承压含水层顶板软岩巷道支护研究①

付亚平万峰

(1.呼伦贝尔学院传媒学院，内蒙古呼伦贝尔 021008;2.扎赉诺尔煤业公司，满洲里市 021400)

承压含水层顶板软岩巷道支护研究①

付亚平②万峰

(1.呼伦贝尔学院传媒学院，内蒙古呼伦贝尔 021008;2.扎赉诺尔煤业公司，满洲里市 021400)

本文就扎赉诺尔煤业公司铁北矿巷道支护状况差、随时都可能发生顶板事故、安全生产没有可靠保障、矿井健康发展将受到制约的生产实际状况，指出了巷道支护改革的必要性，对软岩巷道的特性、矿压显现特点、巷道围岩破坏类型进行了分析，提出了解决方法，论述了软岩巷道支护应遵守的原则与采取的措施和改革方法，阐述了适合铁北矿的巷道支护方法，以确保矿井安全生产、健康发展。

软岩巷道;矿压显现;围岩破坏类型;软岩巷道支护

1 巷道支护改革的必要性

铁北矿是扎赉诺尔煤业公司四大主要矿井之一，属于新建矿，设计年生产能力为150万t。由于井田煤系地层为松软岩层，开采的Ⅱ2a煤层顶板有多层承压含水砂层存在，开采过程中时刻受到顶板水的威胁，投产以来顶板曾多次发生溃砂事故，造成很大经济损失。目前，巷道掘进时不能很好适应铁北矿软岩巷道的矿压显现特点，巷道支护状况差，是安全生产的薄弱环节。

因此，巷道支护改革势在必行，必须使支护向着“柔性”且具有高强度的方向发展。若不及早解决巷道的支护问题，巷道支护差的状况就得不到改善，随时都可能发生顶板事故，安全生产没有可靠保障，该矿的健康发展将受到制约。

2 Ⅱ2a煤层顶底板松软岩层的特性

1)松散破碎、强度低、孔隙率高、稳定性差、风干遇水后极易膨胀泥化且岩层裂隙不甚发育，岩体完整性较好［1］，属于典型的软弱结构体。

2)随含水率的增大，强度降低很多。

3)极易吸水崩解膨胀。在水的作用下性质不稳定，表现出膨胀、崩解、软化和泥化现象，吸水膨胀后产生较大的膨胀压力。

4)具有明显的流变特性。流变速度快，稳定流变阶段短，这是软岩巷道及早发生破坏的主要原因。

3 软岩巷道矿压显现特征

所谓软岩巷道，是指在掘进期间围岩应力等于或大于岩体强度，在围岩周围形成较大范围的松动破坏圈的巷道［2－4］。决定这类巷道围岩稳定性的关键因素是围岩应力和围岩强度。当围岩应力接近或超过围岩强度时，围岩必然会产生变形和破坏。当岩层比较完整，仅考虑自重应力而不考虑构造应力时，符合下列条件即可以认为是软岩巷道。

式中γ——岩层的平均容重，kN/m3;

H——巷道的埋深，m;

QC——岩石的单向抗压强度，MPa。

由上式可以看出，巷道埋深是影响巷道围岩稳定性的主要因素。

从铁北矿十多年的工程实践，可总结出软岩巷道矿压显现特点如下：

3.1 围岩自稳时间短，来压快

巷道开掘之后，如果不及时进行支护，围岩最终会丧失稳定性，产生冒落和片帮现象。从铁北矿现场看，围岩自稳时间比较短，一般为0.5～1小时，有的甚至放炮后立即冒落。围岩自稳时间越短，巷道围岩变形越严重，矿压显现越明显，支护也就越困难。

3.2 巷道四周普遍受压，底鼓明显

这是软岩巷道矿压显现的主要特点。防止软岩巷道的底鼓是最难解决的技术难题。由于顶底板和两帮都向巷道内移动，巷道的破坏区是环绕巷道四周的，往往底鼓量大于0.5m。当底鼓量超过200mm时，就会影响矿车的安全运行，需要处理。

3.3 巷道周围破碎岩体可被重新压密胶结

在掘进期间，巷道周围的岩体受集中应力作用而产生裂隙，甚至破坏，容易冒落。在支护抗力作用下，围岩受挤压而裂隙重新闭合并胶结起来。在巷道围岩形成重新胶结带以后，不宜重新翻修支架，以免破坏围岩的稳定性。

4 软岩巷道围岩破坏类型及处理方法

巷道所处的条件不同，围岩破坏形状是多种多样的。通过分析围岩变形破坏显现特性，可了解和掌握支架与围岩的相互作用关系，为合理选择支护形式或参数提供依据。软岩巷道围岩破坏类型有以下三种［2－5］：

1)局部冒落破坏

局部冒落破坏不仅发生在松软破碎岩层中，即使在较稳定围岩中也是常见的。岩石局部冒落主要是由巷道顶部岩体中的软弱结构而造成的，施工中的爆破作用和开掘后巷道周边的应力集中，使围岩内的裂隙或节理面扩展，并产生新生裂隙。在浮石自重作用下，如果裂隙的摩擦力小于其自重力就会使浮石冒落下来，发生局部冒顶，出现空顶现象。

2)围岩整体破坏

软岩巷道中围岩有时会产生整体破坏。这种破坏的原因是围岩应力超过围岩强度，围岩受剪切，两帮从底角开始沿着破碎岩体的剪切产生位移和冒落。当巷道遇到松散破碎带或有软弱夹层时，常发生整体冒落破坏，并可能造成事故。

3)压剪破坏

软岩巷道围岩受力不均时，经常发生两帮压裂破坏现象，同时顶部也会出现裂隙。当直墙拱形巷道的水平应力小于垂直压力时，首先以剪切裂隙形式在墙顶和墙角附近沿轴向出现，形成大块楔体，使墙受剪错开，出现两侧岩体开裂离层现象。当巷道受到地质构造应力作用，围岩内水平应力大于垂直应力时，就会在顶底形成楔形破坏体。

软岩巷道支护应遵守的原则和采取的措施

1)采取各种积极措施和选择合理的支护结构，控制破坏区的扩展，保持和提高破坏区岩体的残余强度，使围岩与支架相互作用达到平衡时的支护抗力最小。

2)提高围岩的自稳能力。用掘进机、风镐和预裂爆破等掘进方法，用注浆或打超前锚杆等方法预先加固破碎围岩。

3)及时支护、防止冒顶。暴露后立即喷射混凝土薄层(30～50m)，打锚杆或紧跟工作面架设初次支架，初次支架应起永久支护作用，缩短围岩暴露时间。

4)用圆形或近似圆形的金属支架，带底拱的锚喷网支架结构等封闭式结构的永久支架，应当具有足够的承载能力。

5)巷道断面应预留足够的变形余量，支架结构能允许各方向都有可缩变形，支架与围岩之间要严密充填等措施来改善围岩受力状态，使支架均匀受压。

6)避免巷道积水，采取封闭围岩的措施以防止水和空气对围岩的危害。

7)当围岩变形速度小于0.5mm/d时，采用复喷厚层混凝土(大于100mm左右)方法，条件具备时，最好注浆加固围岩。

5 巷道支护方法改革

5.1 对回采巷道仍采用锚网梁支护方法，以提高支护强度

综放试采成功，采动对回采巷道的影响将更大，必须提高巷道的支护强度，不采用加大煤柱尺寸的方法来改善巷道维护状况，因为效果不大。仍采用锚网梁支护方法，只改变支护参数。将现用的锚杆长1.8m、Ф14mm大螺距拧入锚固方式，改用长2.2m、Ф16mm螺纹钢、树脂药卷锚固方式(只顶部用)，帮仍用大螺距拧入锚固式，螺距加大，并根据情况用锚索补强。

从锚网梁支护与围岩的相互作用看，锚杆可以在其锚固范围内起到保持和加固围岩残余强度的作用，即使围岩发生破坏，这种加大作用依然存在。网和梁能与围岩紧密接触，对破坏后的表面围岩起一定加固作用，能适应围岩暴露初期变形量大的特点，保持和提高围岩强度和稳定性，并通过控制围岩的变形改善围岩的应力分布状况，促使其达到稳定平衡状态。

为解决未被锚固围岩容易破坏脱落的问题，可采取增加锚杆长度和直径、保证梁和网的焊制质量的措施来解决。条件具备时，应用W钢带梁。

5.2 对开拓、准备巷道采用锚网喷支护方法

考虑开拓、准备巷道服务年限长，喷上一层厚100mm的混凝土。喷层的作用：能与围岩紧密接触、封闭围岩的裂隙。根据情况还可采用锚索补强。

5.3 对主要硐室和跨巷处采用金属棚、锚网喷联合支护形式，辅之锚索补强

主要硐室是指井下绞车房、变电所、水泵房及水仓、皮带机头等，也含大的交岔点和车场。跨巷处指巷道立体交叉，且顶对底间距小于4m处和平面十字交叉处，在设计中经常有巷道立体或平面交叉。

5.4 解决树脂药卷锚杆面临的问题

树脂药卷锚杆的优点是锚固力高，可以达到工程需要的锚固力。但在该矿应用，需要解决钻具问题。

液压钻具虽然是发展方向，但不适应围岩自稳时间短、来压快的特点，不适应巷道断面形状，不适应软岩巷道。

用普通煤电钻打眼，又有“三径”匹配的问题，应该加大药卷和杆的直径，来适应钻眼的直径。煤电钻打不了Ф28以下的眼。

上风动系统只能在煤巷使用，岩巷仍不能用，还要增加系统费用，看来只能在用普通煤电钻打眼上做文章比较现实。

要摸索出适合围岩特点的打眼深度，太深锚固效果差，太浅托盘不贴帮顶，不像大螺距锚杆那样适应性强，对深浅无要求。

总之，联合支护方法是支护技术的必然趋势，应该在困难条件下的巷道支护广泛应用。其优点就是把几种有效的单一支护方法有机地结合起来，在围岩变形的不同阶段采取不同的支护措施，有效地发挥单一支护各自的支护性能，同时最大限度地保持巷道围岩的完整性和长期稳定性。

6 结论

1)尽量采用综掘机掘进巷道，使用综采开采，设备尺寸大、吨位重，要求巷道断面大，采用爆破掘进对围岩破坏作用大。

2)具有足够使用断面的软岩巷道不宜翻修扰动，翻修对围岩稳定性极为不利。翻修前靠近周边的破坏围岩和变形后的支架都仍然保持着一定的承载能力，同深部围岩形成了相对平衡的体系。在翻修过程中，由于拆除了原有支架，刷大断面，这个承载能力就丧失了，平衡就破坏了，导致围岩变形和破坏范围扩大。

3)施工质量检测技术手段要升级。该矿应用锚杆支护技术已有数年，对锚杆施工质量检测手段还十分落后，已不能满足大面积推广该技术的需要。施工质量是否满足设计要求，没有及时的检测数据作依据，会有很大的盲目性。

4)矿压监测系统的建立，可及时掌握围岩变化的动态及支护受力的情况，为修改设计提供信息;可监测施工过程中的安全程度，正确地指导施工;可检查和评价硐室的最终稳定性，作为安全使用的依据。

5)要进行巷道围岩地质力学测试和评估。

6)形成锚杆支护成套技术，提出适合铁北矿的锚杆支护设计方法，制定锚杆支护规范，使矿压监测技术标准化、日常化。

［1］陆家梁.软岩巷道支护技术［M］.吉林：科学技术出版社，1995

［2］李风仪.岩体开挖与维护［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003

［3］高延法.矿山岩体力学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2000

［4］王希良，彭苏萍，杜木民.“三软”煤层顶板工程地质分类及变形机制［J］.矿山压力与顶板管理，2005(2)：49－51

［5］田亚军.高应力强膨胀软岩巷道网壳锚喷支护技术［J］.建井技术，2005，10(26)：13－15

Supporting research on bearing water soft rock roof roadway

FU Yaping1，WAN Feng2
(1.Communication college of Hulunbeier university，Hulunbeier Inner Mongolia021008; 2.Zhalainuoer coal mining corporation，Manzhouli021400)

this paper is mainly directed against the Zhalainuoer coal mining corporation’s Tiebei coal mine real condition of the poor roadway supporting，roof accident of at any moment happening，without trust safety production insurance and coal mine’s health development is restricted.The paper pointed out the necessary for soft rock roadway’s supporting technology reformation，analyzed the property of soft rock roadway，mine suppression show characteristic and failure type of roadway’s surrounding rock mass，advanced the method，discussed the responding rule，measure and reformation way，expatiated the supporting method suitable to Tiebei coal mine，so as to insure coal mine’s safety production and health development.

soft rock roadway;mine suppression show;failure type of surrounding rock mass;soft rock roadway supporting

TD353

A

1672－7169(2011)01－0034－03

2011－01－10

付亚平(1961－)，男，硕士，教授，正高级工程师，呼伦贝尔学院传媒学院院长。