软岩巷道联合支护技术研究

王 泽

(山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045008)

引言

巷道支护主要是采取有效方法对围岩进行加固，改变围岩的应力状态，控制围岩变形。支护形式改变单一支护，采用联合支护，提高围岩的整体强度，改善巷道围岩的承载能力，有效控制巷道变形，达到控制巷道围岩变形的目的，提高了软岩支护效果。

1 软岩巷道特征

根据围岩松动圈理论，巷道开挖破坏了原应力状态，造成围岩应力场重新分布，在其周围形成破碎区、塑性区和原岩应力区，区域大小与围岩岩性及巷道断面大小有关。深部高应力软岩巷道开挖，破坏了围岩的整体性，应力向其周围释放，岩体的承载力下降，如果支护不及时，巷道变形破坏严重，顶板下沉量增大。软岩巷道开挖初期表现出变形速率大的特征。巷道掘进引起应力重新分布，且速度快。如果支护不及时，容易发生冒顶、片帮等事故。在高应力环境下软岩的承载力大大降低，软岩巷道变形表现出时效性。初期来压快，自稳时间短，由于岩体松软，流变时间长，增加了巷道支护难度和维护费用。

2 软岩平衡拱机理

煤层上部顶板、伪顶多层状强度较低的泥岩、页岩、砂质泥岩，有节理和裂隙发育。由于软岩以泥质矿物为主，同时由于软岩的力学和结构面特性存在可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等特点。

软岩的岩石特性在地应力作用下呈现出第三阶段的蠕变突然加速，该阶段呈现均速流变，再进行加速流变，变化趋势呈现复杂高度的非线性。

传统理论中认为岩体做为一个整体，其所受到地应力超过塑性阶段就会形成失稳岩体。但是实际井巷开凿过程中围岩发生塑性变形和断裂后，承压状态下仍然保持承载能力，井巷围岩变形、片帮和冒落到一定程度会与垂直应力平衡，围岩呈现自稳状况，形成的理论被称为“自稳平衡现象”。井巷的顶板应力会随井巷的开凿而重新分布，垂直方向受地应力会逐步减弱至零甚至出现相反悬拉应力，水平方向也会随挤压应力转化为局部拉应力。井巷顶板受到的挤压应力会在围岩中形成“拱状承载结构”，这种平衡状态被称为“自稳平衡拱”，形成的理论被称为“自稳平衡拱理论”。

在此理论中根据井巷的岩体受力状态，由于在垂直方向受到拉应力可能存在冒落危险，水平方向受到剪应力的岩体单元体可能存在片帮等危险，并根据危害程度分为稳定区、挤压受压区、易冒落区。

岩体的破坏状态及应变随应力变化趋势，岩体随应力作用达到残余强度时出现细小裂纹，当应力继续增加到屈服强度时会发生不可逆的塑性变形，岩体的塑性破坏阶段的承载力会随变形而下降，但还会具有承载能力，当到达破碎的强度极限会直接发生岩体破碎。

3 软岩巷道支护技术

3.1 软岩巷道支护原理

软岩巷道支护在于提高巷道围岩的自承能力。为有效控制围岩变形，提高巷道稳定性，要根据围岩属性，分析其来压规律，及时调整支护技术，使支护结构及其技术不断适应围岩变形活动规律。为有效控制巷道围岩变形，提高巷道整体性。应改变传统的单一支护结构，采用耦合支护，锚注结构、二次支护等技术。同时综合考虑，采取卸压、加固和支护相结合的方法，充分卸掉高应力区的压力，对大变形区进行让压处理，整体加固松软破碎的区域。再者，对巷道围岩变形进行监测，并根据监测结果及时调整支护参数。

图 软岩巷道支护

3.2 软岩巷道联合支护技术

巷道支护在于控制围岩的破胀变形。采用单一支护方式效果差，无法保证煤矿的安全生产。因此，根据巷道地质条件、开挖断面、服务年限、支护材料强度等因素，选择合理的支护方案，有效控制围岩变形，现针对软岩巷道采取的支护技术加以说明。(1)锚杆(索)网+钢带+梯形棚联合支护。采用先让后强的思想，有效的结合了传统刚性支护和柔性支护。巷道开挖初期采用锚杆网+钢带支护，提高巷道围岩的强度，控制围岩变形。待变形稳定后，采用架棚刚性支护，为围岩提供支护阻力，有效控制巷道变形。(2)锚网喷二次支护。软岩巷道围岩的自身承载能力较差，加重了支护结构的负担，必须通过有效的方法提高围岩强度，改善围岩的承载能力，提高支护效果。巷道开挖后首先进行锚索网支护。然后，喷射混凝土封闭暴露的巷道围岩，与锚索共同形成承载环，既改变了围岩的应力状态，又可以让巷道围岩压力充分释放，最后对巷道进行二次喷浆支护。(3)锚索网+U型棚联合支护。巷道顶板比较复杂的情况下，采用锚索+梁+网联合支护的方式。根据悬吊理论，首先将锚索锚固到上覆稳定岩层中，提高巷道围岩的稳定性。然后再安装支护梁，提高围岩整体性，进一步改善支护效果。同时，在两帮的棚腿安装锚杆，提高两帮支护强度。

3.3 支护方案选择

综合已有研究结果，软岩巷道的顶板变形较为显著，同时其上覆岩层中关键层位置较高，很难形成稳定结构。基于此，若选择常规的锚杆支护很难满足此地质条件下的支护需求，普通锚杆无法达到其稳定性需求，导致支护成本增加，而锚网索支护方式能夠有效保护上覆岩层中的破碎结构，有效解决了传统锚杆支护距离较短的缺陷。软岩巷道的破碎区域较大，有效的支护是保证安全生产的前提。综合多方面因素，本研究选用锚索+金属网、帮部锚杆联合支护方式。根据相关理论计算，最终确定支护所选用的锚杆规格为D22mm×3500mm，布置过程中锚杆间排距设置为800mm，锚杆扎入时向上倾斜4°，向下倾斜15°。巷道帮部安设900mm×1500mm的铁丝网与锚杆相结合完成支护工作。支护选用的铁丝网直径为D0.55mm，网孔规格为50mm×50mm，单独铁丝网之间连接宽度为100mm，连接间距为200mm。连接帮部的铁丝采用双股的14号铁丝，同时配合使用14号长度为2800mm的槽钢，进一步保障支护的效果.

4 最佳支护时间和最佳支护时段

4.1 最佳支护时间

即可以使(PR+PD)同时达到最大的支护时间，其中PR为围岩支承力，PD为以变形转化的工程力。

4.2 最佳支护时间段

实际工程中难以准确掌握最佳支护时间，所以采用最佳支护时间段的概念。只要在最佳支护时间TS附近对巷道进行永久支护，基本上可以使PD和PR同时达到优化意义上的最大。这样，(PR+PD)→MAX也就自动满足。

结束语

简而言之，随着煤矿开采深度的不断增加，巷道在高应力的复杂力学环境中，围岩松软破碎，巷道变形量大，难以控制，给矿井安全生产提出了更高的要求。通过研究深部高应力软岩巷道的变形特征及最佳支护时段，改变传统单一支护的局限性，提出了软岩巷道的联合支护技术，能够有效的控制围岩变形，提高巷道的稳定性，保障煤矿安全生产。