軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)探析

穆 晨，商顯洋，石 超

（新汶礦業(yè)集團(tuán)（伊犁）能源開發(fā)有限責(zé)任公司一礦，新疆 伊寧 835300）

煤炭工業(yè)發(fā)展為我國社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了有力支撐，同時(shí)，煤炭生產(chǎn)的安全性也受到了廣大學(xué)者的關(guān)注與重視。在軟巖礦井巷道施工工藝中，掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用較為關(guān)鍵，直接影響了礦井生產(chǎn)安全和生產(chǎn)質(zhì)量。為此，礦井企業(yè)應(yīng)結(jié)合軟巖礦井巷道具體條件，有針對性地制訂掘進(jìn)頂板支護(hù)方案，并采取行之有效的支護(hù)措施，以保證巷道施工的安全性和可靠性。對此，文章通過對軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)進(jìn)行討論與分析，以期為廣大學(xué)者提供參考及建議。

1 軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)

1.1 礦用支護(hù)型鋼

礦用支撐型鋼結(jié)構(gòu)作為礦井掘進(jìn)巷道支護(hù)的主要形式，其性能優(yōu)良[1]。目前，礦井支護(hù)所用鋼主要分為“U”型鋼和“工”型鋼。在具體應(yīng)用過程中，為確保煤層支撐型鋼同時(shí)具備抗剪、抗拉和抗擠壓等力學(xué)性能，選擇時(shí)應(yīng)對其種類進(jìn)行嚴(yán)格控制。通常情況下，礦井中使用支撐型鋼比較廣泛，但因?yàn)榈V井中有梯形、半圓拱、弧形等不同斷面，所以要有針對性地選用。此外，針對礦井巷道施工中存在技術(shù)困難、支護(hù)要求較高的問題，應(yīng)確保支護(hù)有較好可伸縮性；同時(shí)，在支護(hù)構(gòu)造上充分發(fā)揮支護(hù)承載力及斷面阻抗轉(zhuǎn)矩作用，以此保證支護(hù)承載力及煤巷應(yīng)力值處于較高的穩(wěn)定性[2]。

1.2 錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)由錨桿（索）、托盤、錨固性能劑、鋼帶、網(wǎng)等組成，各組成部分各有其特點(diǎn)，其中，功能錨桿作用作為使煤層張拉及剪應(yīng)力同時(shí)增大，有利于保障整個煤層應(yīng)力增大。支架施工區(qū)域中起到連接錨索兩端的作用，并將預(yù)緊力通過錨索向周邊巖體傳遞，避免支護(hù)巖體破裂、結(jié)構(gòu)面滑落以及支護(hù)巖體脫落等問題。錨固性能劑作為固化劑，能夠?qū)㈠^桿支撐體與煤層頂板緊密結(jié)合，提高煤層開采效率。鋪裝網(wǎng)對鋪裝層起到兩重作用：首先，增強(qiáng)鋪裝層承載力；其次，防止礦體崩塌，確保礦體安全[3]。

1.3 可縮性支架

礦井巷道施工中可收縮支架作為相對常用支撐方式，具有雙向收縮優(yōu)勢的同時(shí)，也具有較強(qiáng)的靈活性。目前，此方法在Ⅲ、Ⅳ型巷道中有較好推廣應(yīng)用前景，兩型巷道斷面均小于8.2m2，極大程度上提高了支護(hù)的可靠性及穩(wěn)定性，對于提高采煤安全性和效率具有促進(jìn)意義。

1.4 預(yù)留柱支護(hù)

礦井生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展，煤柱留置法在礦井生產(chǎn)中得到越來越多的應(yīng)用。為確保井下巷道圍巖穩(wěn)定性，應(yīng)在上區(qū)段與下區(qū)段之間預(yù)留一定距離，以確保支撐系統(tǒng)正常工作。在風(fēng)平巷中，為盡量避免支護(hù)負(fù)荷，將支護(hù)負(fù)荷影響減到最小，通常會根據(jù)礦井具體情況進(jìn)行選擇。此外，雖然預(yù)留柱作為相對簡單且易操作的工程工藝，但其施工成本較高及運(yùn)營成本較高，且在一定程度上會影響采掘效果。

1.5 混凝土澆筑技術(shù)

除以上工藝外，井下巷道也可采用混凝土澆筑工藝，將混凝土澆筑到某個截面，通過一系列工程實(shí)踐，在該截面上形成新支撐表面。該支護(hù)技術(shù)具有封閉迅速、支護(hù)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，有利于降低巷道圍巖暴露與損傷。采用混凝土澆筑技術(shù)中，可通過對圍巖進(jìn)行合理圍巖布置，使得圍巖內(nèi)應(yīng)力盡量均勻，減小圍巖內(nèi)壓力，防止圍巖因圍巖過大而損壞，進(jìn)而保證圍巖的穩(wěn)定性。

2 軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)常見問題及成因

軟巖礦井巷道對頂板支護(hù)要求較高，為保證軟巖礦井巷道掘進(jìn)過程中頂板支護(hù)的有效控制，在支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇上應(yīng)具有較強(qiáng)的針對性，針對不同用途、不同地質(zhì)構(gòu)造的礦井巷道，采用相適應(yīng)支護(hù)措施，如錨網(wǎng)、金屬支架、直墻半圓拱支護(hù)等，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效驗(yàn)證及對其應(yīng)用范圍進(jìn)行分析。目前，軟巖巷道普遍采用不會導(dǎo)致巷道失穩(wěn)的支護(hù)方式，如采用拱棚-錨網(wǎng)聯(lián)合的支護(hù)方式[4]。誠然，由于軟巖的特殊性質(zhì)，成巷初期由于擠壓、膨脹等原因，極大程度上容易發(fā)生變形的問題，進(jìn)而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)。具體如下。

2.1 軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)常見問題

軟巖巷道頂板支護(hù)存在著許多問題，其中最普遍的問題有：變形不易察覺，變形速度快，礦井開采對基坑破壞大，以及圍巖與支架協(xié)調(diào)程度低，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1.1 軟巖變形不易被察覺

軟巖礦井巷道成形中，由于人為擾動作用，往往會導(dǎo)致軟巖變形，但這種變形并非即時(shí)表現(xiàn)出來，隨著時(shí)間增加而逐漸出現(xiàn)，這種變形效應(yīng)會逐漸累積和顯現(xiàn)出來，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，就可能導(dǎo)致礦井垮塌，給礦井帶來安全隱患。

2.1.2 形變速度快

巷道變形在早期不易被發(fā)現(xiàn)，但變化速度較快，當(dāng)有關(guān)人員意識到變形后，所能做預(yù)防或應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間都較短，對井下巷道工作安全帶來巨大威脅。

2.1.3 礦井開采對于底部破壞較大

礦井采掘作業(yè)對礦井穩(wěn)定有較大影響，可能會發(fā)生在礦井內(nèi)部膨脹力增大，或由于過大壓力而導(dǎo)致礦井底板破壞。對其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析來看，造成這一現(xiàn)象的主要因素在于在頂板支護(hù)部位、圍巖材料本身特性受到限制容易產(chǎn)生膨脹和位移。由于受力過大，支護(hù)部位受力過大，導(dǎo)致支護(hù)部位發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生坍塌。

2.1.4 圍巖與支架間協(xié)調(diào)性較差

巷道掘進(jìn)施工對軟巖圍巖部位有較大影響，為防止發(fā)生安全問題，可采用韌性和強(qiáng)度中等支架來進(jìn)行支護(hù)，減少圍巖變形。誠然，在支架材料選擇上，難以控制其強(qiáng)度和柔性，導(dǎo)致圍巖和支架之間的協(xié)調(diào)程度不高。

2.2 問題成因

2.2.1 施工工藝

井下巷道掘進(jìn)作業(yè)成敗直接影響到支護(hù)技術(shù)在礦井中的運(yùn)用效果。目前，鉆孔爆破法是井下巷道施工中應(yīng)用最為廣泛的施工工藝，具有較高的施工效率。鉆爆法是快速、高效、經(jīng)濟(jì)、高效的施工方法，但其運(yùn)用不當(dāng)，會導(dǎo)致巷道頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定失效，進(jìn)而引起巷道坍塌，造成損失，甚至人身傷亡。在鉆孔和爆炸法中，光面爆破相對常用，其炮眼角度、炮眼間距及炸藥數(shù)量都是重要因素[5]。

2.2.2 軟巖巖體自身屬性因素

由于礦井地質(zhì)應(yīng)力場不同，因此，各礦井主要地應(yīng)力方向也各不相同。它與巷道走向有較大聯(lián)系，三維應(yīng)力應(yīng)該保持在一定限度之內(nèi)。同時(shí)，當(dāng)軟巖巖體中含有接觸到水或者風(fēng)就會膨脹的粘土質(zhì)礦物時(shí)，會導(dǎo)致巖體發(fā)生位移現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的安全隱患，威脅到工作人員的生命安全。

2.2.3 自然因素影響

因?yàn)檐泿r浸水性較強(qiáng)，所以在遇到水時(shí)會導(dǎo)致巖石碎裂，變成顆粒狀或者是泥土狀，對巖石穩(wěn)定性不利。另外，巖體本身就有膨脹力，較容易發(fā)生滑移，當(dāng)巖石慢慢地變成泥漿后，極易發(fā)生巖體滑移，加重對巷道的破壞。另外，風(fēng)向也是重要的影響因素，軟巖巷道在掘進(jìn)后，應(yīng)要及時(shí)對周圍巖體進(jìn)行封堵，以此才能降低巖石暴露，讓巖石保持在適當(dāng)溫度范圍內(nèi)，如尚未做好防風(fēng)措施，巖石將會不停吸水膨脹，危及巷道安全性。

3 軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量的建議

3.1 提升頂板承載力

通過分析巷道頂板支護(hù)中存在的問題及其影響因素，可知頂板強(qiáng)度將直接影響支護(hù)效果。為此，為進(jìn)一步提高軟巖巷道掘進(jìn)期頂板支護(hù)效率，防止出現(xiàn)一些常見頂板支護(hù)問題，在實(shí)踐中應(yīng)重視起吊頂板承載力和強(qiáng)度。在巷道支護(hù)過程中，應(yīng)該采用光面爆破技術(shù)，結(jié)合錨桿噴射支護(hù)巷道，最大限度地保證巷道的穩(wěn)定性和完整性，達(dá)到對巷道控制，減少由于外部因素對巖體作用而導(dǎo)致的巖體松動。另外，提高頂板承載力，可通過提高頂板本身構(gòu)造、提高支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍巖層協(xié)調(diào)性，使支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍巖層相互作用，達(dá)到提高頂板承載力的目的。

3.2 對流變程度進(jìn)行控制

由于軟巖構(gòu)造特殊性，在軟巖礦井巷道掘進(jìn)過程中，頂板構(gòu)造相對于其它巖體施工頂板構(gòu)造要更加松軟，為確保施工質(zhì)量和安全，作業(yè)人員應(yīng)控制好流變度。施工中，不僅要注重隧道推進(jìn)，還要做好防護(hù)工作。當(dāng)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)軟頂時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用短挖短砌工藝，對其流變性進(jìn)行控制。換而言之，當(dāng)巷道進(jìn)入一定范圍后，應(yīng)立即對其進(jìn)行永久性支護(hù)，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)足夠牢固，防止由于巖體流變而產(chǎn)生膨脹導(dǎo)致巷道坍塌。同時(shí)，為最大限度地實(shí)現(xiàn)流變學(xué)控制，除采用短挖短砌方法，還應(yīng)注意，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂或局部不能起到支撐作用時(shí)，應(yīng)規(guī)避進(jìn)行大面積返修。因此，在掘進(jìn)階段，要對已掘進(jìn)巷道進(jìn)行封閉，在掘進(jìn)過程中，要及時(shí)地進(jìn)行支護(hù)，并將其封閉起來，以達(dá)到最好的流變控制效果。在發(fā)生流變時(shí)，采用錨噴方法進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，達(dá)到圍巖和支護(hù)協(xié)同效應(yīng)，抑制流變發(fā)展，以此對巷道變形狀態(tài)進(jìn)行有效控制。

3.3 減少震動對巷道的影響

從以上分析可以看出，振動會對巖石產(chǎn)生作用，引起隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，引起隧道變形，引起巖體滑移或坍塌。因此，應(yīng)積極采取相應(yīng)的防治措施，以減少相關(guān)因素對隧道變形造成的影響。在因爆炸而引起振動時(shí)，工作人員應(yīng)盡量少用火炮，以免發(fā)生振動。

3.4 采取新奧法進(jìn)行施工

在礦井生產(chǎn)中，多采用一次成巷模式。當(dāng)巷道受力破壞后，需采用工藝修復(fù)時(shí)，一般修復(fù)工程仍采用原有支護(hù)結(jié)構(gòu)。但大量實(shí)例證明，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、施工管理方法和支護(hù)方法無法滿足現(xiàn)代礦井開采要求，且從本質(zhì)角度來看，其施工工藝不符合巖體力學(xué)變化規(guī)律，不能適應(yīng)工程需要。為此，需要在設(shè)計(jì)、管理和支護(hù)方法上進(jìn)行革新和改進(jìn)。新奧法以探測為主，通過對軟巖礦井特定數(shù)據(jù)采集，及時(shí)掌握工程實(shí)際狀況，有效發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、管理及支護(hù)等問題。同時(shí)，結(jié)合錨噴支護(hù)技術(shù)，能夠有效地控制圍巖變形狀態(tài)，極大程度上提高了錨索加固巖體承載力。此外，噴層與圍巖結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合還能填充巖壁上縫隙和不均勻的空間，在提高圍巖結(jié)構(gòu)整體和穩(wěn)定性的同時(shí)，有利于加大支護(hù)強(qiáng)度。此外，根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)類型，在軟巖巷道支護(hù)中推廣應(yīng)用新奧法技術(shù)，該技術(shù)以錨噴為主，在初期讓壓產(chǎn)生柔性變形，后期通過反復(fù)噴射加強(qiáng)，形成剛性支護(hù)，或者采用拱形鋼架，實(shí)現(xiàn)初期讓壓，后期用剛性支護(hù)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

3.5 優(yōu)化井下巷道支架結(jié)構(gòu)性能和強(qiáng)度

礦井井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)工作時(shí)，施工初期首次掘進(jìn)工作中，巷道位置較容易發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)還會發(fā)生變形，影響到掘進(jìn)工作順利進(jìn)行。為解決這一問題，應(yīng)在實(shí)際工作中對各種環(huán)境條件進(jìn)行對比，選擇最優(yōu)施工方案。通常情況下，掘進(jìn)過程中使用適當(dāng)剛性和彈性，可從一定程度上避免巷道位移和變形。同時(shí)，通過對支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可確保在施工過程中保持最小空間，并將施工過程中出現(xiàn)問題所引起的大范圍修復(fù)工作降到最低。另外，在井下巷道頂板支護(hù)時(shí)，使用支護(hù)體強(qiáng)度，對其施工質(zhì)量及效率也有較大影響。通過對支架結(jié)構(gòu)和相關(guān)性能進(jìn)行優(yōu)化，能夠?yàn)槭┕み^程中圍巖變化提供相對適宜的區(qū)域，并能夠確保在整個煤層巷道中實(shí)現(xiàn)頂板支護(hù)技術(shù)。同時(shí)，基于以上分析，針對不同圍巖條件，合理減輕對圍巖應(yīng)力場，可在一定程度上提高煤井巷道頂板支護(hù)技術(shù)應(yīng)用的質(zhì)量與效果。

3.6 在施工之前做好充分的準(zhǔn)備工作

掘進(jìn)作業(yè)前，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)特定工程地質(zhì)條件及巖層承載力差異，對頂板支護(hù)方法進(jìn)行合理規(guī)劃，特別是對作業(yè)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，如為提高巷道掘進(jìn)斷面的安全性，應(yīng)在作業(yè)中選擇最佳工藝和作業(yè)方法，保證作業(yè)人員和整體作業(yè)安全。同時(shí)，在初步施工計(jì)劃設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)者還應(yīng)與相關(guān)施工單位共同討論，不斷地對計(jì)劃進(jìn)行修正和改進(jìn)，確保在滿足具體頂板支護(hù)要求和施工要求的基礎(chǔ)上，提高施工質(zhì)量和效率。在施工過程中，要對所用材料體積、數(shù)量、運(yùn)用方式等進(jìn)行判斷，進(jìn)而在方案設(shè)計(jì)完畢后，按照施工方案及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行井下巷道掘進(jìn)。

3.7 重視圍巖讓壓、釋壓與支護(hù)強(qiáng)度協(xié)調(diào)作用

軟巖巷道施工多采用剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)，但無法承擔(dān)巷道變形與壓力，且需要反復(fù)維修造成投資巨大損失，對此，唯有采用前期柔性后剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)，在緩解初采巷道圍巖變形位移時(shí)，保持巷道圍巖整體穩(wěn)定性，具有較低返修量的同時(shí)，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。對此，為實(shí)現(xiàn)圍巖讓壓、釋放壓力與支護(hù)體之間的協(xié)調(diào)，需要支護(hù)體具有足夠強(qiáng)度，并能在一定程度上實(shí)現(xiàn)圍巖變形釋放壓力。

4 結(jié)論

綜上所述，從當(dāng)前軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)來看，在具體施工中，不僅要保障整體施工質(zhì)量，同時(shí)還要針對軟巖礦井巷道環(huán)境中存在的安全隱患進(jìn)行處理，正確地將臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)相結(jié)合，進(jìn)而運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)與可靠理論展開操作。文章通過對軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)進(jìn)行討論與分析，對當(dāng)前軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)存在的問題及成因進(jìn)行分析后，提出了相關(guān)解決措施，以期為廣大學(xué)者提供參考。