大斷面巷道軟巖破碎頂板支護技術研究

馬杰

摘 要：軟巖巷道支護費用高且變形問題嚴重，而大斷面軟巖碎石頂板巷道一直都是煤炭開采工程的難點，其具有跨度大、自然冒落拱高、破碎圈范圍大和破碎層接觸面積多等特點。基于此，研究大斷面巷道破碎頂板支護技術具有重要的實用價值及意義。本文基于國內外研究現狀，闡述了軟巖巷道圍巖變形控制技術原理，并以某順槽巷道施工為研究對象，采用合理、有效的支護技術對大斷面軟巖破碎頂板進行了分析與探討。

關鍵詞：大斷面巷道;軟巖煤層;支護技術

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0076-03

Study on Support Technology of Soft Rock Broken Roof

in Large Section Roadway

MA Jie

（No. 4 Mine of Pingdingshan Tianan Coal Mining Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： Soft rock roadway has high support cost and serious deformation problem， and the large cross-section soft rock macadam roof roadway has been the difficulty of coal mining engineering， which has the characteristics of large span， high natural caving arch， large broken circle range and more contact area of broken layer. Based on this， it has important practical value and significance to study the support technology of broken roof in large cross-section roadway. Based on the research status at home and abroad， this paper expounded the principle of surrounding rock deformation control technology of soft rock roadway， and took the construction of a roadway along the roadway as the research object， used reasonable and effective support technology to analyze and discuss the broken roof of large section soft rock.

Keywords： large section roadway;soft rock coal seam;support technology

在巷道支護中，高應力煤層巷道一直都是重大難題。若采用切槽、錨索加強支護等常規支護方法，施工效果不甚理想，人們不能有效控制巷道變形現象，無法永久解決這一問題。某礦區段順槽頂板為軟巖，破碎程度較為嚴重，屬于大斷面巷道。一直以來，巷道支護都是一大難題，如何做好大斷面巷道軟巖破碎頂板支護工作是煤礦安全開采的核心[1]。基于此，本研究對控制大斷面巷道軟巖破碎頂板圍巖變形問題具有一定的理論意義與實用價值。

1 軟巖巷道國內外研究現狀

軟巖是一種低強度、空隙率較大的巖體，國際巖石力學學會將其定義為單軸抗壓強度在0.5～25MPa的一類巖石。長期實踐研究發現，軟巖具有可塑性、脹縮性、流變性和崩解性等特點。針對此類巖石，20世紀50年代，Norrish就發表了軟巖中蒙脫石膨脹的相關研究，國外研究人員提出了古典壓力理論、坍落拱理論、新奧法理論和應變控制理論等。其中，日本的山地宏、櫻井春輔提出了應變控制理論，認為隨著支護結構的增加，圍巖的應變不斷減小，而圍巖的允許應變逐漸增大。因此，增加支護結構，極易在允許應變范圍內控制圍巖應變。

國內研究已形成了巖性轉化理論、軸變論理論和聯合支護理論等。其中，聯合支護理論是在新奧法的基礎上發展而來，主要由我國著名學者陸家梁、馮豫、朱效嘉等人提出，認為只加強支護剛度的軟巖支護成效偏低，應合理應用新奧法理論，并與軟巖實際結合，通過“先柔后剛、先讓后抗、柔讓適度”的聯合支護法實現支護穩定。

近年來，針對軟巖研究，國內外學者從巖石物理力學性能研究逐步向工程地質特性研究轉變，將軟巖研究與工程現場實際相結合，致力于煤礦軟巖工程問題的理論研究和工程實踐，取得了突出成績，以求通過研究成果解決工程難題。例如，中國科學院院士何滿潮按照巖體構成成分、物理化學性質、應力環境的不同，合理劃分軟巖巷道變形產生的力學原因，將其分為3類13種，認為軟巖并非具有單一變形力學機制是軟巖巷道支護困難的主要原因，要保證軟巖巷道變形力學機制類型正確，通過復合型和單一型轉化技術的靈活運用，合理支護巷道。

2 軟巖巷道圍巖變形控制技術原理

軟巖巷道具有遇水膨脹、崩解的特性，封閉圍巖及堵塞圍巖內的礦井水通道是軟巖巷道支護的重要工序[2，3]。目前，一般可采用加固法、卸壓法和聯合法保證軟巖巷道圍巖的穩定性。加固法分為主動支護和被動支護兩類，前者為錨、噴、網聯合支護、注漿和錨注等，后者為金屬架棚支護，其主要目的是加固圍巖，控制巷道變形;卸壓法主要利用切縫等方式使原來連續巖體處于不連續狀態，使巷道處于應力降低區，以此降低巷道圍巖的變形量;聯合法通過對加固法和卸壓法的綜合利用，使軟巖巷道穩定性大幅提高。

3 工程概況

某礦為國有重點煤礦，為高瓦斯礦井。4.5m為煤層平均厚度，地質勘查資料顯示，本順槽巷道存在平均1.2m厚的偽頂，其主要為泥砂巖，且頂部破碎問題突出。觀察發現，頂板以上2.8m范圍內多為混合巖層（粉砂巖夾炭質泥），部分區域存在離層情況。頂板以上10m范圍內主要為粉砂巖。施工過程中出現過斷層現象，無法預留巷道過斷層偽頂，垮落面積較大，甚至出現下沉，大大增加了巷道支護施工難度。為避免支護失效，提高巷道掘進效率，增加施工安全，人們必須進行深入分析。

4 大斷面巷道軟巖破碎頂板支護設計形式分析

結合案例實際情況，為確保施工巷道支護效果，人們應先了解前期支護設計形式，在此基礎上找出可能產生的問題，并按照實際情況，提出合理、有效的支護措施。

4.1 支護設計形式

該巷道軟巖破碎頂板支護采用錨網聯合支護法作為巷道前期頂板支護;采用塑料網+樹脂錨桿作為煤壁側煤柱支護;采用金屬網+麻花錨桿作為采空區側煤柱支護。頂板錨桿采用螺紋鋼錨桿，長度為2m，錨桿間距為1.1m，排距為1.0m，錨桿配套長度為4.8m，每排施工錨桿共5根。頂板錨索采用預應力鋼絞線，長度為4.3m，直徑為17.8mm;頂板每排施工單錨索2根，間距為2.5m，排距為3.0m，配合0.3m×0.3m鋼托板進行支護。將MSK23/35快速及MSZ23/60中速型樹脂藥用于頂板錨桿、錨索，并將一支快速和一支中速型樹脂藥與每根錨桿配套使用，錨索則配套2根2支。

4.2 支護問題分析

一是因本巷道頂板存有偽頂且厚度不一，施工環節出現了破碎面積較大的情況。若巷道頂板采用錨桿網支護，僅能在橫向上達到良好支護效果，但縱向方面的支護效果不甚理想，無法達到相互聯鎖的支護作用。若產生漏頂現象，極易出現多排支護失效的問題，此外，與漏頂范圍相近的支護同樣也無法發揮其效用。

二是在上述支護設計形式中，采用4.3m長頂板錨索，錨固端位于基本頂和直接頂中間，若離層、下沉等現象產生于直接頂處，將引發錨固失效。此外，錨索直徑為17.8mm，若錨固失效，錨索抗拉強度很難滿足施工要求。

三是施工過程中存在斷層情況，且已出現巷道頂板局部漏頂，據了解，1.0～1.3m為漏頂深度范圍，此時若仍舊采用錨桿、錨索支護，施工難度較大，無法穩定頂板。

四是結合具體施工現狀，若采用樹脂藥用于頂板錨桿、錨索，所需時間較長，加之錨索錨固長度與現場施工要求不符，很難達到支護需求。

5 大斷面巷道軟巖破碎頂板支護技術要點

5.1 頂板支護技術要點

首先，針對上述問題，本文提出了采用聯合支護法進行大斷面巷道軟巖破碎頂板支護，即“錨桿+錨索+圓鋼托架+金屬網+工字鋼梁”。根據現場施工情況，鋼帶采用“JW”型鋼帶，尺寸為4.80m×0.25m，并配套穿插錨桿，共6根。按原設計形式，不改變錨桿規格，仍采用2m長，但其排距、間距分別設為0.8m、0.9m，圓鋼托架直徑為20mm，并將直徑23mm的圓孔分別焊于托架兩端。

其次，完成頂板錨桿施工后，需及時將圓鋼托架設于指定位置：將一根圓鋼托架設于第一排鋼帶首尾2根錨桿和第三排鋼帶首尾2根錨桿之間，且做好預緊處理;將一根圓鋼托架設于第一排鋼帶第2根錨桿和第三排鋼帶第5根錨桿之間;將一個圓鋼托架設于第三排鋼帶第5根錨桿和第六排鋼帶第2根錨桿之間，在此基礎上，按照“邁步式”法逐步將圓鋼托架設于鋼帶之間。

再次，為達到良好的支護效果，保證錨索錨固長度滿足支護需求，需增加錨索長度，由原來的4.3m增加至6.5m，直徑由17.8mm改為21.6mm，每排施工錨索3根，間距、排距也更改為2.0m、1.6m。同時，將一根工字鋼鋼梁安裝到相鄰的兩個縱向錨索之間，起到連接作用。一般可按“交錯式”布設鋼梁，具體如圖1所示。

最后，按照原支護設計形式，需將MSK23/35快速及MSZ23/60中速型樹脂藥用于頂板錨桿、錨索，但此類樹脂藥在錨固穩定過程中所需時間較長，為保證支護錨固效果，決定采用MSKC23/60、MSK23/80型樹脂藥用于頂板錨桿、錨索錨固施工。也就是說，將一支MSKC23/60、一支MSK23/80型樹脂藥與每根錨桿配套使用，相比每根錨桿，每根錨索則多配套一支MSKC23/60。

5.2 過斷層支護技術要點

5.2.1 撞楔超前支護。為保證順利通過過斷層破碎范圍，決定完成上述支護措施之后，在與斷層帶相距5m的位置采用聯合支護法進行處理，即“撞楔超前支護+注漿支護+棚式支護”。將撞楔超前支護設于施工巷道頂板處，直徑30mm的鋼針為撞楔超前支護的主要材料，長度為3m，每組共10根，撞楔超前支護應與工作面垂直。

5.2.2 注漿支護。完成上述施工后，在與頂板相距1.2m的水平面鉆孔，共3個，孔間距為1.5m，深5m，鉆孔和工作面之間的角度設為10°。將一定量的馬麗散混合液通過高壓泵注入鉆孔內，待漿液從煤巖體滲入時，停止注漿并進行封孔處理。待完成注漿5h后，便可進行掘進施工。

5.2.3 棚式支護。掘進施工時，可將工字鋼棚設于施工巷道內（鋼棚間距1.0m），并通過套桿連接鋼棚。在安設鋼棚前，為確保其穩定性，必須在堅硬頂板內穩固棚腿，并做施工地錨。隨后，將10架鋼棚設于過斷層帶，同時將水泥背板填充到相鄰兩架鋼棚之間，若施工效果不理想，應及時進行膨脹劑灌注，最大限度提升施工質量。

6 結語

伴隨開采時間的不斷延長，淺部易開采煤炭資源日益減少，人們開始轉向開采深部煤炭資源，煤炭軟巖問題是當前煤礦建設、生產亟待解決的難題之一。為此，應根據巷道頂板實際情況，合理選擇支護方案，保證滿足支護需求，提高施工質量。

參考文獻：

[1]陳祥峰.軟巖破碎巷道大剛度二次支護穩定原理解析[J].化工管理，2018，（23）：5.

[2]高磊.JW型錨索吊棚在厚煤層破碎頂板中應用[J].江西煤炭科技，2019（1）：41.

[3]白寶慧.大斷面巷道合理支護參數的選取研究[J].山東煤炭科技，2018（5）：12.