破碎軟巖回采巷道支護技術與設計原理

李軍軍

（晉煤集團晉圣鳳紅煤業(yè)公司,山西 晉城 048002）

破碎軟巖回采巷道支護技術與設計原理

李軍軍

（晉煤集團晉圣鳳紅煤業(yè)公司,山西 晉城 048002）

本文針對破碎軟巖回采巷道支護問題進行研究，從理論上分析支護技術機理以及支護技術的設計原則。對軟巖回采巷道變形的影響因素進行分析，實施支護過程中要結合礦區(qū)的地質構造和巖層分布情況決定具體選用何種支護方式。支護的出發(fā)點是充分發(fā)揮圍巖巷道的自承能力，采用多種支護技術的結合能夠增強支護效果，提高圍巖巷道的承載能力和抗壓能力，增強圍巖的完整性。

軟巖；回采巷道；支護；設計

早在20世紀50年代，軟巖問題就已經被提出。目前我國有30多個煤礦出現(xiàn)軟巖問題，軟巖巷道的圍巖控制已經成為影響煤礦生產的關鍵。事實上我國對軟巖問題非常重視，1958年便開始對軟巖巷道支護系統(tǒng)進行研究。并在“六五”、“七五”、“八五”期間陸續(xù)成為國家重點攻關項目[1]。幾十年來，在工程技術人員不斷創(chuàng)新、認真總結過程中形成了較為成熟的軟巖支護技術體系。但是隨著煤炭在不斷開采過程中，開采條件和開采難度不斷增加，部分礦區(qū)出現(xiàn)巷道圍巖變形、高應力環(huán)境以及持續(xù)流變的軟巖特性。這些問題的存在直接影響著煤炭開采工作的安全實施。因此，針對各個礦區(qū)的地質條件、圍巖應力等具體情況選擇合理的支護方式。探索正確的軟巖變形機理和圍巖控制理論，對礦區(qū)的高效高產具有重要的理論意義。

1 軟巖回采巷道變形因素和破壞形式

軟巖巷道發(fā)生變形后穩(wěn)定性較差且難以控制，其影響因素是多方面的。涉及到到力學性質、環(huán)境因素、工程質量、應力作用等多方面。第一，軟巖回采巷道兩幫由煤組成，相比巷道頂部和底部巖層煤層的強度較低。巷道頂部和底部巖層多為砂質泥巖、泥巖或其他復合型巖層構成。其中最主要的礦物從成分是粘土，因此巖層多呈弱面發(fā)育，力學強度較低。第二，巷道開掘后，巷道環(huán)境發(fā)生變化，巖層中的裂隙水和靜水壓對軟巖層有侵蝕作用。軟巖產生物理化學反應后膨脹、濕化，圍巖的承載能力自然受到影響。軟巖巷道變形后周圍環(huán)境的不斷變化影響穩(wěn)定性[2]。第三，施工過程中支護設計的不合理，施工管理不健全，用水管理較差等因素也會影響巷道不穩(wěn)。保證施工質量加強工程管理能夠減少巷道失穩(wěn)發(fā)生的幾率。第四，巷道開挖使圍巖的外力環(huán)境發(fā)生變化，圍巖從三個方向受力變?yōu)閮蓚€方向受力，圍巖的平衡狀態(tài)被打破。軟巖回采巷道中，破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)處于流變狀態(tài)。在地應力的作用下，加大巷道支護的難度，發(fā)生圍巖變形。地應力的作用也是影響巷道變形的基本因素，在各因素中起決定性作用。軟巖回采巷道發(fā)生變形的影響因素多種多樣，各因素是相互交叉、共同影響發(fā)生作用的。

破碎軟巖具有力學穩(wěn)定性，但由于應力發(fā)生變化穩(wěn)定性被破壞、抗拉強度變低等原因造成巷道變形。在圍巖受力條件發(fā)生變化后，在垂直應力作用下巷幫煤體發(fā)生變化遭到破壞，支撐力下降，抗壓強度降低。破壞形式主要是頂板巖石下沉出現(xiàn)裂縫和碎塊。

2 破碎軟巖支護技術

破碎圍巖承受力下降，要選用合理的支護方式，否則會造成巷道的嚴重變形。為保證礦井的正常運行，對圍巖加固保持其整體性，起到穩(wěn)定支護的作用。破碎軟巖支護技術與硬巖不同，軟巖巷道支護要讓軟巖進入塑性狀態(tài)，通過塑性能的發(fā)揮增強圍巖自身的承載能力。支護設計原理有：錨桿支護、注漿作用支護、鋼筋網支護等。

錨桿支護法。主要通過錨桿與錨索共同加固圍巖的作用，提高圍巖支護體的承載力。錨桿—錨索支護技術的設計原理是保證圍巖達到穩(wěn)定時的變形量小于錨索的延伸量。通過選擇錨桿支護形式和參數(shù)保持巷道圍巖的穩(wěn)定[3]。如果是復合頂板和淋水大的巷道，為保證支護效果，要采用錨桿—錨索復合加固。其他形式可以單獨使用錨桿支護技術。具體使用過程中，一般在巷道開挖初期，圍巖破碎情況較少。這時可以采用錨桿技術進行支護。隨著開采量和強度的增加，圍巖變形增大軟巖，可以對破碎軟巖使用錨桿—錨索聯(lián)合支護，錨桿與錨索相互取長補短達到二次支護的作用，控制圍巖變形。在具體實施過程中還需要注意采用合理的支護方法和設計。錨桿錨索的支護參數(shù)按照力學特性進行設計，將二者結合設計，而不是單獨設計參數(shù)。使用此項支護技術的關鍵在于錨桿、錨索支護參數(shù)的設定要密切結合巷道圍巖條件。

注漿作用支護法。通過注漿支護法保證頂板和兩幫的穩(wěn)定，增強支護的穩(wěn)定性和整體性。注漿轉移頂頂上的壓力到兩幫，使其加固。同時也能減少底板的承載負荷、巖石應力。從而保證底板、兩幫和頂板穩(wěn)定。注漿支護法的作用有：一是注漿能夠膠結破碎巖石，將破碎巖石變?yōu)橐粋€新的整體性結構，增強巖體受力能力。此方法是通過改變圍巖自身的承載力來支護整體。二是注漿支護與錨桿支護結合，注漿后擴散到錨桿里，形成整體共同承擔壓力。加大了整個支護結構的承載力和支護范圍[4]。三是漿液還可以填充圍巖縫隙，加固圍巖，再與錨噴形成合力組成多層組合拱，增強完整性。四是注漿能夠將錨桿變?yōu)槿L加固錨桿。錨桿的可靠性能增強。五是組合拱的形成增強了底板的厚度，減少底板巖石承受的壓力，提高支護結構的適應性和承載能力。

錨網支護技術。錨網支護技術與以往支護技術的不同在于，錨網支護是主動地控制圍巖變形，提高圍巖的完整性和抗壓能力，通過加固松動圈適應軟巖變形特征，充分發(fā)揮軟巖自身的承壓能力。對裂縫數(shù)量和寬度進行限制，使噴層更有柔性，均勻分布應力，防止局部受損。此外還能起到提高組合拱質量和支撐能力的作用。

3 軟巖回采巷道支護設計

針對趙莊煤礦破碎軟巖回采巷道的實際情況，對軟巖回采巷道的支護工作改變單一的頂板加固方法，還要注重巷道兩幫和底角部分的承壓能力。在設計支護方案時要將控制與適應相結合，不再是單純的被動的適應圍巖變形，而是采取主動與被動相結合的方式，設計新型聯(lián)合的支護結構提高軟巖回采巷道的承載能力。保護支護結構的完整性避免支護失效。注漿與其他支護技術的結合，對軟巖回采巷道底部裂隙和兩幫進行封閉，防止圍巖被水侵蝕和風化，保持巷道圍巖的穩(wěn)定[5]。

設計軟巖巷道支護方案時要遵循以下原則：第一，要分析礦區(qū)軟巖巷道的特點，支護時充分利用軟巖自身的承載能力，支護目標是保持巷道受力均勻、減少變形。優(yōu)先選擇錨桿支護、注漿支護等主動加固支護技術，強化圍巖支撐結構。第二，要做好充足前期準備工作，仔細分析當?shù)氐V區(qū)軟巖性質、力學特性和參數(shù)等。支架形式要可伸可縮，保證支撐力的同時也可以縮讓。第三，遵循及時性和適當性的原則。支護行為要及時，一旦發(fā)現(xiàn)有圍巖變形趨勢馬上采取支護措施，抑制圍巖變形。加固與支護相結合，針對變形程度進行讓壓和加固。加固與支護結合、讓壓與卸壓共用。第四，改變單一的支護方式，采取多種支護共用，不同支護技術相結合的方式。充分發(fā)揮各支護技術的優(yōu)勢特長，把握時機優(yōu)化選擇。第五，如果需要二次加護，則要合理確定支護計劃，注意兩次支護間隔時間要合理。第六，工程支護方案的確定要實事求是，結合地區(qū)地質構造、巖層特點、位置等因素。支護過程中及時調整，優(yōu)化支護參數(shù)。保證工程質量的前提下，盡可能的降低成本，提高經濟效益。

[1]孫玉寧,周鴻超,周建榮等.半煤巖軟底巷道底鼓控制技術[J].采礦與安全工程學報,2007,24（03）：340-344.

[2]何亞男,賀永年,吳振業(yè)等.控制軟巖回采巷道變形與底臌的一種新型聯(lián)合支護.見:第二屆國際采礦科學技術討論會論文集[A].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1991：939-946.

[3] 陳炎光,陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1994.

[4] 李沖,李德忠.軟巖回采巷道底鼓的機理和防治[J].煤礦安全，2006(06).

[5]盧學鋒,張紅軍,錢自衛(wèi).松軟煤幫巷道支護方案的比較分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2011,38（03）:45-47,51.

李軍軍（1976-），男，山西澤州人，研究方向：礦山開采。