煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)探討

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司 山西 030001）

前言

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中不僅對(duì)煤礦企業(yè)的采礦技術(shù)和設(shè)備提出了很高的要求，而且其開(kāi)采時(shí)會(huì)造成一定程度的地質(zhì)破壞，從而導(dǎo)致事故發(fā)生。為了防止事故發(fā)生，需要采用科學(xué)的掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)保護(hù)采空區(qū)，避免巖層出現(xiàn)破壞從而導(dǎo)致塌落等問(wèn)題，保證相關(guān)人員的安全，提高開(kāi)采效率。

1.煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)的難點(diǎn)

地下巖層的結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)特征給煤礦巷道軟巖的掘進(jìn)支護(hù)帶來(lái)一定的困難，主要有：（1）軟巖強(qiáng)度不高，在力的作用下很容易變形和破碎、坍塌，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)支護(hù)的穩(wěn)定性；（2）在圍巖的高應(yīng)力作用下，巖層處于軟巖狀態(tài)，而開(kāi)采面積的加大和開(kāi)采深度的增加，會(huì)使巷道圍巖的應(yīng)力更為集中，從而對(duì)巷道掘進(jìn)支護(hù)造成影響；（3）軟巖層含有許多吸水力強(qiáng)的粘土礦物，與水接觸后會(huì)膨脹，從而使巖體松散，因此需要在掘進(jìn)過(guò)程中，采取一定的防水措施，以防止采煤過(guò)程中頂板在與水接觸時(shí)膨脹坍塌。

2.煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)要點(diǎn)

為了保證煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)的安全性，需要根據(jù)實(shí)際情況分析地質(zhì)構(gòu)造，然后針對(duì)性的進(jìn)行煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)施工，主要如下：（1）在施工過(guò)程中，必須準(zhǔn)確計(jì)算施工時(shí)間。施工過(guò)程中的主要困難是軟巖強(qiáng)度低，巖體失穩(wěn)和圍巖應(yīng)力大。但是，在軟巖巷道掘進(jìn)時(shí)，會(huì)有較短的圍巖自穩(wěn)定時(shí)間，因此必須充分考慮圍巖的自穩(wěn)時(shí)間并將其用于施工計(jì)劃中，嚴(yán)格控制施工時(shí)間，克服施工困難；（2）巷道的位置也對(duì)掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)有所影響，在巷道掘進(jìn)施工之前，應(yīng)仔細(xì)檢查圍巖的類型和巖性分布，必須根據(jù)軟巖的分布位置和礦山的地質(zhì)特征計(jì)算和巷道受力的大小和方向，巷道掘進(jìn)路線應(yīng)選擇最合理的應(yīng)力區(qū)，以避免低強(qiáng)度巖層上高應(yīng)力，充分優(yōu)化巷道的位置；（3）當(dāng)前，許多煤礦在軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)構(gòu)造中使用半圓拱斷面，分為兩種類型：橢圓形和馬蹄形，選擇時(shí)根據(jù)巖石應(yīng)力和巷道斷面尺寸使支護(hù)段合理，避免巷道掘進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的影響；（4）施工過(guò)程中存在軟巖強(qiáng)度低的困難，為克服這一困難，為提高圍巖強(qiáng)度，提高巷道支護(hù)性，操作人員通常采用錨桿和注漿相結(jié)合的方法來(lái)穩(wěn)定和加固圍巖，使實(shí)際施工過(guò)程圍巖具有一定的自支護(hù)能力，從而增加圍巖的強(qiáng)度。

3.煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)

在應(yīng)用煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的過(guò)程中，考慮到當(dāng)前支護(hù)管理的內(nèi)容和要求，在后續(xù)設(shè)置中必須注意控制過(guò)程的實(shí)施，嚴(yán)格按照支護(hù)管理指標(biāo)和實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)置?，F(xiàn)階段煤礦中機(jī)械操作已成為巷道掘進(jìn)的工作方式，綜掘機(jī)掘進(jìn)和鉆爆法掘進(jìn)是當(dāng)今的主要掘進(jìn)方法，每種方法都有其自身的優(yōu)勢(shì)。選擇有效的掘進(jìn)方法時(shí)，應(yīng)考慮煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。軟巖巷道的掘進(jìn)支護(hù)施工過(guò)程可以概括為初次支護(hù)、二次支護(hù)和底板支護(hù)管理。在施工過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行施工，以增加圍巖的強(qiáng)度和自承能力，使支護(hù)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，確保巷道平整。目前，主要有以下煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)。

(1)煤礦軟巖巷道掘進(jìn)技術(shù)

由于機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦軟巖中的大部分巷道掘進(jìn)是機(jī)械進(jìn)行的，主要采用鉆爆法。常規(guī)的機(jī)械化設(shè)備包括氣腿式鑿巖機(jī)、耙斗式裝巖機(jī)，液壓鉆頭+履帶式挖掘裝卸機(jī)、液壓鉆頭+側(cè)卸式鑿巖機(jī)等。與傳統(tǒng)掘進(jìn)方式相比進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)可以大大提高工作效率，減輕施工人員的負(fù)擔(dān)，有效縮短煤礦巷道的施工時(shí)間。在煤礦中進(jìn)行掘進(jìn)之前，有必要對(duì)圍巖條件和巷道路線進(jìn)行系統(tǒng)的研究。根據(jù)實(shí)際條件，結(jié)合煤炭企業(yè)的施工設(shè)備，選擇科學(xué)合理的掘進(jìn)方法和施工設(shè)備。鉆爆法掘進(jìn)通常用于堅(jiān)硬巖層中的巷道掘進(jìn)施工，而綜掘機(jī)掘進(jìn)具有很高的平均速度，可以獲得光滑的巷道外壁，為支護(hù)施工提供極大的便利，并提高支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力。

(2)錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)

錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，在煤礦軟巖巷道掘進(jìn)時(shí)，可分為4部分，結(jié)合軟巖煤礦巷道的特點(diǎn)和分析錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。

①錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)在軟巖巷道的特點(diǎn)是緊湊、靈活、及時(shí)等。錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)的施工非常簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且使用安全，通常用于煤礦的軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)中。近年來(lái)，隨著錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，已開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)度錨桿，以提高錨網(wǎng)噴支護(hù)性能，并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。在煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)中，高強(qiáng)度錨網(wǎng)噴支護(hù)分為噴層、錨桿、鋼筋網(wǎng)。噴層應(yīng)靠近圍巖的位置，以防止圍巖風(fēng)化，并增加圍巖的穩(wěn)定性。鋼筋網(wǎng)以增加柔韌性，一方面加固了軟巖巷道，另一方面提高錨網(wǎng)噴支護(hù)整體性能和抗變形能力，從而避免了周圍巖石的裂縫。錨網(wǎng)噴支護(hù)的應(yīng)力是相對(duì)均勻的，可以直接改變圍巖的整體應(yīng)力結(jié)構(gòu)并反映穩(wěn)定性特征。

②錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)中的錨桿結(jié)構(gòu)更為關(guān)鍵，將錨桿連接噴網(wǎng)后，可以大大提高巖石的穩(wěn)定性，并可以防止軟巖巷道的破裂區(qū)和塑性區(qū)的擴(kuò)張。在巖體變形之前，將錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)引入巖石中，以確保巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并提高巖體本身的承載能力。在軟巖巷道掘進(jìn)時(shí)，錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)在防止圍巖變形方面發(fā)揮巨大作用，無(wú)需過(guò)度修復(fù)即可實(shí)現(xiàn)變形控制。軟巖巷道掘進(jìn)時(shí)，必須根據(jù)煤礦軟巖層的實(shí)際情況選擇錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)。如果巖石結(jié)構(gòu)稍微好一點(diǎn)，則可以使用分次技術(shù)來(lái)支持巷道掘進(jìn)支護(hù)。相反，巖石的結(jié)構(gòu)較弱，必須一次實(shí)施巖石支護(hù)，以避免對(duì)周圍巖石結(jié)構(gòu)造成二次破壞，并確保煤礦軟巖巷道掘進(jìn)高效性。

③U型鋼與錨網(wǎng)噴支護(hù)組合應(yīng)用，在巷道掘進(jìn)期間，煤礦中軟巖區(qū)域多，僅選擇支護(hù)技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生明顯的效果。U型鋼應(yīng)與錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)合使用可以極大提高支護(hù)效果，一般首先錨網(wǎng)噴支護(hù)施工，然后安裝U型鋼以輔助支護(hù)。

④砌碹技術(shù)，此技術(shù)更為傳統(tǒng)，可以為煤礦中的軟巖掘進(jìn)提供穩(wěn)定的支護(hù)系統(tǒng)，承受圍巖的壓力，并在軟巖中提供抗壓屏障，從而使圍巖具有足夠的穩(wěn)定性。在正常情況下，砌碹技術(shù)起輔助作用。在煤礦軟巖巷道掘進(jìn)時(shí)，錨網(wǎng)噴支護(hù)實(shí)施后，但在周圍的巖壁上仍然有斷裂點(diǎn)。此時(shí)，應(yīng)選擇砌碹支護(hù)以直接增強(qiáng)軟巖，防止巖層開(kāi)裂。煤礦中的軟巖巷道的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，并且支護(hù)系統(tǒng)不能與周圍的巖石緊密接觸。但是，砌碹支護(hù)是一種剛性支護(hù)方法，可以首先確定圍巖的變形，以防止圍巖過(guò)壓并充分保護(hù)軟巖巷道的安全。砌碹支護(hù)技術(shù)是一種被動(dòng)支護(hù)方法，主要分為兩種形式：混凝土砌塊和現(xiàn)澆筑式。在控制過(guò)程中，進(jìn)行機(jī)械化施工，在實(shí)踐中，具有很高的抗壓強(qiáng)度。該技術(shù)的效果顯而易見(jiàn)可以在相對(duì)固定的巷道上大規(guī)模使用。

(3)錨注支護(hù)技術(shù)

為了充分利用錨桿的優(yōu)勢(shì)并在軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)時(shí)增加圍巖的強(qiáng)度，可以將錨桿用作注漿管，進(jìn)行外部錨固和內(nèi)部注入，實(shí)現(xiàn)錨固和注漿一體化。錨注支護(hù)技術(shù)可以優(yōu)化圍巖的松動(dòng)程度，從而使巖體中的固結(jié)力明顯，內(nèi)摩擦增大，從而提高了圍巖的強(qiáng)度，激發(fā)了圍巖的潛在承載力。由錨注支護(hù)技術(shù)形成的加強(qiáng)環(huán)可以為錨桿提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而使錨桿可以加固松散的圍巖。錨注支護(hù)技術(shù)注漿使破裂的圍石之間的間隙變得更為緊密，從而可將載荷均勻地施加到圍巖上在實(shí)際應(yīng)用中，錨注支護(hù)技術(shù)具有很高的抗壓強(qiáng)度和承載能力，可以提供增強(qiáng)的支護(hù)作用。與單支護(hù)法相比，錨注聯(lián)合支護(hù)法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，充分合理的注漿位置可以提高整體承載能力，將圍巖本身的主承壓層與由錨桿支架形成的承壓層相連，增加巖體的承壓面。在應(yīng)力支護(hù)分析中，錨注支護(hù)技術(shù)可以將參數(shù)設(shè)置與實(shí)際條件結(jié)合起來(lái)以改善總體支護(hù)效果。

(4)棚式支護(hù)技術(shù)

這種方式是一種被動(dòng)支護(hù)方法。在整個(gè)過(guò)程中，使用諸如木材，優(yōu)質(zhì)石材和金屬保護(hù)層之類的材料，適應(yīng)與淺部圍巖支護(hù)，石材與木材的比較，整體性能優(yōu)勢(shì)明顯，相對(duì)安全。考慮到變形量和支護(hù)成本，可以將其應(yīng)用于使用壽命長(zhǎng)的煤礦巷道。金屬材料是主要的元素，可用作控制煤礦支架的剛性材料，由于相對(duì)較高的成本和地質(zhì)環(huán)境的影響，巖石表面和金屬不能適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合，會(huì)引起許多問(wèn)題。

4.煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用分析

煤礦軟巖巷道掘進(jìn)后，原始圍巖的自然應(yīng)力被破壞，應(yīng)力效應(yīng)被重新分配，考慮到煤礦軟巖層中的初始承載力不足，應(yīng)使用支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償以提供整體支護(hù)，同時(shí)確保圍巖的承載力。在分析軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)，必須分析錨桿和托盤(pán)的可靠性，并且托盤(pán)的厚度必須符合標(biāo)準(zhǔn)，如果托盤(pán)上有問(wèn)題將影響支護(hù)穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致預(yù)緊不足。在分析支護(hù)效果時(shí)，有必要根據(jù)軟巖層中的特定巷道條件規(guī)劃斷面位置，支護(hù)錨桿的長(zhǎng)度和直徑，靈活地更換錨索和支護(hù)，并改善支護(hù)參數(shù)應(yīng)用，控制支護(hù)效果，滿足軟巖層煤礦巷道的基本需求。當(dāng)煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)新的支護(hù)參數(shù)。這些參數(shù)需要分析以確定合理。通過(guò)科學(xué)地預(yù)設(shè)錨桿，可以控制圍巖。由于可能會(huì)在預(yù)設(shè)設(shè)置中滑動(dòng)，因此會(huì)造成圍巖不同程度的損壞。在預(yù)設(shè)錨桿過(guò)程中，利用支護(hù)的現(xiàn)有優(yōu)點(diǎn)，在錨固區(qū)構(gòu)建剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)。圍巖內(nèi)的實(shí)際應(yīng)力分布更為復(fù)雜，為了更好地控制外部巖層的異常響應(yīng)，錨桿支護(hù)系統(tǒng)必須確保連續(xù)釋放圍巖。全面的理論分析，數(shù)值模擬和日常試驗(yàn)是煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

5.結(jié)束語(yǔ)

在煤礦軟巖巷道掘進(jìn)支護(hù)中，有必要重視對(duì)支護(hù)效果的持續(xù)性評(píng)估。通過(guò)結(jié)合煤礦的實(shí)際情況，選擇合適的安全評(píng)估方法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為保證煤礦的安全施工以及支護(hù)技術(shù)的總體進(jìn)步打下基礎(chǔ)。