大断面巷道软岩破碎顶板支护技术研究

马杰

摘 要：软岩巷道支护费用高且变形问题严重，而大断面软岩碎石顶板巷道一直都是煤炭开采工程的难点，其具有跨度大、自然冒落拱高、破碎圈范围大和破碎层接触面积多等特点。基于此，研究大断面巷道破碎顶板支护技术具有重要的实用价值及意义。本文基于国内外研究现状，阐述了软岩巷道围岩变形控制技术原理，并以某顺槽巷道施工为研究对象，采用合理、有效的支护技术对大断面软岩破碎顶板进行了分析与探讨。

关键词：大断面巷道;软岩煤层;支护技术

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）23-0076-03

Study on Support Technology of Soft Rock Broken Roof

in Large Section Roadway

MA Jie

（No. 4 Mine of Pingdingshan Tianan Coal Mining Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： Soft rock roadway has high support cost and serious deformation problem， and the large cross-section soft rock macadam roof roadway has been the difficulty of coal mining engineering， which has the characteristics of large span， high natural caving arch， large broken circle range and more contact area of broken layer. Based on this， it has important practical value and significance to study the support technology of broken roof in large cross-section roadway. Based on the research status at home and abroad， this paper expounded the principle of surrounding rock deformation control technology of soft rock roadway， and took the construction of a roadway along the roadway as the research object， used reasonable and effective support technology to analyze and discuss the broken roof of large section soft rock.

Keywords： large section roadway;soft rock coal seam;support technology

在巷道支护中，高应力煤层巷道一直都是重大难题。若采用切槽、锚索加强支护等常规支护方法，施工效果不甚理想，人们不能有效控制巷道变形现象，无法永久解决这一问题。某矿区段顺槽顶板为软岩，破碎程度较为严重，属于大断面巷道。一直以来，巷道支护都是一大难题，如何做好大断面巷道软岩破碎顶板支护工作是煤矿安全开采的核心[1]。基于此，本研究对控制大断面巷道软岩破碎顶板围岩变形问题具有一定的理论意义与实用价值。

1 软岩巷道国内外研究现状

软岩是一种低强度、空隙率较大的巖体，国际岩石力学学会将其定义为单轴抗压强度在0.5～25MPa的一类岩石。长期实践研究发现，软岩具有可塑性、胀缩性、流变性和崩解性等特点。针对此类岩石，20世纪50年代，Norrish就发表了软岩中蒙脱石膨胀的相关研究，国外研究人员提出了古典压力理论、坍落拱理论、新奥法理论和应变控制理论等。其中，日本的山地宏、樱井春辅提出了应变控制理论，认为随着支护结构的增加，围岩的应变不断减小，而围岩的允许应变逐渐增大。因此，增加支护结构，极易在允许应变范围内控制围岩应变。

国内研究已形成了岩性转化理论、轴变论理论和联合支护理论等。其中，联合支护理论是在新奥法的基础上发展而来，主要由我国著名学者陆家梁、冯豫、朱效嘉等人提出，认为只加强支护刚度的软岩支护成效偏低，应合理应用新奥法理论，并与软岩实际结合，通过“先柔后刚、先让后抗、柔让适度”的联合支护法实现支护稳定。

近年来，针对软岩研究，国内外学者从岩石物理力学性能研究逐步向工程地质特性研究转变，将软岩研究与工程现场实际相结合，致力于煤矿软岩工程问题的理论研究和工程实践，取得了突出成绩，以求通过研究成果解决工程难题。例如，中国科学院院士何满潮按照岩体构成成分、物理化学性质、应力环境的不同，合理划分软岩巷道变形产生的力学原因，将其分为3类13种，认为软岩并非具有单一变形力学机制是软岩巷道支护困难的主要原因，要保证软岩巷道变形力学机制类型正确，通过复合型和单一型转化技术的灵活运用，合理支护巷道。

2 软岩巷道围岩变形控制技术原理

软岩巷道具有遇水膨胀、崩解的特性，封闭围岩及堵塞围岩内的矿井水通道是软岩巷道支护的重要工序[2，3]。目前，一般可采用加固法、卸压法和联合法保证软岩巷道围岩的稳定性。加固法分为主动支护和被动支护两类，前者为锚、喷、网联合支护、注浆和锚注等，后者为金属架棚支护，其主要目的是加固围岩，控制巷道变形;卸压法主要利用切缝等方式使原来连续岩体处于不连续状态，使巷道处于应力降低区，以此降低巷道围岩的变形量;联合法通过对加固法和卸压法的综合利用，使软岩巷道稳定性大幅提高。

3 工程概况

某矿为国有重点煤矿，为高瓦斯矿井。4.5m为煤层平均厚度，地质勘查资料显示，本顺槽巷道存在平均1.2m厚的伪顶，其主要为泥砂岩，且顶部破碎问题突出。观察发现，顶板以上2.8m范围内多为混合岩层（粉砂岩夹炭质泥），部分区域存在离层情况。顶板以上10m范围内主要为粉砂岩。施工过程中出现过断层现象，无法预留巷道过断层伪顶，垮落面积较大，甚至出现下沉，大大增加了巷道支护施工难度。为避免支护失效，提高巷道掘进效率，增加施工安全，人们必须进行深入分析。

4 大断面巷道软岩破碎顶板支护设计形式分析

结合案例实际情况，为确保施工巷道支护效果，人们应先了解前期支护设计形式，在此基础上找出可能产生的问题，并按照实际情况，提出合理、有效的支护措施。

4.1 支护设计形式

该巷道软岩破碎顶板支护采用锚网联合支护法作为巷道前期顶板支护;采用塑料网+树脂锚杆作为煤壁侧煤柱支护;采用金属网+麻花锚杆作为采空区侧煤柱支护。顶板锚杆采用螺纹钢锚杆，长度为2m，锚杆间距为1.1m，排距为1.0m，锚杆配套长度为4.8m，每排施工锚杆共5根。顶板锚索采用预应力钢绞线，长度为4.3m，直径为17.8mm;顶板每排施工单锚索2根，间距为2.5m，排距为3.0m，配合0.3m×0.3m钢托板进行支护。将MSK23/35快速及MSZ23/60中速型树脂药用于顶板锚杆、锚索，并将一支快速和一支中速型树脂药与每根锚杆配套使用，锚索则配套2根2支。

4.2 支护问题分析

一是因本巷道顶板存有伪顶且厚度不一，施工环节出现了破碎面积较大的情况。若巷道顶板采用锚杆网支护，仅能在横向上达到良好支护效果，但纵向方面的支护效果不甚理想，無法达到相互联锁的支护作用。若产生漏顶现象，极易出现多排支护失效的问题，此外，与漏顶范围相近的支护同样也无法发挥其效用。

二是在上述支护设计形式中，采用4.3m长顶板锚索，锚固端位于基本顶和直接顶中间，若离层、下沉等现象产生于直接顶处，将引发锚固失效。此外，锚索直径为17.8mm，若锚固失效，锚索抗拉强度很难满足施工要求。

三是施工过程中存在断层情况，且已出现巷道顶板局部漏顶，据了解，1.0～1.3m为漏顶深度范围，此时若仍旧采用锚杆、锚索支护，施工难度较大，无法稳定顶板。

四是结合具体施工现状，若采用树脂药用于顶板锚杆、锚索，所需时间较长，加之锚索锚固长度与现场施工要求不符，很难达到支护需求。

5 大断面巷道软岩破碎顶板支护技术要点

5.1 顶板支护技术要点

首先，针对上述问题，本文提出了采用联合支护法进行大断面巷道软岩破碎顶板支护，即“锚杆+锚索+圆钢托架+金属网+工字钢梁”。根据现场施工情况，钢带采用“JW”型钢带，尺寸为4.80m×0.25m，并配套穿插锚杆，共6根。按原设计形式，不改变锚杆规格，仍采用2m长，但其排距、间距分别设为0.8m、0.9m，圆钢托架直径为20mm，并将直径23mm的圆孔分别焊于托架两端。

其次，完成顶板锚杆施工后，需及时将圆钢托架设于指定位置：将一根圆钢托架设于第一排钢带首尾2根锚杆和第三排钢带首尾2根锚杆之间，且做好预紧处理;将一根圆钢托架设于第一排钢带第2根锚杆和第三排钢带第5根锚杆之间;将一个圆钢托架设于第三排钢带第5根锚杆和第六排钢带第2根锚杆之间，在此基础上，按照“迈步式”法逐步将圆钢托架设于钢带之间。

再次，为达到良好的支护效果，保证锚索锚固长度满足支护需求，需增加锚索长度，由原来的4.3m增加至6.5m，直径由17.8mm改为21.6mm，每排施工锚索3根，间距、排距也更改为2.0m、1.6m。同时，将一根工字钢钢梁安装到相邻的两个纵向锚索之间，起到连接作用。一般可按“交错式”布设钢梁，具体如图1所示。

最后，按照原支护设计形式，需将MSK23/35快速及MSZ23/60中速型树脂药用于顶板锚杆、锚索，但此类树脂药在锚固稳定过程中所需时间较长，为保证支护锚固效果，决定采用MSKC23/60、MSK23/80型树脂药用于顶板锚杆、锚索锚固施工。也就是说，将一支MSKC23/60、一支MSK23/80型树脂药与每根锚杆配套使用，相比每根锚杆，每根锚索则多配套一支MSKC23/60。

5.2 过断层支护技术要点

5.2.1 撞楔超前支护。为保证顺利通过过断层破碎范围，决定完成上述支护措施之后，在与断层带相距5m的位置采用联合支护法进行处理，即“撞楔超前支护+注浆支护+棚式支护”。将撞楔超前支护设于施工巷道顶板处，直径30mm的钢针为撞楔超前支护的主要材料，长度为3m，每组共10根，撞楔超前支护应与工作面垂直。

5.2.2 注浆支护。完成上述施工后，在与顶板相距1.2m的水平面钻孔，共3个，孔间距为1.5m，深5m，钻孔和工作面之间的角度设为10°。将一定量的马丽散混合液通过高压泵注入钻孔内，待浆液从煤岩体渗入时，停止注浆并进行封孔处理。待完成注浆5h后，便可进行掘进施工。

5.2.3 棚式支护。掘进施工时，可将工字钢棚设于施工巷道内（钢棚间距1.0m），并通过套杆连接钢棚。在安设钢棚前，为确保其稳定性，必须在坚硬顶板内稳固棚腿，并做施工地锚。随后，将10架钢棚设于过断层带，同时将水泥背板填充到相邻两架钢棚之间，若施工效果不理想，应及时进行膨胀剂灌注，最大限度提升施工质量。

6 结语

伴随开采时间的不断延长，浅部易开采煤炭资源日益减少，人们开始转向开采深部煤炭资源，煤炭软岩问题是当前煤矿建设、生产亟待解决的难题之一。为此，应根据巷道顶板实际情况，合理选择支护方案，保证满足支护需求，提高施工质量。

参考文献：

[1]陈祥峰.软岩破碎巷道大刚度二次支护稳定原理解析[J].化工管理，2018，（23）：5.

[2]高磊.JW型锚索吊棚在厚煤层破碎顶板中应用[J].江西煤炭科技，2019（1）：41.

[3]白宝慧.大断面巷道合理支护参数的选取研究[J].山东煤炭科技，2018（5）：12.