深部高應力複雜條件下水倉聯合支護技術

深部高應力複雜條件下水倉聯合支護技術

黃 磊

【平頂山市瑞平煤電有限公司，河南 平頂山467500】

摘 要 平煤集團瑞平公司張村礦井底水倉埋深605m，在高應力作用和構造帶的影響下，原混凝土砌镟支護不能滿足要求，巷道建成後，維修十分困難。經過對圍岩性質的研究，決定采用錨、網、噴+U25型鋼可縮支架+混凝土镟聯合作為永久支護的施工方案，實踐表明，該方案達到了較好效果，為類似巷道的施工提供了成功經驗。

關鍵詞 水倉 高應力 錨、網、噴 可縮支架 砌镟 聯合支護

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引 言

瑞平公司張村礦位於朝川礦區中南部，井田走向長度約4.5km，傾斜寬約2.7km，主要開采二1煤層、四3煤層、五2煤層、五3煤層，礦井正常湧水量1021m3/h，最大湧水量1488m3/h。

張村礦原礦井全部采用混凝土砌镟作為永久巷道支護方式。自2003年恢複建設後，經過論證，基本上取消了砌镟支護。早期采用直徑43mm、長1800mm的管縫式錨杆，在控製破碎帶時，用直徑43mm、長2200～2500mm的管縫式錨杆。自2004年開始，采用直徑20mm、長2000～2200mm的等強螺紋鋼錨杆和玻璃鋼錨杆。采用樹脂錨固劑錨固。從開拓巷道到回采巷道、從岩巷到煤巷，凡是條件具備的巷道均采用錨、網、噴或錨、網、梁(帶)支護。目前正在推廣錨、網、梁(帶)+錨索的聯合支護。

井底主排泵房及水倉原設計支護方式采用素混凝土砌镟支護,澆築壁厚250mm。在施工中，由於高地應力及構造帶的影響，出現巷道底臌、片幫、冒頂等問題，經過研究，將支護形式改為錨、網、噴作為前期支護，采用U25型鋼可縮支架與混凝土砌镟聯合支護作為永久支護。該支護方法經過實踐取得了成功，節約了投資並縮短了礦井建設周期。

1 問題及分析

張村礦內外主排泵房及水倉設計在四3煤層底板中，距四3煤層約30～60m，為-250m水平(埋深605m)。水倉長度1006m，容水量9296m3，水倉設計斷麵淨高3000mm(其中拱高1700mm，牆高1300mm);巷道淨寬3400mm;掘進斷麵麵積11.09m2,淨斷麵麵積9m2。

水倉圍岩為灰色灰岩(厚層狀、隱品質結構、裂隙發育)與灰黑色泥岩(泥質結構、厚層狀、細膩致密)。在施工-250水平井底車場單軌巷和泵房時，揭露出一條逆斷層，該斷層走向不少於1100m，傾角40°落差0～25m，預計水倉要穿過該斷層。

在水倉施工中，起先按照原設計進行混凝土砌镟施工，接近斷層時，由於巷道圍岩破碎，局部圍岩為大紫泥岩，加上斷層裂隙的影響，巷道壓力顯著增大，先期施工的30m巷道受其影響，短期內發生了底臌、片幫、冒頂等現象。實踐證明原方案不能滿足工程實際需要。

2 支護方案優化

針對水倉工程實際，提出了五種可能實施的支護方案：

(1)方案一，混凝土砌镟支護

該巷道圍岩岩石堅固性係數f值為3～6，高應力、節理化、強膨脹斜穿斷層構造帶，需采用強力剛性支護，混凝土砌镟厚度需大於500mm，為增加整體性和均布應力，提高支護能力，需要在混凝土內部增加雙層直徑16鋼筋龍骨。

(2)方案二，錨、噴、網支護

采用直徑20mm、長2000mm的等強錨杆，間排距300×300(mm);金屬網用直徑4mm的冷拔鋼絲製成，網格為100×100(mm)，規格為900×3300(mm);噴射混凝土厚度大於150mm。由於水倉巷道處在高應力、強膨脹、複合型軟岩中，錨、網、噴支護剛開始還能起到效果，但隨著圍岩應力增加，當圍岩應力超過了錨杆抗拉拔力極限值時，造成支護結構失穩，出現底臌、片幫、裂隙、掉頂等問題，從而出現安全隱患，增大維修量，影響施工進度，支護成本也隨之增加。

(3)方案三，U型鋼可縮性支架支護

根據工程實際，可采用U25型鋼支架，間距200mm。如單獨使用，鋼材易腐蝕，不能滿足水倉使用功能，需與其它支護方式聯合使用。

(4)方案四，錨、噴、網+混凝土砌镟聯合支護

采用直徑20mm、長2000mm的等強錨杆，間排距700×700(mm);金屬網用直徑4mm的冷拔鋼絲製成，網格為100×100(mm)，規格為900×3300(mm);噴射混凝土厚度大於80mm。錨、網、噴支護作為前期支護，混凝土砌镟作為永久支護，砌镟厚度為400mm。

(5)方案五，錨、網、噴+U型鋼可縮性支架+澆築混凝土聯合支護

采用直徑20mm、長2000mm的等強錨杆，間排距700×700(mm);金屬網用直徑4mm的冷拔鋼絲製成，網格為100×100(mm)，規格為900×3300(mm);噴射混凝土厚度大於50mm。永久支護采用U25型鋼可縮性支架，間距700mm，再澆築厚150mm的混凝土。

上述方案中，前三種都不能滿足工程需要，在工程施工完一段時間後，巷道會產生較大變形，嚴重影響巷道的使用，有的甚至會產生大麵積破壞，這將大大提高維修費用。

第四種方案屬於剛性支護，如果圍岩壓力較大時，混凝土厚度也將相應增加，經濟性較差。當混凝土厚度小於250mm時，施工完20天後，混凝土開始出現裂縫，巷道發生變形、掉塊現象，並局部產生破壞。

第五種方案是一種柔性支護，錨、網、噴支護，錨杆打入岩體中，噴射混凝土固結於岩體表麵，組成一個整體，積極主動加固圍岩，充分利用岩體固有強度，前期對圍岩進行了封閉，這樣就大大減少了岩體變形及破碎。由於岩體的高應力和強膨脹性，在錨、網、噴施工完後，圍岩還會發生一定的變形，以釋放壓力。過了壓力釋放前期，再安設U25型鋼可縮性支架，再次對岩體進行支護，這時如果岩體再次來壓，由於U型鋼的可縮性，還可產生一定變形，釋放一定的壓力。最後澆築混凝土，將支護轉化為剛性支護，這時可以較小的支撐力支承較大的圍岩應力，支護能力達到最大，可有效保持巷道斷麵形狀，滿中使用要求。

根據以上方案比較，選擇第五種方案作為水倉的支護形式，為減小前期巷道變形，提高前期支護強度，加大循環作業距離，提高施工速度，噴射混凝土厚度改為80mm，U25型鋼支架采用3750mm寬定型支架，澆築混凝土成巷後巷道淨斷麵寬度保證在3600mm以上。前期支護方式如圖1所示，U25型鋼可縮支架支護方式如圖2所示。

圖1 水倉錨、網、噴支護斷麵示意圖

圖2 水倉U25鋼可伸縮支架支護斷麵示意圖

3 施工方法

水倉巷道采用二次支護，第一次支護采用錨、網、噴支護，掘進巷道成型後立即進行，錨杆采用直徑20mm、長2000mm的等強錨杆，用2卷樹脂錨固劑卷錨固，間排距為700×700(mm);金屬網為直徑4mm的冷拔絲，網格100×100(mm)，噴射混凝土厚度為50mm，混凝土中速凝劑摻量為3%。

第二次支護在第一次錨網噴支護完成5天後進行，架設三組合的U25型鋼支架，棚距700mm，棚腿棚梁間用兩道U25卡蘭聯接，梁腿搭接長度400mm，支架間用金屬拉杆連接，柱窩深度為250mm。U型鋼支架施工完20天後進行澆築混凝土，厚度150mm，這時壓力基本趨於穩定，巷道變形停止。

4 支護效果

錨、網、噴支護完成後，觀測結果表明，巷道最大變形110mm;在U25型鋼可縮性支架支護完成後巷道變形最大40mm。對U25型鋼可縮性支架複噴30天後觀測，巷道變形最大10mm，且變形趨於穩定，滿足支護要求。

水倉蓄水後，對水倉巷道進行了連續監測，未發現有變形和掉碴現象。監測結果表明，錨、網、噴+U25型鋼可縮性支架+澆築混凝土聯合支護在水倉工程中的應用取得成功，此項研究也為軟岩支護及深部高應力複雜條件下巷道支護技術提供了成功案例。

作者簡介 黃 磊 男，工程師，1973年出生，1997年畢業於遼寧工程技術大學礦建專業，在讀碩士研究生。現任平頂山市瑞平煤電有限公司張村礦生產科科長，從事煤礦安全技術生產工作，注冊安全工程師。