煤矿软岩巷道支护设计与实践应用
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作者: 王良
【摘要】软岩巷道由于具有较差的力学结构，支护难度较大，在支护方案设计时应着重考虑软岩的工程特征。就工程技术角度分析，笔者认为软岩工程特征主要表现在两个方面，即力学特性、临界载荷与软化临界深度，文中对该两种特征做了基本描述，同时简要介绍了两种较为常见的软岩支护设计方案，然后以某矿为例，根据特征分析并结合该矿的软岩地质条件，决定采用锚杆-锚索-钢筋梯-金属网联合的支护方式，结果表明：巷道支护方式改造后，巷道的稳定性得到明显改善。
【关键词】软岩巷道;支护设计方案;实践应用;工程特征
引言
对于采矿工程而言，安全生产的重要性不言而喻。由于软岩巷道表现为较差的力学结构，围岩稳定性差、形变塑性强、来压速度快、维护工程艰巨，因此与正常情况下相比支护难度成倍增加。如果不能在软岩巷道围岩控制方面采取有效的措施，则会影响行人、运料等一系列矿山正常生产活动，甚至会造成巷道冒顶、坍塌事故，严重威胁到矿山工人的人生安全。为了加强软岩巷道的支护措施，必须加强软岩巷道的支护设计工作，同时也要求矿山相关技术人员在支护问题上逐步累计经验，从而使得矿山生产活动正常进行、矿山安全得以保障。以下本文将谈到软岩巷道支护设计问题与工程实践应用问题。
1、软岩的工程特性
在软岩巷道内矿压显现剧烈，力学性质差，遇水容易膨胀，并随着开采深度不断增加应力水平而逐步增大，是制约矿山生产的主要不良地质条件之一。依笔者看来，软岩工程特征主要表现在两个方面。
1.1 力学特性
软岩岩体的主要成分以及结构弱面是影响其力学特性的主要因素，软岩基本上是由泥岩、砂岩等膨胀性粘土矿物构成，且受构造面切割或风化影响，表现为松、散、软、弱等特性，强度低、孔隙度大、胶结性差、膨胀性强，其中后者最为显著，是物理作用与化学反应综合作用的结果，将导致软岩巷道在时间效应影响下表现为扩容现象，进而引起岩层结构内部和外部发生膨胀形变，最终导致巷道变形严重。因此，在对软岩巷道进行支护设计时分析软岩力学特性是十分有必要的，它是具休支护方案设计的基础。
1.2 临界载荷与软化临界深度
从目前形式来看，许多矿井面临深井开采问题，对于那些具有软岩工程地质条件的矿井而言，这些问题将会表现得更加严峻，巷道支护也将变得更加困难。众所周知，当巷道围岩外部应力水平逐渐增加时，处于高压环境下岩体内部的应力水平也会相应发生变化，塑性变形有明显扩大趋势，导致岩体的力学特性与之发生变化，岩体失去自稳特性。也就是说在巷道围岩外部应力水平增加的情况下，其塑性变形和软化临界载荷形成相应的对照关系，岩体内部结构发生变化，即形成的所谓的工程软岩。根据上述所分析，当煤矿逐渐向深部延伸到一定值时，我们将这个值称为软化临界深度，此时巷道围岩所承受的载荷也达到临界值，形成工程软岩，导致巷道围岩变形现象。支护设计时应考虑围岩应力与地应力的基本平衡关系。
2、软岩巷道支护设计方案
针对矿山安全保障需求，国内外专家与学者在软岩巷道支护研究方面投入很多，形成了多种具有独特性的支护方案，实际的支护效果也不尽相同，这与煤矿的具体地质条件、水文条件等有关。以下将简单介绍两种常见的软岩巷道支护设计方案。
2.1 U型钢可缩性金属支架支护设计方案
U型钢可缩性金属支架支护设计方案具有支护效果好、可靠性强、服务时间长等特点，是一种比较科学合理的支护方案，对于巷道变形严重、地质条件复杂（如陷落柱、断层等）、属工程软岩地质等条件具有较好的适应能力和支护效果。在该支护方案中，为了达到预期的软岩巷道支护效果，需要使用顶拱U型钢、底拱U型钢、侧帮U型钢、直腿、金属卡缆、肋板、鞋板等，其中侧帮U型钢的上部多为圆弧形，下部的直腿与鞋板需经过焊接处理。
2.2 让压与锚注巷道支护设计方案
让压与锚注巷道支护设计方案能针对软岩巷道变形较大的特点，采用较为先进的锚网喷注支护技术，在保留足够的形变空间的前提下，保证支护设计的稳定性，以达到保障巷道支护符合矿山作业需求。该支护方案能适用于巷道围岩变形严重、非对称与非均匀变形能力强的情形，在充分让压后，利用围岩趋于稳定的时机，使用特种中空锚杆作为注浆管，将锚固、封孔与注浆等工艺融为一体，对于围岩进行“外锚内注”的加固处理方式。在加固处理完成后，配合使用锚索预应力支护与锚喷支护，在围岩内部形成组合形的“加固圈”，从而有效提升围岩的承载能力，达到长期支护的效果。让压与锚注巷道支护设计方案综合利用了岩体注浆加固、岩体锚杆加固的技术优势，而且通过有效的技术处理手段，强化了围岩自身的承载能力，是一种较为理想的软岩支护方案，在国内很多煤矿企业中得到广泛运用。
3、软岩巷道支护实践
本文以安徽某煤矿为例，该矿年产量为100万t，为典型的工程软岩地质条件。原支护方案采用U型钢与木棚共同支护，但随着煤矿开拓水平不断向深部延伸，以及地质条件不断发生变化，回采巷道遭到较为严重的破坏，在回采工作甚至有一条巷道失去了应有作用。这条巷道从掘进日起一共进行了6次翻修，每个分层的顺槽至少翻修3次。为了保证煤矿的安全生产，该矿决定改造现有的软岩巷道支护方案。根据煤矿开采的实际需求，以及软岩巷道的基本特征，在本煤矿软岩巷道支护设计方案中，采用工程类比与实测法，将工作面回采巷道设计为拱形断面，并且采用锚杆-锚索-钢筋梯-金属网联合的支护方式，相关参数如下：
1）锚杆的直径为20mm，锚杆有效长度计算公式为：
L=L1+L2+H
其中，L为锚杆的长度;L1为锚杆外露部分的长度，L1=0.05m;L2为锚杆在岩层（稳定状态）中的长度，L2=0.6m;H为松动圈的尺寸，使用声波检测仪实地测量松动圈的尺寸，H=1.6m。因此，L= L1+L2+H=0.05+0.6+1.6=2.25m。在本软岩巷道支护设计方案中，并未使用过锚杆支护，所以，为了增强设计方案的安全系数，设计人员将L设定为2.40m，间排距为650～700mm。2）锚索的直径为16.23mm，锚索的有效长度为6500mm，相邻索之间的排距为1600～1700mm。3）钢筋梯的直径为19mm，梯形为110mm。4）金属网的直径为3.5mm，网格的尺寸为55mm×55mm，网格的宽度为750mm。5）木砖的尺寸为350mm×350mm×70mm。通过软岩巷道支护方案的科学设计，经过巷道支护方式改造后，本煤矿巷道的安全性、稳定性明显提高，保障了采矿作业的顺利进行。
4、结束语
综上所述，在软岩巷道支护设计中，必须结合煤矿所处的地理环境、岩层结构以及煤矿采掘深度等，采取合理的巷道支护方案。对于出现较为严重变形现象的围岩，在巷道支护设计中，一定要首先进行变形现象的处理，其次采取注浆的方式，增加其牢固性，从而保证煤矿开采工作的安全性，提高煤矿企业的经济效益。
参考文献
[1]贺峰.煤矿软岩巷道支护技术[J].中国高新技术企业，2010（05）.
[2]范生魁，王月星.软岩巷道支护理论与应用[J].河北煤炭，2009（08）.
[3]范忠明，张金山，马猛.深部矿井软岩巷道支护探究[J].山西焦煤科技，2012（07）.
[4]王德斌，曹思云.洼东煤矿软岩巷道支护方式选择[J].地质力学学报，2013（03）.
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