深部高应力复杂条件下水仓联合支护技术

深部高应力复杂条件下水仓联合支护技术

黄 磊

【平顶山市瑞平煤电有限公司，河南 平顶山467500】

摘 要 平煤集团瑞平公司张村矿井底水仓埋深605m，在高应力作用和构造带的影响下，原混凝土砌碹支护不能满足要求，巷道建成后，维修十分困难。经过对围岩性质的研究，决定采用锚、网、喷+U25型钢可缩支架+混凝土碹联合作为永久支护的施工方案，实践表明，该方案达到了较好效果，为类似巷道的施工提供了成功经验。

关键词 水仓 高应力 锚、网、喷 可缩支架 砌碹 联合支护

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引 言

瑞平公司张村矿位于朝川矿区中南部，井田走向长度约4.5km，倾斜宽约2.7km，主要开采二1煤层、四3煤层、五2煤层、五3煤层，矿井正常涌水量1021m3/h，最大涌水量1488m3/h。

张村矿原矿井全部采用混凝土砌碹作为永久巷道支护方式。自2003年恢复建设后，经过论证，基本上取消了砌碹支护。早期采用直径43mm、长1800mm的管缝式锚杆，在控制破碎带时，用直径43mm、长2200～2500mm的管缝式锚杆。自2004年开始，采用直径20mm、长2000～2200mm的等强螺纹钢锚杆和玻璃钢锚杆。采用树脂锚固剂锚固。从开拓巷道到回采巷道、从岩巷到煤巷，凡是条件具备的巷道均采用锚、网、喷或锚、网、梁(带)支护。目前正在推广锚、网、梁(带)+锚索的联合支护。

井底主排泵房及水仓原设计支护方式采用素混凝土砌碹支护,浇筑壁厚250mm。在施工中，由于高地应力及构造带的影响，出现巷道底臌、片帮、冒顶等问题，经过研究，将支护形式改为锚、网、喷作为前期支护，采用U25型钢可缩支架与混凝土砌碹联合支护作为永久支护。该支护方法经过实践取得了成功，节约了投资并缩短了矿井建设周期。

1 问题及分析

张村矿内外主排泵房及水仓设计在四3煤层底板中，距四3煤层约30～60m，为-250m水平(埋深605m)。水仓长度1006m，容水量9296m3，水仓设计断面净高3000mm(其中拱高1700mm，墙高1300mm);巷道净宽3400mm;掘进断面面积11.09m2,净断面面积9m2。

水仓围岩为灰色灰岩(厚层状、隐品质结构、裂隙发育)与灰黑色泥岩(泥质结构、厚层状、细腻致密)。在施工-250水平井底车场单轨巷和泵房时，揭露出一条逆断层，该断层走向不少于1100m，倾角40°落差0～25m，预计水仓要穿过该断层。

在水仓施工中，起先按照原设计进行混凝土砌碹施工，接近断层时，由于巷道围岩破碎，局部围岩为大紫泥岩，加上断层裂隙的影响，巷道压力显著增大，先期施工的30m巷道受其影响，短期内发生了底臌、片帮、冒顶等现象。实践证明原方案不能满足工程实际需要。

2 支护方案优化

针对水仓工程实际，提出了五种可能实施的支护方案：

(1)方案一，混凝土砌碹支护

该巷道围岩岩石坚固性系数f值为3～6，高应力、节理化、强膨胀斜穿断层构造带，需采用强力刚性支护，混凝土砌碹厚度需大于500mm，为增加整体性和均布应力，提高支护能力，需要在混凝土内部增加双层直径16钢筋龙骨。

(2)方案二，锚、喷、网支护

采用直径20mm、长2000mm的等强锚杆，间排距300×300(mm);金属网用直径4mm的冷拔钢丝制成，网格为100×100(mm)，规格为900×3300(mm);喷射混凝土厚度大于150mm。由于水仓巷道处在高应力、强膨胀、复合型软岩中，锚、网、喷支护刚开始还能起到效果，但随着围岩应力增加，当围岩应力超过了锚杆抗拉拔力极限值时，造成支护结构失稳，出现底臌、片帮、裂隙、掉顶等问题，从而出现安全隐患，增大维修量，影响施工进度，支护成本也随之增加。

(3)方案三，U型钢可缩性支架支护

根据工程实际，可采用U25型钢支架，间距200mm。如单独使用，钢材易腐蚀，不能满足水仓使用功能，需与其它支护方式联合使用。

(4)方案四，锚、喷、网+混凝土砌碹联合支护

采用直径20mm、长2000mm的等强锚杆，间排距700×700(mm);金属网用直径4mm的冷拔钢丝制成，网格为100×100(mm)，规格为900×3300(mm);喷射混凝土厚度大于80mm。锚、网、喷支护作为前期支护，混凝土砌碹作为永久支护，砌碹厚度为400mm。

(5)方案五，锚、网、喷+U型钢可缩性支架+浇筑混凝土联合支护

采用直径20mm、长2000mm的等强锚杆，间排距700×700(mm);金属网用直径4mm的冷拔钢丝制成，网格为100×100(mm)，规格为900×3300(mm);喷射混凝土厚度大于50mm。永久支护采用U25型钢可缩性支架，间距700mm，再浇筑厚150mm的混凝土。

上述方案中，前三种都不能满足工程需要，在工程施工完一段时间后，巷道会产生较大变形，严重影响巷道的使用，有的甚至会产生大面积破坏，这将大大提高维修费用。

第四种方案属于刚性支护，如果围岩压力较大时，混凝土厚度也将相应增加，经济性较差。当混凝土厚度小于250mm时，施工完20天后，混凝土开始出现裂缝，巷道发生变形、掉块现象，并局部产生破坏。

第五种方案是一种柔性支护，锚、网、喷支护，锚杆打入岩体中，喷射混凝土固结于岩体表面，组成一个整体，积极主动加固围岩，充分利用岩体固有强度，前期对围岩进行了封闭，这样就大大减少了岩体变形及破碎。由于岩体的高应力和强膨胀性，在锚、网、喷施工完后，围岩还会发生一定的变形，以释放压力。过了压力释放前期，再安设U25型钢可缩性支架，再次对岩体进行支护，这时如果岩体再次来压，由于U型钢的可缩性，还可产生一定变形，释放一定的压力。最后浇筑混凝土，将支护转化为刚性支护，这时可以较小的支撑力支承较大的围岩应力，支护能力达到最大，可有效保持巷道断面形状，满中使用要求。

根据以上方案比较，选择第五种方案作为水仓的支护形式，为减小前期巷道变形，提高前期支护强度，加大循环作业距离，提高施工速度，喷射混凝土厚度改为80mm，U25型钢支架采用3750mm宽定型支架，浇筑混凝土成巷后巷道净断面宽度保证在3600mm以上。前期支护方式如图1所示，U25型钢可缩支架支护方式如图2所示。

图1 水仓锚、网、喷支护断面示意图

图2 水仓U25钢可伸缩支架支护断面示意图

3 施工方法

水仓巷道采用二次支护，第一次支护采用锚、网、喷支护，掘进巷道成型后立即进行，锚杆采用直径20mm、长2000mm的等强锚杆，用2卷树脂锚固剂卷锚固，间排距为700×700(mm);金属网为直径4mm的冷拔丝，网格100×100(mm)，喷射混凝土厚度为50mm，混凝土中速凝剂掺量为3%。

第二次支护在第一次锚网喷支护完成5天后进行，架设三组合的U25型钢支架，棚距700mm，棚腿棚梁间用两道U25卡兰联接，梁腿搭接长度400mm，支架间用金属拉杆连接，柱窝深度为250mm。U型钢支架施工完20天后进行浇筑混凝土，厚度150mm，这时压力基本趋于稳定，巷道变形停止。

4 支护效果

锚、网、喷支护完成后，观测结果表明，巷道最大变形110mm;在U25型钢可缩性支架支护完成后巷道变形最大40mm。对U25型钢可缩性支架复喷30天后观测，巷道变形最大10mm，且变形趋于稳定，满足支护要求。

水仓蓄水后，对水仓巷道进行了连续监测，未发现有变形和掉碴现象。监测结果表明，锚、网、喷+U25型钢可缩性支架+浇筑混凝土联合支护在水仓工程中的应用取得成功，此项研究也为软岩支护及深部高应力复杂条件下巷道支护技术提供了成功案例。

作者简介 黄 磊 男，工程师，1973年出生，1997年毕业于辽宁工程技术大学矿建专业，在读硕士研究生。现任平顶山市瑞平煤电有限公司张村矿生产科科长，从事煤矿安全技术生产工作，注册安全工程师。