锚网索喷浆联合支护技术在破碎顶板条件下施工大断面巷道的应用-

水埠煤矿是广西右江矿务局一个新建矿井，也是我局推行“三化”建设发展战略总体目标后即将投入生产试运行的又一个现代化、机械化、信息化矿井，矿井年设计生产能力45万吨，装备1条综采生产线，一条备用综采生产线。由于矿井建设时间紧迫，井下巷道围岩松软破碎，而且主井筒以及井底运输石门需要采用“机轨合一”的布置方式，施工技术要求进一步提高，才能满足安全生产的需要，才能满足运输机械设备铺设的要求，所以必须进行大断面巷道的设计和施工。
一、矿井煤层地质条件及围岩变形特点
水埠矿区位于百色煤田南翼中偏西部，属于田阳探区水埠矿段。矿区内地层从下到上主要有中三叠统河口组（T2h）、下第三系的红色岩组（E1-2h）、洞均组(E2-Nd)、那读组（E2n）、公康组（E3g）和第四系（Q）。那读组那读段含煤四组，Ⅰ煤组含煤5层，单层厚度0.13-1.13m；Ⅱ煤组含煤4层，单层厚度0.11-0.44m；Ⅲ煤组含煤1层，单层厚度0.09m；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ煤组均无可采煤层；Ⅳ煤组含煤4层，单层厚度0.14-1.55m，其中Ⅳ2、Ⅳ3、Ⅳ4煤层为可采或局部可采煤层，为本矿井开采的对象。本段是整个煤田的区域对比标志层，俗称“田东泥岩段”，岩性单一，岩性为褐灰色～深灰色泥岩，中厚层～厚层状，泥质结构，较为破碎，围岩自稳能力差，自稳期短，初期来压快，压力显现明显，极易风化，断口平坦，近似油脂光泽，中间夹1～3层灰白色薄层状粉砂岩，偶有煤线及炭质泥岩出现。本矿井内整段厚度为120～150m，与下伏那读段地层呈整合接触，大断面巷道施工于Ⅳ4煤层顶板。
二、巷道断面尺寸及支护材料选择
支护材料的选择：巷道顶板、巷道两帮的支护材料均选用直径16mm、长度为2500mm的左螺旋螺纹钢树脂锚杆进行支护，金属网采用10号铁线编制而成，网格为70mm*70mm，钢带采用直径为8mm的钢筋焊接而成，锚索材料采用直径15.24mm的高强度钢绞线配锚索锁具以及200mm*200mm*14mm 的高强度托盘，喷浆层厚度不小于100mm，锚固剂采用CK2335以及K2335两种，K2335主要用于锚索的下端。
锚杆支护强度设计要求：顶板锚杆锚固力不少于80KN，扭力矩不少于80N.m；帮锚杆锚固力不少于80KN，扭力矩不少于80N.m；锚索锚固力不小于200KN，单根锚索极限破断力为260KN。
巷道设计尺寸：巷道掘进宽度5.4米，喷浆后净宽5.2米，巷道掘进高度4.05米，喷浆后净高3.95米，净断面面积17.63平方米。锚杆间排距均为800mm*800mm，锚索间距1.4米，排距2米。
三、巷道支护设计依据
1、采用经验计算法校核锚杆长度
由于巷道布置于Ⅳ4煤层顶板岩层内，属岩巷喷浆支护，根据经验公式：
L=N*{1.3+（W/10）}
式中W——巷道或硐室跨度，m
L ——锚杆总长度，m
N——围岩影响系数(围岩类别按《煤矿井巷工程锚杆、喷浆喷射混凝土支护设计试行规范》)中的围岩分类，按Ⅴ类围岩影响系数取1.2.
经过计算：L=1.2*{1.3+（5.4/10）}=2.21m
为提高支护的安全系数和方便施工，决定在井底车场巷道顶板、巷帮全部采用2.5米长锚杆，符合设计要求。
2、锚杆间排距计算：
按照经验公式计算 M≤0.4L
式中M ——锚杆间排距，m
L ——锚杆总长度，m
经过计算锚杆间排距M ≤1m
因为矿井采用¢16的左旋螺纹钢锚杆杆体直径有些偏小，为提高支护的安全系数，锚杆间、排距适当加密，间排距全部按照0.8m进行布置，符合设计要求。
3、锚杆设计依据
锚杆杆体抗拉试验技术参数：
锚杆材料螺纹钢抗拉试验1
拉力值到达86.2KN时，杆体断裂，螺牙完好
锚杆材料螺纹钢抗拉试验2
拉力值到达95.06KN时，杆体断裂，螺牙完好
设计锚杆锚固力为80KN，抗拉试验拉力值大于计算设计值，计算所选支护材料符合设计要求。
4、锚索支护参数的确定
（1）锚索长度的确定
　　锚索长度按下式确定：
　　L=L1+L2+L3=0.2+4.2+1.4=5.8m
　　式中：L—锚索长度；
　　L1——锚索外露长度，取0.2m；
　　L2——锚索有效长度L2=NH m;
　　H ——稳定岩层下各层厚度总和（即假设锚杆失效后围岩自然冒落的高度），约2.1m；
N ——安全系数为 1～2 考虑到顶板岩性的变化取值2
　　L3——锚索锚固段长度，一般取1—2m，取1.4m。
　为保证锚索施工过程中可能产生的误差，锚索长度选用6.0米。　
（2）锚索间排距的确定
根据经验公式校核：
　L/M≥2
式中 L —锚索长度，为6m
M —锚索间排距，m
经计算得M≤3m
为提高巷道支护的安全系数，锚索排距取值为2.0米，第一排布置两根锚索，第二排布置一根锚索，第三排布置两根锚索，呈三花布置，两根锚索的间距取值为1.4米，符合设计的要求。
四、锚索的安装工艺
（1）选用型号为MYT-155/280R锚索钻机（配15KW液压泵站）配¢27的双翼钻头进行湿式打眼6米，打眼到位后先不忙把钻杆拔出，以利用中空钻杆的出水冲洗锚固段岩粉、煤屑等杂物，以提高锚固质量。
（2）孔顶的水干之后（或者可以塞点棉纱线把孔顶的水吸干），用细铁丝或塑料胶带将所有锚固剂药卷与钢绞线连接起来，以防在锚固剂在孔眼中间段卡死或错位，一卷CK2335超快速药卷在眼顶上，三卷K2335快速药卷在下端，采用钢绞线顶部将树脂药卷缓慢送至孔顶，不能反复推拉，要求一次送到位，另外要先检查药卷是否过期变质或损坏，严禁使用不合格的锚固剂。
（3）将专用搅拌器安装到钢绞线的底端，将尾部六方头插入锚杆机上，开始搅拌，搅拌时间控制在20～30秒，注意控制搅拌的速度，前半程采用慢速搅拌，后半程用快速搅拌，停止搅拌后要求还要继续保持锚杆机的推力约3分钟，保证钢绞线与药卷的充分凝固，3分钟后缩下锚杆机并移开打下一个锚索孔。
（4）约10分钟后，卸下专用搅拌驱动器，装上托盘、锁具，并将其托到紧贴顶板的位置。两人一起将张拉千斤顶套在锚索上并用手托住，开泵进行张拉，并注意观察压力表读数，当达到设计预紧力千斤顶行程时，迅速换向回程。
五、锚索安装技术要求
锚索安装时间与锚杆安装不能间隔太久，根据本矿岩层地质条件，在锚杆安装之后三天内都可以进行锚索的安装，在安装锚索的过程中要严格按照以下要求进行：
1、锚索孔深误差控制在±30mm ；
2、锚索外露长度控制在（200 ± 20）mm；
3、锚索搅拌树脂药卷过程中不能停顿，绝对不能反复搅拌，必须要一气呵成，否则已开始聚合反应的树脂分子链会遭到破坏而导致锚固失效或者达不到预计的支护效果。
4、搅拌树脂药卷后10～15分钟再张拉锚索，张拉预紧力控制在80KN左右，48小时后若发现预紧力下降，必须即使补拉，保证锚索锚固力不低于200KN。
5、张拉时发现锚固不合格的锚索，必须立即在其附近补打锚索，重新安装锚索。
六、喷射混凝土支护工艺
矿井的围岩多为泥岩或泥灰岩，极易风化脱落，若长时间暴露于空气中未能及时喷浆，将导致锚杆托盘松动而失效。在安装完锚杆、钢带、锚网以及锚索之后，在7天内应该及时进行喷射混凝土封闭围岩。
1、本矿采用一次喷射成巷，不采用初喷后再次锚固，采用潮式喷射法。
2、喷射材料的选择
水泥标号选用425#的普通硅酸盐水泥，一般选用细砂、石子、粒径不大于15mm的卵石，并进行合理配比，一般为水泥：细砂：石子为1：2：2；并且100公斤水泥中要掺入4公斤的速凝剂，以提高混凝土的早期强度，加快混凝土的快速凝固，减少回弹损失。
3、喷射厚度
矿井设计喷射总厚度为100mm，一次喷射厚度为30～50mm，复喷为50～100mm，喷射拱顶时可采用多次反复喷射，以防掉砂回弹过多。
七、工程效果分析及矿压观测
棚式支护、砌碹支护是一种“被动”的支护方式，因为其不可能紧贴围岩或者不能全部紧贴围岩，往往形成点状受力，只有当围岩破碎、离层后，随着围岩变形的增加，棚式支架及碹体支护阻力随之增加，才能发挥支架及碹体的作用。而锚杆支护是完全不同的一种崭新的一种支护方式，它利用稳定层自稳强度，通过锚固剂、锚杆、托盘以及喷浆层给巷道不稳定的围岩施加一定的支护强度，且随围岩变形支护阻力不断增加，与围岩共同形成支护体系，承受各种围岩应力和采动应力而达到支护的目的，这种锚杆支护属于“主动支护”。锚网索喷浆支护是一种联合支护方式，是一种针对软岩、顶板破碎的岩层特种支护方式，特别是锚索的二次补强支护作用，更加强了巷道围岩特别是巷道顶板的支护强度。砌碹支护经常会出现拱顶开裂，墙基侧压大等现象，巷道返修率高，而井底车场采用锚网喷浆配锚索的联合支护后，经过设点观测，巷道围岩变形量较小，顶底板移近量最大为32mm，巷帮最大移近量为25mm，均小于预计变形量，预计变形量为100mm，符合整体设计要求，说明锚网索喷浆支护设计方案是科学合理、安全可靠的。现巷道已经竣工16个月，该段巷道的围岩变形量观测最大变形量约为设计值的45%～50%，目前巷道顶板极少部分出现喷浆层开裂现象，属于喷浆时“掉包”清理不干净所致，应继续加强围岩应力观测，若出现变形开裂超过设计值时必须及时采取措施进行加固，以确保矿井的安全生产。
八、结束语
锚网索喷浆联合支护方式在我矿首次使用，并取得成功，使矿井的开拓进度有了较大的提高，支护效果明显，为我局各矿井底车场、中央变电所、中央泵房等大断面的硐室施工提供了很好的实践依据。