软岩巷道支护方案实施及变形监测

2023-08-31柳长荣

机械管理开发 2023年7期

柳长荣

（山西柳林煤矿有限公司，山西吕梁 033300）

0 引言

煤矿巷道支护是对工作面围岩控制的主要手段，支护方案和实施效果是保证综采工作面生产安全性和生产效率的关键。巷道围岩从硬度层面可以分为软岩和硬岩两种；与硬岩相比，软岩具有可塑性、膨胀性、分散性等特点，其支护难度较大，也是煤矿建设和生产的难题[1]。目前，针对软岩研究主要针对膨胀性软岩、高应力软岩和节理形软岩等集中类型，而对浅埋低强度软岩的研究较少。本文将结合实践生产对浅埋低强度软岩巷道支护方案展开研究，并对支护后的变形进行监测。

1 工程概况

所研究矿井的地质结构相对平缓，平均倾角小于5°，煤层主要集中在地下54～115.25 m 的区域。经探测，该矿井的涌水量最大可达5.618 L/s，渗透系数为90.27 m/d。岩层主要成分为中粗砂岩，最大地应力为3 MPa，岩层属于浅埋低应力软岩；矿井岩层大部分为巨厚岩层，与工作面井筒的走向相互交叉，在工作面实际开采中会对其造成不利的影响；岩层的空隙率极大，最大孔隙率为28%；整体上讲，岩层相对松散且具有较强的吸湿性。软岩层中的含水量较大，平均含水率为9.992%。

2 软岩巷道支护原则及方案实施

2.1 软岩巷道支护原则

1）对软岩巷道进行超前支护。鉴于矿井软岩巷道的围岩强度较低，巷道开挖后自稳时间较短，极易发生塌方。因此，为了保证开挖的安全性，需要提前采用管棚对其进行超前支护。

2）鉴于矿井软岩中岩层对应的自稳时间较短，因此对巷道进行分别开挖，并且根据巷道的支护间距确定开挖步距，采用开挖一段支护一段的方案实施。

3）由于软岩的岩层相对较软，在开挖后遇到水和风后需要对其进行及时支护，及时支护通过在岩层表面喷射混凝土，避免围岩的强度损失[2]。

4）为了避免软岩巷道在开挖后松动圈进一步被扩展，因此在工作面开挖后需要对巷道及时采用刚性支护，保证开挖后围岩塑性区域的稳定性，避免围岩整体被破坏。

2.2 软岩巷道支护方案设计

2.2.1 超前管棚的设计

管棚主要用于对巷道的超前支护。本工程确定所采用管棚的具体规格参数如下：管棚的直径为45 mm、长度为2 500 mm，管棚之间的间距为300 mm。其中，要求在管棚重叠位置的长度为1 000 mm。在管棚超前支护的基础上为工作人员提供安全的工作环境[3]。

2.2.2 喷射混凝土方案设计

在围岩表面喷射混凝土主要作用是避免围岩在风化和水化作用下强度损失严重。本工程所喷射混凝土由水泥、砂子、石子和速凝剂组成。其中水泥采用425 号普通硅酸盐水泥，水泥、砂子和石子的质量比为1∶2∶2；混凝剂质量为水泥质量的3%。以1 m3的混凝土为例，组成材料及数量如表1 所示。

表1 混凝土各组分及数量

在围岩表面喷射混凝土外，在其表面安装金属网。本工程所采用金属网的直径为6.5 mm，每片金属网的网格规格尺寸为100 mm×100 mm，根据巷道的尺寸，确定每片金属网的规格尺寸为900 mm×1 600 mm。

采用金属支架实现对软岩巷道的刚性支护，所采用的金属支架为25U 型钢制作的直腿式半圆拱形支架，拱形的半径为2 775 mm，支架腿的长度为1 800 mm，支架的搭接长度为500 mm。

最终软岩巷道的支护效果如图1 所示。

图1 软岩巷道支护效果示意图（单位：mm）

2.3 支护工艺

在巷道进行掘进之前采用管棚对其进行超前支护。超前支护完成后将前探梁前移，在架设U 型钢支架的过程中铺设好拱顶的金属网，而后铺设两帮的金属网片，最后将U 型钢棚腿、拱架和棚腿采用卡子将其卡紧。

在实际喷射混凝土时，保证喷射厚度不小于60 mm，实现对巷道围岩的封闭处理；根据现场巷道情况将混凝土一直喷射至综掘机二运的皮带尾部[4]。

3 巷道的变形监测

将上述支护方案按照相关工艺流程并参照相关规范标准在现场完成实施后，对巷道围岩的支护方案控制效果进行评估验证，主要通过对巷道表面变形和巷道深部围岩的相对移动两方面进行监测。其中，采用JSS30A 型数显收敛仪对巷道表面变形进行监测；采用YH-2010A 高智能型多点变形记对巷道深部围岩的相对移动进行监测[5]。