煤礦軟巖巷道支護技術研究

高洪亮 李彬 唐曉君

【摘 ?要】軟巖巷道支護和掘進非常復雜且困難，本文將會針對軟巖巷道施工設計實踐進行分析，通過研究軟巖巷道失穩(wěn)特性和底層結構情況，來直達搜實際軟巖層支護方式。在實際施工中，保證軟巖巷道地下施工環(huán)境的穩(wěn)定，才能提高實際開采效率。所以，本文將會針對軟巖巷道施工設計方法進行分析，

【關鍵詞】軟巖;軟巖井巷變形;支護技術

一、引言

隨著礦井開采深度不斷加深，煤礦深部井巷工程需要承受的地應力、地溫、地下涌水等地質環(huán)境問題也將加重。破碎帶圍巖巷道、大變形松動軟圍巖巷道、三軟煤層巷道等典型的軟巖巷道數量不斷增多，復雜的地質環(huán)境常導致井巷支護困難。不恰當的支護方式無法維持軟巖巷道力學平衡，頂板下沉和底板底鼓導致井巷必須返修重新支護，下沉量過大又可能會使井巷廢棄。

因此深部軟巖災害控制和井巷支護技術的研究無疑成為巖石力學領域的一個重點。

二、軟巖概述

軟巖是指受力后容易發(fā)生塑性變形的巖體，可分為地質軟巖和工程軟巖。

地質軟巖的主要特點為巖石強度低、膠結程度大、空隙度大;工程軟巖指受開采活動的影響，在工程應力的作用下，容易產生塑性變形的巖體。

煤礦巷道支護所指的軟巖一般為工程軟巖。常見的工程軟巖包括砂質泥巖、碳質泥巖、粉砂巖等，主要特點為巖石強度低、質地較軟、巖石整體完整性差。根據巖石的結構特點及理化特性可將工程軟巖進一步劃分為破碎型軟巖、高膨脹低強度型軟巖、高應力型軟巖和復合型軟巖。

1、破碎型軟巖

破碎型軟巖的巖層內紋理較多，且分布不均勻，節(jié)理裂隙發(fā)育程度高，巖層破碎程度大，穩(wěn)定差。

破碎型軟巖巷道內掘進和支護的難度較大，影響施工穩(wěn)定性因素多，且容易出現片幫、冒頂等安全事故。

2、高膨脹低強度型軟巖

高膨脹低強度型軟巖巖層遇水后容易發(fā)生膨脹變形，可塑性高、崩解性強，其巖層質地松軟，容易破碎，抗壓強度低，主要為泥巖或在巖層中含有大量的膨脹性物質，巷道支護難度大。

3、高應力型軟巖

高應力型軟巖是指在深部礦井回采時，在高應力的作用下，導致圍巖體強度發(fā)生變化，影響了圍巖的特性，使圍巖具備了軟巖的特征。

當采深增加時，上覆巖層的重量也相應增加，上覆巖層的巨大壓力導致應力場發(fā)生變化，當應力較高時，出現開采擾動，對圍巖帶來較大的影響，圍巖產生新裂隙、強度降低。

4、復合型軟巖

復合型軟巖通常指在某一種巖層中的巖體同時具備了破碎型軟、高膨脹低強度型軟巖和高地應力軟巖中的任意兩種以上的性質。

三、軟巖井巷變形特征與平衡拱機理

1、軟巖井巷變形特征

根據對高應力軟巖圍巖穩(wěn)定性和變形機理的特征研究，其表現形式為 3 個方面。

圍巖變形量：受到例如全煤巷之類軟巖圍巖特性影響，井巷的破壞主要出現在頂底板以及兩幫，破壞程度都十分明顯，巷道斷面收縮率能超過 80% 以上，頂板垮落、嚴重底鼓和大面積片幫發(fā)生幾率也較高。

圍巖變形速率：均質的煤體圍巖受到的構造應力，水平方向大于垂直方向，因此即使表面的井巷平衡后流變趨勢仍存在，因此該類圍巖變形速度大。

圍巖變形時效：由于軟巖的流變性，其不可能達到穩(wěn)定性狀態(tài)，圍巖各個方向上的變形隨著時間緩慢變化，明顯的變形需要當構造應力在時間上積累到一定的程度，所以說軟巖的變形具有時效性。

2、軟巖平衡拱機理

煤層上部頂板、偽頂多層狀強度較低的泥巖、頁巖、砂質泥巖，有節(jié)理和裂隙發(fā)育。由于軟巖以泥質礦物為主，同時由于軟巖的力學和結構面特性存在可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性等特點。

軟巖的巖石特性在地應力作用下呈現出第三階段的蠕變突然加速，該階段呈現均速流變，再進行加速流變，變化趨勢呈現復雜高度的非線性。

傳統(tǒng)理論中認為巖體做為一個整體，其所受到地應力超過塑性階段就會形成失穩(wěn)巖體。但是實際井巷開鑿過程中圍巖發(fā)生塑性變形和斷裂后，承壓狀態(tài)下仍然保持承載能力，井巷圍巖變形、片幫和冒落到一定程度會與垂直應力平衡，圍巖呈現自穩(wěn)狀況，形成的理論被稱為“自穩(wěn)平衡現象”。井巷的頂板應力會隨井巷的開鑿而重新分布，垂直方向受地應力會逐步減弱至零甚至出現相反懸拉應力，水平方向也會隨擠壓應力轉化為局部拉應力。井巷頂板受到的擠壓應力會在圍巖中形成“拱狀承載結構”，這種平衡狀態(tài)被稱為“自穩(wěn)平衡拱”，形成的理論被稱為“自穩(wěn)平衡拱理論”。

在此理論中根據井巷的巖體受力狀態(tài)，由于在垂直方向受到拉應力可能存在冒落危險，水平方向受到剪應力的巖體單元體可能存在片幫等危險，并根據危害程度分為穩(wěn)定區(qū)、擠壓受壓區(qū)、易冒落區(qū)，如圖 1 所示。

巖體的破壞狀態(tài)及應變隨應力變化趨勢，巖體隨應力作用達到殘余強度時出現細小裂紋，當應力繼續(xù)增加到屈服強度時會發(fā)生不可逆的塑性變形，巖體的塑性破壞階段的承載力會隨變形而下降，但還會具有承載能力，當到達破碎的強度極限會直接發(fā)生巖體破碎。

四、結束語

軟巖巷道變形量大，巷道支護困難，在設計軟巖巷道支護參數時，一定要先弄清軟巖的類型，根據軟巖的類型選擇合適的支護方式，以保證礦井生產工作的正常進行。隨著煤礦掘進深度的增加，軟巖巷道受到的原始應力也在增加，在支護環(huán)節(jié)中加強對軟巖支護心理方法和技術研究非常重要。

在實施軟巖巷道設計施工過程中，要依照軟巖的物理特征和地下環(huán)境來實施設計，合理選擇軟巖巷道支護方式，根據軟巖特性以及受到的影響因素進行分析，進行合理的巷道支護設計，將不同的支護方式進行融合，進一步提升軟巖巷道的質量，保障巷道的穩(wěn)定性，促進地下工程施工的效率和質量提升，為井下作業(yè)的安全性提供保障。

參考文獻：

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[2]劉玉衛(wèi). 高應力 - 膨脹性軟巖巷道變形破壞機理與支護研究[D]. 西安：西安科技大學，2009.

（作者單位：琿春礦業(yè)（集團）板石煤業(yè)有限公司）