回风大巷围岩支护结构分析及优化研究

宋明明

（晋能控股集团寺河煤矿， 山西 晋城 048204）

基于回风大巷地质条件与原支护方式，对围岩强化技术进行分析，探究内外承载结构耦合支护原理以及特点，进而设计出锚网索+注浆加固的耦合支护方案，经过比较发现，该方案能够有效地提升支护围岩的稳定性。

1 工程概况

晋能控股煤业集团某矿回风大巷掘进方位为270°，在巷道以南45 m 位置为井田边界，以北25 m位置为主运大巷。该巷道沿着11 号煤层顶板掘进，其对应的煤层厚度约为4.0 m，而对应的煤层平均倾角达到了4°。相应的煤层顶底板岩层特征如表1所示。

表1 煤层顶底板情况

该回风大巷断面是一个半圆拱形，巷道的净宽、高分别为4.4 m、3.5 m。巷道传统的支护形式是锚网喷支护，对应的锚杆为螺纹钢锚杆，其参数为Φ22 mm×2 000 mm，对应的间排距参数为800 mm×800 mm，锚索股钢绞线的参数为Φ15.24 mm×6 300 mm，对应的间排距参数为1 000 mm、1 600 mm。锚杆索之间通常借助钢筋梯子梁进行连接，并且在巷道表面设置喷混凝土处理，而混凝土标号为C20，相应的喷射厚度参数为100 mm。巷道原有支护方式如图1 所示。

图1 巷道原有支护方案断面图（mm）

通过分析传统巷道支护方式的勘探结果可以看出，巷道顶板存在的缺陷有开裂、喷浆崩落、帮部鼓出，且肩角变形以及底板鼓出比较普遍。由于巷道在变形的过程中受采动影响，从而导致围岩发生更大的变形，不能满足巷道回风的需要，因此需要对围岩变形以及支护结构进行探究。

2 围岩支护强化技术

通常可以将巷道围岩支护划分为三个部分：主动支护、被动支护以及主被动支护。其中，主动支护以锚杆索支护为主，而被动支护主要选用金属支架、壁后充填的支护方式。对于主被动支护而言，主要借助锚杆索或U 型棚支护+注浆加固。通过分析回风大巷地质条件以及相应的支护方式，在对巷道围岩进行支护的过程中，应以“内外承载结构、耦合支护技术”为原则。

由于回风大巷处于应力集中的位置，因此导致巷道顶板围岩层节理裂隙较为发育。当围岩处于采掘动压作用下，往往产生比较严重的破碎区以及塑性区，因此将会导致巷道表面围岩出现不稳定的情况，从而导致围岩中存在的应力峰值将朝着围岩表面区域发展，进而导致围岩出现较长时间的变形。当巷道围岩在原有支护的作用下，其产生较大的变形量由两个方面的原因所致：其一为高应力与岩层倾角；其二为巷道围岩遇水后出现软化现象，从而大大降低了围岩的稳定性。

通过分析大量的巷道围岩控制的研究成果可以看出，通常巷道围岩有内部承载结构和外部承载结构两种结构形式，图2 表示巷道内外承载结构力学模型。其中，R0表示相应的巷道的半径；Rs表示相应的围岩破碎区的外半径；Rb0表示相应的外承载结构的外半径；RP表示相应的塑性区的外半径；Rbi表示相应的外承载结构的内半径。

图2 内外承载结构力学模型示意图

在对巷道围岩进行控制的过程中，若选用内外承载结构的耦合支护形式，那么并不能只将几个支护结构进行简单地叠加。在实际支护过程中，必须将各个支护结构的支护能力发挥到最大作用，从而实现围岩与支护结构的耦合。其中内外承载结构耦合支护具有如下几个方面的特点：

1）强度耦合。通过分析东西回风巷围岩特点，由于围岩比较松软，并且围岩处于应力集中的位置，从而导致围岩在整体上存在的较大的变形量。因此在实施支护的过程中，必须将围岩的变形量释放，这样才可以达到支护体与围岩体之间的协调变形的效果。

2）刚度耦合。经过分析发现，煤层顶板与岩层都呈现出一定的角度，而相应的围岩变形破坏主要是由于受采动影响，围岩呈现出了非匀称变形特征。由此可以看出，在进行支护设计的过程中，必须保证围岩刚度与支护刚度之间的耦合性，这样才可以保证围岩表现出一定的柔度，从而可以为巷道支护提供一定的变形空间，同时可避免出现围岩能量集聚的现象。

3）结构耦合。对回风大巷围岩变形情况进行分析可以看出，内外承载结构耦合支护主要表现为不连续性以及非均匀性两种特征。在实施支护设计时，可通过进行非均匀设计以达到非均匀局部强度耦合支护，从而实现限制结构面不连续变形。

3 支护结构优化方案

3.1 支护优化方案

基于当前支护形式下的围岩支护，再结合回风大巷变形的原因以及所采用的内外承载结构耦合支护技术，可以确定巷道围岩支护优化方案。因此巷道初次支护选用锚杆、梯子梁、金属网、喷浆支护方式，第二次支护选用全断面锚索、局部强度、注浆的形式。相应的巷道支护方案施工步骤如图3 所示。

图3 巷道支护方案施工步骤图

鉴于上述围岩支护原则，并充分结合内外承载结构耦合支护原则，针对巷道支护进行相应的优化设计。

3.2 锚网索支护参数优化

巷道支护优化设计后，将巷道全断面锚杆替换成为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其参数为Φ22 mm ×2 200 mm，对应的间排距参数为700 mm、700 mm。对于所选取的钢筋梯子梁而言，选用Φ12 mm 圆钢进行焊接，金属网参数为1 000 mm×800 mm。巷道底板锚杆与相应的顶部锚杆设置相同，底部锚杆之间的间排距为1 200 mm、700 mm。巷道改进后的锚网索支护布置如图4 所示。

图4 支护优化后锚网索支护断面图（mm）

3.3 注浆支护优化

在对巷道进行注浆处理时，选用深浅孔注浆耦合支护的形式。其中，将浅部注浆孔参数设定为Φ42 mm×2 000 mm。对于巷道顶拱间的排距而言，其参数设定为2 000 mm×1 500 mm，而对应的两帮的间排距参数设定为1 200 mm、1 200 mm。对于巷道底部布局而言，设定3 个浅部注浆孔，对应的底板注浆孔间距设定为1 200 mm×1 200 mm。下页图5-1为相应的浅部注浆孔布置图。对于深部注浆孔而言，其参数设定为Φ42 mm×5 000 mm，而对应的顶拱间排距设定为1 500 mm、2 000 mm，底板深部注浆孔间排距参数设定为2 000 mm、1 500 mm，并且在两帮上分别设置1 个深部注浆孔，排距为1 200 mm。图5-2为深部注浆孔布置图。

图5 注浆钻孔布置形式示意图（mm）

4 效果分析

在对回风大巷支护进行优化后，与传统支护方案进行比较,通过对围岩变形量进行观察，得到了如图6 所示的围岩变形曲线图。

图6 支护方案优化前后围岩变形曲线图

从图6 中可以看出，巷道在传统支护下围岩变形量呈现了一定的增大趋势，并且随着时间的增加而增加，因此看出围岩处于不稳定的状态。进行支护优化后，围岩变形量随着巷道掘进时间的不断增加，相应的围岩顶底板以及相应的两帮变形率呈现出逐渐下降的趋势，其顶底板以及相应的两帮变形量为42 mm、28 mm，由此可以看出该方案有助于围岩的稳定。