煤礦軟巖巷道支護(hù)技術(shù)探究

廖祥奎

（貴州渝能礦業(yè)有限責(zé)任公司木孔煤礦， 貴州 畢節(jié) 551802）

引言

軟巖具有流變、軟弱、松散等特點(diǎn)，穩(wěn)定性較差，如果煤礦開(kāi)采的過(guò)程中遇到軟巖地質(zhì)，開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加，需要采取有效的支護(hù)技術(shù)來(lái)提升巷道穩(wěn)定性。在煤礦工程施工過(guò)程中，軟巖會(huì)受到各種外力的影響，很容易出現(xiàn)塑性變形問(wèn)題，如果超出設(shè)計(jì)允許值，會(huì)影響工程正常施工，甚至帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在煤礦軟巖巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，必須要采取有效的支護(hù)技術(shù)，提升巷道的穩(wěn)定性和安全性，確保煤礦工程可以順利開(kāi)展。

1 煤礦軟巖巷道的特點(diǎn)

1.1 臨界荷載

采用蠕變?cè)囼?yàn)的方式進(jìn)行臨界荷載分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，如果巖石受到的荷載不超過(guò)某個(gè)值，則處于穩(wěn)定的變形狀態(tài)下，蠕變曲線也不會(huì)出現(xiàn)明顯變化，與特定變形值接近，到達(dá)一定時(shí)間后，變化就會(huì)停止。如果施加荷載比某個(gè)荷載大，則巖石的塑性變形加速十分明顯，也就是變形不穩(wěn)定[1]。此類(lèi)荷載就是軟化臨界荷載，是導(dǎo)致巖石出現(xiàn)明顯變化的最小值。在巖石受到的荷載不超過(guò)臨界荷載的情況下，巖石屬于硬石，反之則有明顯的變形特性，被稱(chēng)為軟巖。

1.2 軟化臨界深度

相較于軟化臨界荷載，軟化臨界深度也是重要的客觀量。在巷道位置超過(guò)特定深度數(shù)值之后，圍巖的塑性變形情況和大地壓十分明顯，難以實(shí)施支護(hù)措施。如果巷道所在位置比較淺，在某個(gè)深度數(shù)值之下，則不會(huì)出現(xiàn)明顯的變形和大地壓，這就是所謂的臨界深度。

2 煤礦軟巖巷道支護(hù)技術(shù)問(wèn)題

2.1 變形破壞特點(diǎn)

軟巖巷道很容易出現(xiàn)變形問(wèn)題，此類(lèi)問(wèn)題具有一定的規(guī)律性，主要分為三個(gè)階段，并且會(huì)受到時(shí)間的影響。在變形初期，來(lái)壓速度很快，會(huì)出現(xiàn)大量變形，巷道自穩(wěn)定能力缺失，如果不采取有效的控制措施，會(huì)出現(xiàn)巖塊冒落的情況，最終導(dǎo)致巷道被破壞。如果采用剛性支架支護(hù)的方式，則與變形特性不匹配，無(wú)法滿足支護(hù)要求，也很難進(jìn)行維護(hù)，支架容易被壓壞，進(jìn)而導(dǎo)致塌落風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。軟巖巷道很容易受到外部壓力，且方向通常保持對(duì)稱(chēng)，在開(kāi)挖途中，頂板變形、冒落都是比較常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，底板也會(huì)受到影響，底鼓問(wèn)題比較明顯，如果沒(méi)有及時(shí)采取有效的控制措施，底鼓問(wèn)題會(huì)加劇，造成兩幫被破壞，影響巷道安全[2]。軟巖巷道變形如果沒(méi)有及時(shí)控制，會(huì)在深度加大的同時(shí)不斷惡化，各個(gè)礦區(qū)的種類(lèi)、地質(zhì)條件不同，所以軟化臨界深度不同，如果超出深度標(biāo)準(zhǔn)，則增加支護(hù)難度，且受到各種應(yīng)力的影響，變形的方向性比較明顯。軟巖失水、吸水都可能引發(fā)膨脹變形、泥化破壞的問(wèn)題。

2.2 支護(hù)技術(shù)問(wèn)題

從支護(hù)的角度分析，軟巖巷道的支護(hù)難度較大，尤其在回采巷道支護(hù)的過(guò)程中，很難確保支護(hù)效果。從目前的情況，軟巖巷道支護(hù)技術(shù)還存在很多問(wèn)題。首先，支護(hù)工作由多個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，需要施工人員相互配合，確保支護(hù)和圍巖變形情況保持協(xié)調(diào)一致。為此，要充分了解圍巖變形機(jī)理，根據(jù)分析結(jié)果選擇合理的支護(hù)方案，保障支護(hù)時(shí)機(jī)、型式等參數(shù)的合理性，否則支護(hù)效果會(huì)受到極大的影響。其次，在參數(shù)方面，如果地質(zhì)條件并不復(fù)雜，可以采用工程類(lèi)比法。但如果地質(zhì)條件比較復(fù)雜，則不能采用工程類(lèi)比法，由于復(fù)雜條件下巷道支護(hù)成功案例并不多見(jiàn)，類(lèi)比的參考依據(jù)較少，使用效果不理想。最后，在支護(hù)對(duì)策的應(yīng)用上，軟巖巷道的變形破壞特征不同于硬巖巷道，如果采用硬巖巷道的支護(hù)對(duì)策，并不能滿足此類(lèi)巷道的支護(hù)需求，甚至?xí)绊懯┕ぐ踩?。?shí)際施工中，如果單純采用常規(guī)支護(hù)手段，包括U 型鋼支架、錨噴支護(hù)等等，很難達(dá)到理想的控制效果。

實(shí)際上，圍巖自承圈并不是很厚，常見(jiàn)的支護(hù)方法以錨桿支護(hù)為主，構(gòu)成的自承圈厚度不大，錨固后厚度約為0.6 m（＜錨桿長(zhǎng)度），也就是說(shuō)錨桿會(huì)存在浪費(fèi)部分，很難抵抗較大的圍巖壓力。在初期支護(hù)階段，剛度比較大，巷道開(kāi)挖途中，圍巖應(yīng)力受到外界條件的變化而重新分布，變形也就隨之產(chǎn)生，支護(hù)體因此受到更大的壓力，如果支護(hù)體剛度較大，則抗圍巖壓力也比較大，變形量也因此較大，造成圍巖變形協(xié)調(diào)性不足，圍巖因此遭到破壞。圍巖表面沒(méi)有足夠的約束能力，在高應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力的影響下，薄弱位置的支護(hù)體更容易出現(xiàn)過(guò)量變形、巖石松動(dòng)等問(wèn)題，破碎區(qū)也會(huì)因此產(chǎn)生，圍巖自承圈受到極大損壞。在高應(yīng)力的作用下，如果選擇錨網(wǎng)噴支護(hù)的方式，則錨體強(qiáng)度比較低，約束能力明顯不足，無(wú)法遏制破壞、破碎區(qū)的發(fā)展，最終出現(xiàn)大面積破壞問(wèn)題。

3 煤礦軟巖巷道支護(hù)技術(shù)方法

3.1 支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)軟巖的特性實(shí)施支護(hù)技術(shù)，在實(shí)際支護(hù)中，要從三個(gè)方面入手：首先，確定軟巖變形機(jī)制的特點(diǎn)，即復(fù)合型特征。其次，轉(zhuǎn)化復(fù)合型變化機(jī)制，使其成為單一型。最后，對(duì)復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)行靈活運(yùn)用。對(duì)于軟巖巷道來(lái)說(shuō)，對(duì)圍巖產(chǎn)生影響的力學(xué)機(jī)制比較復(fù)雜，具有復(fù)合型的特點(diǎn)，也正因如此，才會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)變形和破壞問(wèn)題[3]。所以，不能采用單一的支護(hù)技術(shù)，應(yīng)該綜合多種技術(shù)方法，將復(fù)合型向單一型轉(zhuǎn)化，也就是在實(shí)際支護(hù)的過(guò)程中，聯(lián)系各個(gè)支護(hù)要點(diǎn)，不僅包括順序，還要對(duì)時(shí)間、效果等要素把控，結(jié)合復(fù)合型特征選擇支護(hù)方案，確保支護(hù)的有效性。

3.2 最佳支護(hù)時(shí)間

要確保支護(hù)效果，就要對(duì)支護(hù)時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格的把控。在巷道開(kāi)挖之后，應(yīng)力會(huì)受到開(kāi)挖的影響重新分布，切向應(yīng)力高度集中在巷壁附近，這個(gè)范圍內(nèi)的巖層因此呈現(xiàn)出塑性工作狀態(tài)，也就是逐漸形成塑性區(qū)，造成應(yīng)力集中區(qū)縱深發(fā)展，如果集中強(qiáng)度大于屈服強(qiáng)度，則會(huì)有新的塑性區(qū)出現(xiàn)，并且繼續(xù)縱深發(fā)展。對(duì)此，要采取有效的支護(hù)措施，有效控制變形、松動(dòng)等問(wèn)題。塑性區(qū)可以分為穩(wěn)定和非穩(wěn)定兩種，在松動(dòng)破壞出現(xiàn)前，最大塑性區(qū)范圍就是穩(wěn)定塑性區(qū)，出現(xiàn)之后就會(huì)轉(zhuǎn)化為非穩(wěn)定區(qū)。圍巖中切向和徑向會(huì)受到塑性區(qū)的影響，荷載對(duì)支護(hù)體的作用也因此變小。應(yīng)力集中區(qū)會(huì)向深部轉(zhuǎn)移，破壞作用出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)因此變小。如果支護(hù)應(yīng)力較高，穩(wěn)定塑性區(qū)就會(huì)隨之出現(xiàn)，要限制此類(lèi)區(qū)域的大范圍擴(kuò)展，根據(jù)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)選擇支護(hù)時(shí)間，確保塑性區(qū)承載力充分發(fā)揮，避免松動(dòng)、破壞等問(wèn)題。

3.3 優(yōu)化支護(hù)對(duì)策

針對(duì)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用的問(wèn)題和軟巖巷道的特點(diǎn)，要對(duì)原本的支護(hù)策略進(jìn)行優(yōu)化。首先，要將網(wǎng)或噴層的剛度、強(qiáng)度提升，對(duì)于薄弱的環(huán)節(jié)，可以采用錨梁支護(hù)的方式來(lái)增強(qiáng)，使圍巖表面有更大的約束力，對(duì)破碎區(qū)的縱深發(fā)展進(jìn)行有效約束。其次，可以根據(jù)需求采取二次支護(hù)措施，同時(shí)適當(dāng)提升支護(hù)強(qiáng)度，確保初期支護(hù)的柔性特征符合要求，保持穩(wěn)定的同時(shí)，加大圍巖的允許變形值，促進(jìn)能量的釋放，避免出現(xiàn)塌落的問(wèn)題。在后期則要提升強(qiáng)度，避免出現(xiàn)過(guò)量變形的問(wèn)題。第三，做好厚壁支護(hù)，可以使用全長(zhǎng)錨固、全螺紋鋼等錨桿，使圍巖有更大的自承圈厚度。也可以采用錨索加固的方式，可以探入深處的穩(wěn)定巖層，以此為基礎(chǔ)施加200 kN 左右的預(yù)緊力，有效限制有害變形，使受力狀態(tài)得到改善。最后，要控制圍巖破壞問(wèn)題，加強(qiáng)光面爆破技術(shù)的應(yīng)用，也可以采用膨脹材料將錨桿孔充滿。

4 結(jié)語(yǔ)

在煤礦施工的過(guò)程中，為了確保巷道施工的安全性，必須要采取有效的支護(hù)技術(shù)。針對(duì)軟巖巷道，為了確保支護(hù)的有效性，需要深入分析軟巖巷道的特點(diǎn)，然后采取針對(duì)性的支護(hù)方法，解決支護(hù)技術(shù)應(yīng)用中的各項(xiàng)問(wèn)題。要根據(jù)具體的參數(shù)變化，選擇恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)間、支護(hù)策略，確保有效的支護(hù)效果。