深井硐室群支护应用实践

杨行

淮南矿业集团煤业分公司，安徽淮南 232001

摘要：深井硐室群的开挖过程，硐室围岩受到反复扰动，围岩的应力不断发生重新分布，围岩变形也不断发生变化，围岩的稳定性也受到较大影响。本文以张集矿-973m水泵房硐室群施工为研究对象，基于锚杆-索-网-喷支护理论，优选了加密锚杆、锚索间距，强化围岩承压环结构的自身承载力等技术措施。在巷道顶板砂质泥岩为主的地层条件中，获得了较好的初期支护效果。

关键词：深井硐室群；围岩变形；锚杆-索-网-喷支护；围岩承压环

前言

张集矿自2001年投产以来，已累计生产原煤1.5亿吨。标高-600m的一水平和-820m的二水平可采储量所剩不多，开展矿井安全改建及水平延深是影响张集煤矿可持续开采的重要系统工程。考虑到不影响上部水平生产，减少辅助运输环节，张集煤矿采用新建第二副井方案，增加副井提升系统，能够满足二水平开拓初期大量矸石的提升；且易于揭煤，系统简单。风井的延深方式考虑井田面积大，为满足矿井通风需要，在矿井东翼增补了1进1回两个井筒；与上述井筒相连的系统巷道和硐室群是延深工程的关键之一。

张集煤矿-973m水平主排水硐室及通道设计工程量为121.248m（主排水硐室73m；通道34.648 m；壁龛13.6m），主排水硐室段为直墙半圆拱形断面，锚网喷支护断面净宽6.6m，净高为7.25m，断面掘进面积不小于43.18m2。主体硐室东西两端分别与井底车场通道、管子道和变电所大巷相连，底部有8个吸水井硐室和设备基础，各硐室通过配水巷道相贯通，开挖空间大，相互扰动效应强。

综上，研究张集煤矿-973m水泵房硐室群在高应力和强烈施工扰动下的围岩变形特性，科学设计围岩支护十分必要

1水泵房硐室的支护设计方案

1.1计算锚杆长度

顶板锚杆长度 ：

式中： —锚杆外露（岩体）长度，取0.1m

—锚杆伸入松动圈外的长度，取0.3m

D—取围岩的松动圈D为2m

将数值代入（1）式得锚杆长度为2.4m。

考虑各安全系数及钻孔、锚杆打按角度等因素，顶板设计的锚杆长度选取2.5m能够满足要求。

1.2锚杆间排距

锚杆支护，主要是通过锚杆群的锚固作用，把围岩周边附近一定厚度范围内的岩体，均匀压缩成能承受自身围岩压力的整体结构。因此锚固均匀压缩带厚度不小于锚杆长度的1/3，均匀压缩带的厚度和锚杆的锚固深度、间排距有关。为了安全起见，取压缩带厚度t＝L/2，即t＝1.2m，可确定出锚杆的间排距：

D≤2R0（L－t）/(2R0+L)=1.01m

根据计算结果，锚杆的间排距应小于等于1.01m，按安全系数确定方法，综合验算后选取间排距为700×700mm。

1.3锚杆直径计算

根据锚杆杆体承载能力和锚固力等强度原则确定锚杆直径，计算公式如下：

式中 ——锚杆杆体直径，mm；Q——锚固力，由拉拔试验确定，一般为100～120kN；——杆体材料抗拉强度，Mpa，这里选择螺纹钢，强度不小于335MPa

带入公式计算得锚杆直径为

根据以上计算，顶板锚杆选择φ22×2500；

1.4锚索及其参数选择

锚索的长度根据巷道顶板的岩性结构，要求锚入到稳定的岩层中，从综合岩性柱状图来看，顶部砂质泥岩平均厚度为5.4m，外露部分取300mm，考虑直接顶厚度的不均匀性和施工影响因素，按安全系数分析，则锚索支护参数设计为：

考虑顶部悬吊安全系数，锚索长度计算取7.8m。

顶部拱线以下砂岩强度高，则锚索的长度取6.3m。

顶帮锚索考虑安全系数后加密间距，按间排距1m×1m，侧墙按1.5m×1.5m。

锚索材料为φ22mm，119股高强度低松弛预应力钢绞线，极限破断拉力为607kN，延伸率7%左右。

根据张集矿现有的废旧钢轨大量闲置的现状，设计采用废旧钢轨与锚索垫板叠加形成一种锚索可缩性锚具结构，该锚具结构在高张拉力下具有一定的可缩性，且能够增强表面构件刚度，具体见附图所示。钢托盘和废旧钢轨的腹板中间均钻有圆孔，锚索外锚段先穿过钢托板，再穿过侧放于围岩壁面的废旧钢轨的腹板，后用锁具置于工字钢腹板外侧锁住。所述废旧钢轨的上下翼缘与钢托盘外侧接触，腹板与钢托盘之间存在空隙；当锚索锚固后，废旧钢轨翼缘的作用于钢托盘上，可显著增大托盘的刚度，对围岩体壁面提供更高的支护阻力。

图1 锚索托盘叠加钢轨示意图

1.5金属网、钢带选择

水泵房设计金属网选用φ8mm钢筋编制的菱形金属网

网宽度=锚杆排距+（100~200mm）；锚杆排距都为700mm，网宽度都取900mm。

网长度=网宽度的1.5~2.2倍。

以上巷道锚杆、锚索的支护参数是根据理论来计算的，在实际施工过程中，还必须根据实际的地质情况和监测分析结果进行必要的调整，以完善支护设计。

综上：（1）基于水泵房硐室群的地层结构特征，分析了锚喷支护作用机理，给出了相应支护参数设计原则。（2）张集煤矿二水平水泵房及其通道支护初步设计采用间排距700×700mm的Φ22×2500mm锚杆，锚索规格为Φ22×6300mm，锚索顶帮按间排距1m×1m，底板按1.5m×1.5m。通过加密锚杆、锚索间距，强化承压环结构的自身承载力。

2水泵房硐室二次支护设计初步设计

2.1泵房通道、主排水硐室及吸水井壁龛支护方案

混凝土浇筑采用C40普通混凝土，水泥采用P.O42.5型普通硅酸盐水泥，石子直径为10~30mm，砂为中粗砂。混凝土配合比采用水：水泥：砂子：石子：外加剂质量比为0.55:1:1.76:3:0.01，水胶比为0.37。

2.2 -973m水平管子道支护方案

混凝土：喷射混凝土强度为C20，喷浆厚度不小于100mm；砌喧浇筑混凝土强度为C40，壁厚均为400mm；

2.3二次衬砌混凝土浇筑工艺

水泵房浇筑混凝土施工工艺：凿岩确定地坪标高→挖主硐室两侧墙基→搭脚手架工作台→先立直墙碹骨→铺直墙模板→肋条加固模板→浇直墙段混凝土→铺拱部模板→木肋条加固模板→浇拱部混凝土→拆碹骨→拆模板→拆脚手架工作台。

3 支护效果

张集矿-973m水泵房硐室群采用素混凝土浇筑后，顺利完成了设备安装，同时完成了近一年的安全运营。基于锚杆-索-网-喷支护控制围岩变形作用，通过加密锚杆、锚索间距，外部构件增设工字钢轨，强化围岩承压环结构的自身承载力，获得了较好的支护效果。基于围岩与地层相互作用，设计采用了C40素混凝土形成的人造承压拱，有效控制张集煤矿-973m水泵房硐室群长期稳定。

参考文献：

[1林惠立,石永奎.深部构造复杂区大断面硐室群围岩稳定性模拟分析[J].煤炭学报,2011,(10).1619-1623.

作者简介：杨行，男，生于1988年11月，汉族，安徽桐城人，工程硕士