锚网喷砼支护与超前锚杆预支护在破碎带巷道掘进中的应用与研究

刘虎

中国华冶科工集团有限公司天津第三分公司

摘要：本文介绍了巷道在穿过破碎带岩层施工时，先预先沿巷道轮廓线施工超前锚杆，防止巷道围岩松动、冒落或倒塌，同时减少爆破过程中对周边围岩的破坏，确保工人可在安全可靠的工作条件下进行钻眼爆破工作。采用径向管缝锚杆、喷混凝土、编制式网片等，达到永久支护的目的，实践表明，该联合支护方法、技术经济合理，安全可靠性强。

关键词：锚网喷砼支护；超前锚杆支护；巷道掘进

引言

破碎带是巷道掘进时常见的地质构造形态，在巷道开挖过程中，断层破碎带被压碎产生破坏，造成巷道顶部岩体剥落，发生冒顶事故，冒顶的产生给巷道的掘进带来施工困难和安全问题。目前对破碎带的预测技术还处于发展阶段，无法进行有效的预测，因此巷道掘进造成的冒顶无法完全避免，所以开展断层破碎带冒顶巷道支护技术研究显得尤为重要。

1、矿山概况及支护施工工序

东五份子铁矿矿体为角闪石英磁铁矿，矿体上下盘围岩均为角闪斜长片麻岩，局部为绢云石英片岩及绿泥角闪片岩，根据矿山开采揭露的矿岩，矿岩稳固性较差断层较多，节理极其发育，随着巷道埋深的增加，巷道围岩也显现出软岩的特性，巷道支护难度相应增大。巷道掘支工程业主初步设计为锚网喷砼支护，材料型号：锚杆：GFΦ43-1800mm管缝锚杆（管缝锚杆及托盘均采用4mm厚的铁板加工，托盘150mm*150mm）；网片：1100mm*2000mm（长*宽，编制外圈点焊式网片），网度100*100mm（Φ6mm圆钢制作）；施工过程中多次发生塌方垮冒现象，后期更改为锚网喷砼与超前锚杆联合支护，超前锚杆采用φ25mm*3000mm钢管，锚杆间距200mm，排距2000mm，每排15根左右，施工角度3°——6°；每次锚网施工完毕后，自最后一排锚杆后100mm-200mm之间的网片中向前施工超前锚杆，施工完毕后进行喷砼支护，待喷砼凝固后再进行掘进爆破施工。

2、锚网喷砼支护与超前锚杆预支护在破碎带巷道掘进中的应用

2.1锚网喷砼支护

本次破碎带加强支护是在原设计锚网喷砼的基础上进行超前锚杆预支护，比钢支架支护便捷，比砌谴混凝土支护费用低。

2.1.1相关参数

（1）支护厚度100mm，混凝土强度C25；锚杆间排距：1000mm*1000mm；金属网搭接100mm，可采用钢丝绑扎，施工时要做好网片的搭接工作，不得出现网片分离、错开等现象。

（2）材料型号：锚杆：GFΦ43-1800mm；网片：1100mm*2000mm（编制外圈点焊式），网度100mm*100mm（Φ6mm圆钢制作）。

2.1.2锚网喷支护流程

（1）按照设计锚网喷射混凝土支护厚为100mm，强度C25，在巷道掘进过程中，当发现周边围岩较差时，对现有巷道进行临时支护，初喷混凝土厚20mm，同时将凹陷处找平。

（2）挂设锚网，锚网网边压一格搭茬对接，搭茬处用16#铁丝绑扎，将网片拉紧，并与巷道周边围岩密贴，顶板部位可用钻机气退将网片顶住临时固定至顶板，按照要求布置锚杆钻孔，然后安装托盘施工锚杆。

（3）施工超前锚杆，自最后一排锚杆后100mm-200mm之间的网片中向前施工超前锚杆，锚杆间距200mm，排距2000mm，每排15根（施工时根据现场围岩条件适当增减），施工角度3°——6°，施工完毕后进行喷砼支护，混凝土配合比和初次支护相同，混凝土喷射厚度为100mm，待喷砼凝固后再进行下一工序的掘进爆破施工。

2.2超前锚杆预支护及锚杆支护

2.2.1理论分析

在促使围岩充分发挥自身承受能力上，锚杆比巷道表面支护具有更大的优越性。锚杆支护之所以能有效减小围岩和塑性区的变形是通过径向布置锚杆的受拉来限制径向围岩的位移，在增大围岩周边附加抗力的同时也增大了锚固区的围岩内摩擦角，抵抗围岩的径向移动。决定锚杆和何种支护方式能更好发挥其自身承载能力的关键是围岩与支架的相互作用关系。锚杆元件（如托盘）、元件的屈服强度、锚杆的固定方式以及围岩是否可锚等都决定了锚固力的大小。相关参数的计算方式如下：

（1）锚杆长度

锚杆设计的计算方法都采用一些简化和假设，其结果只能做为近似估算，更多的是采用经验和工程类比的方法。通常锚杆的外露长度l1（m）有效长度l2（m）与锚固段长度l3（m）之和等于锚杆总长度l（m）。即：

L=l1+l2+l3

一般情况下锚杆外露长度，不大于0.15m；锚杆锚固长度，取0.3-0.5m。结合矿井深部巷道支护结构的实际情况，按组合梁（拱）理论计算锚杆有效长度l2（m）较合理，即：

式中，

L—巷道跨度，m；

K，—抗拉安全系数，取2-3；

q—组合梁上的均布荷载，MPa；

ξ—组合岩层数目的系数，0.75；

σx—原始岩体水平应力，MPa；

σ1—原始岩石抗拉强度，MPa；

（2）锚杆的间距、排距计算

一般情况下锚杆间距与排距相等，取为ɑ。应根据被悬吊岩石的重量确定锚杆的锚固力，即：

式中，

ɑ—锚杆间排距，m；

H—冒落拱高度，m；

K—无因次安全系数，3-5；

Y—被悬吊岩石的重力密度，KN/m；

Q—锚杆的设计锚固力，KN。

（3）锚超前锚杆长度、间距及排距

超前锚杆长度应大于实际掘进进尺，没循环掘进进尺为2000mm，根据实际施工经验超前锚杆长度取3000mm，间距取200mm，排距取2000mm，根据现场围岩揭露情况，超前锚杆间距可适当增加或减小。

2.2.2施工工艺

如遇围岩极不稳固时，在施工过程中易发生垮冒，为了保证安全施工，可先采用超前锚杆对巷道拱部进行预支护；超前锚杆采用Φ25-3000钢管，超前锚杆间距200mm，排距2000mm，每排15根左右，施工角度3°—6°，首先采用全断面锚网支护，锚网支护完毕后，自最后一排锚杆后100mm-400mm之间的网片中向前施工超前锚杆，超前锚杆施工完毕后，再进行全断面喷砼支护。具体施工工艺及注意事项如下：

（1）施工锚杆之前，要求在围岩表面喷射一层厚度约20-50mm的混凝土，以稳定岩层基面，再按设计标出锚杆的孔位，然后开始施工锚杆；

（2）锚杆孔沿径向设置，锚杆插入方向垂直于岩层主要结构面；

（3）锚杆孔施工完毕后使用高压水冲洗干净钻好的孔口，对于孔口向下，采用高压风吹干净水，为防止泥土、石渣等进入孔内影响质量，孔口采用塞子封住；

（4）锚杆采用GFΦ43-1800mm管缝锚杆（管缝锚杆及托盘均采用δ4mm厚的铁板加工，托盘150mm*150mm），锚杆外露不允许超过50mm；网片规格为1100mm*2000mm（长*宽，编制外圈点焊式网片），网度100*100mm（Φ6mm圆钢制作）；

（5）现场施工前需对所使用网片进行检查，发现外圈开焊的要重新补焊或者用16#铁丝绑扎牢固，防止施工过程中出现网片搭接不牢固现象；

（6）超前锚杆采用Φ32-3000mm钢管，加工超前锚杆时对超前锚杆顶端进行削尖处理；

（7）设计超前锚杆间距为200mm，排距2000mm，每排施工15根左右，在实际施工过程中，根据现场围岩的变化情况可施工增加或减少，锚杆间距也可适当调整；根据现场围岩条件对围岩较差部位施工超前锚杆，即可在拱部施工也可在两帮施工；

（8）超前锚杆施工时要沿巷道轮廓线布置，锚杆外露不允许超过100mm，施工方位沿巷道掘进方向与巷道轮廓线成3°—6°。

（9）在顶板较平整地段一般超前锚杆施工在网片内即可进行固定并与锚网喷砼成为一个支护整体，对于顶板部平整地段可采用双筋条对其进行固定，双筋条采用两根φ6mm*3000mm圆钢与超前锚杆进行焊接，一条焊接在超前锚杆内侧，一条焊接在超前锚杆外侧，中间用短圆钢进行纵向焊接，使所有超前锚杆成为一个整体；

（10）按照设计厚度喷射，喷射混凝土强度采用C25，喷射厚度为100mm，拌料时按照外委实验室给定的配比拌料，拌料要均匀，遵循“三三制”即干料拌三次湿料拌三次。

结语

采用安全合理的施工工序和锚网喷砼支护+超前锚杆预支护联合支护工艺对围岩进行维护后，东五份子铁矿破碎带掘支后的巷道未出现下沉、片帮开裂以及支护失效现象，该支护方式有效提高了破碎带的整体稳定性，提高了巷道掘进效率，保证了安全施工生产和巷道的功能需求，取得了明显效果，实现了矿井的安全生产。

参考文献：

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