劉 凱 周洪文 丁其全

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北省武漢市，430070；2.冀中能源邯礦集團(tuán)陶二煤礦，河北省邯鄲市，056200）

長(zhǎng)環(huán)形支架（U型鋼）耦合加固技術(shù)研究與應(yīng)用

劉 凱1周洪文1丁其全2

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北省武漢市，430070；2.冀中能源邯礦集團(tuán)陶二煤礦，河北省邯鄲市，056200）

探討了錨網(wǎng)索＋長(zhǎng)環(huán)形支架（U型鋼）的“雙殼”加固二次支護(hù)方法，在陶二煤礦首采區(qū)回風(fēng)上山進(jìn)行了二次支護(hù)技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)，在巷道中共施工40組長(zhǎng)環(huán)形支架進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，首采區(qū)回風(fēng)上山巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟口呌谄椒€(wěn)，巷道變形得到有效控制，達(dá)到預(yù)期支護(hù)效果。

松軟巖層 巷道支護(hù) 長(zhǎng)環(huán)形支架 錨網(wǎng)支護(hù) 底板注漿

1 巷道概況

1.1 工程地質(zhì)概況

陶二煤礦首采區(qū)回風(fēng)上山下部與東副井井底車(chē)場(chǎng)繞道相連，上部與首采區(qū)總回風(fēng)巷相通，設(shè)計(jì)服務(wù)年限20a。該巷道于2009年3月底竣工，目前已經(jīng)過(guò)3次臥底維修。回風(fēng)上山沿著2＃煤層底板掘進(jìn)，總工程量為450m，巷道坡度約19°?；仫L(fēng)上山所在巖層為粉砂巖，底板厚度為13～21m，裂隙發(fā)育，巖性較軟，含黃鐵礦和鈣質(zhì)結(jié)核，夾有一層0.4m的薄層泥巖，泥巖極軟，易破碎。

1.2 回風(fēng)上山原支護(hù)設(shè)計(jì)

回風(fēng)上山設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱形巷道，巷道凈斷面規(guī)格寬為4500mm、高為3550mm，巷道頂和兩幫采用錨梁網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)。采用?22mm×2400mm螺紋鋼錨桿，間排距700mm×700mm；拱頂錨索選用?20mm×8000mm的鋼絞線錨索，每排布置3根，間排距1800mm×1400mm；錨桿間使用梯子梁連接，錨索間使用縱向梯子梁連接；表面噴射120mm厚的混凝土，見(jiàn)圖1。

圖1 回風(fēng)上山原支護(hù)設(shè)計(jì)

2 巷道圍巖變形破壞原因分析及解決方案

2.1 回風(fēng)上山圍巖變形破壞原因分析

2.1.1 巷道圍巖變形情況

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，回風(fēng)上山全斷面變形嚴(yán)重，巷道底臌量在1.3～2.2m左右，兩幫收縮量達(dá)0.8～1.2m，特別是靠近軌道巷一側(cè)幫部變形量較大，腰線以下部位漿皮出現(xiàn)撕裂，寬度為200～300mm，頂板下沉量為0.8m左右。巷道下部底板涌水量較大，該巷道已經(jīng)維修過(guò)3次，巷道淺部圍巖仍破碎嚴(yán)重，網(wǎng)兜較多?，F(xiàn)巷道斷面高度為1.6～2.3m，腰線部寬度2.2～3.5m，回風(fēng)上山原巷道輪廓與現(xiàn)輪廓對(duì)比見(jiàn)圖2，巷道斷面的較大變形嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。

圖2 回風(fēng)上山原巷道輪廓與現(xiàn)輪廓對(duì)比圖

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變形破壞原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析，巷道圍巖破壞的主要原因如下：

（1）回風(fēng)上山埋深在644～835.2m之間，東副井井底車(chē)場(chǎng)－711m水平巷道的實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示該區(qū)域地應(yīng)力較大，特別是水平地應(yīng)力較大，最大水平主應(yīng)力為31.0MPa，最小主應(yīng)力為13.1 MPa，垂直主應(yīng)力15.3MPa，說(shuō)明構(gòu)造應(yīng)力影響顯著，雖然水平地應(yīng)力方向與巷道軸向近似平行，但在高應(yīng)力環(huán)境下巷道圍巖仍表現(xiàn)為工程軟巖的特性。

（2）巷道底板表面有流水與底板巖層接觸，粉砂巖中含泥質(zhì)成分，遇水后降低了圍巖強(qiáng)度。

（3）回風(fēng)上山原支護(hù)方案只考慮頂板和兩幫的支護(hù)，巷道底板無(wú)支護(hù)，碎裂底板自由變形，沒(méi)有得到限制。

2.2 巷幫及巷道底板破壞深度計(jì)算

巷道底板圍巖破壞深度主要與巷道斷面形狀、巷幫塑性區(qū)寬度、埋深、支護(hù)形式、圍巖性質(zhì)等有關(guān)，巷幫中應(yīng)力向底板轉(zhuǎn)移通道在巷幫塑性區(qū)深部，由極限應(yīng)力平衡方程可得巷幫塑性區(qū)寬度為：

式中：x——巷幫的塑性區(qū)寬度，m；

φ——圍巖界面的內(nèi)摩擦角，取20°；

C——圍巖界面的粘聚力，1.4MPa；

k——應(yīng)力集中系數(shù)，取3；

γ——巖石平均容重，25kN／m3；

H——巷道埋深，700m；

Px——支架對(duì)巷幫的支護(hù)阻力，一般為0.1～0.2MPa，取0.2MPa。

將上述物理量代入式（1），得巷幫的塑性區(qū)寬度x＝1.4m。

巷道底板破壞深度計(jì)算：

將參數(shù)代入式（2），得h＝3m；

N.布什曼從很多模型中得到巷道底板最大破壞深度與巷道寬度有關(guān)，一般巷道底板最大破壞帶深度為：

式中：L——巷道寬度；

N—破壞系數(shù)，當(dāng)巷道破壞深度在2.25～3.375m之間時(shí)，一般N＝0.5～0.75。

通過(guò)式（2）和式（3），破壞深度取大值，確定回風(fēng)上山巷道底板破壞深度3.4m。

2.3 回風(fēng)上山支護(hù)優(yōu)化方案

對(duì)于回風(fēng)上山底臌量大，幫側(cè)變形嚴(yán)重，提出采用“雙殼”支護(hù)巷道的思路，“雙殼”支護(hù)思路的主要依據(jù)：

（1）通過(guò)采用高強(qiáng)錨桿、錨索支護(hù)巷道圍巖，并施加較大預(yù)應(yīng)力，使支護(hù)體結(jié)構(gòu)與圍巖耦合成一體，提高圍巖的骨架承載能力，使巷道周?chē)纬傻谝粦?yīng)力承載殼；

（2）利用封閉式長(zhǎng)環(huán)形支架較大的增阻和可縮性能，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行二次支護(hù)，形成第二應(yīng)力承載殼，再次提高支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形的抵抗能力。

深部巷道的地應(yīng)力增加，導(dǎo)致巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)范圍增大，尤其在鄰近巷道和底板水的作用下，支承應(yīng)力和圍巖變形量急劇增加。采用“雙殼”支護(hù)能系統(tǒng)地從圍巖深部到淺部控制圍巖變形，減少塑性區(qū)破壞范圍，從而提高巷道的穩(wěn)定性。

3 長(zhǎng)環(huán)形支架支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)高水平應(yīng)力的影響，減輕底板破壞程度，使支護(hù)體和圍巖耦合成相互平衡結(jié)構(gòu)，達(dá)到控制底板較大變形的目的，采用錨網(wǎng)索＋長(zhǎng)環(huán)形支架（U型鋼）二次支護(hù)方案。

實(shí)施方案步驟：

（1）建立高強(qiáng)錨桿、錨索協(xié)調(diào)支護(hù)系統(tǒng)；

（2）圍巖注漿，提高破碎區(qū)巖體強(qiáng)度；

（3）采用全斷面長(zhǎng)環(huán)形支架控制圍巖，實(shí)施永久支護(hù)。

3.2 頂、幫錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)

首先根據(jù)巷道斷面要求進(jìn)行擴(kuò)幫、挑頂、臥底，使巷道斷面尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，即寬5200mm，高5000mm，然后進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)，其巷道及支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖3。

圖3 巷道斷面初始支護(hù)示意圖

錨桿采用超強(qiáng)螺紋鋼錨桿，規(guī)格為?22mm×2400mm，破斷強(qiáng)度為335kN，間排距800mm×800mm，每排布置13根，錨固劑為Z2360，2支，錨固段長(zhǎng)度為1.5m，錨桿預(yù)緊力矩為300N·m，錨桿托盤(pán)采用130mm×130mm的鋼板托盤(pán)。

頂板錨索采用3根?17.8mm×8000mm的預(yù)應(yīng)力錨索，間排距2000mm×1600mm，每幫使用1根預(yù)應(yīng)力錨索，長(zhǎng)4200mm，布置在巷道腰線位置，離底板高度為1300mm，錨索每排布置5根，錨索預(yù)緊力為100kN。每根錨索使用3支錨固劑Z2360，錨固長(zhǎng)度為1.8m，錨索托盤(pán)為250mm×250mm×16mm的高強(qiáng)度球形托盤(pán)。

梯子梁規(guī)格為4.4m、1.6m和0.8m的，采用14＃鋼筋制作，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為1250mm×950mm，網(wǎng)格100mm×100mm，搭接長(zhǎng)度為150mm。

3.3 巷道圍巖注漿加固

為減小底板水滲流作用對(duì)巷道的影響，采用底板注漿來(lái)阻隔水源的流通渠道，達(dá)到封閉底板圍巖、提高底板圍巖自身支承強(qiáng)度、減小圍巖變形的目的?？紤]到巖體漿液滲透距離，便于注漿孔施工和進(jìn)行注漿工作，注漿孔布置參數(shù)為：底板每排布置4個(gè)注漿孔，頂板3個(gè)，兩幫各2個(gè)，孔徑均為?42mm，頂板、兩幫注漿孔孔深均為4000mm，底板注漿孔孔深為3500mm。注漿孔間排距為1800mm×3200mm，見(jiàn)圖4。

圖4 巷道注漿孔布置示意圖

3.4 長(zhǎng)環(huán)形支架二次支護(hù)及支護(hù)時(shí)機(jī)確定

長(zhǎng)環(huán)形支架采用4節(jié)U36型鋼搭接而成，每節(jié)長(zhǎng)4400mm，中心彎曲半徑為1200mm，兩端水平長(zhǎng)度為3700mm，支架排距為800mm，與錨桿支護(hù)排距相對(duì)應(yīng)，支架之間采用扁鋼作為拉桿連接，扁鋼長(zhǎng)為700mm。支架搭接處采用下限位式雙槽夾板（卡欄），搭接長(zhǎng)度為550mm。

二次支護(hù)時(shí)機(jī)是決定巷道維護(hù)效果的關(guān)鍵因素。二次支護(hù)過(guò)早將難以抗拒?chē)鷰r的初期強(qiáng)烈變形；支護(hù)過(guò)晚，圍巖破壞程度加劇，其自身承載能力又會(huì)急劇下降。基于巷道底板已翻修過(guò)3次，圍巖變形基本穩(wěn)定，長(zhǎng)環(huán)形支架可在錨網(wǎng)索支護(hù)后直接進(jìn)行，要求滯后距離不得超過(guò)2.5m。

二次支護(hù)結(jié)束后，巷道底板成圓弧狀，為了方便巷道行人及運(yùn)輸作業(yè)，對(duì)底板進(jìn)行澆注混凝土，澆注厚度900mm，保證底板形成水平面，見(jiàn)圖5。

圖5 巷道長(zhǎng)環(huán)形支架支護(hù)示意圖

4 礦壓監(jiān)測(cè)

4.1 兩幫變形規(guī)律

通過(guò)對(duì)回風(fēng)上山兩幫移近量觀測(cè)，綜合原巷道觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 巷道兩幫移近量對(duì)比分析

巷道原支護(hù)方式時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)1和觀測(cè)點(diǎn)2顯示：60d內(nèi)，巷道兩幫最大移近量為380mm，后期移近量擴(kuò)大到800mm～1200mm。

采用錨網(wǎng)索及長(zhǎng)環(huán)形支架聯(lián)合支護(hù)后，觀測(cè)點(diǎn)1和觀測(cè)點(diǎn)2顯示，兩幫曲線規(guī)律基本相同。巷道兩幫最大移近量為152mm，在支護(hù)40d內(nèi)，移近曲線速率較大，巷道兩幫變形最為明顯；支護(hù)40d后，曲線速率變得比較平緩，移動(dòng)速率比較小，兩幫圍巖基本穩(wěn)定；50d以后，兩幫變形基本穩(wěn)定，移動(dòng)速率接近于0。

4.2 頂?shù)装鍑鷰r移動(dòng)規(guī)律

通過(guò)對(duì)回風(fēng)上山底板移近量觀測(cè)，綜合原巷道觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7。

巷道原支護(hù)方式時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)1和觀測(cè)點(diǎn)2顯示：60d內(nèi)，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)最大移近量為290mm；后期巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量擴(kuò)大到1000～1900mm。

圖7 巷道頂?shù)装逡平繉?duì)比分析

采用錨網(wǎng)索及長(zhǎng)環(huán)形支架聯(lián)合支護(hù)后，觀測(cè)點(diǎn)1和觀測(cè)點(diǎn)2顯示，頂?shù)装遄畲笠平繛?33mm，底板位移量較大，這和該區(qū)域較大的水平應(yīng)力引起的松散巖體破碎變形有關(guān)，雖然底板巖體通過(guò)支架和注漿支護(hù)，但是較大構(gòu)造應(yīng)力仍然可以使巷道底板淺部發(fā)生碎脹變形，這是在支護(hù)過(guò)程中無(wú)法避免的。55d以后，頂?shù)装遄冃纬尸F(xiàn)下降趨勢(shì)，巷道圍巖變形得到了有效控制。

5 結(jié)論

該技術(shù)可廣泛應(yīng)用與各類(lèi)失修巷道，完善高地應(yīng)力區(qū)域巷道支護(hù)技術(shù)，滿足巷道支護(hù)要求，延長(zhǎng)巷道安全使用周期；建立了“雙殼”支護(hù)理念方法為高地應(yīng)力區(qū)域巷道支護(hù)提供了一種支護(hù)新思路。

［1］ 侯朝炯，馬念杰.煤層巷道兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡區(qū)的探討［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1989（4）

［2］ 魏高峰.滑移線在塑性變形中的應(yīng)用［J］.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000

［3］ 柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）

［4］ 康紅普，王金華等.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

［5］ 董方庭，姚玉煌，黃初等.井巷設(shè)計(jì)與施工［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004

［6］ 國(guó)兆乾.錨注支護(hù)技術(shù)在復(fù)雜應(yīng)力結(jié)構(gòu)高流變巷道底板加固中的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭，2009（5）

［7］ 任志新，上官峰，楊歲寒.柔性蓄能支護(hù)防沖技術(shù)應(yīng)用研究［J］.中國(guó)煤炭，2012（3）

Research and application of strengthening technique for square ring support coupling

Liu Kai1，Zhou Hongwen1，Ding Qiquan2
（1.College of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei 430070，China；2.Taoer Coal Mine，Handan Coal Mining Group，Jizhong Energy Group Corporation Ltd.，Handan，Hebei 056200，China）

The double supporting way with cable anchor and rectangular ring（U－shape steel）supports was discussed，and applied to the first mining area of Taoer Coal Mine.40sets of rectangular ring supports were used in the center of roadway.The results showed that the roadway deformation tend to be stable and controlled effectively，achieving the desired supporting effect.

soft rock strata，roadway support，rectangular ring supports，anchor net support，floor grouting

TD353

A

劉凱（1983－），男，河北邯鄲人，在讀研究生，曾在邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶二煤礦技術(shù)科工作，助理工程師。

（責(zé)任編輯 張毅玲）