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摘 要：杨河煤业-300水平井底巷道受采深影响，围岩呈现工程软岩特性，同时受构造影响，围岩层理、节理极为发育，尤其是主石门附近的大断面多交岔点巷道，应力集中，采用常规锚网支护或棚式支护已难以有效地控制巷道的强烈变形，保证巷道的正常使用。本文在分析-300主石门巷道支护失稳的基础上，提出高强稳定型锚注-围岩-支架耦合支护方案，并在该段巷道成功应用，取得较好的效果。
关键词：深井软岩;多交叉点;耦合支护
中图分类号：TD353.6 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0059-03
Study on Coupling Support Technology of Roadway with Large Section and Multiple-point Crossover in Deep Mine
LI Lei1，2 DING Kunpeng1 DUAN Jiajia3 JIANG Pengcheng3 WANG Junchao3
（1.Institute of Industrial Technology， Henan Polytechnic University， Jiaozuo Henan 454003;
2. School of Energy Science & Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo Henan 454003;
3.Yanghe Coal Mine， Zhengzhou Coal Industry Group Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 452382）
Abstract： The roadway of Yanghe coalmine located at -300 level is influenced by the depth， and the surrounding rock with the engineering soft rock characteristics， and as well as affected by the structure， surround rock strata and the joint development， especially the roadway with the large section and multiple-point crossover near the main cross-cut that the coefficient of stress concentration is much more larger. The conventional anchor net supporting or shed support is difficult to control the strong deformation of roadway effectively， and ensure the normal use of roadway. Based on the analysis of the instability of the main cross-cut， this paper puts forward the high strength and stable coupling support scheme of anchor injection-surrounding rock-support， which has been successfully applied in the mine and achieved good results.
Keywords： soft rock in the deep mine; multiple-point crossover; coupling support
杨河煤业-300主石门南接深部立井马头门，北连32轨道下山，并连接31、32、42三个采区，是矿井-300水平运输、通风、行人及排水的咽喉通道。根据地质资料，该段巷道自马头门开始由南向北逐渐由二煤层顶板的砂质泥岩进入到底板灰岩。受围岩岩性及周围巷道影响，未进入底板灰岩段巷道自投入使用起先后多次进行维修，但受到矿山集中应力影响，该段巷道最小断面仅余12～13 m2，仅仅满足矿井的使用要求。近年来，随着矿井二水平开采结束和三水平的开拓完成，矿井的生产重心已逐步向三水平（-300水平）转移。目前该巷道主石门的进风量超过8 000 m3/min，实测风速也已超过10 m/s，严重超过允许风速。因此，迫切需要针对-300主石门采取针对性的围岩控制方案，保证巷道满足矿井安全生产的需要。
1 巷道地质条件
杨河煤业-300主石门位于矿井三水平32下山和深部副井之间，巷道埋深约523 m，周圍巷道布置较为密集，且有多个大跨度交岔点：由南向北依次与42采区行人进风联巷、42采区辅助车场、-300轨道大巷相交，终至32轨道下山。-300主石门由二1煤层顶板的砂质泥岩进入底板L7-8灰岩中。
2 巷道原支护及破坏原因分析
2.1 巷道原支护参数
杨河煤业-300主石门南段采用29U型钢支护，拱形断面，棚距0.8 m，净宽5.5 m，净高3.6 m;北段采用锚网索支护，直墙半圆拱断面，净宽4.8 m，净高3.6 m，采用Φ18 mm×1 800 mm锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm，采用Φ15.24 mm×5 200 mm锚索，间排距2 000 mm×2 000 mm。护表构件为直径6 mm的钢筋网，喷射C20混凝土，厚度100 mm。 2.2 巷道破坏原因分析
自杨河煤业-300主石门未进入底板灰岩段巷道自投入使用以来，先后经历过多次扩修，但巷道围岩仍难以稳定。根据杨河煤业-300水平地质资料分析，造成巷道强烈变形发生破坏的原因主要有以下四点。
2.2.1 地质原因。根据矿井提供的地质资料，-300主石门埋藏深度在523 m，上覆各岩层容重平均值2 600 kg/m3，则该段巷道的垂直应力达到14.3 MPa。由图1可见，在-300主石门所处巷道周边存在42轨道巷、-300轨道巷等多个大跨度岔点，且布置密集，造成巷道相互影响，围岩压力集中。
2.2.2 支架支护强度偏低。在受扰动应力集中的软岩巷道中，采用支架支护时，减少围岩变形的主要因素为支架所提供的支护阻力。经研究，36U型钢虽然在单位重量上仅增加了6.78 kg，质量比约增加23.4%，但其在横截面两个方向上的惯性矩Ix、Iy和抗弯截面模量Wx、Wy同29U型钢相应参数相比较，其力学参数分别增加了56.0%～60.5%和41.7%～43.0%，力学性能有大大提高[1]。
2.2.3 支护设计缺乏针对性。根据巷道围岩岩性不同，-300主石门南段采用29U型钢支护，北段采用锚网索支护，并未针对具体地质条件进行支护，且无论采用强围岩的锚网索主动支护还是软弱围岩的棚式被动支护，其实质都是靠支护体的支护阻力使巷道在浅部围岩形成一个具有承载能力的承载结构，再通过该承载结构去控制巷道围岩变形[2]。因此，承载结构的强度、刚度及稳定性对巷道支护效果起着决定性作用[3-5]。
以常用的拱形U型钢为例，虽然拱形的U型钢支架具有极高支护阻力抵抗巷道变形，并且在受压巨大时呈现可缩特性，但实际巷道支护中，U型钢支架往往因为受到其与围岩相互作用和制约的原因，支架不能很好受力，在阻力较低的情况下就出现滑移。
3 大断面多交叉点巷道支护方针
本文结合杨河煤业-300主石门断面大、交叉点多、围岩破碎等具体地质采矿条件及现有支护存在问题，从保障巷道长期支护效果角度出发，提出封闭高强稳定型耦合支护技术。一方面提高破碎岩体的完整性及其强度;另一方面通过支护体提供的较高的支护阻力对巷道浅部围岩进行控制，使其充分发挥其深部稳定岩体的自承能力。
核心要点有三：首先，进行基础支护，采用具有高阻可缩的全封闭36U型钢支架，依靠支架这一稳定支护结构对围岩提供较高的被动支护阻力;其次，对巷道喷浆后对围岩实施壁后充填注浆，由此增加巷道浅部岩体的残余强度，实现支架与围岩耦合作用，使支架与围岩共同承载;最后，采用打设锚杆、高预应力钢绞线补强，实现锚杆与围岩、锚索与支架的主被动耦合，并充分调动巷道深部围岩的承载能力，以此完成围岩―支架―锚网耦合，实现封闭高强稳定型支护，有效控制围岩。
3.1 锚注支护技术
-300主石门采用锚注支护技术，改变围岩的松散状态，使岩体强度显著提高，充分发挥围岩的自承能力;同时水泥浆液对U型钢与围岩间较大的空穴和围岩裂隙的充填，改变了支架的受力结构，提进一步地提高了支护体承载能力。
3.2 锚索-U型钢耦合支护技术
目前，煤矿普遍采用的拱形支架抗侧压能力极低，对支架增加底反拱后，形成封闭结构，再通过锚索与支架的耦合，有效地提高U型钢支架对侧压和底鼓的抵抗能力，也大大地提高该支护体系的稳定性。
4 大断面多交叉点巷道支护技术方案
4.1 全封闭高阻可缩U型钢被动支护
-300主石门顶板为松软泥岩时，采用全封闭36U型钢支护，棚距0.6 m，下扎角7°，梁腿搭接0.5 m，每侧搭接处安设3副双槽夹板卡缆，卡缆螺母预紧力矩300 N·m。架设支架前用钢筋网护表，其网孔规格为100 mm×100 mm。
4.2 架设底反拱
支架架设30～50 m后，对底板开挖，长度5.0 m，开挖后从前往后对支架安设底反拱，底反拱与U型钢腿搭接914 mm，每侧搭接处安设3副双槽夹板卡缆，卡缆螺母预紧力矩大于300 N·m。安设底反拱前用钢筋网对底板及两侧护表，网孔规格为100 mm×100 mm。
4.3 喷浆
为注浆时围岩现跑浆、漏浆，在完成支架及底反拱的安装后，对巷道的帮顶喷浆，底板硬化。为保证注浆效果，喷浆厚度不宜低于U型钢支架，且支架后部的空隙也应喷严、喷实，且表面圆滑。
4.4 支架壁后围岩注浆
喷浆完成后对巷道围岩注浆，并根据围岩破碎程度和深度，采用多轮、分次、深浅结合的方式注浆。注浆时巷道顶、帮部注浆锚杆长度分别为1.5 m和2.5 m，间排距为2 m×2.4 m，起注高度1.0 m。
注浆材料为425#普通硅酸盐水泥，水灰比介于（0.6∶1）～（0.7∶1）。注漿时按自下而上的顺序注浆，注浆压力一般≤3 MPa。
4.5 锚网索补强支护方案
注浆结束后，采用锚网索对巷道补强，实现深部围岩、支架和锚杆索的耦合，采用Φ22 mm×3 000 mm锚杆和Φ17.8 mm×7 000 mm的锚索，锚杆索间排距见图2。
5 支护效果分析
杨河煤业-300主石门采用该支护方案后，巷道表面喷层状况良好，无开裂、离层现象，底板无底鼓。观测结果表明，采用该封闭高强稳定型支护方案后，巷道在维修后半年内无明显矿压显现，巷道顶底及两帮平均变形量分别为87 mm和112 mm，巷道维护状况良好，破碎围岩得到有效控制。
6 结论
浅部围岩采用锚杆支护虽能有效提高围岩强度、改善受力状况，发挥其自承载能力，但该支护对围岩条件依赖性较高，特别在围岩松动圈较为发育情况下，锚杆锚固性能受到较大影响，且极易造成锚杆预应力丧失，这就导致围岩破碎仅仅采用锚网支护时，由于围岩破碎原因，难形成稳定可靠的承载结构。
因此，针对杨河煤业-300主石门这类大断面多交叉点巷道，在围岩破碎时，采用锚注、锚索补强、围岩-锚索-全封闭U型钢等多支护体进行耦合所形成的高强稳定的支护技术，不仅通过围岩深浅部注浆提高了巷道破碎岩体整体的自承能力，充分发挥U型钢支架高阻、可缩的支护特性，而且采用锚索针对支架结构薄弱部位进行补强，提高了围岩-支护这一大支护体的稳定性，有效解决此类巷道的支护难题。
参考文献：
[1] 白宙，毕俊刚，白志兵.特厚煤层综放大断面孤岛工作面巷道支护技术研究[J].煤，2021（2）：38-41.
[2] 王其洲，谢文兵，荆升国，等.动压影响巷道U型钢支架-锚索协同支护机理及其承载规律 [J].煤炭学报，2015（2）：301-307.
[3] 康红普，姜鹏飞，黄炳香，等.煤矿千米深井巷道围岩支护改性-卸压-协同控制技术[J].煤炭学报，2020（3）：845-864.
[4] 周智军，杨军辉.邢 东矿大采深巷道综合支护技术研究[C]//中国煤炭工业协会.全国煤矿千米深井开采技术，2013：198-202.
[5] 王文峰，李雷，许多兵.基于松动圈探测的棚索耦合支护技术研究[J].煤炭技术，2017（5）：101-103.
关键词：深井软岩;多交叉点;耦合支护
中图分类号：TD353.6 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0059-03
Study on Coupling Support Technology of Roadway with Large Section and Multiple-point Crossover in Deep Mine
LI Lei1，2 DING Kunpeng1 DUAN Jiajia3 JIANG Pengcheng3 WANG Junchao3
（1.Institute of Industrial Technology， Henan Polytechnic University， Jiaozuo Henan 454003;
2. School of Energy Science & Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo Henan 454003;
3.Yanghe Coal Mine， Zhengzhou Coal Industry Group Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 452382）
Abstract： The roadway of Yanghe coalmine located at -300 level is influenced by the depth， and the surrounding rock with the engineering soft rock characteristics， and as well as affected by the structure， surround rock strata and the joint development， especially the roadway with the large section and multiple-point crossover near the main cross-cut that the coefficient of stress concentration is much more larger. The conventional anchor net supporting or shed support is difficult to control the strong deformation of roadway effectively， and ensure the normal use of roadway. Based on the analysis of the instability of the main cross-cut， this paper puts forward the high strength and stable coupling support scheme of anchor injection-surrounding rock-support， which has been successfully applied in the mine and achieved good results.
Keywords： soft rock in the deep mine; multiple-point crossover; coupling support
杨河煤业-300主石门南接深部立井马头门，北连32轨道下山，并连接31、32、42三个采区，是矿井-300水平运输、通风、行人及排水的咽喉通道。根据地质资料，该段巷道自马头门开始由南向北逐渐由二煤层顶板的砂质泥岩进入到底板灰岩。受围岩岩性及周围巷道影响，未进入底板灰岩段巷道自投入使用起先后多次进行维修，但受到矿山集中应力影响，该段巷道最小断面仅余12～13 m2，仅仅满足矿井的使用要求。近年来，随着矿井二水平开采结束和三水平的开拓完成，矿井的生产重心已逐步向三水平（-300水平）转移。目前该巷道主石门的进风量超过8 000 m3/min，实测风速也已超过10 m/s，严重超过允许风速。因此，迫切需要针对-300主石门采取针对性的围岩控制方案，保证巷道满足矿井安全生产的需要。
1 巷道地质条件
杨河煤业-300主石门位于矿井三水平32下山和深部副井之间，巷道埋深约523 m，周圍巷道布置较为密集，且有多个大跨度交岔点：由南向北依次与42采区行人进风联巷、42采区辅助车场、-300轨道大巷相交，终至32轨道下山。-300主石门由二1煤层顶板的砂质泥岩进入底板L7-8灰岩中。
2 巷道原支护及破坏原因分析
2.1 巷道原支护参数
杨河煤业-300主石门南段采用29U型钢支护，拱形断面，棚距0.8 m，净宽5.5 m，净高3.6 m;北段采用锚网索支护，直墙半圆拱断面，净宽4.8 m，净高3.6 m，采用Φ18 mm×1 800 mm锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm，采用Φ15.24 mm×5 200 mm锚索，间排距2 000 mm×2 000 mm。护表构件为直径6 mm的钢筋网，喷射C20混凝土，厚度100 mm。 2.2 巷道破坏原因分析
自杨河煤业-300主石门未进入底板灰岩段巷道自投入使用以来，先后经历过多次扩修，但巷道围岩仍难以稳定。根据杨河煤业-300水平地质资料分析，造成巷道强烈变形发生破坏的原因主要有以下四点。
2.2.1 地质原因。根据矿井提供的地质资料，-300主石门埋藏深度在523 m，上覆各岩层容重平均值2 600 kg/m3，则该段巷道的垂直应力达到14.3 MPa。由图1可见，在-300主石门所处巷道周边存在42轨道巷、-300轨道巷等多个大跨度岔点，且布置密集，造成巷道相互影响，围岩压力集中。
2.2.2 支架支护强度偏低。在受扰动应力集中的软岩巷道中，采用支架支护时，减少围岩变形的主要因素为支架所提供的支护阻力。经研究，36U型钢虽然在单位重量上仅增加了6.78 kg，质量比约增加23.4%，但其在横截面两个方向上的惯性矩Ix、Iy和抗弯截面模量Wx、Wy同29U型钢相应参数相比较，其力学参数分别增加了56.0%～60.5%和41.7%～43.0%，力学性能有大大提高[1]。
2.2.3 支护设计缺乏针对性。根据巷道围岩岩性不同，-300主石门南段采用29U型钢支护，北段采用锚网索支护，并未针对具体地质条件进行支护，且无论采用强围岩的锚网索主动支护还是软弱围岩的棚式被动支护，其实质都是靠支护体的支护阻力使巷道在浅部围岩形成一个具有承载能力的承载结构，再通过该承载结构去控制巷道围岩变形[2]。因此，承载结构的强度、刚度及稳定性对巷道支护效果起着决定性作用[3-5]。
以常用的拱形U型钢为例，虽然拱形的U型钢支架具有极高支护阻力抵抗巷道变形，并且在受压巨大时呈现可缩特性，但实际巷道支护中，U型钢支架往往因为受到其与围岩相互作用和制约的原因，支架不能很好受力，在阻力较低的情况下就出现滑移。
3 大断面多交叉点巷道支护方针
本文结合杨河煤业-300主石门断面大、交叉点多、围岩破碎等具体地质采矿条件及现有支护存在问题，从保障巷道长期支护效果角度出发，提出封闭高强稳定型耦合支护技术。一方面提高破碎岩体的完整性及其强度;另一方面通过支护体提供的较高的支护阻力对巷道浅部围岩进行控制，使其充分发挥其深部稳定岩体的自承能力。
核心要点有三：首先，进行基础支护，采用具有高阻可缩的全封闭36U型钢支架，依靠支架这一稳定支护结构对围岩提供较高的被动支护阻力;其次，对巷道喷浆后对围岩实施壁后充填注浆，由此增加巷道浅部岩体的残余强度，实现支架与围岩耦合作用，使支架与围岩共同承载;最后，采用打设锚杆、高预应力钢绞线补强，实现锚杆与围岩、锚索与支架的主被动耦合，并充分调动巷道深部围岩的承载能力，以此完成围岩―支架―锚网耦合，实现封闭高强稳定型支护，有效控制围岩。
3.1 锚注支护技术
-300主石门采用锚注支护技术，改变围岩的松散状态，使岩体强度显著提高，充分发挥围岩的自承能力;同时水泥浆液对U型钢与围岩间较大的空穴和围岩裂隙的充填，改变了支架的受力结构，提进一步地提高了支护体承载能力。
3.2 锚索-U型钢耦合支护技术
目前，煤矿普遍采用的拱形支架抗侧压能力极低，对支架增加底反拱后，形成封闭结构，再通过锚索与支架的耦合，有效地提高U型钢支架对侧压和底鼓的抵抗能力，也大大地提高该支护体系的稳定性。
4 大断面多交叉点巷道支护技术方案
4.1 全封闭高阻可缩U型钢被动支护
-300主石门顶板为松软泥岩时，采用全封闭36U型钢支护，棚距0.6 m，下扎角7°，梁腿搭接0.5 m，每侧搭接处安设3副双槽夹板卡缆，卡缆螺母预紧力矩300 N·m。架设支架前用钢筋网护表，其网孔规格为100 mm×100 mm。
4.2 架设底反拱
支架架设30～50 m后，对底板开挖，长度5.0 m，开挖后从前往后对支架安设底反拱，底反拱与U型钢腿搭接914 mm，每侧搭接处安设3副双槽夹板卡缆，卡缆螺母预紧力矩大于300 N·m。安设底反拱前用钢筋网对底板及两侧护表，网孔规格为100 mm×100 mm。
4.3 喷浆
为注浆时围岩现跑浆、漏浆，在完成支架及底反拱的安装后，对巷道的帮顶喷浆，底板硬化。为保证注浆效果，喷浆厚度不宜低于U型钢支架，且支架后部的空隙也应喷严、喷实，且表面圆滑。
4.4 支架壁后围岩注浆
喷浆完成后对巷道围岩注浆，并根据围岩破碎程度和深度，采用多轮、分次、深浅结合的方式注浆。注浆时巷道顶、帮部注浆锚杆长度分别为1.5 m和2.5 m，间排距为2 m×2.4 m，起注高度1.0 m。
注浆材料为425#普通硅酸盐水泥，水灰比介于（0.6∶1）～（0.7∶1）。注漿时按自下而上的顺序注浆，注浆压力一般≤3 MPa。
4.5 锚网索补强支护方案
注浆结束后，采用锚网索对巷道补强，实现深部围岩、支架和锚杆索的耦合，采用Φ22 mm×3 000 mm锚杆和Φ17.8 mm×7 000 mm的锚索，锚杆索间排距见图2。
5 支护效果分析
杨河煤业-300主石门采用该支护方案后，巷道表面喷层状况良好，无开裂、离层现象，底板无底鼓。观测结果表明，采用该封闭高强稳定型支护方案后，巷道在维修后半年内无明显矿压显现，巷道顶底及两帮平均变形量分别为87 mm和112 mm，巷道维护状况良好，破碎围岩得到有效控制。
6 结论
浅部围岩采用锚杆支护虽能有效提高围岩强度、改善受力状况，发挥其自承载能力，但该支护对围岩条件依赖性较高，特别在围岩松动圈较为发育情况下，锚杆锚固性能受到较大影响，且极易造成锚杆预应力丧失，这就导致围岩破碎仅仅采用锚网支护时，由于围岩破碎原因，难形成稳定可靠的承载结构。
因此，针对杨河煤业-300主石门这类大断面多交叉点巷道，在围岩破碎时，采用锚注、锚索补强、围岩-锚索-全封闭U型钢等多支护体进行耦合所形成的高强稳定的支护技术，不仅通过围岩深浅部注浆提高了巷道破碎岩体整体的自承能力，充分发挥U型钢支架高阻、可缩的支护特性，而且采用锚索针对支架结构薄弱部位进行补强，提高了围岩-支护这一大支护体的稳定性，有效解决此类巷道的支护难题。
参考文献：
[1] 白宙，毕俊刚，白志兵.特厚煤层综放大断面孤岛工作面巷道支护技术研究[J].煤，2021（2）：38-41.
[2] 王其洲，谢文兵，荆升国，等.动压影响巷道U型钢支架-锚索协同支护机理及其承载规律 [J].煤炭学报，2015（2）：301-307.
[3] 康红普，姜鹏飞，黄炳香，等.煤矿千米深井巷道围岩支护改性-卸压-协同控制技术[J].煤炭学报，2020（3）：845-864.
[4] 周智军，杨军辉.邢 东矿大采深巷道综合支护技术研究[C]//中国煤炭工业协会.全国煤矿千米深井开采技术，2013：198-202.
[5] 王文峰，李雷，许多兵.基于松动圈探测的棚索耦合支护技术研究[J].煤炭技术，2017（5）：101-103.