深部軟巖回采巷道支護方案分析

岳鵬飛

（陽泉市大陽泉煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

龍口礦區內的梁家井田在地下240 m～410 m地層區域內都有煤層存在，此區域煤層通常是泥巖、黏土巖、含油泥巖以及砂巖，巖性大多為炭質頁巖，質地膠結松散，因此此煤田應該是在新生代第三系中形成的。最佳采煤層應該是煤2和煤4層，頂板、底板以及實測煤層從硬度系數來看都不超過1，單向抗壓強度都不超過10 MPa。

1 工程概況

煤2層的厚度為4.21 m，含水率為3.50%，工程穩定性為較穩定。在煤2層的上方為油層和含油泥巖，層厚分別為7.15 m和11.42 m，含水率分別為3.46%和1.83%，單軸抗壓強度分別為44.30 MPa和21.06 MPa，油層的工程穩定性為非常穩定，含油泥巖的自由膨脹率為160.70%，比表面積為364.16 m2/g，含油泥巖的工程穩定性為不穩定；煤2層以下的兩個巖層為黏土巖和砂質泥巖，含水率分別為1.33%和3.43%，單軸抗壓強度分別為7.93 MPa和16.13 MPa，自由膨脹率分別為185.00%和245.00%，蒙脫石含量（質量分數）分別為28.54%和11.44%，比表面積分別為170.93 m2/g和111.78 m2/g，工程穩定性均為不穩定。煤4層的層厚為3.1 m，含水率為3.1%，單軸抗壓強度為7.12 MPa，自由膨脹率為190.00%，蒙脫石含量為20.64%，比表面積263.20 m2/g，工程穩定性為不穩定。煤4層以上的兩個巖層為含炭泥巖和粗砂巖，層厚為5.20 m和4.36 m，單軸抗壓強度分別為13.26 MPa和16.58 MPa，自由膨脹率分別為145.00%和160.00%，蒙脫石含量（質量分數）分別為19.97%和17.15%，比表面積分別為212.43 m2/g和185.63 m2/g，工程穩定性均為不穩定。

2 深部軟巖巷道支護要求

由于處于軟巖地層當中，在進行巷道挖掘的過程中，底板、煤體以及頂板會有破碎松散的情況發生，從而不能形成層，圍巖不具備較高的強度，往往在較短的時間之內就會失去自穩，同時還會產生較為明顯的壓力[1]。圍巖具有流變性的特點，并且含有十分明顯的擾動性、崩解性以及吸水膨脹性。特別是煤4層的回采巷道，由于埋深比較大，這些圍巖的特點和特性更加明顯，在掘巷之后一定要快速進行支護，要求支護具有一定的強度，且對圍巖及時進行封閉，從而順利完成巷道支護工作。

3 分析深部軟巖巷道圍巖穩定性

松軟煤巖層的穩定性非常不好，由于煤2層和煤4層的巷道所在煤層以及頂板、底板所在煤層均處于松軟煤巖層中，所以其圍巖結構的內圈層以及外圈層都不具備良好的穩定性，在進行巷道支護工作中存在較大的困難[2]。在區域內由于煤層節理發育不正常，其透氣性較好、孔隙度較高，在煤層附近的頂板巖層已經達到了5.2～20.0 MPa的單向抗壓強度，其吸水率以及內摩擦角分別為99%和28°左右。因此，在巖層的內部很容易有水進入，巷道極容易發生潮解和風化，如果巷道在空氣中暴露，那么其強度下降會非?？?，一開始圍巖外面由于吸收水分逐漸變軟，然后隨著水分的不斷吸收，逐漸發展成為流變，最后向圍巖深處不斷擴展。在巷道吸水不斷軟化的過程中，其體積會慢慢增加最后往自由面運動，如果封閉不夠及時，這樣的變形會持續下去，對正常的作業造成嚴重不良影響。

3.1 深部軟巖巷道變形過程

由于處于軟巖地層中，所以巷道在受力的時候會產生變形，嚴重情況下甚至會發生破壞，具體過程為：巷道的兩幫逐漸靠近，兩墻角不斷收根，同時兩肩發生崩皮、裂縫、底鼓現象，巷道斷面逐漸收斂，頂板和底板逐漸靠近，最后造成巷道無法滿足使用標準，需要進行返修。

3.2 深部軟巖巷道變形原因分析

軟巖巷道的底鼓現象是在多種物理因素的共同作用下產生的，是一個非常復雜的力學和物理學變化過程，主要和軟巖的圍巖應力狀態、力學以及物理學的特性有很大關系，巷道底鼓現象的產生與軟巖的彎曲、膨脹、流變以及擴容都有一定的關聯。

4 巷道支護形式的分析

此次選取的梁家煤礦由于是位于煤2層和煤4層中，因此針對巷道的支護形式采用的是復合支護。復合支護指的是采取兩次支護，采用錨網噴為一次支護，采用料石碹或者混凝土灌注為二次支護[3]。在回采巷道支護中一般采用的是錨網噴聯合錨梁的支護形式和錨網噴的支護形式：選取的錨桿為圓鋼錨桿，規格為Φ14mm×1900mm，選取規格為Φ35mm×250 mm的水泥藥卷，對端頭進行端頭錨固，保持錨桿間排距在600～800 mm之間；采用規格為Φ4 mm的冷拔鋼筋網作為金屬網；初次噴厚70 mm，后期噴厚在100～120 mm之間；錨梁采用的是U25型鋼加工，錨梁的長度在2.0～3.2 m之間，間距和矢高分別為1 000 mm和400 mm左右，巷道的施工方法主要有兩種，一種為綜掘機掘進法，一種為爆破掘進法，在當前的回采巷道中通常采用綜掘機掘進法。

在煤2層采用上面介紹的支護方式一般都較為成功，但是在煤4層卻不一定適用，這是因為煤4層所具備的結構更加復雜，所在的煤層水平更深。所以，直接套用煤2層的回采面順槽支護方式應用在煤4層的回采面順槽中是不可取的。

5 煤4層的回采巷道支護方案分析

5.1 支護方案的選擇

由于煤4層的巷道圍巖特點的不同，在進行支護形式的選擇時要注意以下兩個要點：第一，確保支護工作能夠及時進行，避免支護不及時導致支護工作無法順利開展或者沒有支護效果，對圍巖要及時禁錮，避免圍巖發生較大的形變，提高圍巖自身的承載能力，確保巷道支護工作的順利開展，保證支護工作的施工安全[4]。第二，確保支護體能夠對抗原巖應力，因此要求支護體具備較高的強度，能夠滿足對抗原巖應力的要求，確保支護工作滿足支護要求。

5.2 支護形式的選擇

結合龍口礦區區域下組煤的巷道支護實際情況，對煤4層回采巷道支護工作的相關要求進行分析，煤4層的上下順槽巷道的施工底板送巷，通常都是選擇4層到6層底板上方的0.5 m處。但是由于和下組煤回采巷道是第一次接觸，因此采用的支護方式為：上組煤采用直墻半圓拱或者直墻三心拱斷面，支護形式采用的是錨網噴與錨梁聯合支護的形式。選擇了兩種支護參數，分別如下：第一，采用規格為Φ14 mm×1 900 mm的圓鋼錨桿，在全斷面都有布置，采用的水泥藥卷規格為Φ35 mm×250 mm，間排距為650 mm×650 mm，端頭錨固，采用的冷拔鋼筋網的規格為Φ4 mm；第一次噴厚為70 mm，最終噴厚為120 mm；支護采用的錨梁長為3 m，錨梁之間的間距為1 000 mm，錨梁固定錨桿采用的錨桿規格為Φ18mm×2250mm，采用的樹脂藥卷規格為Φ35mm×400 mm，端頭錨固[5]。第二，頂板采用的錨桿規格為Φ18 mm×2 250 mm，樹脂藥卷的規格為Φ35 mm×400 mm，端頭錨固，錨桿的間排距為650 mm×900 mm，將其與錨梁錨桿之間呈交錯狀，每個錨梁之間的間距為900 mm，采用的鋼筋焊接網規格為Φ6 mm；兩幫采用的錨桿規格為Φ14 mm×1 900 mm，使用的水泥藥卷規格為Φ35 mm×250 mm，端頭錨固，每個錨桿之間的間排距為650 mm×650 mm，采用的冷拔鋼筋網的規格為Φ4 mm。另外，針對涌水影響以及斷層影響的地段，還需要采取料石反底拱支護措施，這樣能夠使支護方式形成全斷面封閉式的形式，提升支護效果。

5.3 煤4層回采巷道支護方案的實際應用

在煤4層的三個回采工作面順槽巷道中應用了上述的煤4層回采巷道支護方案，取得了較好的支護效果，直至將采煤專業回采交付之前，都沒有大規模返修情況的出現。

6 結論

1）如果軟巖巷道的圍巖沒有被支護，那么在頂板、兩幫以及頂角處都會發生圍巖變形，并且在兩幫和圍巖頂板處還存在有較大的塑性區。因此針對軟巖巷道圍巖，主要是要將拱頂、兩幫、拱頂兩角等關鍵部位進行控制。

2）在軟巖巷道的支護工作中，采用錨噴網支護技術主要是能夠將巷道頂板、兩幫以及頂角處的位移量進行控制，不但使巷道塑性區的延伸厚度得到極大減少，并且使巷道圍巖的穩定性得到有效保證，從而使礦井的生產得到安全保障。

3）在深層軟巖巷道支護方案的選擇以及參數的設計過程中，可以通過工程經驗法、理論分析法以及工程類比法來對方案的選擇和參數設計提供依據，另外為了使支護參數更加科學、支護方案更加合理可以采用數值模擬技術，除此以外，此技術還能夠進一步補充驗證巷道加固的效果，使錨桿支護設計的科學性、有效性、合理性得到保證。

4）對煤4層巷道支護形式進行了改革，不但降低了巷道的返修率，同時節約了巷道的支護成本。據統計，采用此支護方案減少896 m左右的返修工程量，而巷道的成本大概在1 330元/m，因此此支護方案大約為礦井節約了119.17萬元的資金，此次項目中采用的支護形式非常的合理，不但在掘進單進方面具有非常大的提高，并且收獲的經濟效益和社會效益也非常好。