基于錨固約束原理的巷道幫部支護技術及實踐

摘 要：針對8104工作面運輸平巷在掘進過程中因巷道超高造成的巷幫支護難題展開研究，在分析巷道變形破壞機理的基礎上，設計了基于淺部錨桿約束及深部錨索加固的錨網索聯合支護方案，并在工程實踐中成功應用，取得了良好的圍巖控制及巷道支護效果，具有較為顯著的技術及經濟效益。

關鍵詞：超高巷道；錨固約束原理；錨網索支護；“三高”錨桿

1 現場工程概況

8104工作面主采8#煤層，埋深238～265m，煤層厚度6.8～11.2m，平均為9m，煤層傾角5～11°，平均8°，巷道直接頂為平均厚度2.2m的砂質頁巖，老頂及上部巖層分別為1.6m的粗砂巖、1.9m的細砂巖、1.5m的中砂巖及1.9m的粉砂巖。工作面運輸平巷沿煤層底板掘進，設計長度1850m，巷道斷面設計為5000×3500mm，由于巷道在520～590m共計約70m的區(qū)段范圍內受構造影響，頂板破碎極難維護，采取人工破頂的方法破除破碎頂板，這就造成巷道高度超過設計的3500mm，最高可達7500mm，超過設計高度的兩倍。本文即針對該段超高巷道的支護難題展開研究。

2 基于錨固約束的巷幫支護機理

巷道開挖后原巖應力狀態(tài)被打破，在地應力的作用下圍巖發(fā)生載荷卸載及破壞，并逐漸向巷道空間內發(fā)生位移變形。根據相關文獻檢索及數值模擬結果表明，隨著巷道高度的增加，巷道兩幫的水平位移場逐漸向深部發(fā)展，說明巷道高度的增加使巷道幫部圍巖擾動范圍有增大趨勢，高度超過某個臨界值時，巷道兩幫圍巖深部會沿著一個剪切面發(fā)生滑動失穩(wěn)，表現為兩幫圍巖整體向巷道空間移動，導致幫部圍巖失穩(wěn)及支護困難。同時，巷道兩幫圍巖的失穩(wěn)又會導致對頂板支護的弱化，導致頂板下沉破壞加劇，破壞對頂板的支護效果。

對于超高巷道，不宜采用金屬支架，否則金屬支架腿部過高影響支架的整體穩(wěn)定性。本文設計采用錨桿索聯合支護方式，能夠充分借助錨固、擠壓及懸吊作用提高圍巖整體性及承載性，有利于圍巖的控制。同時超高巷道高度大于寬度的特殊性要求我們必須重視對巷幫的支護，巷道高度越大，幫部圍巖越容易失穩(wěn)，巷道整體支護結構也就越容易失穩(wěn)。超高巷道支護的關鍵在于對兩幫的支護。

根據前文分析，巷道高度增大會導致巷道圍巖擾動范圍增大，兩幫塑性區(qū)寬度增大，常規(guī)的錨桿支護難以打入穩(wěn)定的巖層中，因此設計支護方案時必須考慮錨固及加固深度更大的錨索支護。同時，處于塑性區(qū)的圍巖對圍壓施加較為敏感，淺部的錨桿支護恰恰能夠通過提供高密度及高強度的圍壓來改善圍巖性質，從而提高錨固的效能，削弱圍巖塑性破壞的不利影響。因此，設計應選用高強度、高剛度、高預應力的“三高”錨桿進行淺部支護。這樣可以在巷幫淺部圍巖中依靠錨桿的錨固作用形成支護-圍巖整體結構，提高圍巖承載能力，同時，錨固結構的形成可以對深部圍巖起到約束作用，防止深部圍巖的繼續(xù)破壞及向巷道空間繼續(xù)移動。配合錨索支護的深部支護，可以實現巷道兩幫的有效支護及巷道整體的有效支護。

3 支護方案設計及工程實踐

綜上分析，設計巷道采用錨網索聯合支護方式，支護參數說明：頂錨桿使用高強螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ20×2400mm，每根使用CK2340、Z2388共2支樹脂錨固劑，錨固長度1300mm，預緊力矩不低于300N·m，間排距1000×1000mm；幫錨桿使用高強螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ20×2400mm，每根使用CK2340、Z2388共2支樹脂錨固劑，錨固長度1300mm，預緊力矩不低于300N·m，間排距1000×1000mm；頂板及兩幫配合高強度預應力鋼絞線錨索，規(guī)格Φ17.8×10300mm，每根錨索使用樹脂加長錨固劑CK2340（1支）、Z2388（2支），錨固長度2000mm，預緊力不低于200kN，間排距1500×2000mm，頂板每排兩根，兩幫每排2～3根，根據巷道高度具體選用，并根據現場及時補強支護；使用好金屬網、鋼筋梯子梁、錨桿索托盤等，加強錨固力施加，提高錨固強度。

該段超高巷道掘進完成后按照本方案進行支護，并進行了為期45d的連續(xù)礦壓監(jiān)測，觀測結果顯示，掘進后10d內為巷道圍巖變形速率累積期，頂板最大變形速率3.8mm/d，兩幫最大移近量速率為4.5mm/d，10d后巷道圍巖變形速率放緩，變形積累量緩慢增長，約0.1～1.2mm/d；觀測期內兩幫移近量統計值為251mm，頂底板移近量統計值為221mm，巷道變形量總體處于預期及可控狀態(tài)。截止目前，工作面已安全推過該段超高巷道，巷道掘進及回采期間圍巖總體變形量可控發(fā)展，驗證了該支護方案的合理性。

4 結語

本礦總體地質條件不復雜，但是在8104工作面運輸平巷在掘進過程中因巷道超高造成的巷幫支護難題確實對采掘工作造成較大困擾。本文針對巷道在520～590m共計約70m的區(qū)段范圍內的超高問題，在分析巷道兩幫圍巖變形破壞及位移變化的基礎上，確定采用錨網索聯合支護方式。必須在掘進后迅速進行錨桿淺部支護，這樣可以在巷幫淺部圍巖中依靠錨桿的錨固作用形成支護-圍巖整體結構，提高圍巖承載能力，同時，錨固結構的形成可以對深部圍巖起到約束作用，防止深部圍巖的繼續(xù)破壞及向巷道空間繼續(xù)移動。

參考文獻：

[1]何富連，姚再峰，李士俊，王寧博，許華威.巨高巷道幫不穩(wěn)定三角塊滑移及控制[J].巖石力學與工程學報，2015，34（S1）：3238-3248.

作者簡介：

趙凱（1985- ），男，山西長治人，工程師。