深部大断面岩巷过围岩破碎带支护设计优化的研究与应用

郭贡献

（河南能源集团陈四楼煤矿，河南 永城 476600）

深部大断面岩巷在掘进期间通常面临着顶板压力大、现有支护强度不足等问题，特别是在围岩破碎带，岩石破碎，顶板淋水，局部巷道顶板掉落，严重影响施工安全，亟须进行支护优化。通过缩小永久支护排距、增加顶板锚索锚固深度、架设36U型钢棚、壁后充填注浆等“主动+被动”联合支护，对围岩破碎带巷道进行支护优化，提高了巷道整体支护强度，保证了施工安全，取得较好的效果。

1 工程概况

2903 工作面位于九采区，该工作面对应地面标高为+33.80～ +32.81 m，工作面标高为-723.9～-874.3 m，工作面走向长1199～1216 m，倾斜长190 m，总面积222 566 m2。2903 工作面巷道平面布置示意图如图1。

图1 2903 工作面巷道平面布置示意图

2903 下顺槽井下标高-726.4～-874.3 m，地面标高+33.80～+32.81 m，设计长度为1170 m。巷道开口处位于二2 煤层上方28 m 粉砂岩层位，按358°方位角施工163.2 m 后进入二2 煤层，然后沿二2 煤层掘进。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

2903 下顺槽岩巷段断面设计净宽× 净高=5.2 m×3.8 m， 采 用“Φ22 mm×2500 mm 高 强锚杆+金属网”进行支护，锚杆间距和排距均为800 mm；顶板施工四排单锚索加强支护，间排距为1600 mm×1600 mm，顶板锚索中间两排使用Φ21.6 mm×10 200 mm 的钢绞线，其余两排使用Φ21.6 mm×8200 mm 的钢绞线。2903 下顺槽断面支护示意图如图2。

图2 2903 下顺槽断面支护示意图（mm）

巷道自903X6 点前18.5 m（358°方位角）开始进入围岩破碎带，预计围岩破碎带长度24 m，破碎带范围内巷道岩石破碎，顶板淋水，局部巷道顶板出现掉落，影响施工安全，亟须进行支护优化。2903 下顺槽过围岩破碎带平、剖面示意图如图3。

图3 2903 下顺槽过围岩破碎带平、剖面示意图

2 支护设计优化

2.1 临时支护

巷道顶板破碎，无法正常使用前探梁式临时支护，采用施工管缝锚杆作为临时支护。巷道开挖后在巷道拱部施工Φ43 mm×1800 mm 的管缝锚杆进行超前支护，间距为300～500 mm，角度（沿掘进方向）上挑3°～5°，外露不超过200 mm。如图4。

图4 2903 下顺槽管缝锚杆临时支护三视图（mm）

2.2 支护参数设计

1）顶板锚杆支护参数计算(根据悬吊理论)

① 顶板锚杆长度：

式中：La为顶板锚杆长度，m；H为巷道冒落拱的高度，m；K为安全系数，一般取K=2；Lb为锚杆锚入稳定岩层的深度，取0.4 m；Lc为锚杆的外露长度，取0.05 m。

其中：B为掘进巷道的宽度，取5.4 m；f为岩石坚固性系数，泥岩取3.5。

则H=5.4 m÷（2×3.5）=0.77 m，La=2×0.77 m+0.4 m+0.05 m=1.99 m。施工时取La=2.2 m，可以满足要求。

② 锚杆间排距计算：

式中：α为锚杆间排距，m；Q为锚杆设计锚固力，150 kN；H为冒落拱高度，0.77 m；K为安全系数，一般取k=2；γ为支撑岩石的体积力，泥岩为20 kN/m3。

锚杆间排距α=800 mm、α=600 mm 均满足要求。

2）锚索支护参数验算

① 钢绞线长度计算：

式中：Ld为钢绞线总长度，m；Le为钢绞线的自由段长度，取4 m；Lf为钢绞线的锚固长度，m。

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086-2015），钢绞线的锚固长度Lf由下面两个公式确定，选取两个计算结果中较大的值：

式中：Lf为锚固段长度，mm；Nd为钢绞线轴向拉力设计值，取200 kN；K为安全系数，取2.2；ψ为影响系数，取1.6；D为钻孔直径，取30 mm；d为单根钢绞线直径，取5 mm；n为单钢绞线根数，取7 根；fmg为锚固体与岩石孔壁之间的黏结强度设计值，取2.4 MPa；f'ms为锚固体与钢绞线之间的黏结强度设计值，取1.5 MPa；ξ为采用2 根及以上钢绞线时，界面黏结强度降低系数，取0.7。

经计算可得出Lf取1733 mm。

则：Ld=Le+Lf=4000 mm+1733 mm=5733 mm。

② 钢绞线的直径按下列公式计算：

式中：d'为钢绞线直径，mm；Nd为钢绞线轴向拉力设计值，取200 kN；fc为钢绞线抗压强度标准值，取1770 N/mm²；η为强度增大系数，取1.8。

设计选取锚索直径为21.6 mm、长度为8200 mm 和10 200 mm，满足支护要求。

3）钢棚支护参数验算

U 型钢支架需要支撑的岩石重力为：

式中：Rmax为U 型钢支架需要支撑的岩石重力，kN；γ为支撑岩石的体积力，取20 kN/m3；L为U型钢棚棚距，取最大值0.85 m；B为巷道掘进宽度，取5.4 m；H为冒落拱高度，取0.77 m。

则：Rmax=20 kN/m3×0.85 m×5.4 m×0.77 m=70.7 kN。

根据《U 型钢拱型可缩性支架技术条件和试验方法》（MT/T 882-2000），使用的36U 型钢支架断面积为17.7 m2，额定工作阻力为420 kN，大于70.7 kN，满足支护要求。

2.3 支护优化

根据以上支护参数计算，在原支护基础上，永久支护做如下优化：

1）巷道采用“锚网索”支护，顶部采用8根Φ22 mm×2500 mm 高强锚杆，帮部采用6 根Φ22 mm×2500 mm 高强锚杆，锚杆间排距800 mm×600 mm。 金 属 网 规 格 为1000 mm×2600 mm，网格70 mm×70 mm，金属网搭接100～200 mm，采用双股14#镀锌铁丝双边连网，连网间距不大于210 mm。

顶板以巷中为中心线每排布置4 根锚索进行加固，肩窝2 根锚索为Φ21.6 mm×8200 mm 钢绞线，其余锚索为Φ21.6 mm×10 200 mm 钢绞线，间排距为1600 mm×1600 mm。巷帮肩窝处布置一排帮锚索加固，帮锚索距顶锚索间距800 mm，锚索均配300 mm×300 mm×16 mm 蝶形托盘使用。巷道顶板上方为煤层时，根据顶板与煤层的距离，顶板支护锚索采用Φ21.6 mm×8200 mm、Φ21.6 mm×10 200 mm 或Φ21.6 mm×12 200 mm 钢绞线进行加固，确保锚索锚固在稳定岩层中1.5 m 以上。

2）巷道自903X6 点前（358°方位角）18.5 m开始至围岩破碎带施工结束，巷道永久支护后采用5000 mm×3800 mm 直墙三心拱36U 型钢棚加固。

U 型钢棚共5 根梁，顶梁长2730 mm、肩梁长2590 mm、腿梁长2750 mm（水沟侧为3150 mm），每道钢棚使用钢板连接板7 道（顶梁3 道，棚腿腿梁4 道），钢棚卡缆12 副,其中包括8 副限位卡缆和4 副非限位卡缆，梁与梁之间搭接450 mm。钢棚卡缆螺栓的预紧力矩为300～350 N·m，连接板螺栓的预紧力矩为100～150 N·m。共需架设钢棚30 棚，钢棚间距为800 mm，棚后背网格70 mm×70 mm 的金属网，金属网搭接100～200 mm，采用双股14#镀锌铁丝双边连网，连网间距不大于210 mm，喷浆厚度100 mm。

3）棚腿两帮距底板500 mm 位置施工一排Φ21.6 mm×6200 mm 锚索+3.0 m 长12#槽钢梁进行加固，一梁三索。

4）壁后注浆加固：待钢棚喷浆全部封闭结束后，对架棚段统一进行注浆加固。

① 壁后充填注浆管布置方式：正顶1 根，两肩窝各1 根，两底角各1 根，每排共计5 根，注浆孔排距2.4 m。

②壁后充填注浆管使用镀锌钢管(Φ20 mm×2000 mm)制作，要求注浆管埋设后外露不超过100 mm（距U 型钢棚内沿）。注浆时，制浆配比:水灰比0.8～1，即每桶（Φ0.6 m×0.3 m）浆使用1.5～2 袋P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，注浆压力不低于1 MPa。注浆后及时打探眼检查注浆质量（注浆质量：探眼内无空洞或裂缝），探眼布置在两排注浆孔之间，深度1 m，与注浆孔成五花型布置。

5）注意事项

① 当顶板岩石较软，顶锚杆不能锚固在稳定岩层中时，可采用Φ21.6 mm×4200 mm 锚索代替锚杆进行支护（锚索配250 mm×250 mm×16 mm 锚索托盘使用），确保锚固在稳定岩层中。

② 巷道继续向前掘进期间，巷道开挖后，如顶板较为破碎，先进行锚网支护后再进行套棚支护，套棚支护滞后迎头距离不超过2400 mm。

2903 下顺槽过围岩破碎带套棚支护示意图如图5。

图5 2903 下顺槽过围岩破碎带套棚支护示意图（mm）

3 施工方法

1）2903 下顺槽过围岩破碎带施工期间，采用掘进机配合人工开挖的方式掘进，使用掘进机配合带式输送机出矸。

2）2903 下顺槽必须先对已掘围岩破碎段巷道进行架设36U 型钢棚后方可继续向前掘进。

3）过围岩破碎带期间，严格控制循环进尺，循环进度不超过1 排，巷道破岩前上部两根帮锚杆滞后迎头的距离不超过1 排，破岩后上部两根帮锚杆滞后迎头距离不超过2 排，下部一根帮锚杆可在喷浆前进行施工（架棚时棚后必须先挂网支护）。

4）巷道继续向前掘进时，先按照支护设计采用锚网进行支护顶帮，支护完毕后再进行套棚支护，U 型钢棚支护滞后迎头距离不超过2400 mm。

5）巷道套棚后对套棚段巷道进行喷浆覆盖，喷浆厚度以覆盖连接板为准。巷道套棚全部结束后统一进行壁后注浆。

4 架棚方法

1）架棚时登高作业需搭建作业平台。使用两个马凳（马凳高度不超过2 m、长度不低于1.2 m，使用时两个马凳沿巷道方向平行布置在两帮）、厚度不低于40 mm 的木板（木板超出马凳部分不得小于100 mm）及8#铁丝搭建作业平台（或采用掘进机、转载部搭设木板作为作业平台），平台长度不低于3.0 m，宽度不低于0.5 m。

2）架棚前分别将棚腿按照设计位置及角度立好，再搭设肩梁，最后安设正顶的一根顶梁。

3）开棚腿窝：由验收员根据巷道中腰线及钢棚间距，定好棚腿窝位置，并根据腰线确定腿窝需要开挖深度，用手镐将棚腿窝开至设计深度。

4）安装棚腿：将棚腿抬至棚腿窝位置并放进棚腿窝内，按棚距及腰线调整好棚腿位置及深度，调整好前倾后仰，上好两侧棚腿的连接板。

5）安装顶梁：在巷道两肩窝处各施工1 根规格不低于Φ20 mm×2200 mm 起吊锚杆（使用两卷锚固剂进行锚固），通过1 台1 t 手拉葫芦将顶梁吊起；或者至少3 名作业人员站在作业平台上将钢棚顶梁抬起、拨正至两棚腿上端，将顶梁两端按照提前标记好的搭接位置进行搭接，根据巷道中线和腰线调整好钢棚中心及高低，上好连接板，上齐顶梁与棚腿搭接处的卡缆。

6）校核、调整：由验收员根据巷道中心腰线对钢棚的中心、迈步及前倾后仰进行校核，对于不符合设计要求的立即进行调整处理，处理好以后再次进行校核，直至达到设计要求。

7）使用风动扳手将连接板与卡缆螺栓紧固至设计预紧力矩。

8）在U 型钢棚与巷道顶、帮之间按照设计要求铺设金属网，U 型钢棚与巷道顶、帮之间使用半圆木背实。

9）对架棚段进行喷浆封闭，喷浆以盖住连接板为准，喷浆后用刮杆刮平，并将钢棚上的残余喷浆料清理干净。

10）如果缺少U 型钢棚连接板，必须使用宽度不低于150 mm、厚度不低于20 mm 的木板或半圆木按照设计连接板数量进行临时连接，采用双股8#铁丝将木连板与钢棚绑扎至少3 圈。

5 壁后注浆加固方法

1）采用MQS-50/1.7 型气动手持式帮锚杆钻机施工帮部注浆管眼孔，MQT-130 锚杆钻机施工顶部和肩窝注浆管眼孔（巷道向前掘进套棚施工时，可先预埋注浆管）；采用2ZBQ 型矿用气动注浆泵进行注浆。注浆泵供气压力最大为1.62 m3/min，流量为0～50 L/min，压力0～6 MPa。

2）制浆时，往搅拌桶内加半桶水，边搅拌边往桶内加水泥，当加够水泥袋数后再往桶内加水至桶满，然后搅拌均匀。制浆配比:水灰比0.8～1，即每桶（Φ0.6 m×0.3 m）浆使用1.5～2 袋P.O 42.5 普通硅酸盐水泥。

3）每班第一次使用注浆泵前必须采用清水进行试泵，在泵的出浆口位置接上胶管，胶管的另一端放到吸浆桶内并向桶内加满水，待开泵后，注意观察注浆泵出水脉冲情况是不是与泵的柱塞往复次数相同；确认注浆泵完好后，往桶内放入浆液后方可开泵注浆。

4）施工顺序：由外往里、由帮及顶的顺序，注浆时逐排进行，并由当班验收员在记录本上做好注浆记录。

5）注浆过程中观察巷道顶、帮有无跑浆、漏浆情况，若有跑浆、漏浆时及时使用炮泥封堵，注浆压力不低于1 MPa。每次注好一个注浆管眼孔后，必须关闭注浆管孔口处闸门，防止漏液跑浆现象发生。

6）每班壁后注浆加固结束后，向吸浆桶内加注清水，使用清水对注浆泵进行清洗。

6 应用效果

通过3 个月的矿压观测，围岩破碎带段巷道变形量均控制在100 mm 内，达到了设计目的，并具有以下优点：

1）增加锚索锚固深度。在陈四楼煤矿顺槽施工中首次采用了Φ21.6 mm×12 200 mm 超长支护锚索，增加了锚索锚固深度，锚固范围避开了顶板软弱破碎区域，提高了支护强度，发挥锚索的预紧功能，使得悬吊作用更加明显。

2）增强巷道支护安全性。将锚杆支护排距缩小为600 mm，实现了短掘短支，确保了巷道过围岩破碎带期间施工安全。

3）提高巷道支护强度。在锚网索支护的基础上，在软弱破碎带巷道架设三心拱36U 型钢棚，在U 型钢棚与顶板之间使用木板背实，并进行壁后注浆加固，将钢棚与顶板之间空隙充实，改善钢棚与围岩的相互作用关系，能够更好发挥U 型钢棚拱部的支撑作用，避免偏载对钢棚支撑力的影响，实现了支架与围岩的耦合支护，提高了巷道整体支护强度。

7 结语

深部大断面岩巷过破碎带期间通过在锚网索支护的基础上架设三心拱36U 型钢棚，同时在U 型钢棚与顶板之间使用木板背实，并进行壁后注浆加固，将钢棚与顶板之间空隙充实，改善钢棚与围岩的相互作用关系，能够更好发挥U 型钢棚拱部的支撑作用，避免了偏载对钢棚支撑力的影响，实现了支架与围岩的耦合支护，提高了巷道整体支护强度，使2903 下顺槽平稳通过围岩破碎带，保障了掘进施工期间的安全，为同类巷道过围岩破碎带提供了借鉴。