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[摘 要]通过对许疃煤矿-500m水平轨道石门交叉点在高应力破碎软岩条件下的支护技术难题进行研究，结合现场实际情况，提出了高强稳定型棚索协同支护技术方案，有效控制了巷道的不利变形，取得了良好的支护效果，为今后矿井高应力破碎软岩巷道支护提供了可靠的技术保障。
[关键词]高应力 软岩 棚索协同支护 技术保障
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0086-02
0、前言
在煤矿软岩巷道中，高应力破碎软岩巷道占有相当大的比例。高应力破碎软岩巷道中支护结构性失稳是导致巷道失稳、破坏的重要原因。在高应力破碎软岩巷道中，许多情况下锚网支护难以形成可靠的承载结构，而高阻可缩U型钢支架又无法适应围岩的强烈变形。
许疃煤矿-500m水平轨道石门是矿井-500m水平的主要开拓巷道，近两年受巷道上方孤岛煤柱上高支承压力影响，-500m水平轨道石门交叉点附近巷道变形强烈，主要表现为：巷道喷层大量开裂，顶板下沉；两帮内移，卡缆螺栓断裂，棚腿强烈弯曲变形，部分出现跪腿；巷道底鼓强烈；支架向一侧严重偏斜，部分巷道出现全段面收缩。若不对-500m水平轨道石门影响段采取及时、有效地加固措施，将对矿井安全生产构成严重威胁。
根据现场实际情况，本论文提出了棚-索协同支护，将具备高阻可缩特性的U型钢支架作为基本支护，利用其提供的较高支护阻力提高巷道浅部破碎岩体的残余强度，并将U型钢支架作为小孔径预应力锚索的高强护表构件，发挥锚索的锚固性能，在充分发挥深部稳定岩体承载能力的同时，实现对U型钢支架的合理结构补偿，提高支架的结构稳定性及其承载能力。
1、工程概况
许疃煤矿主采煤层为71、72和82煤层，-500m水平轨道石门交叉点绝大部分位于72煤层底板岩层中，部分巷道穿过82煤层，进入82煤层底板，巷道围岩岩性以泥岩和煤为主。随着巷道附近工作面的回采，-500m水平轨道石门及交叉点上方逐渐形成不规则孤岛煤柱。见图1所示。
-500m水平轨道石门交叉点设计断面为直墙半圆拱形，巷道净断面尺寸为4800×4200mm。巷道现有支护方式为36U型钢棚喷浆支护，棚距500mm。
2、失稳机理分析
（1）上部煤层开采的动压及孤岛煤柱上支承压力影响
由于-500m水平轨道石门及交叉点上方工作面的不规则布置及回采，从而在巷道附近形成一不规则孤岛煤柱。两侧工作面回采分别形成的超前支承压力和侧向支承压力叠加，不仅在回采空间周围的煤柱上造成应力集中，而且该应力将向底板岩层传递。由于煤柱内积聚有较高的叠加支承压力，并向底板传递，留设的煤柱非但没有很好地保护-500m水平轨道石门交叉点附近巷道免遭工作面采动影响，反而使得巷道所处的应力水平显著增高，受上部工作面多次采动和煤柱上的支承压力作用，巷道变形严重。
（2）巷道围岩强度
-500m水平轨道石门交叉点附近两分叉巷道围岩岩性以泥岩和煤为主，岩体强度较低，稳定性差，而且巷道长期处于煤柱下方、围岩破碎、松动范围大，在经过多次卧底后，围岩本身的节理裂隙更加发育，相应的围岩松动圈范围更大。在采动应力影响下，其松散破碎的泥质岩体更加容易失稳破坏。
（3）现有支护难以控制巷道围岩强烈变形
-500m水平轨道石门及交叉点现有支护方式为U型钢棚支护，实际施工过程中不可避免地在支架与围岩间存在大量不均匀空隙，导致支架初期不承载或偏载，这都不利于发挥U型钢支架的承载性能，工程实践中，支架受偏载因素影响，其实际承载能力仅为理论承载能力的1/5～1/10，甚至更低，虽然采取了喷浆措施对支架进行封闭，但是在高应力长期作用下，型钢的强度及卡缆的预紧力已大幅度降低，难以向围岩提供足够的支护阻力。同时单纯架设U型钢支架难以充分发挥巷道围岩的自承载能力，自身两帮和拱部也未采取加强措施，使得巷道两帮首先成为结构失稳的突破口，并随着两帮的失稳、破坏，造成顶部拱结构的承载能力难以充分发挥，从而造成支架产生结构性失稳破坏。
由于巷道底板未采取支护措施，巷道底板往往首先成为巷道变形、破坏的突破口，从而大量底鼓。而频繁的卧底又造成新的应力扰动，使得巷道围岩松动圈发育范围进一步扩大；另一方面，巷道反复卧底进一步降低了巷道支护承载结构基础的稳定性，促使巷道两帮内移，导致支护承载结构稳定性进一步降低。
3、高强稳定型支护技术方案
（1）支护方案
采用具有高阻可缩特性的36U型钢支架替换现有29U型钢支架作为基本支护，利用其强力护表能力减少浅部围岩的变形量，提高其残余强度，替棚前对巷道顶板围岩破碎严重区域预注马丽散进行加固，替棚后进行U型钢支架壁后充填注漿，然后采用小孔径预应力锚索对U型钢支架的薄弱部位进行结构补偿，最后根据底板的围岩条件，采用高强锚网索支护，控制巷道底鼓。
（2）支护参数
①、36U型钢棚支护
采用36U型钢棚支护，棚距500mm，支架外扎角10？，搭接长度500mm，每个搭接部位采用2付双槽夹板限位卡缆及1付普通夹板卡缆，卡缆螺母预紧力矩应不低于300N·m。支架壁后使用钢筋网，网片规格500×455mm，网孔规格80×80mm。
②、壁后注浆
顶帮注浆锚杆规格为Φ22×2000mm中空螺纹钢锚杆，注浆锚杆间排距为：1500×1500mm，起注高度0.5m；
注浆前对巷道表面实施喷浆。喷层厚度控制在35mm±2mm，即喷层厚度与U型钢棚翼缘齐平即可。
对围岩进行注浆，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，水灰比（重量比）控制在0.6：1～0.7：1之间，注浆压力一般不应超过3Mpa，根据围岩状况和注浆压力，综合确定合理注浆量。 ③、预应力锚索结构补偿
待浆液凝固后，施工带梁锚索实现对U型钢支架的结构补偿。锚索规格为Φ17.8×6500mm，帮脚锚索距底板施工高度300mm，排距为1000mm，预紧力不低于100KN。锚索托梁采用废旧U型钢或14#矿用工字钢加工，托梁长度671mm，中心钻Φ24mm圆孔。详见图2支护断面图。
④、底板高强稳定型支护
底板采用底板锚网索+钢筋梯子梁支护，底板锚杆选用Φ22×3000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，预紧力矩不低于300N·m，锚杆托盘规格为150×150×10mm。在巷道底板中部按五花眼布置3根锚索。锚索规格为Φ17.8×5000mm，预紧力不低于100KN。锚索托盘选用18#槽钢加工，钢筋梯子梁采用Φ14mm圆钢加工。
4、支护-围岩承载信息监测
巷道围岩控制效果是评价一个支护方案优劣的最有力根据，通过监测评价支护方案及支护参数的合理性，并为类似地质条件下的巷道支护设计提供理论依据。
测试内容主要包括两个方面：一是对支架及锚索工况进行测试，测量支架及锚索在实际承载过程中承受载荷大小及其变化规律；二是对牛鼻子段小岩柱和大断面交岔点围岩变形规律进行测试，内容包括巷道表面位移、巷道深基点位移等。
测试共布置3个测站，1#测站位于主巷牛鼻子尖处，属于穿层破碎围岩段，重点监测大断面区域支架的支护承载性能和断面收缩率；2#测站位于左支巷牛鼻子以里 4.5m，属于穿层破碎围岩段，重点监测对拉锚索支护承载性能、牛鼻子段小岩柱围岩应力集中程度及高冒区围岩注浆后加固效果；3#测站位于右支巷牛鼻子以里65m，属于围岩较完整段，该巷道远离高冒区，岩柱宽度较大，重点监测岩性较好区段支护状况及围岩活动规律，与2#测站形成对比测站。
矿有关部门安排专人进行具体的矿压观测和记录，负责数据的处理和分析，根据前后两次读数的差异程度确定观测频度，通过对观测资料进行分析调整支护参数。
5、结束语
通过对许疃煤矿-500m水平軌道石门交岔点在高应力破碎软岩条件下的支护技术研究，提出了高强稳定型棚索协同支护技术方案，实践表明，壁后充填注浆一方面改善支架与围岩的相互作用关系，充分发挥支架的整体承载能力，另一方面注浆将巷道浅部松散破碎围岩重新胶结成整体，提高巷道浅部围岩完整性和承载能力，实现支架与围岩共同承载；通过在合理位置施加一定大小的结构补偿力，能够大幅度降低支护结构危险截面承受的应力，同时降低支护结构整体承受的应力，使得支护体的承载性能得以充分发挥，提高支护结构的整体稳定性及其承载能力，同时利用锚索将该支护承载结构锚固至深部稳定岩体上，充分调动和发挥深部稳定岩体的承载能力。
从现场的支护效果来看，该支护方案在有效控制围岩的前提下，以较小的投入取得了理想的支护效果，从后期的矿压监测来看，该支护技术的应用，大大减小了巷道的变形和底鼓，满足安全生产的要求，同时避免了后期巷道的维修所带来的不便。
作者简介：
孟祥兵（1965～），男，安徽濉溪人，工程师。现任淮北矿业（集团）有限责任公司许疃煤矿掘进副矿长。
[关键词]高应力 软岩 棚索协同支护 技术保障
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0086-02
0、前言
在煤矿软岩巷道中，高应力破碎软岩巷道占有相当大的比例。高应力破碎软岩巷道中支护结构性失稳是导致巷道失稳、破坏的重要原因。在高应力破碎软岩巷道中，许多情况下锚网支护难以形成可靠的承载结构，而高阻可缩U型钢支架又无法适应围岩的强烈变形。
许疃煤矿-500m水平轨道石门是矿井-500m水平的主要开拓巷道，近两年受巷道上方孤岛煤柱上高支承压力影响，-500m水平轨道石门交叉点附近巷道变形强烈，主要表现为：巷道喷层大量开裂，顶板下沉；两帮内移，卡缆螺栓断裂，棚腿强烈弯曲变形，部分出现跪腿；巷道底鼓强烈；支架向一侧严重偏斜，部分巷道出现全段面收缩。若不对-500m水平轨道石门影响段采取及时、有效地加固措施，将对矿井安全生产构成严重威胁。
根据现场实际情况，本论文提出了棚-索协同支护，将具备高阻可缩特性的U型钢支架作为基本支护，利用其提供的较高支护阻力提高巷道浅部破碎岩体的残余强度，并将U型钢支架作为小孔径预应力锚索的高强护表构件，发挥锚索的锚固性能，在充分发挥深部稳定岩体承载能力的同时，实现对U型钢支架的合理结构补偿，提高支架的结构稳定性及其承载能力。
1、工程概况
许疃煤矿主采煤层为71、72和82煤层，-500m水平轨道石门交叉点绝大部分位于72煤层底板岩层中，部分巷道穿过82煤层，进入82煤层底板，巷道围岩岩性以泥岩和煤为主。随着巷道附近工作面的回采，-500m水平轨道石门及交叉点上方逐渐形成不规则孤岛煤柱。见图1所示。
-500m水平轨道石门交叉点设计断面为直墙半圆拱形，巷道净断面尺寸为4800×4200mm。巷道现有支护方式为36U型钢棚喷浆支护，棚距500mm。
2、失稳机理分析
（1）上部煤层开采的动压及孤岛煤柱上支承压力影响
由于-500m水平轨道石门及交叉点上方工作面的不规则布置及回采，从而在巷道附近形成一不规则孤岛煤柱。两侧工作面回采分别形成的超前支承压力和侧向支承压力叠加，不仅在回采空间周围的煤柱上造成应力集中，而且该应力将向底板岩层传递。由于煤柱内积聚有较高的叠加支承压力，并向底板传递，留设的煤柱非但没有很好地保护-500m水平轨道石门交叉点附近巷道免遭工作面采动影响，反而使得巷道所处的应力水平显著增高，受上部工作面多次采动和煤柱上的支承压力作用，巷道变形严重。
（2）巷道围岩强度
-500m水平轨道石门交叉点附近两分叉巷道围岩岩性以泥岩和煤为主，岩体强度较低，稳定性差，而且巷道长期处于煤柱下方、围岩破碎、松动范围大，在经过多次卧底后，围岩本身的节理裂隙更加发育，相应的围岩松动圈范围更大。在采动应力影响下，其松散破碎的泥质岩体更加容易失稳破坏。
（3）现有支护难以控制巷道围岩强烈变形
-500m水平轨道石门及交叉点现有支护方式为U型钢棚支护，实际施工过程中不可避免地在支架与围岩间存在大量不均匀空隙，导致支架初期不承载或偏载，这都不利于发挥U型钢支架的承载性能，工程实践中，支架受偏载因素影响，其实际承载能力仅为理论承载能力的1/5～1/10，甚至更低，虽然采取了喷浆措施对支架进行封闭，但是在高应力长期作用下，型钢的强度及卡缆的预紧力已大幅度降低，难以向围岩提供足够的支护阻力。同时单纯架设U型钢支架难以充分发挥巷道围岩的自承载能力，自身两帮和拱部也未采取加强措施，使得巷道两帮首先成为结构失稳的突破口，并随着两帮的失稳、破坏，造成顶部拱结构的承载能力难以充分发挥，从而造成支架产生结构性失稳破坏。
由于巷道底板未采取支护措施，巷道底板往往首先成为巷道变形、破坏的突破口，从而大量底鼓。而频繁的卧底又造成新的应力扰动，使得巷道围岩松动圈发育范围进一步扩大；另一方面，巷道反复卧底进一步降低了巷道支护承载结构基础的稳定性，促使巷道两帮内移，导致支护承载结构稳定性进一步降低。
3、高强稳定型支护技术方案
（1）支护方案
采用具有高阻可缩特性的36U型钢支架替换现有29U型钢支架作为基本支护，利用其强力护表能力减少浅部围岩的变形量，提高其残余强度，替棚前对巷道顶板围岩破碎严重区域预注马丽散进行加固，替棚后进行U型钢支架壁后充填注漿，然后采用小孔径预应力锚索对U型钢支架的薄弱部位进行结构补偿，最后根据底板的围岩条件，采用高强锚网索支护，控制巷道底鼓。
（2）支护参数
①、36U型钢棚支护
采用36U型钢棚支护，棚距500mm，支架外扎角10？，搭接长度500mm，每个搭接部位采用2付双槽夹板限位卡缆及1付普通夹板卡缆，卡缆螺母预紧力矩应不低于300N·m。支架壁后使用钢筋网，网片规格500×455mm，网孔规格80×80mm。
②、壁后注浆
顶帮注浆锚杆规格为Φ22×2000mm中空螺纹钢锚杆，注浆锚杆间排距为：1500×1500mm，起注高度0.5m；
注浆前对巷道表面实施喷浆。喷层厚度控制在35mm±2mm，即喷层厚度与U型钢棚翼缘齐平即可。
对围岩进行注浆，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，水灰比（重量比）控制在0.6：1～0.7：1之间，注浆压力一般不应超过3Mpa，根据围岩状况和注浆压力，综合确定合理注浆量。 ③、预应力锚索结构补偿
待浆液凝固后，施工带梁锚索实现对U型钢支架的结构补偿。锚索规格为Φ17.8×6500mm，帮脚锚索距底板施工高度300mm，排距为1000mm，预紧力不低于100KN。锚索托梁采用废旧U型钢或14#矿用工字钢加工，托梁长度671mm，中心钻Φ24mm圆孔。详见图2支护断面图。
④、底板高强稳定型支护
底板采用底板锚网索+钢筋梯子梁支护，底板锚杆选用Φ22×3000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，预紧力矩不低于300N·m，锚杆托盘规格为150×150×10mm。在巷道底板中部按五花眼布置3根锚索。锚索规格为Φ17.8×5000mm，预紧力不低于100KN。锚索托盘选用18#槽钢加工，钢筋梯子梁采用Φ14mm圆钢加工。
4、支护-围岩承载信息监测
巷道围岩控制效果是评价一个支护方案优劣的最有力根据，通过监测评价支护方案及支护参数的合理性，并为类似地质条件下的巷道支护设计提供理论依据。
测试内容主要包括两个方面：一是对支架及锚索工况进行测试，测量支架及锚索在实际承载过程中承受载荷大小及其变化规律；二是对牛鼻子段小岩柱和大断面交岔点围岩变形规律进行测试，内容包括巷道表面位移、巷道深基点位移等。
测试共布置3个测站，1#测站位于主巷牛鼻子尖处，属于穿层破碎围岩段，重点监测大断面区域支架的支护承载性能和断面收缩率；2#测站位于左支巷牛鼻子以里 4.5m，属于穿层破碎围岩段，重点监测对拉锚索支护承载性能、牛鼻子段小岩柱围岩应力集中程度及高冒区围岩注浆后加固效果；3#测站位于右支巷牛鼻子以里65m，属于围岩较完整段，该巷道远离高冒区，岩柱宽度较大，重点监测岩性较好区段支护状况及围岩活动规律，与2#测站形成对比测站。
矿有关部门安排专人进行具体的矿压观测和记录，负责数据的处理和分析，根据前后两次读数的差异程度确定观测频度，通过对观测资料进行分析调整支护参数。
5、结束语
通过对许疃煤矿-500m水平軌道石门交岔点在高应力破碎软岩条件下的支护技术研究，提出了高强稳定型棚索协同支护技术方案，实践表明，壁后充填注浆一方面改善支架与围岩的相互作用关系，充分发挥支架的整体承载能力，另一方面注浆将巷道浅部松散破碎围岩重新胶结成整体，提高巷道浅部围岩完整性和承载能力，实现支架与围岩共同承载；通过在合理位置施加一定大小的结构补偿力，能够大幅度降低支护结构危险截面承受的应力，同时降低支护结构整体承受的应力，使得支护体的承载性能得以充分发挥，提高支护结构的整体稳定性及其承载能力，同时利用锚索将该支护承载结构锚固至深部稳定岩体上，充分调动和发挥深部稳定岩体的承载能力。
从现场的支护效果来看，该支护方案在有效控制围岩的前提下，以较小的投入取得了理想的支护效果，从后期的矿压监测来看，该支护技术的应用，大大减小了巷道的变形和底鼓，满足安全生产的要求，同时避免了后期巷道的维修所带来的不便。
作者简介：
孟祥兵（1965～），男，安徽濉溪人，工程师。现任淮北矿业（集团）有限责任公司许疃煤矿掘进副矿长。