆。锚杆安装预紧力再400～500N·m之间，每根锚杆配合MSK2335型和MSZ2360型树脂锚固剂各一支。锚杆辅助支护材料为W钢护板及穹形托板，W钢带为矩形断面，其长、宽、高分别为460mm、300mm、4mm；托盘为150mm正方形断面，其厚度为36mm，其极限承载能力要大于锚杆尾部螺纹的极限抗拉强度。巷道断面所使用的钢筋网选用直径为6.5mm的圆钢，编织为100mm的矩形孔，网片长度为5000mm、宽度为1000mm。

2）喷射混凝土支护参数。在对巷道全断面锚杆支护完成后，沿巷道围岩表面进行混凝土喷浆工作，选用C20混凝土，喷层厚度不低于100mm，喷射混凝土不仅可将处理巷道欠挖区域，使巷道表面平整，同时可以使巷道围岩应力分布均匀，提高巷道围岩的稳定性，为碹体支护进行初期铺垫。

2.2.2 后期柔模混凝土碹体支护设计

初期支护完成后，进行柔模混凝土碹体支护，条带碹体浇筑位置为相邻两排锚杆间，碹体宽度为1600mm、厚度为250mm，相邻两组碹体间距为800mm作卸压使用。巷道底板混凝土浇筑厚度不小于500mm，以满足柔模混凝土碹体不小于500mm的插底要求，巷道内侧碹体及底板混凝土共同作用对巷道围岩起到支撑作用。

2.2.3 柔性模板固定技术

柔性模板采用三维纺织结构，待巷道初次锚网喷支护完成后进行挂模作业，通过周边打设的锚杆将其固定，随后在其中注入混凝土，带混凝土凝固稳定后，最终形成锚杆条带碹支护结构体。

锚杆选用直径为20mm、长度为1400mm的左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，间排距为800×800mm，全断面垂直于巷道围岩打设锚杆共计22根，杆体伸入围岩1000mm，杆体外露400mm。由于初期支护时已进行了锚杆支护，为了防止该锚杆打设过程中遇到锚杆（索）托板，造成该锚杆无法施工，要求该锚杆与初期支护锚杆的横纵向位置各错开400mm。每根锚杆使用1支Z2360型锚固剂加长锚固。柔模混凝土碹体浇筑成型并养护28d后，给锚杆施加预紧力矩，预紧力矩不小于150N.m。锚杆配合150×150×36mm的穹形托板共同使用，钢材强度不低于Q235。

钢筋网：柔模混凝土碹体表面铺设Φ8mm圆钢焊接而成的钢筋网，网片宽度宜为1700mm，每张网片长度一般为4400mm，网孔规格为100×100mm；网片搭接长度不应小于100mm，并采用10号铁丝双丝双扣，孔孔相联。

钢筋梯子梁：每排锚杆采用Φ12mm圆钢焊接而成的钢筋梯进行环向组合，钢筋梯宽度为80mm；在布设锚杆处焊接卡栏，卡栏间距为800mm，锚杆需安装在卡栏内。锚杆条带碹支护横断面见图3。

2.2.4 仰拱支护设计

条带碹体为环形结构，为使其整体受力状态更好，同时方便无轨胶轮车在井下的运行，对巷道底板进行混凝土仰拱浇筑工作，选用C30混凝土，仰拱浇筑形状为弧形，靠近巷道底角侧浇筑厚度为500mm，底板中心处浇筑厚度为1000mm。

图3 锚杆条带碹支护横断面

3 现场工业性试验效果

图4 巷道围岩变形曲线

对9号煤辅运大巷采用锚杆条带碹方案返修支护后，对巷道围岩顶底板即两帮变形进行监测，绘制如图4所示的巷道围岩变形曲线。由图可知，不论是巷道两帮还是顶底板围岩变形主要出现在巷道返修支护后的初期，即巷道支护后的10～20d范围内，此后巷道围岩变形趋于缓慢直至最终稳定，巷道围岩变形稳定后，两帮累计移近量为24mm，顶底板累移近量为22mm，巷道返修支护后较使用原支护方案的回风石门段相比较，巷道顶底板及两帮围岩变形量均得到大幅减小，表明该方法可以有效缓解巷道围岩的应力环境，巷道围岩的整体性及稳定性得到提升，为锚杆及锚索提供稳定着力点，锚固强度得到提高，有效控制了巷道围岩的变形。

4 结论

1）针对新元矿9号煤辅运大巷围岩破碎需多次返修支护现状，采用锚杆条带碹支护理念返修支护的巷道，巷道初期支护采用“锚网喷”联合支护，后期支护采用柔模混凝土碹体支护，锚固区破碎围岩得到有效固结，使锚索预应力有效扩散，进而有效发挥锚索的主动支护作用。通过现场试验与观测，在采动影响下巷道围岩变形量明显减小，围岩承载能力得到充分发挥，表明该种形式的支护技术对动压影响巷道有较好的支护效果。

2）锚杆条带碹支护作为一个整体结构，在锚索结构补偿力作用下，支架被束缚在有限的变形空间，而其余大变形通过柔模混凝土碹体释放，实现了锚杆条带碹支护高阻可缩的特性。