07 深部高应力围岩碎裂巷道支护技术
深部高应力围岩碎裂巷道支护技术
惠功领胡殿明
【天安煤业（集团）公司十二矿，河南平顶山 467013】
摘要介绍平顶山天安十二矿深部高应力围岩碎裂巷道稳定机理与控制技术应用研究过程及取得的效果。
关键词深井围岩稳定性联合支护
1 试验巷道概况
平顶山天安煤业十二矿是一个具有近五十年开采历史的老矿井，目前已进入三水平开发，三水平埋藏深度870～1000m。开采深度增加带来了越来越多的支护难题。三水平西翼回风下山布置在己15煤层中，煤层厚度3.5～3.8m，倾角20～24°。煤层顶板有一层厚度0.8～1.4m的伪顶，开巷后自稳时间短，极易风化破碎；直接顶为层理和节理发育的深灰色砂质泥岩，厚3.4m；两帮为己15煤；底板为己15煤和灰色泥岩。巷道围岩的稳定性较差，极易风化变质，从而表现出极差的力学性能。岩层地质柱状图详见图1。
图1 回风下山地质柱状图
该巷道原设计为矩形断面，采用高强度螺纹钢锚杆、金属网、钢筋梯、喷射混凝土和预应力锚索联合支护。围岩由于顶板岩层已沿巷道走向形成明显的剪切断裂，金属网和钢筋梯无预应力，不能及时控制顶板的断裂变形和离层。因顶板破坏而无法形成有效的连续梁结构，锚索仅起到局部悬吊作用，大大影响了锚索支护效果。
由于巷道底板和底角为煤体和泥岩，在风化和水的作用下围岩破碎和泥化、软化现象严重，造成顶板和底角围岩出现膨胀和碎涨变形，从而产生显著的塑性流动变形，使巷道出现两帮下沉和内挤、顶板发生离层，进而影响巷道整体的稳定。
自2002年开始施工的近600m巷道不得不重新进行密集棚支护，造成重复投入，严重影响了接替工期，也给安全生产埋下了隐患。为此我们2002年开始和中国矿业大学合作进行大埋深、高应力、碎裂围岩巷道稳定机理与控制技术应用研究。
2 深井支护理论分析及方案设计
在工程设计之前进行松动圈测试。测试结果表明，顶板围岩松动圈厚度为142～170cm，两帮煤层松动圈厚度为130～165cm。该巷道围岩介于Ⅲ类一般稳定围岩与Ⅳ类一般不稳定围岩（大松动圈）之间。根据围岩松动圈实测结果，考虑到己七回风下山服务年限长，确定运用“控顶卸压”原理和配套的锚网、锚索和锚注组成的“三锚”支护技术，解决这类巷道围岩高应力的释放问题及合理地加强两帮和底角煤体的支护，以保证巷道支护结构的整体稳定，其技术关键有三。
①采取合理的控顶卸压（即小断面掘进，滞后进行刷大处理，钻卸压孔等）措施。由
此既让围岩中的高应力得到释放，又尽量减少围岩的松动破坏范围，为实施锚网和锚索主动支护创造有利条件。
②依序实施锚网、锚索（锚索桁架）和锚注加固技术，形成了一套完整的“三锚”支护技术。由此较好地适应围岩的地质和施工条件，实现在复杂条件下应用主动支护技术，充分发挥围岩的自承载能力，大大提高支护结构的承载能力和适应性。
③通过对巷道的底角进行加强支护提高底板岩体的承载力，有效控制巷道的底臌，保证巷道支护结构的整体稳定。
3 试验巷道支护参数设计
3.1 断面形状的选择
巷道为矩形断面，净断面宽×高为3.6×3.0（m），荒断面宽×高为3.8×3.1（m）。考虑到开巷后的大松动圈围岩变形，预留两帮围岩变形量100mm，则巷道净断面宽×高为3.8×3.0（m）。
3.2 支护参数
3.2.1 超前小断面巷道掘进与顶板支护参数
超前掘进的小断面巷道宽度控制在2500mm左右，掘进高度3100mm，循环进尺控制在1400mm左右。
顶板采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径20mm、长2200mm，间排距为700×700（mm）。锚杆孔径为28mm，树脂锚固剂卷端头锚固。在巷道顶板的两个拐角处的锚杆改用高强螺纹钢锚杆，直径20mm、长2400mm，与顶板呈60～75°角。铺设的金属网采用8#或10#铁丝编织的经纬网，规格为3600×1500（mm），网格为50×50（mm）。钢筋梯用直径16mm的圆钢制作，规格为3600×60（mm）。巷中预应力锚索直径15.24mm、长7500mm，排距为2100mm，树脂锚固剂卷端头锚固。
3.2.2 两帮支护参数
刷帮的滞后时间根据两帮煤体的爆裂时间确定，滞后小断面掘进面10～15m左右。刷帮后的总宽度3800mm，每帮刷700mm。两帮螺纹钢锚杆直径20mm、长2200mm，间排距为750×700（mm），树脂锚固剂卷端头锚固。最上部锚杆分别向上倾斜30°，而最下部的锚杆需分别向下倾斜15°左右。金属网规格为3000×900（mm）；钢筋梯规格为2550×60（mm）。
两帮实施锚网支护的同时施工卸压孔，每帮布置一个卸压孔，孔径89mm，排距约700mm 左右，孔深8～10m。将巷道表层围岩中的高应力转移至深部，有利于巷道支护结构的稳定。
两帮煤体还要采取注浆加固。首先在巷道的两帮钻孔安装注浆锚杆。初注注浆锚杆的间排距可确定为900×2000（mm），用1卷树脂锚固剂卷端头锚固。然后将锚杆的孔口保护好后喷射混凝土，进而再利用外露的内注浆锚杆的孔口进行注浆加固。初注浆加固作业向前推进达一定距离（15～20m）后，再插空布置复注注浆锚杆进行复注。采用隔排初注、插空复注作业的原因在于初次注浆时存在注浆效果差的个别孔，或因水泥凝结硬化易产生收缩变
形，通过复注可起到补注和加固充填的作用，保证施工质量。
3.2.3 顶板预应力锚索桁架支护参数
完成刷帮和锚网支护的同时，在巷道顶板两个拐角处布置两根预应力锚索，锚索与顶板岩层呈45～60°角。预应力锚索直径15.24mm、长7500mm，排距为2100mm，与巷中锚索间距为1600mm，并使用专门加工的锚索桁架垫板。再用4根直径20mm、长1800mm螺纹钢拉杆和螺母将这三根锚索连接成一个整体，并对每根拉杆施加40kN的预紧力。
3.2.4 底角注浆加固参数
在底角布置内注浆锚杆，锚杆孔径为45mm，孔深不超过1950mm。锚杆孔口距巷道底板不超过100mm，并与巷道底板呈30°的倾角。锚杆直径22mm、长2000mm，采用4分焊接管制作，排距为1400mm，用1卷树脂锚固剂卷端头锚固。喷射混凝土封闭后注浆。注浆浆液采用水泥－水玻璃浆液，水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的掺量为水泥用量的3～5％。注浆压力控制在1.0MPa左右。
图2 支护断面设计
4 施工工艺要求
4.1 小断面掘进与顶板初次支护
①采用钻爆法掘进时，严格按光面爆破要求进行施工，尽量减轻对顶板岩层和底板煤体的破坏，保证煤岩体的完整性，为实施锚网等主动支护措施创造良好的条件；
②布置顶板锚杆孔时，要按照设计的锚杆间排距和孔深采用小钻头钻孔，还要保证锚杆孔尽量垂直于岩层的赋存方向；
③安装顶板锚杆时，须按顺序装入树脂锚固剂卷，锚固剂搅拌时间和停钻等待固化的时间都要达到规定要求；
④金属网要对称布置，两端紧贴岩面，两帮的下埀长度均在350mm左右，然后再沿巷道的横向安装钢筋梯，并用锚杆托盘和螺母将金属网和钢筋梯压住；
⑤金属网接茬部位要用8#或10#铁丝联接，每个联接处的联接点不得少于5个，使顶部的金属网形成一个整体；对顶板局部破碎段，可沿巷道的纵向增设部分钢筋梯，以提高顶板支护的整体性。
4.2 刷大断面与二次支护
①刷大巷道断面时，滞后迎头5～10m用手镐落煤，尽量减轻对两帮煤体的破坏，为实施锚杆等主动支护创造有利的条件；
②锚杆孔成孔后，在安装锚杆前要用压风清除干净孔底及孔壁上的煤岩粉，以保证锚固剂的锚固效果及锚杆的锚固力；
③要保证各处倾斜锚杆孔的倾斜角度和孔深，安装时均需用锚杆将树脂锚固剂卷送至孔底后再进行搅拌，以确保锚杆的锚固长度和锚固效果；
④顶板初次支护中下垂的金属网要在刷帮后拉平，并用顶板两侧拐角处的锚杆将金属网压紧和固定，并与两帮支护中的金属网相连，使顶、帮的金属网联成一个整体；
⑤将两帮支护中的钢筋梯一端200mm处弯成90°角，通过钢筋梯将顶板两侧拐角处的锚杆与两帮的锚杆联成一体，共同发挥支护作用；
⑥对两帮局部破碎段，也可沿巷道的纵向增设部分钢筋梯，将锚杆沿纵向也联接成整体，以提高两帮支护结构的抗变形能力；
⑦卸压孔位于巷道两帮的中部，眼孔基本呈水平状态，孔深不少于8m，以实现表层高应力释放和向深部转移。
4.3 底角注浆加固
①严格控制注浆锚杆孔的排距、角度和深度；
②锚杆可采用1卷树脂锚固剂卷端头锚固，喷射混凝土后再注浆；
③严格控制注浆浆液的水灰比和水玻璃掺量，并将最终注浆压力控制在1.5MPa以内；
④进行底角注浆时，要注意观察注浆孔周围浆液的渗漏和扩散情况，当巷道的底角周围出现大量漏浆情况时可以暂停注浆，再对其余注浆孔实施注浆作业；
⑤对个别出现漏浆的注浆孔，可在停注20～30min后再进行一次复注，这样可对部分因浆液扩散沉淀又出现的孔隙进行补充和加固，以提高底角注浆效果。
5 试验效果分析
在三水平回风下山新掘段巷道中运用“控顶卸压”及配套的“三锚”支护试验段布置了3个变形测试断面，主要监测巷道两帮移近量和顶板下沉量。测试结果见图3、4、5。
图3 巷道1＃测试结果
图4 巷道2＃测试结果
图5 巷道3＃测试结果
测试结果表明，三水平西翼回风下山由于采取有效的“控顶卸压”措施，并按顺序进行了支护与加固，有效控制了巷道顶板的下沉和两帮的收敛，顶板平均下沉量58.4mm，两帮平均移近量83.7mm。且巷道的后期变形力量均较小，巷道已趋于较稳定状态。这说明采取控顶卸压措施和“三锚”支护技术能较好地满足大埋深、高应力、碎裂围岩巷道的支护要求。
第一作者简介惠功领男，1991年毕业于焦作矿业学院。现任平顶山天安煤业公司十二矿开拓科科长。电话：0375-******* 手机：138********。
（收稿日期：2005-08-10；责任编辑：胡林）