软岩巷道支护技术研究与应用

软岩巷道支护技术研究与应用

发表时间：2017-10-09T16:10:06.277Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第14期作者：江山山

[导读] 基于能量平衡理论的深部软岩巷道支护技术为我们更好的解决深层煤炭作业中出现的安全事故问题。

安徽神源煤化工有限公司安徽省淮北市 235126

摘要：软岩的强度和刚度的岩体结构小，临近采区高应力状态下的岩石巷道掘进中，极易造成破碎软岩，导致对煤矿安全生产的不利影响，因此支护技术的应用是非常必要的。在实际生产过程中，不同围岩性质的应力状态不同。如果采用单一的支护技术方案，不仅达不到预期效果，而且会带来更大的安全隐患。因此，在实际的煤矿巷道掘进中，应根据围岩的实际性质选择合理的支护形式，以确保煤矿安全生产。

关键词：软岩巷道；支护技术；应用

1软岩巷道支护机理

为了保证软岩的极限承载力，一般在软岩巷道支护设计过程中消除围岩塑性变形。围岩应力状态会因煤矿开采而发生改变，而为了保证围岩的承载能力就必须对围岩进行加固，提高巷道围岩支护强度。若围岩在巷道挖掘后而受到的各应力(静水压力、重力、构造应力、土压力等)合力为P合，当对软岩巷道进行支护之后，P合是指支护结构提供支撑力、围岩的自撑力和围岩变形而产生工程力三者的合力。因此，当围岩应力状态发生改变时，巷道围岩难免会出现塑性变形，为进一步降低巷道围岩塑性变形危害，加强支护和提供可变空间的方式来改变巷道严重变形现象，确保围岩支护稳定。

2现今煤层深部软岩巷道支护技术现状和问题

不同开采条件的深部巷道在高应力作用下有其独特的破坏机理，采用通常的支护方法和手段，巷道支护效果条件差，巷道修复率高，永久性巷道支护后常出现冒顶、片帮、底鼓等现象，需多次维护与加固，维护工程量大，支护成本较高，巷道安全隐患点多，煤矿安全生产时刻受到威胁。

深部巷道围岩的地质力学快速测试系统和高预应力、强力锚杆支护系统。这种支护系统是目前较为有效的一种支护系统。锚杆支护已经成为我国煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式，显著提高了巷道支护效果，能够在安全的情况下保证采煤面快速推进，大幅促进煤炭产量的提高。锚杆支护只能对浅层煤矿巷道的变形起到防止变形的作用。在深部条件下，巷道围岩出现高地应力，尤其是受到水平构造应力的影响很大。许多在浅部煤层防治巷道变形的理论和支护手段都失效了。由于高地应力没有作用在煤层巷道的一个水平面上，导致地应力大小不均，深部围岩体现出非线性大变形的特点。由于深部复杂的地理环境导致深部巷道支护极其困难，尤其是厚煤层软岩巷道变形将成为干扰井下正常安全生产的重大难题。深部高地应力岩巷矿压显现具有明显不同于浅部的特点，巷道围岩承载力、地应力、巷道原支护结构、松动圈及顶板应力集中导致软岩巷道诱发大变形，地压大，巷道维护困难成为突出问题。原有支护方式采用的锚杆支护材料强度与刚度小，初期锚固力低，支护效果差。在集中应力的作用下，巷道围岩发生较大的变形，尤其表现为顶底板移近量加大、锚杆、锚网拉断、两帮内挤、巷道肩部破碎。

3能量平衡理论应用于厚煤层软岩巷道支护技术

基于能量守恒原则，能量支护理论被提出，其主张运用到煤层巷道中的实践就是：对岩体的开采总是伴随着能量的输入、聚集、输出过程，巷道工程的支护也要随着变化，才能使能量处于动态平衡。在煤层巷道内利用支架等支护设备对围岩能量进行释放，最终完成能量守恒。这就解决了井巷工程拨门施工时，能量一旦出现失衡状态，厚煤层软岩层及其围岩就会出现巷道变形情况。能量平衡理论要求在煤层巷道内部，调整支护设计、二次支护和优化弱面支护结构来改善深部高地应力软岩巷道支护状况。

3.1调整支护设计

支护设计的调整主要是为了满足巷道与岩体之间的受力平衡。围岩处于应力场，与人为因素无关。拨门开挖施工后巷道围岩近似处于双向应力状态。支护承受岩石释放的能量，将应力沿支承方向传递，从而实现能量的传递和平衡，更好地完成支护效果。

3.2调节支护结构

巷道支护刚度小，支撑力相对降低，巷道周围径向位移严重；软岩地层，围岩越向外移动特性曲线，巷道的变形越严重。在变形过程中，总能量不发生变化，围岩释放一定的能量，支撑体吸收一定的能量。支架结构可自动调节，围岩释放的能量可自动调节。虽然市场上的钢结构可缩性支架都具有调节结构的功能，但锚杆支护是柔性和塑性的最佳支护形式，能较好地调节围岩释放能量。

3.3二次支护

由于巷道围岩应力释放时间较长，往往是由于岩体在第一次支护结束后是非弹性的。除了可能的断裂带外，特殊地质变化所遇到的断层和顶板裂隙水出现等导致围岩特别软且巷道变形严重，一次支护往往达不到支护要求，顶板下沉产出离层。开挖后，应力作用下积累的能量将释放，并将作用于巷道的支护结构。经过两次支护后，岩体表现出明显的流变性质。施工人员必须对巷道进行二次支护，其目的是使围岩从蠕变状态发展到稳定状态，二次锚杆锚固区的径向稳定应力大于或等于非锚固区径向应力。结果表明二次支护提高支护强度改变巷道围岩变形，满足厚煤层巷道长期使用的要求。

3.4选择优化支护系统

在选择优化支护系统时，我们先比较三种锚杆支护能力。从《三种锚杆支护巷道表现位移统计表》中观察可知：三种支护形式对巷道顶板和两帮的支护效果差别大。高强锚杆和锚索支护段的顶底板移近量、顶板下沉量小，其两帮移近量也比较小，高强锚杆很好地控制了巷道围岩变形，具有显著的优势和应用价值。在实际操作用中，全螺纹钢锚杆支护段锚杆受力变化最为显著，安装受力较小，安装后达到强度极限时甚至出现断裂情况。而高预紧力锚杆的强度和刚度较大，高预紧力有效控制了煤层巷道顶板的离层和两帮位移，满足对巷道安全支护，避免巷道发生大的变形和塌陷。加之，高强锚杆支护比原支护材料成本较低，其适合在深层煤矿井的开采作业巷道中推广使用。它的推广会减少煤矿安全事故的发生减少经济损失。

4结论

目前我国在软岩巷道支护理论和支持方法的失效机理方面取得了很大的成绩，但由于对低强度软岩巷道岩石力学、水和应力的影响，软岩巷道软岩流变特性的问题没有得到解决，没有一个明确的理论依据软岩巷支护方案的选择和参数的确定。因此，在锚喷支护技术的基