深部軟巖回采巷道支護(hù)方案分析

岳鵬飛

（陽(yáng)泉市大陽(yáng)泉煤炭有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

龍口礦區(qū)內(nèi)的梁家井田在地下240 m～410 m地層區(qū)域內(nèi)都有煤層存在，此區(qū)域煤層通常是泥巖、黏土巖、含油泥巖以及砂巖，巖性大多為炭質(zhì)頁(yè)巖，質(zhì)地膠結(jié)松散，因此此煤田應(yīng)該是在新生代第三系中形成的。最佳采煤層應(yīng)該是煤2和煤4層，頂板、底板以及實(shí)測(cè)煤層從硬度系數(shù)來(lái)看都不超過(guò)1，單向抗壓強(qiáng)度都不超過(guò)10 MPa。

1 工程概況

煤2層的厚度為4.21 m，含水率為3.50%，工程穩(wěn)定性為較穩(wěn)定。在煤2層的上方為油層和含油泥巖，層厚分別為7.15 m和11.42 m，含水率分別為3.46%和1.83%，單軸抗壓強(qiáng)度分別為44.30 MPa和21.06 MPa，油層的工程穩(wěn)定性為非常穩(wěn)定，含油泥巖的自由膨脹率為160.70%，比表面積為364.16 m2/g，含油泥巖的工程穩(wěn)定性為不穩(wěn)定；煤2層以下的兩個(gè)巖層為黏土巖和砂質(zhì)泥巖，含水率分別為1.33%和3.43%，單軸抗壓強(qiáng)度分別為7.93 MPa和16.13 MPa，自由膨脹率分別為185.00%和245.00%，蒙脫石含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為28.54%和11.44%，比表面積分別為170.93 m2/g和111.78 m2/g，工程穩(wěn)定性均為不穩(wěn)定。煤4層的層厚為3.1 m，含水率為3.1%，單軸抗壓強(qiáng)度為7.12 MPa，自由膨脹率為190.00%，蒙脫石含量為20.64%，比表面積263.20 m2/g，工程穩(wěn)定性為不穩(wěn)定。煤4層以上的兩個(gè)巖層為含炭泥巖和粗砂巖，層厚為5.20 m和4.36 m，單軸抗壓強(qiáng)度分別為13.26 MPa和16.58 MPa，自由膨脹率分別為145.00%和160.00%，蒙脫石含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為19.97%和17.15%，比表面積分別為212.43 m2/g和185.63 m2/g，工程穩(wěn)定性均為不穩(wěn)定。

2 深部軟巖巷道支護(hù)要求

由于處于軟巖地層當(dāng)中，在進(jìn)行巷道挖掘的過(guò)程中，底板、煤體以及頂板會(huì)有破碎松散的情況發(fā)生，從而不能形成層，圍巖不具備較高的強(qiáng)度，往往在較短的時(shí)間之內(nèi)就會(huì)失去自穩(wěn)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較為明顯的壓力[1]。圍巖具有流變性的特點(diǎn)，并且含有十分明顯的擾動(dòng)性、崩解性以及吸水膨脹性。特別是煤4層的回采巷道，由于埋深比較大，這些圍巖的特點(diǎn)和特性更加明顯，在掘巷之后一定要快速進(jìn)行支護(hù)，要求支護(hù)具有一定的強(qiáng)度，且對(duì)圍巖及時(shí)進(jìn)行封閉，從而順利完成巷道支護(hù)工作。

3 分析深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性

松軟煤巖層的穩(wěn)定性非常不好，由于煤2層和煤4層的巷道所在煤層以及頂板、底板所在煤層均處于松軟煤巖層中，所以其圍巖結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈層以及外圈層都不具備良好的穩(wěn)定性，在進(jìn)行巷道支護(hù)工作中存在較大的困難[2]。在區(qū)域內(nèi)由于煤層節(jié)理發(fā)育不正常，其透氣性較好、孔隙度較高，在煤層附近的頂板巖層已經(jīng)達(dá)到了5.2～20.0 MPa的單向抗壓強(qiáng)度，其吸水率以及內(nèi)摩擦角分別為99%和28°左右。因此，在巖層的內(nèi)部很容易有水進(jìn)入，巷道極容易發(fā)生潮解和風(fēng)化，如果巷道在空氣中暴露，那么其強(qiáng)度下降會(huì)非?？欤婚_(kāi)始圍巖外面由于吸收水分逐漸變軟，然后隨著水分的不斷吸收，逐漸發(fā)展成為流變，最后向圍巖深處不斷擴(kuò)展。在巷道吸水不斷軟化的過(guò)程中，其體積會(huì)慢慢增加最后往自由面運(yùn)動(dòng)，如果封閉不夠及時(shí)，這樣的變形會(huì)持續(xù)下去，對(duì)正常的作業(yè)造成嚴(yán)重不良影響。

3.1 深部軟巖巷道變形過(guò)程

由于處于軟巖地層中，所以巷道在受力的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生變形，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)生破壞，具體過(guò)程為：巷道的兩幫逐漸靠近，兩墻角不斷收根，同時(shí)兩肩發(fā)生崩皮、裂縫、底鼓現(xiàn)象，巷道斷面逐漸收斂，頂板和底板逐漸靠近，最后造成巷道無(wú)法滿足使用標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行返修。

3.2 深部軟巖巷道變形原因分析

軟巖巷道的底鼓現(xiàn)象是在多種物理因素的共同作用下產(chǎn)生的，是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)和物理學(xué)變化過(guò)程，主要和軟巖的圍巖應(yīng)力狀態(tài)、力學(xué)以及物理學(xué)的特性有很大關(guān)系，巷道底鼓現(xiàn)象的產(chǎn)生與軟巖的彎曲、膨脹、流變以及擴(kuò)容都有一定的關(guān)聯(lián)。

4 巷道支護(hù)形式的分析

此次選取的梁家煤礦由于是位于煤2層和煤4層中，因此針對(duì)巷道的支護(hù)形式采用的是復(fù)合支護(hù)。復(fù)合支護(hù)指的是采取兩次支護(hù)，采用錨網(wǎng)噴為一次支護(hù)，采用料石碹或者混凝土灌注為二次支護(hù)[3]。在回采巷道支護(hù)中一般采用的是錨網(wǎng)噴聯(lián)合錨梁的支護(hù)形式和錨網(wǎng)噴的支護(hù)形式：選取的錨桿為圓鋼錨桿，規(guī)格為Φ14mm×1900mm，選取規(guī)格為Φ35mm×250 mm的水泥藥卷，對(duì)端頭進(jìn)行端頭錨固，保持錨桿間排距在600～800 mm之間；采用規(guī)格為Φ4 mm的冷拔鋼筋網(wǎng)作為金屬網(wǎng)；初次噴厚70 mm，后期噴厚在100～120 mm之間；錨梁采用的是U25型鋼加工，錨梁的長(zhǎng)度在2.0～3.2 m之間，間距和矢高分別為1 000 mm和400 mm左右，巷道的施工方法主要有兩種，一種為綜掘機(jī)掘進(jìn)法，一種為爆破掘進(jìn)法，在當(dāng)前的回采巷道中通常采用綜掘機(jī)掘進(jìn)法。

在煤2層采用上面介紹的支護(hù)方式一般都較為成功，但是在煤4層卻不一定適用，這是因?yàn)槊?層所具備的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，所在的煤層水平更深。所以，直接套用煤2層的回采面順槽支護(hù)方式應(yīng)用在煤4層的回采面順槽中是不可取的。

5 煤4層的回采巷道支護(hù)方案分析

5.1 支護(hù)方案的選擇

由于煤4層的巷道圍巖特點(diǎn)的不同，在進(jìn)行支護(hù)形式的選擇時(shí)要注意以下兩個(gè)要點(diǎn)：第一，確保支護(hù)工作能夠及時(shí)進(jìn)行，避免支護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致支護(hù)工作無(wú)法順利開(kāi)展或者沒(méi)有支護(hù)效果，對(duì)圍巖要及時(shí)禁錮，避免圍巖發(fā)生較大的形變，提高圍巖自身的承載能力，確保巷道支護(hù)工作的順利開(kāi)展，保證支護(hù)工作的施工安全[4]。第二，確保支護(hù)體能夠?qū)乖瓗r應(yīng)力，因此要求支護(hù)體具備較高的強(qiáng)度，能夠滿足對(duì)抗原巖應(yīng)力的要求，確保支護(hù)工作滿足支護(hù)要求。

5.2 支護(hù)形式的選擇

結(jié)合龍口礦區(qū)區(qū)域下組煤的巷道支護(hù)實(shí)際情況，對(duì)煤4層回采巷道支護(hù)工作的相關(guān)要求進(jìn)行分析，煤4層的上下順槽巷道的施工底板送巷，通常都是選擇4層到6層底板上方的0.5 m處。但是由于和下組煤回采巷道是第一次接觸，因此采用的支護(hù)方式為：上組煤采用直墻半圓拱或者直墻三心拱斷面，支護(hù)形式采用的是錨網(wǎng)噴與錨梁聯(lián)合支護(hù)的形式。選擇了兩種支護(hù)參數(shù)，分別如下：第一，采用規(guī)格為Φ14 mm×1 900 mm的圓鋼錨桿，在全斷面都有布置，采用的水泥藥卷規(guī)格為Φ35 mm×250 mm，間排距為650 mm×650 mm，端頭錨固，采用的冷拔鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為Φ4 mm；第一次噴厚為70 mm，最終噴厚為120 mm；支護(hù)采用的錨梁長(zhǎng)為3 m，錨梁之間的間距為1 000 mm，錨梁固定錨桿采用的錨桿規(guī)格為Φ18mm×2250mm，采用的樹(shù)脂藥卷規(guī)格為Φ35mm×400 mm，端頭錨固[5]。第二，頂板采用的錨桿規(guī)格為Φ18 mm×2 250 mm，樹(shù)脂藥卷的規(guī)格為Φ35 mm×400 mm，端頭錨固，錨桿的間排距為650 mm×900 mm，將其與錨梁錨桿之間呈交錯(cuò)狀，每個(gè)錨梁之間的間距為900 mm，采用的鋼筋焊接網(wǎng)規(guī)格為Φ6 mm；兩幫采用的錨桿規(guī)格為Φ14 mm×1 900 mm，使用的水泥藥卷規(guī)格為Φ35 mm×250 mm，端頭錨固，每個(gè)錨桿之間的間排距為650 mm×650 mm，采用的冷拔鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為Φ4 mm。另外，針對(duì)涌水影響以及斷層影響的地段，還需要采取料石反底拱支護(hù)措施，這樣能夠使支護(hù)方式形成全斷面封閉式的形式，提升支護(hù)效果。

5.3 煤4層回采巷道支護(hù)方案的實(shí)際應(yīng)用

在煤4層的三個(gè)回采工作面順槽巷道中應(yīng)用了上述的煤4層回采巷道支護(hù)方案，取得了較好的支護(hù)效果，直至將采煤專業(yè)回采交付之前，都沒(méi)有大規(guī)模返修情況的出現(xiàn)。

6 結(jié)論

1）如果軟巖巷道的圍巖沒(méi)有被支護(hù)，那么在頂板、兩幫以及頂角處都會(huì)發(fā)生圍巖變形，并且在兩幫和圍巖頂板處還存在有較大的塑性區(qū)。因此針對(duì)軟巖巷道圍巖，主要是要將拱頂、兩幫、拱頂兩角等關(guān)鍵部位進(jìn)行控制。

2）在軟巖巷道的支護(hù)工作中，采用錨噴網(wǎng)支護(hù)技術(shù)主要是能夠?qū)⑾锏理敯?、兩幫以及頂角處的位移量進(jìn)行控制，不但使巷道塑性區(qū)的延伸厚度得到極大減少，并且使巷道圍巖的穩(wěn)定性得到有效保證，從而使礦井的生產(chǎn)得到安全保障。

3）在深層軟巖巷道支護(hù)方案的選擇以及參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)法、理論分析法以及工程類比法來(lái)對(duì)方案的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，另外為了使支護(hù)參數(shù)更加科學(xué)、支護(hù)方案更加合理可以采用數(shù)值模擬技術(shù)，除此以外，此技術(shù)還能夠進(jìn)一步補(bǔ)充驗(yàn)證巷道加固的效果，使錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、有效性、合理性得到保證。

4）對(duì)煤4層巷道支護(hù)形式進(jìn)行了改革，不但降低了巷道的返修率，同時(shí)節(jié)約了巷道的支護(hù)成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用此支護(hù)方案減少896 m左右的返修工程量，而巷道的成本大概在1 330元/m，因此此支護(hù)方案大約為礦井節(jié)約了119.17萬(wàn)元的資金，此次項(xiàng)目中采用的支護(hù)形式非常的合理，不但在掘進(jìn)單進(jìn)方面具有非常大的提高，并且收獲的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益也非常好。