大埋深泥岩巷道高预应力强力支护方式应用研

姚 贺，董抗抗，位兆瑞

(河南能源化工集团 永煤公司陈四楼煤矿，河南 永城 476600)

复杂地质条件下的大埋深巷道存在变形严重，影响安全使用的情况。地质条件复杂、应力随采深加深而增大、附近采掘活动的扰动加之地质构造的影响，导致深部巷道围岩的支护难度加大，巷道成巷后极易发生严重形变。岩体开挖后，巷道围岩由三向受力状态变为两向受力状态，加之高应力场的特殊条件，如巷道支护强度低，围岩将经历弹性变形和塑性变形，持续发展为破碎，并由巷道以浅围岩向以深围岩发展，最终导致围岩整体失稳，巷道严重变形甚至出现垮塌、漏顶等情况，严重威胁安全生产[1-7]。

陈四楼煤矿九采区泵房底板标高-859.4 m，处于煤层顶板的砂质泥岩层位，与九采区轨道下山底车场、九采区回风下山下平巷相交，临近巷道间围岩应力叠加影响明显，且巷道靠近向斜轴部，巷道穿过落差为7 m的正断层。初期采用“锚网喷+锚索”支护时，巷道出现锚杆索拉断失效、顶底帮变形，严重影响巷道的使用，对安全管理造成较大的威胁。为了解决九采区泵房支护难题，提出了先“锚杆锚索间隔布置+长锚索”先喷后锚让压支护，再进行“锚索注浆+二次锚网加固”的高预应力强力支护方案，并对底板采用“锚网带+锚索梁+注浆”加固。

1 工程概况

陈四楼煤矿九采区发育有落差为7 m的正断层。九采区泵房沿二2煤层顶板的砂质泥岩掘进，全长约44.7 m，距离二2煤层18.3～29.1 m，煤层顶板9.61～43.23 m内为砂质泥岩，砂质泥岩遇水易发生膨胀、破碎且岩石硬度降低。九采区泵房北部为轨道下山底车场，两巷间岩柱宽11.5 m，底板落差0.7 m；南部为已掘的九采区回风下山下平巷，两巷间岩柱宽9.68 m，底板落差7.4 m。九采区泵房埋深约900 m，断面为直墙半圆拱形，宽4 200 mm，高4 600 mm。九采区泵房平剖面布置如图1所示。

图1 九采区泵房平剖面布置

九采区泵房及泵房管子道最初支护方案设计参照九采区回风下山下平巷，采用“锚网喷+锚索”支护形式，选用φ22 mm×2 500 mm左旋高强螺纹钢锚杆端头锚固，间排距700 mm×700 mm；选用φ21.6 mm×6 300 mm的锚索加强支护，间排距1.6 m×1.4 m；喷浆厚度为100 mm。按照初始支护方案施工时，巷道出现较大程度的变形破坏，巷道断面收缩严重，顶底板及两帮移近量近300 mm，严重影响巷道的安全使用。

2 支护方案及技术原理

2.1 支护方案

(1)拱部及帮部支护(图2)。

图2 九采区泵房支护方案

使用短锚索替代锚杆，加长加固锚索的长度，采取先喷后锚的让压支护、然后打注浆锚索进行壁后注浆加固的支护形式。先采用短锚索和锚杆间隔五花布置支护，排距700 mm。一排全断面采用18根φ22 mm×2 500 mm高强锚杆支护(屈服强度500 MPa)，锚杆间距700 mm，下一排拱部采用9根φ21.6 mm×4 200 mm锚索支护，帮部采用8根φ21.6 mm×3 200 mm锚索支护，锚索间距700 mm。拱部采用5根φ21.6 mm×8 300 mm长锚索加强支护，支护滞后掘进面不超过10 m，围岩破碎、过断层期间锚索紧跟掘进面施工。让压稳定后再对巷道喷浆封闭，喷厚50～100 mm。再进行二次锚网索加固(先打注浆锚索并进行注浆，然后再挂网打锚杆)，拱部采用φ21.6 mm×8 500 mm中空注浆锚索，帮部采用φ21.6 mm×6 300 mm中空注浆锚索，注浆锚索间排距1 400 mm×1 400 mm；全断面采用φ22 mm×2 500 mm高强锚杆，锚杆间排距700 mm×700 mm，打锚索位置不再打锚杆。每根注浆锚索配备2卷MSM2350树脂锚固剂，在注浆锚索安装30 min后方可安装托盘及锁具进行初次张紧，待注浆后等待至少2 d再进行二次张紧，保证锚索张紧力不低于36 MPa。待注浆锚索注浆结束后再进行二次锚网支护，锚杆的预紧力矩为250～300 N·m；最后对巷道薄喷封闭，以覆盖金属网为准。

(2)底板支护。巷道底板采取“锚网带+锚索梁+注浆”的复合加固形式。先采用锚网带加固，M钢带沿垂直巷道方向布置。采用φ22 mm×2 500 mm的左旋螺纹钢高强锚杆(屈服强度500 MPa)，4 m的M钢带(锚杆间距750 mm，共6根锚杆)，锚杆排距为800 mm。再施工锚索梁进行二次加固，锚索梁沿巷道方向布置在锚网带上方，锚索梁为3 m的12号槽钢梁，φ21.6 mm×6 300 mm的中空注浆锚索，锚索间距1 300 mm，并通过中空锚索对底板进行注浆加固。浆液凝固后再安装锚索梁并配备锚索托盘，对注浆锚索进行张紧加压。浆液水灰配比为0.8～1.0，使用P.O42.5号普通硅酸盐水泥，注浆压力控制在0.8～1.0 MPa。铺设由φ6 mm钢筋加工而成、网目为100 mm×100 mm的金属网片。喷射混凝土的强度等级为C20，使用P.O.425号普通硅酸盐水泥、中粗砂、粒径5～15 mm石子，速凝剂掺入量为水泥质量的2%～5%。

九采区泵房加固支护方案如图3所示。

图3 九采区泵房加固支护方案

2.2 技术原理

(1)“锚杆+锚索”梯次耦合让压支护系统。采用锚杆锚索耦合支护，对巷道进行多层次支护，体现了“让压有度、刚强足够”的支护理念，较大程度地提高了支护与围岩共同有机动态耦合承载的作用，提高了整体性，增加了围岩强度。高强度锚杆锚索配合由托板和金属网等构件组成的高刚度护表结构，施加高预应力，形成主动支护，充分保护和利用围岩的自承能力，对于控制软岩巷道的长期稳定起到关键性作用。

(2)关键部位加强支护。采用锚索对破坏关键部位加强耦合支护，降低甚至消除岩层之间的剪切滑移变形，并通过调动深部围岩，减少顶帮垂直应力作用在底板的应力集中程度。巷道帮部为应力集中区，提高相应区域的支护强度，可有效控制两帮破坏区、塑性区的发展。加固帮、角，减少由于两帮破裂围岩压缩下沉所造成的底鼓、体积膨胀、顶板的破裂和离层，从而减少巷道底鼓和顶板下沉量。提高顶板锚杆支护的刚度与强度可有效减小巷帮压力和底鼓。提高锚杆预紧力及强度，不仅能有效减少顶板的离层、滑动，维持顶板的相对完整性，还能使顶板的垂直压力向更深、更远的两侧岩体转移，大幅降低巷道帮部的压力，有利于对底鼓的控制。

(3)高预应力短锚索控制技术。①预应力大小对预应力场分布有决定性作用。预应力较小时，锚索引起的有效压应力区小，分布相对孤立。预应力增大时，在锚索自由段长度范围内形成了连接成一片、相互叠加的有效压应力区，提升了其对围岩的支护作用。②锚索长度的影响。随着锚索长度的增加，压应力区的范围在高度方向上逐渐增加，在宽度方向上变化微弱且有减小的趋势，锚索中上部分及锚索间围岩的压应力逐步减小；预应力一定时，短锚索的主动支护作用明显优于长锚索。③锚索密度的影响。随着锚索分布密度的增加，锚索间形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加，有效压应力区扩大并连成一体；到一定程度后，锚索密度的增加，对有效压应力区扩大、锚索预应力的扩散作用的影响将越来越微弱。

(4)预应力长锚索加固技术。针对应力集中、围岩岩性较差，采用一般锚杆支护难以承受载荷作用而易失稳破坏的情况，采用预应力长锚索技术，利用其长度优势，可穿过围岩松动圈或破碎带到达深部稳定岩体中，施以较大的预应力，将形成明显的主动支护效果，能有效控制围岩的变形。长锚索与锚杆短锚索相结合的支护方式，是通过把锚杆短锚索支护范围内的围岩自承拱通过长锚索固定在较大的压缩圈内，并把力传递到围岩深部的稳定岩体内，发挥围岩自承作用，改善围岩力学性能及受力状态。

(5)锚索注浆加固技术。利用浆液封堵围岩裂隙，防止围岩因风化或被水浸湿而降低强度。浆液将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体强度，且与原岩形成一个整体，提升围岩的抗压和抗弯性能，使巷道保持稳定。采用注浆技术配合锚索支护技术，能够极大地提升锚索的加固性能，加强拉锚点的连接性能，对加固围岩起到很大的作用；注浆技术能够加强围岩的残余强度、提升摩擦力，增强围岩的强度和支撑力，降低围岩松动半径，使其应力圈得到改善提高。

3 工程实施效果

为验证支护方案的实施效果，在泵房安装表面位移测站，测量基点分别定在巷道拱顶、底板及两帮。严格按照规定对巷道变形量进行连续观测并做好记录。经过观测与记录，采取高预应力强力支护方式的九采区泵房围岩变形量均小于55 mm，围岩控制效果明显。采取高预应力强力支护方案的九采区泵房与采取锚网喷支护的泵房管子道巷道变形量对比如图4所示。

图4 巷道变形观测结果

从图4可以看出，采用锚网喷的九采区泵房管子道巷道变形量大、变形时间长，60 d内变形量接近300 mm；采用高预应力强力支护的九采区泵房，巷道初期变形较快，25 d后巷道围岩变形量增量趋近于0，围岩趋于稳定。矿压观测结果表明：高预应力强力支护方案较为合理，可以满足九采区泵房围岩控制要求。

4 安全效益与经济效益分析

巷道采用普通的锚网喷支护时变形量超过300 mm，出现了浆皮开裂脱落的现象，巷道尺寸也难以满足要求，严重影响了巷道的安全使用，易发生浆皮伤人和冒顶事故；在采用高预应力强力支护方案后，巷道支护效果提升明显，巷道变形量大幅降低，有效保证了巷道的正常使用，避免了安全事故。在经济效益方面，采用锚网喷支护时，需要的材料费用约为3 000元/m，人工费约为1 000元/m，而采用高预应力强力支护需要的材料费用约为3 500元/m，人工费约为1 200元/m，掘进期间采用高预应力强力支护增加费用700元/m；但采用高预应力强力支护能够避免因巷道变形而重新扩修，减少了材料费用投入约900元/m，人工费投入约400元/m；因此，采用高预应力强力支护能够节约费用约600元/m，同时也避免了在巷道维修上的人力投入，提高了矿井的整体施工效率。

5 结语

陈四楼煤矿九采区泵房邻近陈四楼向斜轴部，穿过一次断层，附近巷道多、关系复杂，且处于大埋深泥岩环境，巷道围岩极易发生形变，有效控制巷道变形难度较大。采取“锚杆锚索间隔布置+长锚索”先喷后锚让压支护，再进行“锚索注浆+二次锚网加固”的高预应力强力支护方案，并对底板采用“锚网带+锚索梁+注浆”加固，巷道顶板、帮部及底板的变形量大幅降低，有效保障了巷道的安全使用，可为相似条件下的岩巷支护提供参考。