高应力区大断面硐室维修加固支护技术

王德发， 杨永刚

(1.内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司, 内蒙古 呼和浩特 010010;2.安徽省煤炭科学研究院， 安徽 合肥 230001)

随着矿井服务时间的延长，我国东部相当一部分矿井的开拓、准备巷道进入维修高峰期，处于高应力区、采动影响、围岩软弱环境中的大断面硐室断面收敛、破坏现象则更为严重[1-3]。返修硐室围岩松动范围大，围岩破碎、变形破坏范围超出了现行支护方法所能控制的范围，普通的锚网喷支护难以有效控制围岩破坏范围和塑性区的不断扩大。在巷道围岩破坏和变形范围扩大的同时，巷道围岩施加于支护结构的载荷也成倍增大，巷道破坏和支护体的破坏不可避免[3-6]。处于复杂应力环境中的巷道或硐室在服务期内反复维修，造成巷道的维护费用高出掘进费用数倍，严重影响了矿井安全高效生产。

1 工程概况

安徽恒源煤电股份有限公司煤矿Ⅱ62采区轨道下山绞车房位于该矿井田一水平北翼Ⅱ62采区。峒室长15 m，宽9 m，高6 m，掘进断面积 47.9 m2，净断面积45.3 m2，峒室断面形状为直墙圆拱形。该峒室底板标高为-392 m，下距6煤顶板2～4 m。峒室顶板为中砂岩，峒室巷帮岩性分布不均，大部分为泥岩，距底板1.2 m夹有一层煤线，煤线厚度0.2 m。

受地层压力及多重因素破坏作用，峒室围岩变形破坏严重。特别是近几年，峒室变形破坏速度加快，破坏程度加重，已经威胁、影响绞车的正常安全运行。

(1) 断层构造应力作用。孟口断层为井田内一大型逆断层，断层落差高达40 m，其上、下盘断层带累计宽度达到150 m左右，该硐室处于孟口断层影响范围内，岩体竖向裂隙极为发育，岩体被切割成碎块。

(2) 相邻巷道围岩集中应力相互叠加与影响。如果以绞车房为圆心，半径80 m范围内布置有各类巷道共计17条，纵横交错，个别巷道相互重叠。由于巷道布置密集，相邻巷道间岩柱较窄，每条巷道掘出后所产生的围岩集中应力与相邻巷道的围岩集中应力相互作用，相互叠加。

(3) 巷道反复维修造成围岩破坏范围逐渐扩大。巷道掘进距今已有8年左右，期间进行了多次简单维修，并没能阻止巷道围岩的变形和破坏的继续发展，只是使围岩的高应力向围岩深部移动，使得巷道的围岩破坏范围不断扩大。

(4) 峒室断面大，围岩的破坏范围大。巷道开挖后，由于应力重新分布，在巷道周围形成松动圈，巷道断面越大，松动圈的范围也就越大，造成的节理裂隙面就越多，扩展越深。同时，如果存在顶板砂岩水，则易导致水沿裂隙面下渗，使围岩强度降低，影响巷道的长期稳定。

2 钻孔窥视

为了解围岩内部裂隙发育规律，利用TYGD10型岩层钻孔探测仪在绞车房内分别对巷道围岩内部破坏情况进行了探测分析，以为分析目前巷道稳定状况提供依据。在硐室左帮、右帮各施工一个探测钻孔，孔深均为8 m,窥视结果见图1。

图1 巷帮围岩状况窥视

图2 8 m深度钻孔裂隙分布

绞车房巷帮探测结果表明：巷帮0.2～0.4、0.7～0.8、1.2～1.5、3.4～4.6、5.2～5.8 m深度范围内裂隙极为发育，岩体碎裂成小块状，部分形成较大空洞。6.3～8 m岩体较完整，未见明显裂隙。为保证锚索锚固效果，锚索长度应不小于6 m，锚固长度不小于2 m，同时为了提高巷帮岩体的强度，提高其自稳能力，应优化注浆锚杆及注浆锚索参数[3，5]。

3 巷道支护方案

硐室顶板及两帮采用锚梁索支护，方案见图3。

(1) 首先清除围岩表面化碎矸。采用分块清除的方法，按照维修方案中的最小支护单元分块进行清除。

(2) 金属网背护。采用Φ6 mm钢筋焊接的双层钢筋背板背护围岩表面。

(3) 浇注巷帮直墙段混凝土墙。巷帮破坏严重、岩体破碎地段，彻底清除硐室巷帮已经破坏、破碎的混凝土、岩石，并轧制钢筋龙骨，钢筋龙骨主筋用Φ18 mm、箍筋用Φ14 mm钢筋扎制(见图4)。现场浇注混凝土(在纵筋与横筋交叉点预留锚索孔)，厚度不小于400 mm，混凝土应包裹钢筋龙骨最少50 mm，混凝土标号C30，并按规定养护。待混凝土墙达到初期强度后，在巷帮注水泥浆，注浆压力：1～2 MPa，注浆液为单液水泥浆，水灰比为0.7∶1。

图3 绞车房锚粱索修护技术方案

图4 绞车房巷帮钢筋笼轧制图

(4) 混凝土墙及注浆体固化后，在巷帮安装锚索，锚索参数为Φ18 mm×6500 mm，孔径28 mm。采用树脂锚固剂锚固，每孔放入4支Z2355树脂锚固剂。

(5) 锚杆支护。采用M型钢带配合锚杆支护。锚杆规格为Φ20 mm×2400 mm，锚杆间排距为1000 mm×1000 mm，采用树脂锚固，锚固长度不短于1200 mm。M型钢带规格为4400 mm×280 mm×5 mm。钢带沿顶板周向铺设，并压紧金属网或钢筋背板。

(6) 组合式拉力分散型全长锚固锚索。组合式拉力分散型全长锚固锚索由锚索与焊接钢梁及让压锚索垫板组成。组合锚索沿峒室纵向布置，锚索间排距为1000mm×1400mm。焊接钢梁沿峒室纵向布置，与M钢带十字搭接。峒室顶板和两帮共布置12根锚索。焊接钢梁采用7号π型钢梁与扁钢组合焊接而成，钢梁长2400mm。钢绞线规格为Φ18mm×8500mm，锚索采用树脂和水泥浆混合全长锚固。靠近孔底部分采用树脂锚固剂锚固，锚固长度为2000mm；靠近孔口的其余部分采用水泥砂浆锚固。

(7) 围岩表面喷浆。锚梁网索支护施工完成后，喷射混凝土封闭围岩，混凝土强度不低于C25，喷层厚度为80 mm。

4 巷道围岩控制效果

位移观测结果：硐室内共布置位移测站3组，各测站共监测80余天，各测站两帮变形量均约为2 mm，围岩位移控制效果良好。经水准仪测量，底板产生了最大10 mm的变形，底鼓不明显，但对绞车运行产生了一定影响，经校正后消除。后期需加强底板监测，如变形仍继续发展，则需施工底板锚索及深孔注浆，控制底鼓的发生。

锚索载荷观测结果：硐室内共安装6块锚索压力表。巷帮锚索载荷在观测的80余天内维持在35～68 kN，随时间延后载荷增加不明显，基本在初始预紧力下工作。结合围岩位移观测结果，表明巷帮压力显现不明显，巷帮完成钢筋混凝土置换、锚索补强、同步注浆后，巷帮支护强度从根本上得到增强，抗变形能力显著增加，锚索载荷增长不明显。

5 结 论

(1) 钻孔窥视是确定巷道(硐室)锚梁网支护方案及参数的有效手段，尤其对合理确定锚索长度、锚固长度具有重要意义。

(2) 矿压观测结果表明，采用顶板组合式拉力分散型树脂与注浆全长锚固锚索支护+直墙岩体破碎段钢筋混凝土墙置换+锚索支护，能够有效控制高应力区大断面修复硐室的围岩变形。

(3) 项目组提出的“新型组合式拉力分散型树脂与注浆全长锚固锚索”支护技术，能够实现普通锚索支护的高强度与注浆加固的联合支护，能够有效解决长期服务巷道锚索的防腐问题，对提高巷道或硐室长期支护安全具有重要意义。

参考文献：

[1]孙 建,庞运同,罗 敏.锚网喷、索、梁、注综合支护技术在大埋深泵房硐室返修时的应用实践[J].山东煤炭科技,2008(5):6-8.

[2]韦四江,勾攀峰,于春生.大断面破碎硐室围岩蠕变模拟及控制技术[J].采矿与安全工程学报,2013,30(4):490-494.

[3]马生徵，王文杰，马雄忠.基于正交数值试验的玻璃钢锚杆支护参数优化研究[J].矿业研究与开发，2013,33(2):46-48,56.

[4]肖亚宁,马占国,马继刚,等.高应力区动压沿空巷道围岩控制技术与实践[J].中国煤炭,2010,36(12):40-44.

[5]渠 涛,韩立军,等.极软岩巷道与硐室成套修复加固技术研究[J].煤矿安全,2008(9):6-9.

[6]高贯林,赵庆杰,连传杰.高预应力混凝土技术在硐室修复中的应用[J].煤,2012,21(3):19-25.