軟巖巷道安全支護技術(shù)探究

馮溪陽

云南國土資源職業(yè)學(xué)院

就相關(guān)資料的研究分析，由于巷道變形量較大、支護相對困難并且返修的效果偏低等，不但會增大開采的難度以及對技術(shù)的要求，同時也會影響生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)安全性，同時給巷道的安全使用也帶來極大的隱患，導(dǎo)致井下的工作人員面臨極大的生命安全威脅。所以針對軟巖巷道安全支護技術(shù)分析對于建設(shè)安全高產(chǎn)高效的礦井有著重要的意義。

1 軟巖巷道變形力學(xué)機理及影響因素分析

出現(xiàn)軟巖巷道變形是因為多個因素耦合作用，一般是在壓力效應(yīng)的作用下，二次應(yīng)力值要比圍巖極限強度以及塑性極限更強，使得圍巖出現(xiàn)明顯的流變，巷道圍巖出現(xiàn)變形、破裂以及破壞等情況，從而表現(xiàn)出明顯的地壓力效應(yīng)。軟巖巷道圍巖出現(xiàn)變形失穩(wěn)的力學(xué)機制，主要包含了結(jié)構(gòu)變形型、擴容型以及物化膨脹型3個方面。

應(yīng)力擴容形變和力源有著直接的關(guān)系，讓軟巖受到凈水壓力、上覆巖層自重力以及動水壓力、工程偏應(yīng)力等情況的影響，就會破壞巖體，造成變形[1]。

結(jié)構(gòu)變形的機制與圍巖結(jié)構(gòu)面以及結(jié)構(gòu)本身的聯(lián)合特性有著關(guān)系。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特征、結(jié)合類別、形成特點以及巷道位置都對其有直接關(guān)系，進而對軟巖發(fā)生變形以及失穩(wěn)的規(guī)律產(chǎn)生影響。

物化膨脹則取決于巖體本身的化學(xué)性能。膨脹巖屬于親水性巖石，其本身的晶體結(jié)構(gòu)會直接將水分子吸附在晶層的內(nèi)部，導(dǎo)致具備礦物質(zhì)顆粒的膠體出現(xiàn)膨脹，進而引發(fā)物質(zhì)顆粒內(nèi)部的膨脹。

對于軟巖巷道變形破壞產(chǎn)生影響的因素：軟巖具備明顯的流變特性，由于長時間的荷載作用，就會有持續(xù)的變形出現(xiàn)。所以軟巖巷道的變形與時間有著密切的關(guān)系，巖體強度、圍巖結(jié)構(gòu)、膠結(jié)強度等巖體本身的特性就會對軟巖巷道圍巖產(chǎn)生變形的主要因素，且工程偏應(yīng)力、參與構(gòu)造應(yīng)力以及本身的重力等因素都可能受到外界的影響。地下水體會導(dǎo)致膨脹型軟巖吸水膨脹，從而出現(xiàn)軟化，這樣也會對圍巖變形產(chǎn)生影響[2]。

2 軟巖巷道特征及支護困難的原因分析

2.1 軟巖巷道特征

（1）來壓快，自身穩(wěn)定的時間短。自身穩(wěn)定時間是圍巖在無支護狀態(tài)下從暴露到失穩(wěn)冒落的時間。自穩(wěn)時間和地壓大小以及圍巖強度有著直接的關(guān)系，并且也會受到位置、巷道形狀以及掘進方法的影響。軟巖巷道自穩(wěn)的時間很短，一般幾十分鐘到幾個小時即可，且來壓快，需要超前支護或者是及時支護[3]。

（2）圍巖的變形量較大，并且持續(xù)時間長。一般來說，當(dāng)軟巖巷道掘進1～2天，就會達到10～20mm的變形量，并且變形的時間長達25～60天，甚至超過半年。就算是選擇了支護措施，依舊會有個別軟巖巷道出現(xiàn)較大的變形量。

（3）圍巖四周來壓底鼓明顯。針對相對堅硬的巖層，圍巖對于支架造成的壓力來源于頂板和兩幫，但是軟巖巷道之中是四周來壓，其底鼓較為明顯。這主要是因為松軟巖層本身的結(jié)構(gòu)疏松、強度偏低，無法支撐覆巖層的重量。

2.2 軟巖巷道的支護

首先，軟巖巷道本身的圍巖成巖的年代晚，其膠結(jié)程度較差，這樣就很容易讓煤層的頂板和底板出現(xiàn)破壞，進而風(fēng)化。

其次，煤礦之中存在泥巖、砂質(zhì)泥巖等軟巖，其本身的強度較低，主要表現(xiàn)在圍巖松散軟弱，一旦受到的應(yīng)力水平較高，就會出現(xiàn)極大的變形，進而影響巷道的支護。

最后，巖體破碎、節(jié)理發(fā)育。部分礦區(qū)雖然巖石強度較高，但是考慮到節(jié)理發(fā)育，巖石破碎，就很容易表現(xiàn)軟巖特征，并且支護也非常的困難[4]。

3 軟巖巷道錨固方案設(shè)計及參數(shù)的確定

3.1 巷道錨固方案設(shè)計

3.1.1 開拓大巷錨固方案支護設(shè)計

在大巷支護方案設(shè)計中，選擇錨索+錨桿+網(wǎng)+U型鋼支架來開展支護，所選擇的方案參數(shù)，見表1。

表1 開拓大巷錨固方案基本情況

3.1.2 工作面順槽錨固方案支護設(shè)計

在大巷支護方案設(shè)計中，選擇錨索+錨桿+網(wǎng)+W鋼帶來開展支護，所選擇的方案參數(shù)，見表2。

表2 工作滿順槽錨固的基本情況

3.2 錨固材料的規(guī)格、性能及其選擇

3.2.1 錨固劑

目前，國內(nèi)常見的樹脂錨固卷規(guī)格，見表3，各個型號的固化性能，見表4。按照實際的應(yīng)用分析，并且考慮到錨桿孔直徑、錨固劑直徑以及錨桿直徑的要求，所以在設(shè)計頂板以及兩幫的時候都選擇樹脂錨固劑K2360與Z2360型號。其中K表示快速錨固劑，Z表示中速錨固劑[5]。

表3 樹脂錨固卷的規(guī)格尺寸

表4 樹脂錨固劑的固化性能

3.2.2 錨桿

本次所設(shè)計的巷道特點在于：第一，2#煤層的平均厚度為1.43m，選擇長臂高檔普采采煤法，全部使用垮落法管理頂板。第二，2#煤層的頂板存在泥巖，細(xì)中砂巖，破碎，本身的穩(wěn)定性較差，并且集中了皮帶大巷、集中軌道大巷、回風(fēng)大巷以及工作面順槽均沿著底板掘進?；谙锏绹鷰r地質(zhì)力學(xué)條件以及FLAC3D數(shù)值進行計算結(jié)果模擬，皮帶大巷、集中軌道大巷、回風(fēng)大巷均選擇Ф22mm的高強度螺紋鋼錨桿；2#工作面順槽頂板選擇Ф22mm玻璃鋼錨桿，非工作幫選擇Ф22mm的高強度螺紋鋼錨桿（20MnSi）。2#煤集中弄皮帶大巷、軌道大巷以及回風(fēng)大巷兩幫都選擇的Ф22mm的高強度螺紋鋼錨桿（20MnSi）。按照服務(wù)時間、斷面尺寸以及錨桿的間排距，確定各個巷道錨桿的規(guī)格與尺寸。

3.2.3 錨桿梁

在錨桿支護中，錨桿梁是關(guān)鍵構(gòu)件。按照巷道的深度、斷面、圍巖的具體條件以及支護方式，2#煤順超頂板選擇W型鋼帶錨桿梁。另外，考慮到加工的難易度、經(jīng)濟型、施工安全等條件，最終兩幫錨桿梁選擇Ф16mm的普通圓鋼焊制。對于開拓大巷頂板、兩幫和2#煤工作面順槽兩幫錨桿鋼筋梯子梁的規(guī)格與加工尺寸，如圖1-3。

圖1 開拓大巷頂錨桿鋼筋梯子梁

圖2 開拓大巷錨桿鋼筋梯子梁

圖3 順槽幫錨桿鋼筋梯子梁

3.3 錨桿錨固參數(shù)的確定

3.3.1 錨桿錨固形式的確定

按照錨固長度的差異，將錨固劃分為全長錨固、加長錨固以及端頭錨固3個方面。經(jīng)過相應(yīng)的分析，全長或者是加長錨固錨桿支護系統(tǒng)的優(yōu)點要明顯高于端頭錨固錨桿。一般在頂板相對完整穩(wěn)定，并且應(yīng)力偏小的巷道之中可以選擇端頭錨固錨桿的方式；如果地形條件復(fù)雜，并且操作困難，則可以考慮全長錨固或者是加長錨固。針對裂隙、節(jié)理以及層理十分發(fā)育受到采動影響的動壓巷道，端頭錨固錨桿本身的適應(yīng)性較差，所以就應(yīng)該選擇全長以及加長的錨固錨桿支護系統(tǒng)。針對本次的2#煤巷的實際情況，選擇加長錨固的方式進行支護操作。

3.3.2 錨桿預(yù)緊力的確定

（1）盡量增加安裝錨桿的預(yù)警扭矩。按照錨固劑的力學(xué)性能、錨桿桿體材料、鉆孔與錨固劑之間的粘結(jié)特性，在允許的前提下，錨桿預(yù)緊可以選擇大扭矩扳手、氣動扳手或者是大扭矩錨桿鉆進來進行操作。

（2）確保錨桿尾部的螺母與螺紋之間的光潔度，盡可能的減少摩擦當(dāng)量角。通過錨桿加工工藝的控制，或者是在螺紋段落涂抹潤滑油脂，就可以滿足其光潔度的要求。

（3）降低錨桿螺母與球墊以及托盤之間的摩擦力?？紤]到螺母和球墊以及托盤之間可能會有水平摩擦力的存在，進而形成摩擦扭矩，就需要將施工機具提供的預(yù)緊扭矩消除，降低錨桿預(yù)緊力。所以可以利用尼龍墊圈的設(shè)置，就能有效降低摩擦阻力。

基于上述的分析，提升巷道圍巖穩(wěn)定性可以選擇增加錨桿預(yù)緊力的方式進行，但是考慮到錨桿螺紋加工精度較低、可回收錨桿承載能力低以及施工機具等方面的條件限制，再結(jié)合本煤礦的基本情況，施工之中只能夠要求：工作幫的玻璃鋼錨桿預(yù)緊扭矩需超過150N·m；而非工作幫錨桿或者是巷道的頂板，預(yù)緊扭矩必須超過200N·m[6]。

4 結(jié)束語

總而言之，考慮到軟巖地區(qū)本身的巖體結(jié)構(gòu)強度以及剛度的問題，在進行煤礦開挖的過程中，就很容易讓其進入高應(yīng)力的狀態(tài)，進而造成軟巖的破碎，影響安全開挖。雖然一般的錨桿支護技術(shù)能夠解決軟巖巷道變形的問題，但是考慮到不同區(qū)域的應(yīng)力的狀態(tài)存在較大的差異，如果選擇單一的支護形式其效果不夠明顯，并且還可能留下安全隱患。所以通過本文對于煤礦軟巖巷道安全支護技術(shù)的分析，針對錨固方案進行針對性的設(shè)計，確定合理的支護方案，這樣就能最大限度的保障煤礦開采的安全性。