埋深矿井软岩及断层巷道的联合支护技术

周明昊　张妮

【摘 要】当煤矿进入深部开采后，尤其是在断层破碎带，围岩的稳定性较差，巷道支护体严重破坏，影响巷道使用率，威胁安全生产。文章介绍了软岩的工程特性及影响断层带煤巷围岩破碎的因素，提出了采用“锚、网、喷、索”联合支护控制断层带煤巷围岩控制技术，取得了较好的效果。

【关键词】深部开采；软岩；断层；破碎带；联合支护

在煤矿开采中，当煤矿进入深部开采后，一般会遇见地质构造复杂，地应力变大的情况，此时巷道变形严重，尤其是在断层破碎带，围岩的稳定性较差，巷道支护体严重破坏，影响巷道使用率，威胁安全生产。其围石性质表现出软岩的巷道围岩性质，所以煤炭生产建设形势迫切要求对深部开采软岩巷道问题进行深入研究。这要解决这一难题，就需要在厚煤层深部开采巷道断层破碎带掘进时，采用特殊的支护工艺。

1.软岩的工程特性

1.1软岩的力学属性

软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的力学特性。显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点。软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象，其膨胀机理有：内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。

1.2软岩的临界载荷

随着应力水平的提高，特别是围压的增大，岩石产生的塑性变形明显增加，使得在低应力水平下表现为硬岩特性的岩石，在提高了应力水平下显示出显著的塑性变形。

1.3软岩的临界深度

与软化临界荷载相对应，岩石亦存在着一个软化临界深度。对给定矿区，软化临界深度也是一个客观量。当地下工程埋深大于软化临界深度时，围岩出现大变形，大地压和难支护现象；当地下工程埋深小于该临界深度时，则围岩的大变形，大地压现象消失，巷道支护容易。

2.影响断层破碎带煤巷围岩破碎的因素

断层附近煤岩体一般较为破碎，再加上巷道开挖后围岩应力状态恶化，围岩变得更为破碎而呈现峰后力学特性。断层附近围岩应力高、围岩的峰后力学特征是围岩变形破坏的重要原因。

2.1围岩应力高

巷道埋藏深度较大，因此巷道顶板所承受应力较高，加之断层带构造应力的影响，巷道开挖后，破碎围岩易于发生进一步破坏。

2.2岩性发生变化

由于岩层的非均质性，部分区域顶板岩性可能发生变化。软岩具有可塑性、肿胀性、崩解性、流变性和易拢动性等特点，仅采用工字钢无法达到支护要求，需要进行联合支护。

2.3应变软化特性

岩石峰值应力后仍具有一定的承载能力，而这一承载能力随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的应变软化现象。如果不加以控制，随着变形的增大，承载能力的降低，破碎煤岩体将进入摩擦阶段，最终导致煤岩体的破坏而片帮或冒顶。

3.支护机理

采用高强度、高预紧力锚杆控制围岩的变形，辅助锚索及钢筋网加强支护，进一步减小锚固区外围岩的变形和离层，并起到对浅部松散围岩的悬拉作用。

3.1支护机理

锚、网、喷、索联合支护是以锚索为主要构件，与钢带、钢筋网等辅助构件共同形成的支护体，其主要的作用支护机理有以下几点：

采用锚索、钢带形成高强度、大收缩性的支护承载圈，即组合加固拱；由于巷道直接顶板内砂质泥岩较薄、构造产状复杂等因素，普通锚杆无法将复合顶板下的软岩全纳入锚杆锚固范围内，难以保证该巷道支护的可靠性。因此必须在普通的锚梁网支护的基础上采用锚索支护，即通过锚索的悬吊作用在深部稳定坚硬的岩层中，与组合梁一起形成一个厚度加大、抗弯强度和刚度提高的新的组合梁结构；采用锚杆支护，可以减少围岩浅部的扩容变形能力，在高应力的作用下扩容变形是不可能完全阻止，通过锚杆、锚索支护可以有效的加固锚固范围的围岩体，可大大减少扩容变形量；采用钢带、钢筋网提高了围岩面的抗拉变形通力，控制围岩的变形量，同时通过钢带形成一个有机的支护体，而不是锚杆、索的独立作用，从而提高了整体支护能力；锚杆、索外端部采用预应力锚盘和钢垫板，提高了抗变形能力，在高应力或采地动压力的作用下通过预应力锚盘提高构件的刚度，减少振动和弹性变形，这样做可以明显改善受拉模块的强度，使原本的抗性更强。

3.2支护工艺要求

布置顶板锚杆孔时，按设计要求布置锚杆排距和孔深，锚杆要尽量垂直岩层赋存方向，要保证顶板两侧和两帮上下部位的锚杆孔的倾角和孔深，安装锚杆时用锚杆将药卷送至孔底搅拌，保证锚固长度和锚固效果。若遇围岩松软、破碎，则在钻进达到设计深度后稳钻1～2分钟，防止孔底尖灭、达不到设计孔径。钻孔孔壁不得有沉碴及水体粘滞，必须清理干净，在钻孔完成后，使用高压空气（风压0.2～0.4Mpa）将孔内岩粉及水体全部清除出孔外，以利将药卷顺利送入孔底。

钢筋网要对称铺设，保证钢筋网两端紧帖岩壁面，两帮网下垂长度均在350mm左右，然后再沿巷道的横向安装钢带，用锚杆托盘和螺母将钢筋网和钢带压住，施加一定的预应力。网与网之间搭配100mm处用锚杆压茬，提高支护的整体性。

在断层的上、下盘分别布置一定数量的锚索、锚杆，最后用钢筋网、钢带、11#工字钢加工成的锚索梁，分别将断层上、下断的的锚索、锚杆连接，形成一个整体。在中部空隙部分先选用枕木、排柴、楠竹跳板等进充填，最后全断层喷浆封闭。

喷浆：在爆破后清理活矸危石，按照中、腰线检查巷道断面规程后及时初喷50mm厚混凝土，然后安设好临时支护。最后待锚网支护到位后再复喷直至将锚网完全封闭。

4.效果分析

4.1围岩应力得到有效控制

通过观测，在施工过程中不受采动影响的情况下顶板离层、两帮收敛基本不大于50mm。60天基本达到稳定性，其中两帮最大收敛值15mm，顶底板最大下沉量为8mm。

4.2经济社会效益明显

若采用11#工字钢架棚支护，每米支护成本（材料费、人工费）为2091元，由于受压二次备棚支护部分占总工程量30%左右，每米二次支护成本为627.3元，合计每米巷道支护总成本为2718.3元。现采用锚网索喷索支护后，每米支护成本为410元，可直接节约支护成本2308.3元/米。更为可观的是每米巷道多出煤25吨，37m巷道计925吨，获得煤效约37万元。

采用棚式支架，支护材料运输量大，架设难度大，工人劳动强度大；采用锚喷索联合支护后，使巷道一次支护成功，施工工艺简单，大大降低了工人的劳动强度。同时，工期提前，缓解采煤工作面接替紧张的局面。减少了巷道的维修量，避免维修巷道时带来的安全问题。避免了回采时回收11#工字钢架棚时的不安全因素，确保了安全。

【参考文献】

[1]张向东，张虎伟，阮剑剑.软岩巷道锚网索联合支护设计及支护效果分析[J].中国地质灾害与防治学报，2011.03.

[2]谷满，姜光.深井软岩巷道顶板围岩稳定性控制技术[J].煤炭工程，2011.09.

[3]张成银，杜昌要.深埋高应力软岩掘进巷道支护技术研究[J].煤炭科技，2008.02.

[4]翟勇.锚网索喷浆卸压孔联合支护在软岩巷道中的应用[J].中州煤炭，2012.09.