斷層帶巷道U型鋼棚+超前注漿噴棚錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

劉祥利 王鳳江 李新欣

（山東省煤炭技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 濟(jì)南 250032）

星村煤礦三采區(qū)在進(jìn)行巷道開拓過程中，揭露了F1斷層，走向NEE、傾向NNE，傾角60～70°,落差240～660m，該斷層落差較大，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度7740m，伴生斷層較多，頂板破碎情況嚴(yán)重，無(wú)滴淋水情況。在掘進(jìn)過程中，造成支護(hù)難度大，如何安全可靠地控制斷層帶圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成為關(guān)鍵。

1 斷層帶巷道變形破壞原因分析

1.1 變形和破壞形式

根據(jù)斷層帶巷道支護(hù)形式，分析巷道變形和破壞情況，其形式主要有：巷道兩幫受到擠壓，造成架棚變形嚴(yán)重；底臌等現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.2 破壞原因分析

（1）巷道圍巖特性受到斷層的影響，致使巖層的性能劣化、穩(wěn)定性差，這是造成巷道變形的主要原因。

（2）斷層引起的水平構(gòu)造應(yīng)力比較大，使巷道狀態(tài)不穩(wěn)定。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)狀況引起的構(gòu)造應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原巖應(yīng)力，破碎巖體受到側(cè)向高應(yīng)力的作用極易產(chǎn)生剪切膨脹變形。

（3）底板一般不進(jìn)行支護(hù)，容易引發(fā)巷道整體變形。底板在巷道支護(hù)體系中一般會(huì)弱化處理，這就造成底板的軟弱巖體被擠壓到巷道中，變形從弱支護(hù)處臌出，底鼓發(fā)展到一定程度就會(huì)引起巷道變形破壞。

（4）斷層帶的圍巖多為泥巖，具有碎漲等特性，遇水易軟化和泥化，會(huì)降低支護(hù)的承載力。

（5）在對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)時(shí)，如果支護(hù)不理想未能使頂板巖體形成整體，就會(huì)造成頂板離層下沉。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵及解決方法

2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵

通過分析斷層帶巷道變形破壞的特點(diǎn)和原因，本次支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：

（1）控制頂板。通過對(duì)巷道圍巖進(jìn)行整體支護(hù)，形成新的組合拱結(jié)構(gòu)，來(lái)控制頂板變形和離層產(chǎn)生的應(yīng)力集中，以減輕兩幫的應(yīng)力集中，兩幫位移就會(huì)減小，有助于巷道保持穩(wěn)定性。

（2）卸壓。斷層帶區(qū)域應(yīng)力高達(dá)幾十兆帕，支護(hù)產(chǎn)生的支護(hù)力難以與其抗衡，由于支護(hù)無(wú)法使巷道恢復(fù)到原有的高應(yīng)力狀態(tài)，這就需要釋放圍巖中的高應(yīng)力。具體做法是在初次支護(hù)時(shí)使用柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖出現(xiàn)可控變形，然后在二次支護(hù)時(shí)，通過實(shí)施有效的支護(hù)手段，使巷道在低應(yīng)力狀態(tài)下巷道圍巖和支護(hù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）底板支護(hù)。巷道變形除受到地質(zhì)條件和地應(yīng)力影響外，底板弱支護(hù)引起的底鼓是造成巷道失穩(wěn)的誘因。在巷道支護(hù)體系中，底板支護(hù)是薄弱環(huán)節(jié)，受到垂直應(yīng)力、側(cè)向應(yīng)力和兩幫應(yīng)力的影響，底板易發(fā)生破壞，出現(xiàn)底鼓等現(xiàn)象，因此要實(shí)施有效支護(hù)或者加固措施。

2.2 解決方法

控制巷道圍巖變形需采用積極主動(dòng)的支護(hù)體系，需遵循以下原則：

（1）整體性原則。支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同發(fā)揮作用，通過錨固作用產(chǎn)生較大的剛度和較強(qiáng)的抗變形能力。

（2）結(jié)構(gòu)性原則。通過增強(qiáng)錨固強(qiáng)度和深度，對(duì)支護(hù)的關(guān)鍵部位應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行改善，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖共同作用的發(fā)揮，保證了整體的應(yīng)力平衡。

（3）全面性原則。巷道頂板、底腳、兩幫及底板形成全斷面的支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以有效地控制底腳變形和底鼓，維持支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（4）有效性原則。通過合理的支護(hù)手段使支護(hù)架構(gòu)產(chǎn)生較大的剛度和較強(qiáng)的承載力，有效地抵抗巷道變形。

（5）時(shí)效性原則。加固后，應(yīng)預(yù)防由于復(fù)雜條件的流變效應(yīng)造成支護(hù)體進(jìn)入屈服狀態(tài)。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

在斷層帶巷道開挖后，頂板隨著掘進(jìn)隨掘隨冒，利用U型鋼棚支架作為基礎(chǔ)，采取超前注漿噴棚錨注聯(lián)合支護(hù)方式。

施工順序：超前預(yù)注漿→巷道成形→初噴混凝土→敷設(shè)網(wǎng)格200×200mm的金屬網(wǎng)→架U型棚→打頂板錨桿眼并安裝錨桿→打幫部錨桿眼并安裝錨桿→打錨索眼并安裝錨索→二次噴混凝土→鋪設(shè)底板混凝土→打注漿錨桿眼并全斷面注漿。

（1）超前預(yù)注漿。經(jīng)過斷層時(shí)，在巷道拱頂處對(duì)掘進(jìn)工作面前方4m、巷道輪廓外2m范圍內(nèi)的巖體采用超前預(yù)注漿加固，使該區(qū)域的圍巖整體穩(wěn)定性得到提高。注漿錨桿參數(shù)：Φ28mm，L=3000mm，間 排 距1200×1200mm，仰 角 為25～40°，注漿錨桿還可以起到超前支護(hù)的作用，當(dāng)注漿加固巖層有一定的承載力后再進(jìn)行后續(xù)掘進(jìn)。注漿孔布置示意圖見圖1。

圖1 超前預(yù)注漿孔布置示意圖

（2）初次支護(hù)。初次支護(hù)使用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿和可伸縮的U型金屬棚，棚距500mm。初噴混凝土厚度30mm。

（3）二次支護(hù)。架棚支護(hù)屬于被動(dòng)支護(hù)，初期能夠有效地控制變形，當(dāng)遇到其他地應(yīng)力，架棚不能有效地適應(yīng)圍巖的承載力，一旦可縮量小于變形量，U型棚就會(huì)損壞，因此需要用錨桿和錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

錨桿選用Φ20mm，L=2400mm的高強(qiáng)應(yīng)力錨桿，間排距800×800mm，垂直巖層面布置。鎖腿錨桿選用Φ20mm，L=2400mm的高強(qiáng)錨桿，采用卡纜錨固在底板1m處的棚腿上，每個(gè)棚腿使用兩根錨桿。錨索選用Φ17.8mm，L=6500mm進(jìn)行支護(hù)，間排距2000×1500mm，具體參數(shù)見圖2。噴注混凝土能夠使棚、錨桿、錨索及錨網(wǎng)形成一個(gè)受力整體，有很好的抗沖擊性。

（4）錨注加固。通過使用Φ28mm，L=3000mm的中空注漿錨桿對(duì)巷道頂部和幫部進(jìn)行注漿，間排距1500×2000mm，兩幫底角注漿錨桿與水平呈45°向下布置。底板注漿錨桿采用Φ22mm，L=2500mm的無(wú)縫鋼管加工，注漿方向與水平呈45°向下布置2根，排距1800mm。

圖2 錨桿錨索二次支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

4 巷道變形觀測(cè)

巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頂?shù)装逡平蛢蓭鸵平康挠^測(cè)數(shù)據(jù)見圖3、圖4。

圖3 1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰?、兩幫位移與開挖天數(shù)的關(guān)系

對(duì)1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頂?shù)装?、兩幫位移與開挖時(shí)間數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析：

1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板下沉最大值為14mm，底臌最大值為185mm，頂?shù)装謇塾?jì)最大移近量約為199mm；左幫變形最大值為51mm，右?guī)妥冃巫畲笾?1mm，兩幫累計(jì)變形最大值約為122mm。

2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板下沉最大值25mm，底臌最大值為32mm，頂?shù)装謇塾?jì)最大移近量為57mm；左幫變形最大值為25mm，右?guī)妥冃巫畲笾?0mm，兩幫累計(jì)變形最大值約為55mm。

圖4 2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰?、兩幫位移與開挖天數(shù)的關(guān)系

通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)期間巷道變形特征：

（1）巷道變形與開挖時(shí)間沒有直接關(guān)系。注漿后，隨著掘進(jìn)持續(xù)進(jìn)行，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平侩S著增大，底臌量明顯大于頂板下沉量，右?guī)臀灰拼笥谧髱臀灰屏?，整體兩幫變形量稍高，最后達(dá)到平衡。

（2）通過圖3、圖4可以看出，在實(shí)施U型鋼棚+超前注漿噴棚錨注聯(lián)合支護(hù)后，頂板巖層的穩(wěn)定性較好，限制了頂板下沉，巷道變形量不大，支護(hù)效果比較理想。

5 結(jié)論

（1）通過研究巷道變形的形式和原因，找到支護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)，通過控制頂板、卸壓及底板弱支護(hù)三個(gè)方面進(jìn)行了闡述。

（2）通過對(duì)整體性原則、結(jié)構(gòu)性原則、全面性原則、有效性原則和時(shí)效性原則統(tǒng)籌考慮，提出了U型鋼棚+超前注漿噴棚錨注聯(lián)合支護(hù)方式。

（3）巷道變形觀測(cè)可以看出，巷道變形與開挖時(shí)間沒有直接關(guān)系。在實(shí)施U型鋼棚+超前注漿噴棚錨注聯(lián)合支護(hù)后，支護(hù)效果比較理想，為礦井安全生產(chǎn)和巷道開拓節(jié)省了大量的時(shí)間。