深井复杂条件切眼巷道锚网索支护技术实践

王晓辉

(开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司，河北 唐山 063109)

0 引言

随着矿井开采深度的增大，巷道围岩的应力逐步加大，顶底板赋存厚度、瓦斯和水文条件也愈发复杂，给巷道的安全施工和稳定支护带来极大难度[1-2]。其中，开切眼断面大，跨度大，设备安装运营的低变形要求高，一直是支护研究的重点内容。以开滦范各庄煤矿为例，深部区域受埋深、地质构造与采掘活动影响，围岩应力分布、顶底板岩性与浅部相比差异明显，局部构造分布也较为密集，导致开切眼支护安全受到极大影响。为满足设备安装中的运输、通风、行人要求，亟需开展锚网索支护技术升级优化。原有常规29U支架支护方案实施中，因被动支护的强度低，巷道损坏变形严重，切眼套修量大，后续安装进度受到极大影响。可见，深井复杂条件下，以大断面、大跨度为特征的切眼巷道支护是业内研究热点[3-4]，相关单位探索了预紧锚索[5-6]、锚网喷、注浆锚杆索、锚喷联合U型钢支架等技术和联合支护方案[7-9]，在局部工程取得了较好的技术效果。然而，不同的地质条件下，顶底板层位构成、水化性质、岩性强度等差异较大，巷道的变形破坏特征有较大差异[10-12]，支护方法和参数也不尽相同。因而，针对范各庄工程实际，分析查明巷道的破坏机理，确定支护设计原则，技术实践工程适用的锚网索支护参数，将为切眼支护技术提供范例和借鉴。

1 大断面、大跨度切眼巷道支护机理

1.1 围岩破坏机理

巷道开挖后围岩的原岩应力平衡状态被破坏，浅表区由三向应力状态调整为二向或低围压三向应力状态，其自稳能力受到削弱，局部应力集中作用下围岩破坏，进而导致锚固失稳的发生，巷道安全受到极大威胁。而切眼巷道因跨度大，层状顶板条件下岩层的复合顶受力大，拉应力高，离层断裂破坏更为典型。在深井切眼支护工程中，开滦传统应用29U支架较多，被动支护的抗力仅为0.1～0.2 MPa左右，远小于岩石力学等效圆孔开挖理论计算的稳定支护抗力。因此，深井复杂切眼巷道的破坏机理为大跨度的巷道支护抗力不足，而复合的层状岩板下位受拉、层间粘结剪应力低是结构失稳的客观原因。

1.2 支护原则

1.2.1 整体性原则

确保支护构件和支护围岩共同作用，当围岩应力达到峰值前，支护强度匹配发挥。煤岩有害失稳变形因受到支护作用得到抑制，构成围岩与支护的锚固共同体，使支护和围岩形成的复合体协同支护，呈现出较大的抗变形能力。

1.2.2 联合支护原则

随着开采深度的不断增加，大跨度切眼其围岩稳定性差，跨度大，变形大，矿压显现越发明显，支护与围岩相互间的关系比较复杂，大断面切眼巷道采用单一支护强度不足，难以有效控制围岩体变形。因此，采用联合支护、多种支护方法地强度耦合与协同作用。

1.2.3 及时支护原则

巷道开掘后，改变了巷道围岩的应力状态，顶板容易离层失稳，顶板中部易出现拉应力区产生拉伸破坏，同时复杂工程的巷道围岩不能自稳，其变形和位移将会造成帮顶冒落，给施工安全和运营维护带来威胁。因此，必须对揭露顶帮进行及时支护，控制松散破碎围岩向深部发展，从而发挥初期支护的促稳作用，实现锚固体的稳定承载。

1.3 支护结构

1.3.1 支护结构

根据切眼巷道变形与受力分析，参照围岩控制原理及支护原则，确定采用锚、梁、网、索联合支护技术更为合理。该结构将锚杆和锚索支护力联合调动，以托梁大刚度实现高护表强度的发挥，利于对层状大跨度顶板的局部强力补强和层间抗剪力的大幅提升，从而形成由锚杆、锚索嵌入抗剪和增阻的锚固受载结构，限制围岩松动圈的扩展，以实现巷道稳定支护目的。

1.3.2 支护机理

锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容、不连续变形破坏，初锚力和工作锚固力均使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏，保持锚固区围岩完整性，避免围岩强度降低。在锚固区产生较大的压应力区，形成预应力承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，改善围岩部应力分布。锚索将锚杆承载结构与深部围岩相连，与锚杆有效压应力区连接、重叠，形成更大范围的骨架网状结构，利于消除或减小锚杆端部的拉应力区，调动锚固体的抗压强度。因深井开切眼服务周期短，巷道工程要求尽量实现一次支护有效控制围岩变形，避免二次套修维护。

2 3221S切眼支护技术实践

2.1 煤层顶底板情况

3221S切眼巷道设计断面8.3×3.7 m2，切眼上下端头各10 m范围，断面8.8×3.7 m2；切眼机组硐室断面10.3×3.7 m2。煤层顶底板主要由粉砂岩和细砂岩构成，见表1，直接顶强度24.12 MPa，煤层强度6.0 MPa，直接底强度11.8 MPa，围岩稳定性分类为Ⅲ类，见表2。

表1 煤层顶底板情况Table 1 Roof and floor condition of coal seam

表2 围岩稳定性分类Table 2 Classification of surrounding rock stability

2.2 锚梁网索支护参数

切眼支护采用高预应力锚杆支护系统，顶板以高强螺纹钢锚杆、金属菱形网、U型钢带组合支护，间隔2排锚杆进行锚索补强，同时在断层附近增加顶锚杆与锚索密度。

2.2.1 顶锚杆参数

通过加大锚杆长度，可使上覆的岩层形成更厚的锚杆加固体，利于提高锚杆的初锚力，增强锚杆的支护效果，增强巷道围岩的稳定性。高强度锚杆，可以承载更多的破碎岩石，抵御更大的水平剪切荷载。按照工程类比，确定顶锚杆采用φ22 mm直径的HRB500高强锚杆，长度2.4 m，间排距0.8 m×0.8 m，金属菱形网配合厚度4 mm、宽度140 mm的“U”型钢带护顶。

2.2.2 护帮锚杆

巷道的两帮和顶底板是一个相互联系的整体，两帮的失稳无论对顶板还是底板而言都是不利的[13]，为加强控制切眼巷道煤体两帮的变形，北侧回采帮采用φ20 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆，南帮采用φ20 mm×2 000 mm的HRB340等强螺纹钢锚杆，两帮锚杆间排距0.8 m×0.8 m。塑编网配合φ10 mm圆钢加工的“H”型钢带护帮，当巷帮松软、片帮时，通过减小锚杆间排距，铺双层网进行加强支护。

2.2.3 锚索参数

基于现场的实际情况调研与切眼巷道的实际状况，巷道锚索选用φ21.6 mm×7 500 mm的高强度、低松弛钢绞线锚索，配合托梁规格为长500 mm的25U直钢，间隔方式采用五花眼布置，锚索间距2.2 m，排距1.2 m。在巷道压力大、变形较严重地段加密锚索间距至1.6 m。

3 巷道支护效果

矿压监测是评价锚杆支护安全保障的重要内容，也是锚杆支护效果评定的关键指标。范各庄煤矿切眼巷道矿压观测采用顶板离层仪观测与十字测线位移观测及锚杆索测力计的监测手段，其中十字布线围岩观测的间距不大于30 m，顶板离层仪间距为30～50 m，3221S切眼巷道共设置4个测站，离层仪深部3.5 m和浅部1.5 m的离层显示最大值为24 mm；平均表面位移两帮136 mm，顶底86 mm；锚索测力计的最大读数为250 kN，锚杆测力计最大读数为98 kN。综上可见，支架安装前，切眼断面维护良好，锚杆和锚索支护力效能发挥约为50%～80%，通过数据可以表明位移和离层控制较之原29U支架支护效果明显。

4 结论

(1)深井复杂切眼巷道的破坏机理为大跨度的巷道支护抗力不足，而复合的层状岩板下位受拉、层间粘结剪应力低是结构失稳的客观原因。

(2)锚杆索主动支护技术较之29U支架被动支护，利于补强大跨度层状顶板和提升层间抗剪，形成由锚杆、锚索嵌入抗剪和增阻锚固结构，是切眼巷道支护方法的首选方法。

(3)采用“锚杆+锚索+钢带+托梁”构成强力锚杆和锚索支护技术，较好地解决了范各庄煤矿深井切眼巷道的变形失稳技术难题，实现了锚固体效能的高效发挥并留有储备，确保了巷道的运营安全，为相似工程条件提供了范例。