杨长瑞

（河南省正龙煤业有限公司 城郊煤矿，河南 永城 476600）

1 工程背景

1.1 巷道位置

城郊煤矿二水平南翼轨道大巷为二水平行人、运料以及工作面进风的通道。巷道设计长度1 596 m，施工坡度为3‰，设计服务年限为20 a。巷道断面为直墙半圆拱断面，规格尺寸为5.0 m×4.0 m（宽×巷中高），墙高1.6 m。巷道位于二2 煤顶板中，层位如图1 所示。

图1 二水平南翼轨道大巷层位图Fig.1 Layer of track roadway in the second horizontal south wing

1.2 巷道变形特征

二水平的埋深已经超过800 m，初始采用的是锚喷支护方式。现场调研发现，南翼轨道大巷的变形严重，底臌量大，顶板喷浆层多处开裂，钢筋网拉断扭曲，断面收缩明显，局部地区变形量超过1 200 mm，维修周期仅为1 a。巷道断面收缩情况如图2 所示。

图2 巷道断面变形素描Fig.2 Roadway section deformation sketch

二水平南翼轨道大巷变形特点主要如下。

（1） 水文地质条件复杂。

巷道掘进过程中顶板及两帮均有淋水现象，并且持续时间较长。在长期水环境的侵蚀下，围岩强度大大减少，并且锚杆索等支护体也被腐蚀，影响了支护强度。

（2） 巷道层位岩性较差。

二水平南翼轨道大巷主要位于二2 煤顶板的砂质泥岩中，围岩力学性质实验测定结果表明，砂质泥岩的抗压强度为42 MPa，抗拉强度为0.76 MPa，强度低，抵抗变形能力差。

（3） 支护设计存在一定问题。

原支护设计中对巷道底板缺少支护，导致巷道底鼓严重，同时巷道表面采用简单的水泥浆封闭，一次成形，厚度小，导致后期在水的影响下开裂掉皮。

2 深部岩巷控制及支护参数计算

对于深部巷道，采用常规的锚网索支护难以取得理想的支护效果[1-3]，在加强支护的基础上，强化围岩本身的强度以及加强关键部位支护是减小巷道变形的有效途径[4-8]。

2.1 深部岩巷控制

2.1.1 围岩强度强化

研究表明，在岩体中施工锚杆索可以显著提高岩体的承载能力。巷道开掘后，原岩应力重新分布导致表面应力集中，围岩出现塑性破坏。锚杆支护可提高破碎围岩的极限强度和残余强度，提高其抗变形能力。并且在一定范围内，其支护强度与围岩变形呈现显著的负指数关系。随着支护强度的增加，围岩变形大大减少，如图3 所示。

图3 支护阻力与围岩变形关系Fig.3 Relationship between support resistance and surrounding rock deformation

2.1.2 关键部位补强

由于巷道底鼓可以通过卧底的方式解决，因此我国巷道设计中对顶板及两帮支护较多，底板支护较少甚至无支护。缺少底板支护，整个支护体没有形成一个完整的承载结构，底板尤其是底板与两帮交接处为支护薄弱地带，变形最为严重[9-10]。因此，对于大巷等永久巷道，应在加强顶板及两帮支护的基础上重点对底板进行加固，保证巷道稳定，减少维修。

2.2 支护参数计算

2.2.1 锚杆参数

（1） 锚杆长度计算。

锚杆长度Lg通常按下式计算：

式中：L1为锚杆末端外露长度，m；L2为锚杆有效长度，m；L3为锚杆锚固段长度，m。

将相关数据代入公式，计算得到锚杆长度不小于2.6 m。

（2） 锚杆杆体直径。

根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定锚杆直径dg，一般按下式计算：

式中：σ 为锚固力，kN；σt为杆体材料抗拉强度，MPa。

代入计算可得，杆体直径为20.6 mm。

（3） 锚杆间距、排距。

锚杆间排距a按照下式计算：

式中：a为锚杆间排距，m；Q为锚杆设计锚固力，kN/根；H为自然平衡拱高度，m；γ 为被悬吊岩石的重力密度，kN/m3；K为安全系数。

代入计算可得，间排距为760 mm。

2.2.2 锚索参数

（1） 锚索钢绞线长度计算。

钢绞线长度Ls按照下式计算：

式中：La为钢绞线的自由段长度，m；Lb为钢绞线的锚固长度，m。

代入计算可得，锚索长度为6 970 mm，取7 300 mm。

（2） 钢绞线的直径计算。

钢绞线的直径ds按下式计算：

式中：Nt为钢绞线轴向拉力设计值，kN；fptk为钢绞线抗拉强度标准值，N/mm2；k为钢绞线界面设计安全系数。

代入计算可得， 直径为17.06 mm， 取18.9 mm。

3 现场应用

3.1 支护方案

综合分析的基础上，二水平南翼轨道大巷确定采用锚网索全断面支护方式。

3.1.1 巷道顶板及两帮

巷道顶板及两帮支护如图4 所示。

图4 巷道顶板及两帮支护方案Fig.4 Support scheme of roadway roof and two sides

（1） 初喷。

巷道成型后，首先对进行敲帮问顶，及时喷浆将巷道进行简单密闭，喷浆层厚度不少于30 mm。

（2） 打锚杆上网。

从巷道正中间向巷道两侧依次施工锚杆。锚杆直径为22 mm，长度为2 800 mm，间排距均为700 mm，所有锚杆垂直巷道表面，巷道两帮最下位两根锚杆向底板方向倾斜10°。每根锚杆配2 卷Z2360 树脂药卷锚固，锚固力不低于180 kN。锚杆托盘规格为200 mm×200 mm×10 mm（长×宽×厚）。所有钢筋网为直径6.5 mm 的钢筋制作，网口规格为70 mm×70 mm，每片钢筋网的尺寸为1 000 mm×2 000 mm，网片搭接不得小于200 mm。

（3） 施工顶锚索。

巷道顶锚索为φ18.9 mm 的预应力钢绞线制作，长度为7 300 mm，间排距为1 700 mm×1 400 mm，每排布置3 根，均垂直巷道表面。每根顶锚索配3 卷Z2360 和2 卷K2335 树脂药卷锚固，设计锚固力不低于250 kN。顶锚索托盘为2 个，尺寸分为400 mm×400 mm×12 mm（长×宽×厚）和200 mm×200 mm×10 mm（长×宽×厚），大托盘在里，小托盘在外。

（4） 施工帮锚索。

巷道两帮分别采用2 根锚索加固。锚索规格为18.9 mm×5 300 mm，间排距均为1 400 mm，2 根锚杆分别向上和向下倾斜15°布置。每根顶锚索配2 卷Z2360 和2 卷K2335 树脂药卷锚固，设计锚固力不低于250 kN。帮锚索配400 mm×400 mm×12 mm（长×宽×厚） 的大托盘。

（5） 复喷。

帮锚索施工完毕后，对锚杆和锚索施工质量进行检查。确认合格后对巷道表面进行复喷，厚度不小于50 mm。

（6） 第三次喷浆。

复喷结束后，滞后70 m，对巷道进行第三次喷浆，厚度不小于70 mm。

3 次喷浆材料中均加入聚丙烯纤维，掺入量为0.5 kg/m3。浆液搅拌时应先将聚丙烯纤维、水泥等干料混合均匀，然后加入到喷浆机中，保证喷浆效果。

3.1.2 巷道底板支护

巷道底板采用反底拱和底板锚索注浆联合加固的方式，如图5 所示。

图5 巷道底板加固Fig.5 Roadway floor reinforcement

（1） 反底拱。

在巷道底板位置，施工弧形卸压槽作为反底拱，半径为9 000 mm，巷道正中间最大深度为1 000 mm。反底拱施工完毕后，利用混凝土材料进行回填。

（2） 注浆锚索。

在底板施工注浆锚索，规格为φ18.9 mm×5 300 mm，间排距为1 000 mm×1 400 mm，中间1根布置在巷道正中间位置，垂直巷道底板，两侧的2 根向外倾斜15°。注浆材料为525 的硫铝酸盐快硬水泥浆液，水灰比为0.9∶1，注浆压力为6 MPa。注浆结束后安装锁具对锚索进行张拉，拉力不得小于120 kN。

3.2 变形观测

在二水平南翼轨道大巷掘进过程中设置测站对巷道表面位移进行观测，共设置7 个测站，从巷道900 m 处开始，50 m 设置1 个，采用“十字布点法”对巷道顶底板及两帮变形量进行记录，其中7号测点的巷道变形量最大，其观测结果如图6所示。

图6 7 号测点巷道变形观测结果Fig.6 Observation results of roadway deformation at No.7 measuring point

由图6 可以看出，巷道掘进后，巷道变形缓慢，持续时间长，但变形总量小，顶板下沉量为23 mm，两帮的最大收敛量为58 mm，底臌量为45 mm，对生产无影响。巷道支护效果如图7 所示。

图7 二水平南翼轨道大巷支护效果Fig.7 The support effect of the second horizontal south wing track roadway

4 结 论

（1） 二水平南翼轨道大巷位于二2 煤顶板的砂质泥岩中，强度低，且顶板有淋水，造成巷道变形严重，底臌量大，喷层多处开裂，钢筋网拉断扭曲，反复维修成本高。

（2） 围岩强度强化和关键部位补强是深部岩巷控制的有效措施，通过注浆可以显著提高围岩的承载能力以及支护体的完整性，是深部巷道支护的有效措施。

（3） 通过采用全断面巷道支护以及底板锚索注浆和反底拱措施，400 d 的观测周期内，轨道大巷的变形量小，无需维修，降低了生产成本。