浅析煤矿破碎软岩巷道控制技术

李辉

摘 要：煤矿的矿坑、矿井周围的岩层容易被破坏，软岩巷道的安全支护显得尤为重要。如果采挖的深度继续加大，在应力的作用下，地下开采容易产生更多的软岩巷道安全问题。我国煤炭资源丰富，地下岩层结构复杂多样，软岩巷道安全问题一直是威胁煤矿安全开采的因素。研究软岩巷道的支护技术和控制技术，可以为煤矿业的巷道安全提供方案，完善巷道安全理论，对煤矿施工和生产具有巨大的安全意义。

关键词：煤矿；软岩巷道；控制技术

前言

煤矿的安全建设与安全开采问题，一直是巷道挖掘工程的难题。文章将针对软岩巷道的控制方式进行阐述，对比各自的特点，努力寻求一种或几种有效的破碎软岩巷道的控制技术。

1 软岩概念简述

由于研究方向不同，对软岩主要从三个方面进行定义，第一种是从软岩层的物理结构—松、软、散—进行分析。一般认为，软岩形成时间短，胶结性差，岩体无法形成结构一致的整体。第二种是国际通用定义，是软岩的数字定义：单轴抗压强度范围是0.5-25Mpa。第三种是我国学者提出的工程定义，以“松动圈”为关键词，软岩是其厚度在1.5M以上的围岩。

2 破碎软岩巷道支护原理及控制机制

2.1 国外软岩支护理论简述

在最初的巷道研究，国外大部分学者认为，巷道上覆岩层的重量即为作用在支护结构的压力力量（F=γ·H），但是由于受当时技术的限制，深部地下工程较少，这个理论多为总结浅部地下工程，所以一直被认为是正确的。但是随着深挖技术的发展，F=γ·H理论与最新的工程实践存在矛盾，旧理论一度忽略了新的安全问题，所以相关学者不得不重新思考，找出解决深部巷道的支护问题，坍落拱理论应运而生，该理论认为，破碎软岩巷道的工程跨度与四周围岩性质决定了坍落拱的高度与范围。而国外较先进的理论是数值计算理论，该理论与计算机模拟软件的开发与应用有密切联系，利用模拟软件的离散元法、有限单元法等，为此理论提供技术支持。技术人员创造了连续介质力学方法和非连续介质力学方法。连续介质力学方法可以模拟岩体，需要将其等效成为一种连续固体介质，遵循固体力学的方法分析其在工程荷载下的力学特性与破坏过程。非连续介质力学方法的理论较为复杂，涉及不连续变形分析、块体理论等。石根华与Goodman为不连续变形分析方法建立了一整套块体系统运动学理论，完整的描述了非连续面岩体的运动和变形规律。

2.2 国内软岩支护理论简述

1950年代，我国学者提出轴变论：轴比变化对围岩变形和破坏的作用理论，该理论主要研究静力与连续介质，在当时属于较为先进的一种理论，认为巷道围岩破坏的根本原因是地应力。而具有我国传统文化的理论是联合支护理论，该理论较为灵活的采取先柔后刚的方法，认为单纯强调刚性支护不可取，可以先支撑再让压，不能一味与地质应力抗衡，否则一损俱损，没有缓和余地。此理论体现了我国的中庸文化。当代较为先进的支护理论是关键部位耦合支护。该理论认为，如果巷道支护强度与周围岩体的应力总和不耦合，容易造成巷道破坏。该理论要求支护需要灵活，采用面和关键点双重支护的方法。

对于支护理论，我国学者还提出多种观点，大都针对巷道围岩的形变提出的，具有各自的特点，形成了各自的理论系统。

3 软岩支护的不足之处

3.1 锚杆的不足之处

在研究锚杆支护方式时，其主要参数是预应力，如果预应力越低，锚杆的主动性变差，强度变弱，直接导致围岩强度大幅度降低，巷道就会出现严重的塑性形变，存在重大的安全问题。锚杆的预应力是判断锚杆支护能力的标准，所以在设计与安装之前，必须严格采集各项数据，精确计算，让锚杆发挥应有的价值。

3.2 设计与施工存在漏洞

我国工程普遍存在“差不多”现象，同样出现在软岩的施工过程，如爆破范围控制不足，导致爆破范围超出了设计要求，产生蝴蝶效应：巷道的尺寸过大，与巷道的设计初衷不符，要修改设计，还要修改支护结构；爆破不足同样不能达到预期。不管是爆破不足或者爆破超限，勉强施工建设，都会造成巷道的结构容易破碎和坍塌。在工程验收过程，由于种种利益关系，验收人员也抱有“差不多”心态，睁一只眼闭一只眼，对标准流程视而不见，留下安全隐患。

3.3 支护设施强度不够

地应力是软岩巷道的主要施加外力。在做支护之前，需要对地应力进行准确评估，但是由于相关技术的局限和地形复杂性，时常造成地应力估计不足，导致巷道内部的支护设计强度不足，发生形变。在实践中，地应力尤为强大，即使使用了较为先进的联合支护，也无法彻底解决巷道的变形问题。更为严重的是，大多巷道工程还没竣工，早期的工程已经出现形变，甚至完全不能使用了。

4 解决破碎软岩巷道的措施

4.1 科学选择巷道的横截面

地下岩层结构复杂，一条巷道承担的压力，不仅仅来源于顶层上的压力，在某些岩层结构中，侧面压力也许会高于顶压几倍、十几倍甚至几十倍。所以需要合理选择巷道横截面，易于维持巷道的稳定性。可以根据地应力的大小和方向来判断巷道断面，如果地应力小，则可以选用传统的拱形支护，如果地应力较大，可以选用圆型巷道截面。另外还要单独测试不同方向的地应力；如果顶部压力最大，在选用拱形或者圆形断面的同时考虑选用立式椭圆；如果水平压力最大，可以选用高跨比小于1的卧式椭圆形支护手段，实事求是的选择不同方式。巷道支护工作实施的时候，可以根据软岩的形变规律，有目的的加高、拓宽巷道的初形尺寸，避免后期的巷道围岩形变。

4.2 加强支护强度

选择好合适的巷道横截面，要进一步考虑所选支护的特性，支护强度是直接解决软岩形变的方法，其特性包含强度、弹性、伸缩性等，提高支护设施的主动支护功能，可以卸压或者让压，尽快稳定开挖后的巷道应力。稳定后立即涂抹、喷射混凝土，密封岩层表面，达到防止吸潮、风化脱落的目的。然后再架设具有足够支撑力同时具有柔性的支护。达到初步稳定后，需要利用电子仪器实时监测支护变形，根据数据判断一次支护能否应对巷道形变，如果发生较大的形变，要及时加强措施，可以加密支护设备。在巷道开挖后，即使没有发生较大的形变，也要采取二次保护措施，同一次支护要求相似，需要支护设备具有让压、伸缩的特性，用以缓冲应力，达到平衡软岩增长的压力，到达足以避免突发形变的可能。如果随着巷道的加长，巷道的形变坍塌风险逐渐加大，所以单一的支护方案是不够的，建议每个3个月，要增加一次支护，用以吸收逐渐增大的应力。

4.3 改变开凿截面的形状

在充分测量的基础上，分析软岩巷道顶面和两个侧面的应力分布，采用抛物线形的端头，可以有效避免新挖掘的巷道的发生形变甚至断裂，同时尽早用水泥封住软岩断口，避免应力过大造成断口继续断裂脱落，而且通过填补层理和节理发育的软岩缝隙，在一定程度上可以提高巷道围岩的强度，改变松散的特性。

5 結束语

综上所述，地下软岩结构的复杂性，远远超出人们的可预见能力，包含煤矿的开采在内，任何地下工程都要面对复杂多样的地质环境，需要技术人员、施工人员本着以人为本的心态，科学严谨的测量地下软岩结构，尽心应对软岩巷道的形变。在特定的软岩巷道建设中，要全方位采集数据，分析软岩巷道的各类不稳定因素，做到实事求是的测量，实事求是的施工，利用先进的理论和先进的技术，对煤矿的安全生产作出努力。

参考文献

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