軟巖巷道支護方案實施及變形監測

柳長榮

（山西柳林煤礦有限公司， 山西 呂梁 033300）

0 引言

煤礦巷道支護是對工作面圍巖控制的主要手段，支護方案和實施效果是保證綜采工作面生產安全性和生產效率的關鍵。巷道圍巖從硬度層面可以分為軟巖和硬巖兩種；與硬巖相比，軟巖具有可塑性、膨脹性、分散性等特點，其支護難度較大，也是煤礦建設和生產的難題[1]。目前，針對軟巖研究主要針對膨脹性軟巖、高應力軟巖和節理形軟巖等集中類型，而對淺埋低強度軟巖的研究較少。本文將結合實踐生產對淺埋低強度軟巖巷道支護方案展開研究，并對支護后的變形進行監測。

1 工程概況

所研究礦井的地質結構相對平緩，平均傾角小于5°，煤層主要集中在地下54～115.25 m 的區域。經探測，該礦井的涌水量最大可達5.618 L/s，滲透系數為90.27 m/d。巖層主要成分為中粗砂巖，最大地應力為3 MPa，巖層屬于淺埋低應力軟巖；礦井巖層大部分為巨厚巖層，與工作面井筒的走向相互交叉，在工作面實際開采中會對其造成不利的影響；巖層的空隙率極大，最大孔隙率為28%；整體上講，巖層相對松散且具有較強的吸濕性。軟巖層中的含水量較大，平均含水率為9.992%。

2 軟巖巷道支護原則及方案實施

2.1 軟巖巷道支護原則

1）對軟巖巷道進行超前支護。鑒于礦井軟巖巷道的圍巖強度較低，巷道開挖后自穩時間較短，極易發生塌方。因此，為了保證開挖的安全性，需要提前采用管棚對其進行超前支護。

2）鑒于礦井軟巖中巖層對應的自穩時間較短，因此對巷道進行分別開挖，并且根據巷道的支護間距確定開挖步距，采用開挖一段支護一段的方案實施。

3）由于軟巖的巖層相對較軟，在開挖后遇到水和風后需要對其進行及時支護，及時支護通過在巖層表面噴射混凝土，避免圍巖的強度損失[2]。

4）為了避免軟巖巷道在開挖后松動圈進一步被擴展，因此在工作面開挖后需要對巷道及時采用剛性支護，保證開挖后圍巖塑性區域的穩定性，避免圍巖整體被破壞。

2.2 軟巖巷道支護方案設計

2.2.1 超前管棚的設計

管棚主要用于對巷道的超前支護。本工程確定所采用管棚的具體規格參數如下：管棚的直徑為45 mm、長度為2 500 mm，管棚之間的間距為300 mm。其中，要求在管棚重疊位置的長度為1 000 mm。在管棚超前支護的基礎上為工作人員提供安全的工作環境[3]。

2.2.2 噴射混凝土方案設計

在圍巖表面噴射混凝土主要作用是避免圍巖在風化和水化作用下強度損失嚴重。本工程所噴射混凝土由水泥、砂子、石子和速凝劑組成。其中水泥采用425 號普通硅酸鹽水泥，水泥、砂子和石子的質量比為1∶2∶2；混凝劑質量為水泥質量的3%。以1 m3的混凝土為例，組成材料及數量如表1 所示。

表1 混凝土各組分及數量

在圍巖表面噴射混凝土外，在其表面安裝金屬網。本工程所采用金屬網的直徑為6.5 mm，每片金屬網的網格規格尺寸為100 mm×100 mm，根據巷道的尺寸，確定每片金屬網的規格尺寸為900 mm×1 600 mm。

采用金屬支架實現對軟巖巷道的剛性支護，所采用的金屬支架為25U 型鋼制作的直腿式半圓拱形支架，拱形的半徑為2 775 mm，支架腿的長度為1 800 mm，支架的搭接長度為500 mm。

最終軟巖巷道的支護效果如圖1 所示。

圖1 軟巖巷道支護效果示意圖（單位：mm）

2.3 支護工藝

在巷道進行掘進之前采用管棚對其進行超前支護。超前支護完成后將前探梁前移，在架設U 型鋼支架的過程中鋪設好拱頂的金屬網，而后鋪設兩幫的金屬網片，最后將U 型鋼棚腿、拱架和棚腿采用卡子將其卡緊。

在實際噴射混凝土時，保證噴射厚度不小于60 mm，實現對巷道圍巖的封閉處理；根據現場巷道情況將混凝土一直噴射至綜掘機二運的皮帶尾部[4]。

3 巷道的變形監測

將上述支護方案按照相關工藝流程并參照相關規范標準在現場完成實施后，對巷道圍巖的支護方案控制效果進行評估驗證，主要通過對巷道表面變形和巷道深部圍巖的相對移動兩方面進行監測。其中，采用JSS30A 型數顯收斂儀對巷道表面變形進行監測；采用YH-2010A 高智能型多點變形記對巷道深部圍巖的相對移動進行監測[5]。

3.1 監測點布置

為充分掌握軟巖巷道的支護效果，在主井和副井位置分別設置四個監測點。其中在開挖面前設置兩個監測，在開挖面后設置兩個監測點。所設計的監測點采用十字交叉的方式在現場進行布置，具體如圖2 所示。

圖2 監測點布置效果（單位：mm）

3.2 監測結果分析

對所監測到的數據進行統計分析，得出監測結果如表2 所示。

表2 巷道變形監測結果

如表2 所示，軟巖巷道頂板和底板的相對變形量為14.768 mm，左、右兩幫分別向靠近巷道的方向移近9.055 mm。從整體上將軟巖巷道進行支護后，工作面頂板、底板以及兩幫的變形量均控制在50 mm 以內，說明本次支護有效。

4 結論

1）所采用的臨時支護主要以管棚、25U 型鋼、金屬網以及初噴60 mm 的混凝土集中方式進行。

2）所采用的永久支護主要是在上述臨時支護的基礎上再次噴射厚度為20 mm 的混凝土。

3）經對支護后工作面的變形進行監測，軟巖巷道頂板和底板的相對變形量為14.768 mm，左、右兩幫分別向靠近巷道的方向移近9.055 mm。從整體上將軟巖巷道進行支護后，工作面頂板、底板以及兩幫的變形量均控制在50 mm 以內，說明本次支護有效。