深部软岩大断面硐室协同锚固支护技术的实践

2022-06-21卫强强

山东煤炭科技 2022年5期

卫强强

（山西省霍州煤电河津腾晖煤业，山西运城 043300）

以腾晖煤业-900 m 泵房为案例，对软岩巷道大断面硐室变形的现状和原因进行了分析，针对性提出了支护方案[1-7]，并取得了理想效果。

1 工程概况

河津腾晖煤业可采煤层为2#和10#煤层，核定生产能力为120 万t/a。腾晖煤业十采区-900 m 水泵房巷道设计长度60 m，采用锚网索喷加固，巷道净宽6000 mm，净高5600 mm。水泵房内排水管路距离巷道底板3000 mm，受巷道收缩影响局部排水管已紧贴巷帮，水泵房内出现帮部收缩、帮顶开裂现象，顶拱局部浆皮开裂地段已进行了二次锚网索加固，目前巷道尺寸为净宽4800 mm，净高5200 mm。此外，水泵房底鼓现象严重，目测底板隆起量在300 mm 左右，较大的底鼓使得水泵基础发生倾斜，水泵移位，管路扭转变形，影响安全生产。

2 大断面硐室变形失稳现状及原因分析

2.1 大断面硐室变形失稳现状分析

-900 m 水泵房巷道采用锚网喷支护，巷道围岩依然碎裂严重，并形成有多条宽度超过30 mm 的裂缝，巷道两帮收敛量最大超过1200 mm，底鼓量过大使得泵房中多台水泵基座开裂、隆起，水泵连接管路扭曲变形严重，水泵房巷道需要经常修复才能使用，对正常生产影响极大。

2.2 大断面硐室变形失稳原因分析

（1）深部高应力是巷道变形破坏的主要原因。-900 m 水泵房巷道按埋深900 m 进行计算可知，其上覆岩层所产生的垂直应力为22.5 MPa，水平应力为9.64 MPa，计算可知静态条件下围岩稳定性系数约为0.8，动压影响条件下围岩稳定性系数约为2.6，远超过极限值0.4～0.5。因此，-900 m 水泵房巷道深部高应力使得巷道处在不稳定状态下，易发生变形破坏。

（2）巷道变形失稳的其他原因。巷道围岩岩性差、局部松软破碎、锚固结构设计及参数不合理、施工质量不高也是造成变形失稳的原因。锚固的前提必须是给锚杆施加足够的预紧力，而从现有锚固参数来看，锚杆的设计预紧力矩为150 N·m，锚索预紧力为15～20 MPa，但实际上受到现场施工条件、围岩表面形状、施工机具性能、工人操作水平等因素的影响，特别是锚杆螺母与托盘之间缺少减摩垫片，造成施加给锚杆锚索的预紧力大量减耗，而且会随着时间延长、爆破震动等发生松弛现象，造成锚杆、锚索预紧力不足，从而达不到主动锚固的效果。

3 大断面硐室协同锚固支护方案研究

对腾晖煤业12 条代表性巷道围岩松动圈的现场实测可知：巷道顶板、两帮、底板的松动圈分别为2.2～2.3 m、2.1～2.3 m、 2.0～2.3 m。而-900 m 水泵房的锚杆长度之前为2.1 m，维修巷道时增加到2.3 m，因此可知，锚杆长度明显不足，锚杆打在围岩松动圈范围内。基于巷道围岩松动圈实测数据，对-900 m 水泵房巷道设计了协同锚固支护方案。

3.1 底板加固方案

-900 m 水泵房巷道底板采用“锚网索+钢带+槽钢”进行加固，参数如下：

（1）锚索布置采用“锚固模块”设计，每个模块共12 根锚索，沿泵房走向分为4 排3 列，按“4+4+4”方式布置，即每排布置3 根，每列布置4根，排距为1500 mm，列距为1600 mm，锚索长度为8200 mm，直径为21.6 mm，锚固长度为2 m（用4 支2550 锚固剂），张拉力为30～35 MPa，每根锚索配用1 个托盘，规格为200 mm×120 mm×20 mm，相邻2 个“加固模块”间距为800 mm。加固示意图如图1。

图1 底板加固示意图（mm）

（2）锚索垂直于底板安装，沿巷道走向，使用W 钢带连接，钢带规格为宽280 mm，厚5 mm，长4400 mm，前3 个眼距为1600 mm，第4 个眼与第3 个眼距离为800 mm，两端预留长度200 mm。安装时，第4 个眼作为下一模块的第1 个眼预留好位置。沿巷道宽度方向，使用槽钢和条状钢板进行连接，16#矿用槽钢长度3400 mm，眼距1500 mm，条状钢板厚约为10 mm，长为1900 mm，眼距为1500 mm，两端预留长度200 mm，宽度与16 槽钢相同，槽钢和钢板连接为一个整体，槽钢在上、钢板在下。在底板铺设钢筋网，搭接处均使用双股14铁丝连网，连网间距不大于200 mm，金属网、托盘、钢带等自下而上的叠放顺序为：金属网、钢带、槽钢/钢板（条状钢板接头在下）、托盘、锚具。

（3）铺索施工完成后，及时进行底板注浆。

（4）为了确保纵向钢带的连续性和发挥整体作用，在分模块施工时，连接下一个模块的金属网、钢带等应在上一模块施工时调整好位置，即与下一模块铺索钻眼位置相对应，保证形成一个整体。

3.2 两帮加固方案

-900 m 水泵房巷道两帮采用“锚网索+钢带+槽钢”进行加固，详细参数如下：

（1）锚杆选用Φ22 mm×2800 mm 高强锚杆，间排距800 mm×800 mm，锚杆起锚高度300 mm，底脚锚杆钻装角度与水平方向夹角为45°左右（靠近水仓的一侧为15°），选用2 支2550 锚固剂，锚固长度不小于1 m，钻装扭矩不小于300 N·m，金属网规格与底板相同。两帮加固平面图如图2。

图2 两帮加固平面图（mm）

（2）沿巷道圆周方向，用W 钢带将锚杆连接为一整体，两帮及顶板的钢带搭接点分别位于肩窝和拱顶处，两条钢带必须各有一个孔搭接且重合，施工时在该位置钻装锚杆锚固，其中，帮部钢带总长3600 mm，眼距800 mm，两端预留长度200 mm。

（3）锚索直径均为21.6 mm，底角锚索长度6200 mm，其他锚索长8200 mm，间排距1600 mm×1600 mm，锚固长度为2 m（用4 支2550 锚固剂），张拉力为30～35 MPa，每根锚索配用一个托盘，规格为200 mm×120 mm×20 mm。

（4）沿巷道走向，使用16#矿用槽钢将锚索连接在一起，形成锚索梁加固，槽钢长3800 mm，眼距1600 mm。

3.3 顶板加固方案

-900 m 水泵房巷道采用“锚网索+钢带”进行加固，参数如下：

（1）锚杆间排距及规格、要求等与两帮相同。

（2）沿断面方向用W 钢带将锚杆连接在一起，钢带共分为两段，其中1#和2#搭接点之间所用钢带与两帮相同。

（3）锚索规格为Φ21.6 mm×8200 mm，间距1300 mm，排距1600 mm，锚固长度为2 m（用4 支2550 锚固剂），张拉力为30～35 MPa，每根锚索配用一个托盘，规格为300 mm×300 mm×20 mm，靠近肩窝的锚索之间采用钢带连接。

（4）锚杆、锚索附件叠放顺序同两帮。

3.4 喷射混凝土加固方案

两帮开挖阶段，先期第一阶段喷射C20 混凝土厚度为100 mm，等待巷道锚网索施工作业后，第二阶段喷射C20 混凝土厚度为50～100 mm。

4 应用效果分析

从-900 m 水泵房巷道施工结果表明：锚杆、锚索间排距、锚固力、钻装角度、外露长度、连接方式等的合格率均在98%以上；协同锚固支护技术方案施工完成3个月后，-900 m水泵房巷道两帮、顶板、底鼓最大移近量分别为28 mm、23 mm、13 mm，巷道两帮、顶板、底鼓的最大移近量较小，巷道围岩变形量已得到控制并已经完全趋于稳定。协同锚固支护技术方案的设计是合理的，能有效提高巷道围岩的抗变形能力和稳定性。