淺談軟巖巷道安全經(jīng)濟支護技術

崔天龍

（鐵法煤業(yè)（集團）有限責任公司曉南礦，遼寧 鐵嶺 112700）

1 引言

曉南礦是國家“五五”期間重點建設項目，始建于1971年10月，1980年9月28日建成投產(chǎn)，原設計年產(chǎn)量90 萬噸，1990年9月25日，礦井改擴建為150 萬噸現(xiàn)代化大型礦井，2004年正式核定生產(chǎn)能力214 萬噸，目前年產(chǎn)量在210萬噸。礦井煤炭主要以中厚煤層的長焰煤為主，有部分氣煤，屬低硫煤，適用于工業(yè)動力用煤和民用煤?，F(xiàn)有兩個開采水平。本文主要針對軟巖的概念、特點及支護形式，結合曉南礦W2－723 綜采工作面兩順支護情況進行論述。

2 軟巖的概念

我國對軟巖有著很多用語習慣，各個煤炭系統(tǒng)對其都有著多種定義。

第一種是根據(jù)巖石的單軸抗壓強度，小于20 MPa 的巖層稱為軟巖；第二種定義是較軟較弱巖性的巖層是指膠結程度差、受結構面切割、孔隙度差、強度不高及風化較大影響或含有較多量的具有膨脹性質黏土礦物的散、松、較軟較弱巖層；第三種定義指的是軟巖在礦山壓力的作用下能產(chǎn)生明顯變形的工程巖體。

3 軟巖巷道的特點

第一，軟巖具有遇水膨脹、易風化等特點。開挖軟巖巷道時，要及時將圍巖封閉，盡可能保證圍巖的原始特征不被破壞，要通過噴射混凝土等措施防止圍巖吸潮、風化，這樣還可以為圍巖提供支撐力，避免圍巖變形、松動，為安全提供了保證。

第二，為適應軟巖巷道變形大、來壓快、變形持續(xù)時間長、低壓大等支護特點，可采取剛柔結合和多次支護的原則，讓先期的支護逐漸承受壓力分布，也就是所謂的柔性支護，后期可以采用剛性材料來避免出現(xiàn)軟巖持續(xù)變形造成的巷道大幅度變形。

第三，軟巖圍巖巷道承受載荷能力差。上覆巖層的壓力只有小部分承載于支架上，主要部分會由巷道圍巖來承受，因此要通過各種措施提高軟巖自身的承載能力，可以采用錨噴支護來提高圍巖承載能力，尤其是多次經(jīng)過修復的巷道，圍巖承受載荷能力極弱，并且圍巖松動影響范圍大，更應該采取方式提高圍巖強度，提高自身承受載荷能力。

第四，軟巖巷道的周期來壓步距是28 天，巷道四周均有壓力，因此軟巖巷道均會有底鼓現(xiàn)象發(fā)生，因此，針對軟巖巷道，除了頂板、兩幫需要支護，還要防止底鼓[1]加強底板支護。

4 工作面地質概況

西二采區(qū)723 工作面為綜采工作面，地面相對位置、標高，區(qū)域內(nèi)的建、構筑物及鄰近采區(qū)開采情況、煤層頂?shù)装迩闆r如表1 和表2 所示。

表1 W2—723 工作面位置及井上下關系

表2 煤層頂?shù)装迩闆r

從上述表格可以看出，W2-723 工作面為一水平采區(qū)，采區(qū)井下標高-308～-374 m，工作面西部和東部為采空區(qū)，北部為西二大巷煤柱，南部為F19-2 斷層為界。工作面頂板偽頂為平均0.6 m 厚泥巖、碳質泥巖，直接頂為平均3.2 m 厚泥巖、炭質泥巖、7-1 煤及泥質粉砂巖，偽頂與直接頂巖石特征屬松散破碎、遇水泥化，工作面地質情況復雜。

5 軟巖巷道的支護形式

針對曉南礦巷道工程歷史經(jīng)驗進行分析、總結，分析出以往支護形式的優(yōu)點和缺點，為改進和完善軟巖巷道支護提供參考依據(jù)，分析曉南礦軟巖巷道常用支護形式如下。

5.1 錨索支護

錨索支護以鋼絞線為主要支護材料，具有工期短、成本低、施工安全、錨固范圍大、錨固力高的優(yōu)點，是軟巖巷道二次支護，尤其是解決大斷面硐室圍巖支護問題的有效技術，在煤礦領域取得了良好的效果。曉南礦W2-723 綜采工作面兩順錨索支護的參數(shù)采用28.6 mm×6 200 mm 錨索進行頂板支護，確保錨索錨固在穩(wěn)定巖層中。

5.2 錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護

曉南礦W2-723 綜采工作面兩順都采用了錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護，錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護針對軟巖巷道是較好的支護方式，采用錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護的巷道，是在巷道掘進之后首先用錨桿、金屬網(wǎng)進行支護，然后將速凝劑、沙子、水泥按照一定比例混合形成混凝土，利用噴漿機對巷道巖體外部進行均勻噴打，起到保護巷道圍巖，對其密封、加固、風化等作用，達到維護巷道穩(wěn)定性等目的，曉南煤礦W2-723 工作面運、回順采用錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護，通過該支護形式，巷幫圍巖應力得到了改善，避免了圍巖發(fā)生破碎松動，柔性支護起到了作用，最終保證了巷道的穩(wěn)定性。

5.3 U 型鋼可縮性支架支護

U 型鋼可縮性支架支護不僅有可縮性，而且有較高的初承力和支撐能力，W2-723 綜采工作面運順在大、小斷面交界處架設U 型鋼可縮性支架支護頂板，運、回順巷道斷面都是三心拱形，采取這種架設方式，支架能與頂板及巷幫充分接觸，但是工作面回采時，采動壓力大，圍巖變形嚴重，支架受到集中荷載和偏心荷載的作用而產(chǎn)生失穩(wěn)變形，支架受力狀況惡化，使支架出現(xiàn)壓彎、扭曲，甚至斷裂等變形而失效，出現(xiàn)這種情況支架很難進行修復，U 型鋼可縮性支架支護鋼材用量大，支護、修復成本高。

5.4 砌碹支護

砌碹支護有直墻拱頂式等主要形式，由拱、墻和基礎構成。該砌碹支護本身會對圍巖增加支護強度，但砌碹支護的砌體允許變形小但剛度卻很大，所以該支護不適用圍巖變形明顯的區(qū)域，一般在服務年限較長的主要井巷采用這項技術。近年來，由于錨桿支護和錨噴支護技術的推廣應用，其應用在不斷減少。這種支護方式也不適用于工作面兩順維護，因為兩順隨著采動壓影響，頂板巷幫發(fā)生位移變化明顯，該支護方式適用于永久性且變化程度不大的巷道，同時該方式施工速度慢、工人勞動強度高，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)需求。

5.5 單體棚支護

單體棚支護目前被許多礦井廣泛應用，該支護方式構造簡單，運輸及安裝方便，還具有可重復利用的特點，因此在煤礦井下施工中被廣泛采用。曉南礦W2-723 綜采工作面兩順選取了架設單體棚支護方式，在工作面運、回順超前支護前方開始架設單體棚，隨著工作面的推進，重復備單體棚來對巷道頂板的圍巖進行補強支護。

單體棚單體數(shù)量的選擇：

每架棚所支撐頂板：5.0 m（巷道斷面）×0.8 m（架棚間距）=4.0 m2

來自頂板的壓力為：4.0 m2×252.1 kN/m2=1008.4 kN

點柱的支撐力取180 kN，一梁6 柱支撐力為：180 kN×6=1080 kN

通過計算在達到一梁6 柱的情況下能滿足頂、幫控制支護強度的要求，考慮到單體棚為在原有錨索網(wǎng)支護情況下的補強支護，一梁3 柱足以達到補強支護要求。因此，要求每架棚梁下打3 根單體液壓支柱，初撐力滿足要求。

6 工作面兩順支護設計參數(shù)

W2-723 綜采工作面兩順支護形式為錨噴支護，噴漿厚度50 mm，頂板錨桿采用22 mm×2 200 mm 全螺紋等強錨桿，幫錨桿采用22 mm×2 000 mm 全螺紋等強錨桿，錨桿間排距800mm，采用28.6mm×6200mm 錨索進行頂板支護，間排距為1 600 mm，采用“5-3-5”布置方式，巷道斷面：三心拱形斷面。

通過支護方式可以看出，W2-723 綜采工作面在掘進過程為最大限度減小巷道頂、幫的位移變形，該工作面針對軟巖巷道采取了多種支護。

7 補強支護及方法

在兩順巷道原有支護方式下提出以下維護工作面兩順支護方法。

在工作面回采期間，在超前支護前20 m 設置固定觀測點來觀測頂板及巷道兩幫變化量，通過觀測發(fā)現(xiàn)，巷道每天存在著顯著變化，頂板與底板高度有150～300 mm 的縮減，巷道兩幫凈寬發(fā)生150～300 mm 的縮減，變化明顯，變化量大，后來通過更改巷道維修支護設計，在開幫作業(yè)施工中對巷道硬幫錨桿打注22 mm×2 900 mm 全螺紋等強錨桿及21.6 mm×3 000 mm 錨索，幫錨桿與幫錨索布置方式如圖1 所示。在工作面兩順超前支護打頂板錨索吊梁的方式進行支護頂板，頂板吊梁采用36U 型號U 型鋼加工制作，長度根據(jù)巷道寬度選擇，可選擇3.6 m 或4.2 mU 型鋼，在U 型鋼上切割3 個200mm×40 mm 方孔，使用28.6 mm×6 200 mm 錨索固定U 型鋼。錨索吊梁排距1.6 m，兩架吊梁之間使用2.4 m 長木柈剎頂。在頂板下沉嚴重或頂板破碎區(qū)域內(nèi)，可以減小吊梁排距，或在兩架吊梁中間架設單體棚來補強支護。

圖1 開幫平面圖

通過更改開幫后支護設計參數(shù)以及頂板吊梁或架設單體棚的方式，巷道兩幫和頂、底板變化量明顯減少，增強施工現(xiàn)場安全系數(shù)，并切實可行地滿足工作面回采的需求。

8 軟巖巷道支護的發(fā)展方向

通過常用支護技術特點對軟巖巷道支護的分析和總結，軟巖巷道支護有以下創(chuàng)新[2]和發(fā)展形式。

8.1 超高強度錨桿

超高強度螺紋錨桿比普通錨桿能夠帶來3 倍以上的支護阻力，具有非常高的破斷和屈服強度，能夠為巷道圍巖在變形、層理裂隙、離層等方面提供較大約束力。另外，由于超高強度錨桿可以實現(xiàn)全長錨固，圍巖變形劇烈能夠得到有效控制，系統(tǒng)的可靠性能夠得到有效提高。

8.2 注漿加固圍巖支護

由于軟巖巷道圍巖具有巖體強度不高、松動范圍大等特點，所以注漿能夠使圍巖的整體性得到保證，讓破碎、松軟的圍巖支撐性和穩(wěn)定性得到提高，具有支護效果好、投入少、工藝簡單等優(yōu)勢。

8.3 聯(lián)合支護

聯(lián)合支護的類型有很多種，如錨噴加U 型鋼可縮性支架錨噴或注漿加固，U 型鋼可縮性支架加注漿加固等支護形式，在進行聯(lián)合支護的選擇時，根據(jù)現(xiàn)場的地質和生產(chǎn)條件，確定可行的支護參數(shù)和支護形式，經(jīng)過對比，性能較好并適合軟巖巷道圍巖的錨噴支護是推薦支護方式。

9 結論

軟巖巷道支護應事先根據(jù)圍巖性質，選擇合理的支護對策，并不是單一的支護方式能滿足軟巖巷道支護的需求，要根據(jù)巷道圍巖破壞情況，合理選用超高強度錨桿，約束巷道圍巖離層和層理裂隙等弱面巷道圍巖大變形，對工作面兩順進行打頂板錨索吊梁的方式進行超前頂板支護，并對其實施注漿加固，使松軟、破碎圍巖的自支撐能力和自穩(wěn)能力得到有效提高。有針對性地選擇合理的支護形式的同時，滿足能充分地釋放圍巖變形能和充分地保護圍巖的力學強度，以充分發(fā)揮其自承能力。