煤矿软岩巷道掘进支护技术探讨

2021-04-11

当代化工研究 2021年8期

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司山西 030001）

前言

在煤矿开采过程中不仅对煤矿企业的采矿技术和设备提出了很高的要求，而且其开采时会造成一定程度的地质破坏，从而导致事故发生。为了防止事故发生，需要采用科学的掘进支护技术保护采空区，避免岩层出现破坏从而导致塌落等问题，保证相关人员的安全，提高开采效率。

1.煤矿软岩巷道掘进支护的难点

地下岩层的结构特征和地质特征给煤矿巷道软岩的掘进支护带来一定的困难，主要有：（1）软岩强度不高，在力的作用下很容易变形和破碎、坍塌，严重影响巷道掘进支护的稳定性；（2）在围岩的高应力作用下，岩层处于软岩状态，而开采面积的加大和开采深度的增加，会使巷道围岩的应力更为集中，从而对巷道掘进支护造成影响；（3）软岩层含有许多吸水力强的粘土矿物，与水接触后会膨胀，从而使岩体松散，因此需要在掘进过程中，采取一定的防水措施，以防止采煤过程中顶板在与水接触时膨胀坍塌。

2.煤矿软岩巷道掘进支护要点

为了保证煤矿软岩巷道掘进支护的安全性，需要根据实际情况分析地质构造，然后针对性的进行煤矿软岩巷道掘进支护施工，主要如下：（1）在施工过程中，必须准确计算施工时间。施工过程中的主要困难是软岩强度低，岩体失稳和围岩应力大。但是，在软岩巷道掘进时，会有较短的围岩自稳定时间，因此必须充分考虑围岩的自稳时间并将其用于施工计划中，严格控制施工时间，克服施工困难；（2）巷道的位置也对掘进支护技术有所影响，在巷道掘进施工之前，应仔细检查围岩的类型和岩性分布，必须根据软岩的分布位置和矿山的地质特征计算和巷道受力的大小和方向，巷道掘进路线应选择最合理的应力区，以避免低强度岩层上高应力，充分优化巷道的位置；（3）当前，许多煤矿在软岩巷道掘进支护构造中使用半圆拱断面，分为两种类型：椭圆形和马蹄形，选择时根据岩石应力和巷道断面尺寸使支护段合理，避免巷道掘进支护结构强度不足的影响；（4）施工过程中存在软岩强度低的困难，为克服这一困难，为提高围岩强度，提高巷道支护性，操作人员通常采用锚杆和注浆相结合的方法来稳定和加固围岩，使实际施工过程围岩具有一定的自支护能力，从而增加围岩的强度。

3.煤矿软岩巷道掘进支护技术

在应用煤矿软岩巷道掘进支护技术的过程中，考虑到当前支护管理的内容和要求，在后续设置中必须注意控制过程的实施，严格按照支护管理指标和实际要求进行设置。现阶段煤矿中机械操作已成为巷道掘进的工作方式，综掘机掘进和钻爆法掘进是当今的主要掘进方法，每种方法都有其自身的优势。选择有效的掘进方法时，应考虑煤矿现场的实际情况。软岩巷道的掘进支护施工过程可以概括为初次支护、二次支护和底板支护管理。在施工过程中，必须严格按照相关规范进行施工，以增加围岩的强度和自承能力，使支护结构更稳定，确保巷道平整。目前，主要有以下煤矿软岩巷道掘进支护技术。

(1)煤矿软岩巷道掘进技术

由于机械自动化技术的不断发展，煤矿软岩中的大部分巷道掘进是机械进行的，主要采用钻爆法。常规的机械化设备包括气腿式凿岩机、耙斗式装岩机，液压钻头+履带式挖掘装卸机、液压钻头+侧卸式凿岩机等。与传统掘进方式相比进行机械化作业可以大大提高工作效率，减轻施工人员的负担，有效缩短煤矿巷道的施工时间。在煤矿中进行掘进之前，有必要对围岩条件和巷道路线进行系统的研究。根据实际条件，结合煤炭企业的施工设备，选择科学合理的掘进方法和施工设备。钻爆法掘进通常用于坚硬岩层中的巷道掘进施工，而综掘机掘进具有很高的平均速度，可以获得光滑的巷道外壁，为支护施工提供极大的便利，并提高支护结构承载能力。

(2)锚网喷支护技术

锚网喷支护技术是一项复杂的技术，在煤矿软岩巷道掘进时，可分为4部分，结合软岩煤矿巷道的特点和分析锚网喷支护技术的应用。

①锚网喷支护技术在软岩巷道的特点是紧凑、灵活、及时等。锚网喷支护技术的施工非常简单、经济且使用安全，通常用于煤矿的软岩巷道掘进支护中。近年来，随着锚网喷支护技术的发展，已开发出高强度锚杆，以提高锚网喷支护性能，并扩大了应用范围。在煤矿软岩巷道掘进支护中，高强度锚网喷支护分为喷层、锚杆、钢筋网。喷层应靠近围岩的位置，以防止围岩风化，并增加围岩的稳定性。钢筋网以增加柔韧性，一方面加固了软岩巷道，另一方面提高锚网喷支护整体性能和抗变形能力，从而避免了周围岩石的裂缝。锚网喷支护的应力是相对均匀的，可以直接改变围岩的整体应力结构并反映稳定性特征。

②锚网喷支护系统中的锚杆结构更为关键，将锚杆连接喷网后，可以大大提高岩石的稳定性，并可以防止软岩巷道的破裂区和塑性区的扩张。在岩体变形之前，将锚网喷支护系统引入岩石中，以确保岩体结构的稳定性并提高岩体本身的承载能力。在软岩巷道掘进时，锚网喷支护系统在防止围岩变形方面发挥巨大作用，无需过度修复即可实现变形控制。软岩巷道掘进时，必须根据煤矿软岩层的实际情况选择锚网喷支护系统。如果岩石结构稍微好一点，则可以使用分次技术来支持巷道掘进支护。相反，岩石的结构较弱，必须一次实施岩石支护，以避免对周围岩石结构造成二次破坏，并确保煤矿软岩巷道掘进高效性。

③U型钢与锚网喷支护组合应用，在巷道掘进期间，煤矿中软岩区域多，仅选择支护技术不会产生明显的效果。U型钢应与锚网喷支护结合使用可以极大提高支护效果，一般首先锚网喷支护施工，然后安装U型钢以辅助支护。

④砌碹技术，此技术更为传统，可以为煤矿中的软岩掘进提供稳定的支护系统，承受围岩的压力，并在软岩中提供抗压屏障，从而使围岩具有足够的稳定性。在正常情况下，砌碹技术起辅助作用。在煤矿软岩巷道掘进时，锚网喷支护实施后，但在周围的岩壁上仍然有断裂点。此时，应选择砌碹支护以直接增强软岩，防止岩层开裂。煤矿中的软岩巷道的结构是不规则的，并且支护系统不能与周围的岩石紧密接触。但是，砌碹支护是一种刚性支护方法，可以首先确定围岩的变形，以防止围岩过压并充分保护软岩巷道的安全。砌碹支护技术是一种被动支护方法，主要分为两种形式：混凝土砌块和现浇筑式。在控制过程中，进行机械化施工，在实践中，具有很高的抗压强度。该技术的效果显而易见可以在相对固定的巷道上大规模使用。

(3)锚注支护技术

为了充分利用锚杆的优势并在软岩巷道掘进支护时增加围岩的强度，可以将锚杆用作注浆管，进行外部锚固和内部注入，实现锚固和注浆一体化。锚注支护技术可以优化围岩的松动程度，从而使岩体中的固结力明显，内摩擦增大，从而提高了围岩的强度，激发了围岩的潜在承载力。由锚注支护技术形成的加强环可以为锚杆提供坚实的基础，从而使锚杆可以加固松散的围岩。锚注支护技术注浆使破裂的围石之间的间隙变得更为紧密，从而可将载荷均匀地施加到围岩上在实际应用中，锚注支护技术具有很高的抗压强度和承载能力，可以提供增强的支护作用。与单支护法相比，锚注联合支护法具有明显的优势，在锚杆支护的基础上，充分合理的注浆位置可以提高整体承载能力，将围岩本身的主承压层与由锚杆支架形成的承压层相连，增加岩体的承压面。在应力支护分析中，锚注支护技术可以将参数设置与实际条件结合起来以改善总体支护效果。

(4)棚式支护技术

这种方式是一种被动支护方法。在整个过程中，使用诸如木材，优质石材和金属保护层之类的材料，适应与浅部围岩支护，石材与木材的比较，整体性能优势明显，相对安全。考虑到变形量和支护成本，可以将其应用于使用寿命长的煤矿巷道。金属材料是主要的元素，可用作控制煤矿支架的刚性材料，由于相对较高的成本和地质环境的影响，岩石表面和金属不能适当地结合，会引起许多问题。

4.煤矿软岩巷道掘进支护技术应用分析

煤矿软岩巷道掘进后，原始围岩的自然应力被破坏，应力效应被重新分配，考虑到煤矿软岩层中的初始承载力不足，应使用支护系统进行补偿以提供整体支护，同时确保围岩的承载力。在分析软岩巷道掘进支护技术，必须分析锚杆和托盘的可靠性，并且托盘的厚度必须符合标准，如果托盘上有问题将影响支护稳定性，从而导致预紧不足。在分析支护效果时，有必要根据软岩层中的特定巷道条件规划断面位置，支护锚杆的长度和直径，灵活地更换锚索和支护，并改善支护参数应用，控制支护效果，满足软岩层煤矿巷道的基本需求。当煤矿软岩巷道掘进支护时，通常会出现新的支护参数。这些参数需要分析以确定合理。通过科学地预设锚杆，可以控制围岩。由于可能会在预设设置中滑动，因此会造成围岩不同程度的损坏。在预设锚杆过程中，利用支护的现有优点，在锚固区构建刚性支护结构。围岩内的实际应力分布更为复杂，为了更好地控制外部岩层的异常响应，锚杆支护系统必须确保连续释放围岩。全面的理论分析，数值模拟和日常试验是煤矿软岩巷道掘进支护技术成功应用的关键。