摘要:以华润煤业唐洞煤矿 －450 m 水平煤仓为例，针对大断面巷道特性，通过采用工程类比法和理论分析等方法，选择了“锚杆 + 锚索 + 注浆”的联合支护方案。运用松动圈理论和耦合支护原理对锚杆、锚索支护参数进行了优化计算，通过经验方法对注浆参数进行了优化选择。现场矿压观测结果证明了“锚杆 + 锚索 + 注浆”的联合支护技术较适合大断面巷道的围岩变形控制。
关键词: 大断面煤仓硐室; 围岩稳定性; 锚杆注浆联合支护
1、工程概况
湖南华润煤业唐洞煤矿 －450 m 水平煤仓直径4． 6 m，开挖直径 5． 6 m，属于大断面硐室，如图 1 所示。该硐室埋深约 600 m，围岩主要为粉砂岩，由于硐室跨度大，硐室开挖后，硐室局部位置将难免会产生应力集中现象，导致片帮和冒顶事故发生，硐室支护将极为困难。
图 1 煤仓断面图
2、大断面硐室失稳影响因素分析
2．1、巷道断面的尺寸效应
如图 2 所示，将巷道顶板模型视为两边固支，顶板载荷为均布载荷，载荷大小为 q，且将顶板近似为无限长的薄板。
图 2 巷道顶板固支模型
2．2、应力与巷道围岩稳定性的关系
对于深埋巷道，科学界都将巷道等效为圆形巷道，本文将巷道等效为双向等压圆形巷道，通过弹塑性理论推导。
3、煤仓硐室支护方案研究
3．1、支护方案工程类比
对于大断面硐室的支护，有以下可供选择的方案
(1) 锚杆 + 衬砌支护。第一步为锚网喷临时支护，第二步衬砌作为永久支护。
(2) 锚网喷 + U 型钢支架联合支护。与第一方案的唯一区别就在第二步支护，第二步支护选择架U 型钢支架作为永久支护。
(3) 锚杆 + 锚索 + 注浆联合支护。该支护实质是利用注浆锚杆进行注浆，提高破碎围岩的整体性，提升围岩自稳能力。
根据 －450 m 水平煤仓的围岩特性，这几种支护形式都是可行的，但锚砌支护方案硐室开挖量大，施工较复杂，且后期维护困难; 而锚网喷与 U 型钢支架联合支护方案的施工难度大、成本高; 锚杆、锚索、注浆联合支护结构则克服了上述两种支护体系的缺点。采矿工程界在软岩顶板、大断面、破碎围岩带、高应力条件下等复杂条件下的巷道支护体系中较为普遍采用锚杆支护。然而在上述复杂条件下的巷道支护中，如按常规设计锚杆支护参数，根据工程经验，巷道围岩的大变形不能得到有效控制，“锚杆－ 围岩”的整体垮落是该类巷道变形失稳的主要表现形式。为了解决此类安全问题，往往通过使用巷道围岩注浆、小孔径预应力锚索、单体柱进行加强支护。
通过对唐洞煤矿大型机电硐室使用调查与比较分析，从施工方便、工期短、材料消耗量省等因素考虑，煤仓硐室支护结构要从永久、坚固、经济适用等几方面综合考虑，确定 － 450 m 水平煤仓硐室选用锚杆、锚索、注浆联合支护方案。
3． 2、支护参数确定
锚索长度的设计。根据经验数据，在一般不稳定( Ⅳ) 围岩中巷道垮度为 7 ～ 9 m，每米 2 ～ 4根锚索，长度在6 ～8 m 之间。故在唐洞矿煤仓支护中，锚索采用直径为 5 mm 的钢丝 7 根组合而成直径为 15 mm，L =6． 5 m。
根据数值计算结果和工程类比，确定煤仓硐室采用 Φ20 ×2100 mm 强螺纹钢无纵筋锚杆，锚杆间距设计为 700 mm，排距为 700 mm。锚固剂采用两支型号为 Z2335 树脂药卷，锚固长度设计为 0． 8 m。
锚索采用 7 根 Φ5 mm 的钢丝组合，设计锚索长度 L = 6． 5 m，直径 Φ = 15 mm，锚索间距为 1500mm，排距为 1500 mm。每根锚索采用型号为 S2360的 4 个树脂锚固剂药卷锚固，每支树脂锚固剂的长度 L =600 mm，直径 Φ = 23 mm。单根锚索锚固力设计为≥2000 kN，锚索托盘采用型号为 300 mm ×300 mm × 10 mm 和 150 mm × 150 mm × 10 mm 大小两个双层叠加。锚杆( 锚索) 布置如图 3 ～6 所示。
从图1可以看出，煤仓底部断面非常大，承载的压力主要集中在煤仓底部两端，故必须加强支护，通过注浆煤仓底部围岩，使煤仓围岩的粘聚力和内摩擦角得到提高，从而使岩块间相对位移的阻力得到增大，最终达到提高围岩整体稳定性的目的。此次注浆采用水泥水玻璃浆液。水泥浆液与水玻璃体积比为 1∶ 0． 03，水泥浆的水灰比设计为0． 8∶ 1，设计 注浆 孔 长 度 L = 3． 5 m，直 径 Φ = 42mm; 注浆管采用普通铁管或钢管，直径 Φ = 20 mm，长度 L =1． 5 m。封孔材料采用速凝水泥，封孔长度为 0． 5 m。煤仓底部进行注浆，B － B 剖面注浆孔间距一般为 1． 2 m，C － C 剖面注浆孔间距一般为 1． 6m; 排距均为 2 m，采用平行布置。断面布置见图 7和图 8 所示。
图 3 煤仓硐室锚杆( 锚索) 布置参数
图 4 A － A 剖面锚杆( 锚索) 布置参数
图 5 B － B 剖面锚杆( 锚索) 布置
图 6 C － C 剖面锚杆( 锚索) 布置
图 7 B － B 剖面注浆孔布置
图 8 C － C 剖面注浆孔布置图
4、煤仓硐室稳定性现场观测分析
该煤仓硐室已完工，项目组分别在煤仓底部、中部、底部设立了 3 个测站进行了 3 个月的矿压观测。从图 9 可看出，在 1 测站( 煤仓底部) 两帮移近量最大为 54 mm; 在 2 测站( 煤仓中部) 两帮移近量最大为 51 mm; 在 3 测站( 煤仓上部) 两帮移近量最大为45． 7 mm。围岩的稳定得到较好的控制。
从 图10可看出，在1测站( 煤仓底部) 右帮移近量最大为 29 mm; 在 2 测站( 煤仓中部) 右帮移近量最大为 26 mm; 在 3 测站( 煤仓上部) 右帮移近量最大为 22 mm。可见煤仓右帮围岩的稳定得到较好的控制。
图 9 煤仓硐室两帮位移量
图 10 煤仓硐室各测站右帮位移量
近 3 个月的现场矿压观测结果显示，大断面煤仓硐室的围岩变形在设计允许范围内，锚杆、锚索受力均匀，无失效锚杆、锚索。这充分证明了特大断面硐室采用“锚杆 + 锚索 + 注浆”联合支护方案是合理可靠的，煤仓硐室围岩的长期稳定能够得到保证。
5、结 论
唐洞煤矿大断面煤仓硐室支护施工表明: 唐洞煤矿煤仓硐室通过增加锚杆密度，加大锚索长度和密度，增加锚杆、锚索预紧力和锚固力来提高支护强度，喷浆封闭围岩防止水和空气侵蚀支护体，注水泥浆改变围岩岩性等支护手段是行之有效的，而且操作较为简便。尽管新方案支护材料费用有所增加，但大大降低了维护费用，保证了正常的生产，取得了显着的经济效益。
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