淺析煤礦破碎軟巖巷道控制技術

李輝

摘 要：煤礦的礦坑、礦井周圍的巖層容易被破壞，軟巖巷道的安全支護顯得尤為重要。如果采挖的深度繼續加大，在應力的作用下，地下開采容易產生更多的軟巖巷道安全問題。我國煤炭資源豐富，地下巖層結構復雜多樣，軟巖巷道安全問題一直是威脅煤礦安全開采的因素。研究軟巖巷道的支護技術和控制技術，可以為煤礦業的巷道安全提供方案，完善巷道安全理論，對煤礦施工和生產具有巨大的安全意義。

關鍵詞：煤礦；軟巖巷道；控制技術

前言

煤礦的安全建設與安全開采問題，一直是巷道挖掘工程的難題。文章將針對軟巖巷道的控制方式進行闡述，對比各自的特點，努力尋求一種或幾種有效的破碎軟巖巷道的控制技術。

1 軟巖概念簡述

由于研究方向不同，對軟巖主要從三個方面進行定義，第一種是從軟巖層的物理結構—松、軟、散—進行分析。一般認為，軟巖形成時間短，膠結性差，巖體無法形成結構一致的整體。第二種是國際通用定義，是軟巖的數字定義：單軸抗壓強度范圍是0.5-25Mpa。第三種是我國學者提出的工程定義，以“松動圈”為關鍵詞，軟巖是其厚度在1.5M以上的圍巖。

2 破碎軟巖巷道支護原理及控制機制

2.1 國外軟巖支護理論簡述

在最初的巷道研究，國外大部分學者認為，巷道上覆巖層的重量即為作用在支護結構的壓力力量（F=γ·H），但是由于受當時技術的限制，深部地下工程較少，這個理論多為總結淺部地下工程，所以一直被認為是正確的。但是隨著深挖技術的發展，F=γ·H理論與最新的工程實踐存在矛盾，舊理論一度忽略了新的安全問題，所以相關學者不得不重新思考，找出解決深部巷道的支護問題，坍落拱理論應運而生，該理論認為，破碎軟巖巷道的工程跨度與四周圍巖性質決定了坍落拱的高度與范圍。而國外較先進的理論是數值計算理論，該理論與計算機模擬軟件的開發與應用有密切聯系，利用模擬軟件的離散元法、有限單元法等，為此理論提供技術支持。技術人員創造了連續介質力學方法和非連續介質力學方法。連續介質力學方法可以模擬巖體，需要將其等效成為一種連續固體介質，遵循固體力學的方法分析其在工程荷載下的力學特性與破壞過程。非連續介質力學方法的理論較為復雜，涉及不連續變形分析、塊體理論等。石根華與Goodman為不連續變形分析方法建立了一整套塊體系統運動學理論，完整的描述了非連續面巖體的運動和變形規律。

2.2 國內軟巖支護理論簡述

1950年代，我國學者提出軸變論：軸比變化對圍巖變形和破壞的作用理論，該理論主要研究靜力與連續介質，在當時屬于較為先進的一種理論，認為巷道圍巖破壞的根本原因是地應力。而具有我國傳統文化的理論是聯合支護理論，該理論較為靈活的采取先柔后剛的方法，認為單純強調剛性支護不可取，可以先支撐再讓壓，不能一味與地質應力抗衡，否則一損俱損，沒有緩和余地。此理論體現了我國的中庸文化。當代較為先進的支護理論是關鍵部位耦合支護。該理論認為，如果巷道支護強度與周圍巖體的應力總和不耦合，容易造成巷道破壞。該理論要求支護需要靈活，采用面和關鍵點雙重支護的方法。

對于支護理論，我國學者還提出多種觀點，大都針對巷道圍巖的形變提出的，具有各自的特點，形成了各自的理論系統。

3 軟巖支護的不足之處

3.1 錨桿的不足之處

在研究錨桿支護方式時，其主要參數是預應力，如果預應力越低，錨桿的主動性變差，強度變弱，直接導致圍巖強度大幅度降低，巷道就會出現嚴重的塑性形變，存在重大的安全問題。錨桿的預應力是判斷錨桿支護能力的標準，所以在設計與安裝之前，必須嚴格采集各項數據，精確計算，讓錨桿發揮應有的價值。

3.2 設計與施工存在漏洞

我國工程普遍存在“差不多”現象，同樣出現在軟巖的施工過程，如爆破范圍控制不足，導致爆破范圍超出了設計要求，產生蝴蝶效應：巷道的尺寸過大，與巷道的設計初衷不符，要修改設計，還要修改支護結構；爆破不足同樣不能達到預期。不管是爆破不足或者爆破超限，勉強施工建設，都會造成巷道的結構容易破碎和坍塌。在工程驗收過程，由于種種利益關系，驗收人員也抱有“差不多”心態，睜一只眼閉一只眼，對標準流程視而不見，留下安全隱患。

3.3 支護設施強度不夠

地應力是軟巖巷道的主要施加外力。在做支護之前，需要對地應力進行準確評估，但是由于相關技術的局限和地形復雜性，時常造成地應力估計不足，導致巷道內部的支護設計強度不足，發生形變。在實踐中，地應力尤為強大，即使使用了較為先進的聯合支護，也無法徹底解決巷道的變形問題。更為嚴重的是，大多巷道工程還沒竣工，早期的工程已經出現形變，甚至完全不能使用了。

4 解決破碎軟巖巷道的措施

4.1 科學選擇巷道的橫截面

地下巖層結構復雜，一條巷道承擔的壓力，不僅僅來源于頂層上的壓力，在某些巖層結構中，側面壓力也許會高于頂壓幾倍、十幾倍甚至幾十倍。所以需要合理選擇巷道橫截面，易于維持巷道的穩定性。可以根據地應力的大小和方向來判斷巷道斷面，如果地應力小，則可以選用傳統的拱形支護，如果地應力較大，可以選用圓型巷道截面。另外還要單獨測試不同方向的地應力；如果頂部壓力最大，在選用拱形或者圓形斷面的同時考慮選用立式橢圓；如果水平壓力最大，可以選用高跨比小于1的臥式橢圓形支護手段，實事求是的選擇不同方式。巷道支護工作實施的時候，可以根據軟巖的形變規律，有目的的加高、拓寬巷道的初形尺寸，避免后期的巷道圍巖形變。

4.2 加強支護強度

選擇好合適的巷道橫截面，要進一步考慮所選支護的特性，支護強度是直接解決軟巖形變的方法，其特性包含強度、彈性、伸縮性等，提高支護設施的主動支護功能，可以卸壓或者讓壓，盡快穩定開挖后的巷道應力。穩定后立即涂抹、噴射混凝土，密封巖層表面，達到防止吸潮、風化脫落的目的。然后再架設具有足夠支撐力同時具有柔性的支護。達到初步穩定后，需要利用電子儀器實時監測支護變形，根據數據判斷一次支護能否應對巷道形變，如果發生較大的形變，要及時加強措施，可以加密支護設備。在巷道開挖后，即使沒有發生較大的形變，也要采取二次保護措施，同一次支護要求相似，需要支護設備具有讓壓、伸縮的特性，用以緩沖應力，達到平衡軟巖增長的壓力，到達足以避免突發形變的可能。如果隨著巷道的加長，巷道的形變坍塌風險逐漸加大，所以單一的支護方案是不夠的，建議每個3個月，要增加一次支護，用以吸收逐漸增大的應力。

4.3 改變開鑿截面的形狀

在充分測量的基礎上，分析軟巖巷道頂面和兩個側面的應力分布，采用拋物線形的端頭，可以有效避免新挖掘的巷道的發生形變甚至斷裂，同時盡早用水泥封住軟巖斷口，避免應力過大造成斷口繼續斷裂脫落，而且通過填補層理和節理發育的軟巖縫隙，在一定程度上可以提高巷道圍巖的強度，改變松散的特性。

5 結束語

綜上所述，地下軟巖結構的復雜性，遠遠超出人們的可預見能力，包含煤礦的開采在內，任何地下工程都要面對復雜多樣的地質環境，需要技術人員、施工人員本著以人為本的心態，科學嚴謹的測量地下軟巖結構，盡心應對軟巖巷道的形變。在特定的軟巖巷道建設中，要全方位采集數據，分析軟巖巷道的各類不穩定因素，做到實事求是的測量，實事求是的施工，利用先進的理論和先進的技術，對煤礦的安全生產作出努力。

參考文獻

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