软岩巷道支护稳定性研究

软岩巷道支护稳定性研究

摘要：随着煤炭连续的开采，浅表部煤炭资源越来越少，从而转向深部煤层的开采，并正以10～20m/a的平均速度向深部发展。随着开采越来越向深部发展，软岩工程、软岩巷道支护的问题越来越突出。由于软岩支护困难，全国大约每年有100km的软岩巷道需要套修加固，所以解决好软岩巷道的支护问题，已成为我国煤炭开采向深部发展和安全生产的关键问题之一。。目前国内外许多专家学者致力于该领域的研究，已取得了一些可喜的成果，但还不能满足日益增长的软岩工程需要，还迫切需要进一步的深入研究和探索。

关键词：软岩；巷道；支护

Abstract: with the mining of coal continuous, superficial department coal resources less and less, and turned to the deep seam mining, and is 10 to 20 m/a of the average speed to the deep development. With more and more to the deep mining development, soft rock engineering, of the soft failure roadway under high problem is becoming more and more serious. Because of soft rock supporting difficulties, the national about every year 100 km of soft rock tunnel need to set the reinforcement, so solve the soft rock tunnel support has become China’s coal mining deep development and safety in production to one of the critical issues. Many experts and scholars at home and abroad to work on this field of research, has made some encouraging results, but still can’t meet the increasing soft rock engineering need, but also the urgent need to further research and exploration.

Keywords: soft rock; Roadway; supporting

中图分类号: TD311文献标识码：A文章编号：

煤矿建设、生产过程中，由于受到地质条件的限制，巷道掘进过程中有时无法回避软岩问题；随着开采深度的加大，在高地应力的作用下，许多原本不是软岩的岩体成为工程软岩。在一些矿区，软岩巷道问题长期困扰着矿井正常的生产接续。软岩巷道的支护和施工是近年来研究得较多课题之一，通过对软岩巷道稳定性研究，可对复杂条件下巷道的支护、施工技术起到补充、完善的作用。研究软岩巷道支护、施工对煤矿安全生产和经济效益有着重大的意义。

1国外研究概况

1.1道支护理论

1）二次支护理论：二次支护理论是在煤矿软岩巷道支护的实践中形成的，它的实质仍然同组合支承拱(梁)理论。二次支护理论目的就是使其加固，而形成加固承载环，此理论的关键就是要根据围岩变形量测的结果，确定二次支护的时间、方法和支护刚度，以达到最佳支护效果。近年来，淮南、平顶山等矿区软岩回采巷道稳定施工中，采用壁后充填，注浆等措施进行二次支护，取得了成功。

2）澳大利亚以地质力学评估为基础的锚杆支护设计方法，采用数值模拟软件[4]进行过程优化设计。

3）美国S.S.彭和L.B.戈于1995 年提出软岩巷道锚杆支护的设计方法,认为软岩矩形巷道顶板有三种破坏形式,采用边界元法研究了三 种破坏形式的主要影响因素,并对锚杆的作用进行了分析。

4）国外研究成果和工程实践证明软岩巷道宜采用分步措施，必要时采用提前预加固，并在许多工程中取得了成功。

1.2道支护技术现状

传统的井下巷道支护主要采用型钢，这种支护属于被动支护，往往无法及时支护围岩，而软岩巷道围岩蠕变较大，这极易造成支架变形失稳。现在许多工程中采用了锚网梯索支护，在一定程度上解决了这一问题。但单纯的锚网梯索支护还存在着不少缺陷，尤其在受采动影响的软岩巷道中，锚网梯索支护仍有一定的困难。因此必须使软岩巷道的支护变为组合支护，将锚网梯索喷浆、打锚索梁、注浆加固等方法进行联合支护，变被动支护为主动支护。

1.3软岩巷道支护对策探讨

1）对底鼓严重且服务时间长的开拓及准备巷道、车场、泵房等，采用锚网梯索喷注浆进行联合支护。对穿越断层、受采动影响地段采用锚网梯索+背棚喷注浆进行联合支护。

2）对底鼓变形破坏严重，且服务年限短的部分准备巷道，一般采用局部扩刷铺网补打锚杆进行支护。当巷道继续变形破坏时，就采用锚网梯索+背棚进行支护。

3）综合治理，即使清理水沟，尽量避免底板泥岩受水的影响膨胀。

2软岩巷道围岩变形破坏机理

巷道为典型的软岩巷道，围岩强度低、自稳时间短、变形速度快，破坏前总变形量大，对震动的敏感性强，流变性明显。当巷道开挖以后，由于自身的围岩性质差，承载能力弱，岩性易碎，对水作用敏感，遇水后强度急剧降低软化，岩

石流变明显，在巷道周边围岩内将形成一个松动圈。围岩应力在巷道开挖后平衡状态遭到了破坏，围岩应力重新分布，随着时间和空间位置的变化，应力应变又于不断调整状况中。软岩开挖后，其压力显现规律：①围岩变形与压力显现随时间有明显的阶段性。软岩开挖后，围岩初期变形速度快，逐步过渡到比较稳定，之后变形速度又急速增加，最终使巷道受到破坏。②围岩变形与压力变化有明显的空间效应。软岩巷道变形受空间的影响主要是埋深和所处的位置。

3软岩巷道支护对策

3.1软岩巷道支护原则与形式

传统的软岩巷道支护方式主要是用料砖、混凝土或钢筋混凝土砌筑进行支护。在目前巷道支护中，料石砌碹占的的比例很小。料石砌碹支护方式有着它致命的弱点，就是料石的刚性、脆性较大，没有可缩性，支护壁后充填质量差，引起受力不均匀。而软岩巷道地压大，来压快，围岩变形量较大，变形时间长，后期来压较大，所以最易于被后期来压压垮，这方面在软岩巷道中已有不胜枚举的失败教训。另外，料石砌碹支护方式难以实现机械化，工人劳动强度较大，工程进度较慢。

在我国，锚网梯索喷浆支护已成功地支护了一些典型的软岩巷道，取得了成功的实践经验。但是我国地源辽阔，软岩岩性差别较大，要使锚喷支护加速推广应用，特别在是在特软，强膨胀岩石中推广应用，还有必要进行试验研究。

另外，由于软岩巷道围岩变形大，变形时间长，在设计巷道断面时，应考虑足够的富余尺寸，以便使巷围岩收敛稳定后，能够满足运输、通风的需要。

3.2矿井地质概况

盘江精煤股份有限公司位于贵州省六盘水市盘县境内，与云南省富源县、宣威市接壤，因地处“攀西--六盘水”这个资源富集的“金三角”的最南端，又以丰富的煤炭资源称冠江南，被誉为“金三角下的一颗明珠”。随着南昆、水柏、内昆、株六复线等铁路的建成，以及320国道、水盘公路的改扩建，盘江矿区已成为北通巴蜀，南接八桂的西南和西部大开发中的一个交通及能源输出重镇。它所包含煤矿为六个，即火铺矿、老屋基矿、山脚树矿、月亮田矿、土城矿、金佳矿。

盘江矿区的煤质优良，气、肥、焦、瘦品种齐全，以低硫、低灰、微磷、发热量高而著称江南，是理想的冶金、化工和动力用煤。

本研究主要以火烧铺矿工程背景，进行现场调研和实验。火烧铺矿位于贵州省盘县火铺镇，其范围南起羊1地质剖面附近的扁木青，与梓木嘎井田相邻；北至滥9断层，与纸厂井田接壤；西起煤系地层底界，东至陈家田、反坡、刷把头上、平川马鞍山一带的连线，总体形态呈一南北走向的条带状，走向长14.15km。东西宽1.5～2.4km，面积26.4716km2。矿井设计能力240Mt/a。经技术改造后2009年矿井生产原煤233.1万吨。2009年矿井核定生产能力300Mt/a。

火烧铺矿井田含煤地层为二迭系上统龙潭煤组（P2L），全层厚280～310m，由粉砂岩、细砂岩及泥岩组成，含煤40～50层，煤层多以近距离中厚煤层群为主，主要可采煤层1号、3号、5号、7号、10号、12号、14号、17号、20号、21号、22号、24号、26号煤，分布在煤系地层上部及中部。上煤组可采煤层（1号、3号、5号、7号、10号煤层）顶板多为粉砂岩、细砂岩，岩性坚硬、节理发育、易于管理。中煤组（12号、14号、17号、20号、21号、22号煤层）煤层顶底板大部分为粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩等软岩，其硬度系数f=2～3，节理发育，遇水极易变软膨胀。目前矿井开采第3～5区段，与地面的垂高为300～500m。根据火烧铺矿多年来开采实际情况，采区主要巷道处于软弱岩层中。

3.3施工工艺

盘江煤电集团各矿区现在巷道支护的方式有架棚、锚网梯索、锚网梯索喷浆、锚网梯索+背棚喷注浆等支护形式。

3.4监测结果分析

通过对火烧铺矿几条典型软岩巷道矿压观测数据分析，总结了不同支护形式和支护参数条件下软岩巷道变形规律及破坏特点：

2153运输巷1～20号测点，在观测过程中进行过一次巷修，棚距为700mm。其中1～7号测点处于压力集中地带，巷道两帮移近量达到5.684mm/d；8～20号测点棚距为700mm，巷道两帮移近量达4.784mm/d；21～32号测点在2009年一季度巷修时，采用先锚网梯索，再背棚的支护方式，巷道稳定性较好，在矿压观测期间未进行巷修，而且巷道两帮移近量为1.73mm/d；2153运输巷从212石门往里20m一段巷道曾进行过注浆，巷道的底鼓量得到有效控制，顶底板平均移近量为0.8977mm/d。

214运输石门1～13号点在矿压观测期间进行过一次巷修，支护形式为锚网梯索喷注，该段巷道底板注浆全部施工结束，而帮顶注浆由于采区巷修接续原因，注浆完成1/3的工程量时，该施工队得撤到其他地方进行巷修。其次，该段巷道由于长期受动压的影响，之前一直使用不正规的联合支护，巷道松动圈较大。在矿压观测期间巷修时，巷道局部位置存在松动矸石和鼓包。根据矿压观测结果，1～13号点，巷道两帮平均移近量为3.9967mm/d,顶底移近量为1.244mm/d，帮顶变形较为严重，而底板的底鼓现象不严重。14～27号观测期间未进行过巷修，帮、顶及底板也未进行过注浆，巷道顶底板移近量为4.3348mm/d，两帮移近量为2.6166mm/d。

234运输石门支护形式为锚网梯索喷注进行联合支护， 1～10号点锚杆间排距为700mm×700mm，锚索间排距1400mm×2100mm ，10～21号锚杆间排距为700mm×700mm，锚索间排距1400mm×1400mm。在矿压观测期间，234运输石门未进行过巷修，仅在2009年1～4月进行过拉底，根据矿压观测结果，1～10号点段巷道两帮移近量为0.85507mm/d，顶底板移近量为0.8186mm/d, 10～21号

点两帮移近量为0.33mm/d，其顶底板移近量为0.544mm/d，从现场实际状况观察，10～21号点至今相当完整，基本没有出现变形，1～10号点巷道有一定变形，帮顶上的浆体出现崩脱现象，但变形速度相当缓慢，而21号点往里巷道底鼓相当严重，这是由于该段巷道顶上有淋水，长期的淋水浸泡巷道，导致底板岩石软化、膨胀。巷道底鼓也较严重，也是受水作用的结果。但该段巷道经过锚注后与以前相比，巷道及底板有很大好转。2008年3月，234运输石门进行巷修，巷修锚网喷注后，至今巷道对生产无任何影响，巷道变形和破坏不严重。

综上所述，火烧铺矿选择的软岩巷道支护形式：锚网喷+锚索+注浆+可缩U型钢棚联合支护；支护参数为：锚杆间排距700mm×700mm，锚索间排距1400mm×2100mm，锚索长8200mm，背棚支护棚距700mm，对巷道围岩喷注浆。采用这种支护形式和支护参数后巷道变形速度较小、破坏程度较低。

4结论

通过理论研究和对盘江矿区几个重要的软岩巷道矿压观测，重点对同一巷道内不同支护形式和采用相同支护的不同巷道类别进行观测分析，得出如下结论：

（1）“锚网梯索＋背U型棚喷浆”的支护形式，能够有效地控制软岩巷道底鼓，巷道顶底板的移近量大大减小，巷道维护较好。

（2）“锚网梯索＋喷注浆”支护有利于全断面封闭软岩巷道，提高围岩强度，特别对淋水大，见水易膨胀的软岩巷道有较好的治理效果，能大大延长巷道的维修周期。

（3）“锚网梯索+喷浆”支护在成本上优于上两种支护形式，但效果略差，适用于围岩变形不太严重的巷道。

（4）“锚网梯索＋喷注浆＋背U型棚”联合支护适应性较强，巷道变形破坏程度低，经济效益明显。

5有待于进一步研究的几个问题

（1）开展理论研究和工程实验，解决巷道支护设计密度、施工的规范问题。

（2）研究降低围岩应力的方法和手段，减少巷道围岩应力集中。

（3）改革、创新支护形式，降低支护成本。

（4）加强巷道水治理，改进注浆材料，采取全方位措施解决围岩遇水膨胀、软化问题。

参考文献

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毕业于贵州大学采煤工程专业，现任火铺矿副矿长。长期从事煤矿井下生产技术与安全管理工作。发表专业论文1篇。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。