軟巖礦井巷道掘進頂板支護技術探析

穆 晨，商顯洋，石 超

（新汶礦業集團（伊犁）能源開發有限責任公司一礦，新疆 伊寧 835300）

煤炭工業發展為我國社會經濟建設提供了有力支撐，同時，煤炭生產的安全性也受到了廣大學者的關注與重視。在軟巖礦井巷道施工工藝中，掘進頂板支護技術的應用較為關鍵，直接影響了礦井生產安全和生產質量。為此，礦井企業應結合軟巖礦井巷道具體條件，有針對性地制訂掘進頂板支護方案，并采取行之有效的支護措施，以保證巷道施工的安全性和可靠性。對此，文章通過對軟巖礦井巷道掘進頂板支護技術進行討論與分析，以期為廣大學者提供參考及建議。

1 軟巖礦井巷道掘進頂板支護技術

1.1 礦用支護型鋼

礦用支撐型鋼結構作為礦井掘進巷道支護的主要形式，其性能優良[1]。目前，礦井支護所用鋼主要分為“U”型鋼和“工”型鋼。在具體應用過程中，為確保煤層支撐型鋼同時具備抗剪、抗拉和抗擠壓等力學性能，選擇時應對其種類進行嚴格控制。通常情況下，礦井中使用支撐型鋼比較廣泛，但因為礦井中有梯形、半圓拱、弧形等不同斷面，所以要有針對性地選用。此外，針對礦井巷道施工中存在技術困難、支護要求較高的問題，應確保支護有較好可伸縮性；同時，在支護構造上充分發揮支護承載力及斷面阻抗轉矩作用，以此保證支護承載力及煤巷應力值處于較高的穩定性[2]。

1.2 錨桿支護

錨桿支護由錨桿（索）、托盤、錨固性能劑、鋼帶、網等組成，各組成部分各有其特點，其中，功能錨桿作用作為使煤層張拉及剪應力同時增大，有利于保障整個煤層應力增大。支架施工區域中起到連接錨索兩端的作用，并將預緊力通過錨索向周邊巖體傳遞，避免支護巖體破裂、結構面滑落以及支護巖體脫落等問題。錨固性能劑作為固化劑，能夠將錨桿支撐體與煤層頂板緊密結合，提高煤層開采效率。鋪裝網對鋪裝層起到兩重作用：首先，增強鋪裝層承載力；其次，防止礦體崩塌，確保礦體安全[3]。

1.3 可縮性支架

礦井巷道施工中可收縮支架作為相對常用支撐方式，具有雙向收縮優勢的同時，也具有較強的靈活性。目前，此方法在Ⅲ、Ⅳ型巷道中有較好推廣應用前景，兩型巷道斷面均小于8.2m2，極大程度上提高了支護的可靠性及穩定性，對于提高采煤安全性和效率具有促進意義。

1.4 預留柱支護

礦井生產技術發展，煤柱留置法在礦井生產中得到越來越多的應用。為確保井下巷道圍巖穩定性，應在上區段與下區段之間預留一定距離，以確保支撐系統正常工作。在風平巷中，為盡量避免支護負荷，將支護負荷影響減到最小，通常會根據礦井具體情況進行選擇。此外，雖然預留柱作為相對簡單且易操作的工程工藝，但其施工成本較高及運營成本較高，且在一定程度上會影響采掘效果。

1.5 混凝土澆筑技術

除以上工藝外，井下巷道也可采用混凝土澆筑工藝，將混凝土澆筑到某個截面，通過一系列工程實踐，在該截面上形成新支撐表面。該支護技術具有封閉迅速、支護時間短的優點，有利于降低巷道圍巖暴露與損傷。采用混凝土澆筑技術中，可通過對圍巖進行合理圍巖布置，使得圍巖內應力盡量均勻，減小圍巖內壓力，防止圍巖因圍巖過大而損壞，進而保證圍巖的穩定性。

2 軟巖礦井巷道掘進頂板支護常見問題及成因

軟巖礦井巷道對頂板支護要求較高，為保證軟巖礦井巷道掘進過程中頂板支護的有效控制，在支護結構選擇上應具有較強的針對性，針對不同用途、不同地質構造的礦井巷道，采用相適應支護措施，如錨網、金屬支架、直墻半圓拱支護等，并進行相關試驗，對支護結構進行有效驗證及對其應用范圍進行分析。目前，軟巖巷道普遍采用不會導致巷道失穩的支護方式，如采用拱棚-錨網聯合的支護方式[4]。誠然，由于軟巖的特殊性質，成巷初期由于擠壓、膨脹等原因，極大程度上容易發生變形的問題，進而導致巷道失穩。具體如下。

2.1 軟巖礦井巷道掘進頂板支護常見問題

軟巖巷道頂板支護存在著許多問題，其中最普遍的問題有：變形不易察覺，變形速度快，礦井開采對基坑破壞大，以及圍巖與支架協調程度低，主要表現在以下幾個方面。

2.1.1 軟巖變形不易被察覺

軟巖礦井巷道成形中，由于人為擾動作用，往往會導致軟巖變形，但這種變形并非即時表現出來，隨著時間增加而逐漸出現，這種變形效應會逐漸累積和顯現出來，當變形達到一定程度時，就可能導致礦井垮塌，給礦井帶來安全隱患。

2.1.2 形變速度快

巷道變形在早期不易被發現，但變化速度較快，當有關人員意識到變形后，所能做預防或應急反應時間都較短，對井下巷道工作安全帶來巨大威脅。

2.1.3 礦井開采對于底部破壞較大

礦井采掘作業對礦井穩定有較大影響，可能會發生在礦井內部膨脹力增大，或由于過大壓力而導致礦井底板破壞。對其產生原因進行分析來看，造成這一現象的主要因素在于在頂板支護部位、圍巖材料本身特性受到限制容易產生膨脹和位移。由于受力過大，支護部位受力過大，導致支護部位發生變形，嚴重時發生坍塌。

2.1.4 圍巖與支架間協調性較差

巷道掘進施工對軟巖圍巖部位有較大影響，為防止發生安全問題，可采用韌性和強度中等支架來進行支護，減少圍巖變形。誠然，在支架材料選擇上，難以控制其強度和柔性，導致圍巖和支架之間的協調程度不高。

2.2 問題成因

2.2.1 施工工藝

井下巷道掘進作業成敗直接影響到支護技術在礦井中的運用效果。目前，鉆孔爆破法是井下巷道施工中應用最為廣泛的施工工藝，具有較高的施工效率。鉆爆法是快速、高效、經濟、高效的施工方法，但其運用不當，會導致巷道頂板支護結構穩定失效，進而引起巷道坍塌，造成損失，甚至人身傷亡。在鉆孔和爆炸法中，光面爆破相對常用，其炮眼角度、炮眼間距及炸藥數量都是重要因素[5]。

2.2.2 軟巖巖體自身屬性因素

由于礦井地質應力場不同，因此，各礦井主要地應力方向也各不相同。它與巷道走向有較大聯系，三維應力應該保持在一定限度之內。同時，當軟巖巖體中含有接觸到水或者風就會膨脹的粘土質礦物時，會導致巖體發生位移現象，造成嚴重的安全隱患，威脅到工作人員的生命安全。

2.2.3 自然因素影響

因為軟巖浸水性較強，所以在遇到水時會導致巖石碎裂，變成顆粒狀或者是泥土狀，對巖石穩定性不利。另外，巖體本身就有膨脹力，較容易發生滑移，當巖石慢慢地變成泥漿后，極易發生巖體滑移，加重對巷道的破壞。另外，風向也是重要的影響因素，軟巖巷道在掘進后，應要及時對周圍巖體進行封堵，以此才能降低巖石暴露，讓巖石保持在適當溫度范圍內，如尚未做好防風措施，巖石將會不停吸水膨脹，危及巷道安全性。

3 軟巖礦井巷道掘進頂板支護技術應用質量的建議

3.1 提升頂板承載力

通過分析巷道頂板支護中存在的問題及其影響因素，可知頂板強度將直接影響支護效果。為此，為進一步提高軟巖巷道掘進期頂板支護效率，防止出現一些常見頂板支護問題，在實踐中應重視起吊頂板承載力和強度。在巷道支護過程中，應該采用光面爆破技術，結合錨桿噴射支護巷道，最大限度地保證巷道的穩定性和完整性，達到對巷道控制，減少由于外部因素對巖體作用而導致的巖體松動。另外，提高頂板承載力，可通過提高頂板本身構造、提高支護結構和周圍巖層協調性，使支護結構和周圍巖層相互作用，達到提高頂板承載力的目的。

3.2 對流變程度進行控制

由于軟巖構造特殊性，在軟巖礦井巷道掘進過程中，頂板構造相對于其它巖體施工頂板構造要更加松軟，為確保施工質量和安全，作業人員應控制好流變度。施工中，不僅要注重隧道推進，還要做好防護工作。當掘進過程中出現軟頂時，應及時采用短挖短砌工藝，對其流變性進行控制。換而言之，當巷道進入一定范圍后，應立即對其進行永久性支護，以保證支護結構足夠牢固，防止由于巖體流變而產生膨脹導致巷道坍塌。同時，為最大限度地實現流變學控制，除采用短挖短砌方法，還應注意，當支護結構發生斷裂或局部不能起到支撐作用時，應規避進行大面積返修。因此，在掘進階段，要對已掘進巷道進行封閉，在掘進過程中，要及時地進行支護，并將其封閉起來，以達到最好的流變控制效果。在發生流變時，采用錨噴方法進行臨時支護，達到圍巖和支護協同效應，抑制流變發展，以此對巷道變形狀態進行有效控制。

3.3 減少震動對巷道的影響

從以上分析可以看出，振動會對巖石產生作用，引起隧道結構失穩，引起隧道變形，引起巖體滑移或坍塌。因此，應積極采取相應的防治措施，以減少相關因素對隧道變形造成的影響。在因爆炸而引起振動時，工作人員應盡量少用火炮，以免發生振動。

3.4 采取新奧法進行施工

在礦井生產中，多采用一次成巷模式。當巷道受力破壞后，需采用工藝修復時，一般修復工程仍采用原有支護結構。但大量實例證明，傳統的設計方法、施工管理方法和支護方法無法滿足現代礦井開采要求，且從本質角度來看，其施工工藝不符合巖體力學變化規律，不能適應工程需要。為此，需要在設計、管理和支護方法上進行革新和改進。新奧法以探測為主，通過對軟巖礦井特定數據采集，及時掌握工程實際狀況，有效發現設計、管理及支護等問題。同時，結合錨噴支護技術，能夠有效地控制圍巖變形狀態，極大程度上提高了錨索加固巖體承載力。此外，噴層與圍巖結構緊密結合還能填充巖壁上縫隙和不均勻的空間，在提高圍巖結構整體和穩定性的同時，有利于加大支護強度。此外，根據現有支護結構類型，在軟巖巷道支護中推廣應用新奧法技術，該技術以錨噴為主，在初期讓壓產生柔性變形，后期通過反復噴射加強，形成剛性支護，或者采用拱形鋼架，實現初期讓壓，后期用剛性支護，具有較大的應用價值。

3.5 優化井下巷道支架結構性能和強度

礦井井下巷道掘進頂板支護工作時，施工初期首次掘進工作中，巷道位置較容易發生變化，嚴重時還會發生變形，影響到掘進工作順利進行。為解決這一問題，應在實際工作中對各種環境條件進行對比，選擇最優施工方案。通常情況下，掘進過程中使用適當剛性和彈性，可從一定程度上避免巷道位移和變形。同時，通過對支護結構優化，可確保在施工過程中保持最小空間，并將施工過程中出現問題所引起的大范圍修復工作降到最低。另外，在井下巷道頂板支護時，使用支護體強度，對其施工質量及效率也有較大影響。通過對支架結構和相關性能進行優化，能夠為施工過程中圍巖變化提供相對適宜的區域，并能夠確保在整個煤層巷道中實現頂板支護技術。同時，基于以上分析，針對不同圍巖條件，合理減輕對圍巖應力場，可在一定程度上提高煤井巷道頂板支護技術應用的質量與效果。

3.6 在施工之前做好充分的準備工作

掘進作業前，設計人員要根據特定工程地質條件及巖層承載力差異，對頂板支護方法進行合理規劃，特別是對作業中的重點、難點問題，如為提高巷道掘進斷面的安全性，應在作業中選擇最佳工藝和作業方法，保證作業人員和整體作業安全。同時，在初步施工計劃設計完成后，設計者還應與相關施工單位共同討論，不斷地對計劃進行修正和改進，確保在滿足具體頂板支護要求和施工要求的基礎上，提高施工質量和效率。在施工過程中，要對所用材料體積、數量、運用方式等進行判斷，進而在方案設計完畢后，按照施工方案及相關標準進行井下巷道掘進。

3.7 重視圍巖讓壓、釋壓與支護強度協調作用

軟巖巷道施工多采用剛性支護結構，但無法承擔巷道變形與壓力，且需要反復維修造成投資巨大損失，對此，唯有采用前期柔性后剛性支護結構，在緩解初采巷道圍巖變形位移時，保持巷道圍巖整體穩定性，具有較低返修量的同時，提升企業經濟效益。對此，為實現圍巖讓壓、釋放壓力與支護體之間的協調，需要支護體具有足夠強度，并能在一定程度上實現圍巖變形釋放壓力。

4 結論

綜上所述，從當前軟巖礦井巷道掘進頂板支護來看，在具體施工中，不僅要保障整體施工質量，同時還要針對軟巖礦井巷道環境中存在的安全隱患進行處理，正確地將臨時支護與永久支護相結合，進而運用先進技術與可靠理論展開操作。文章通過對軟巖礦井巷道掘進頂板支護技術進行討論與分析，對當前軟巖礦井巷道掘進頂板支護技術存在的問題及成因進行分析后，提出了相關解決措施，以期為廣大學者提供參考。