软岩巷道支护技术现状及发展趋势

田沛博+杨建军+赖鹏安+李佳楠+刘家顺

摘 要：白垩系、侏罗系地层弱胶结软岩巷道支护问题是西部地区矿井建设亟需解决的重要工程技术难题。以西部地区弱胶结软岩巷道支护问题为工程背景，从软岩巷道变形破坏理论、支护理论和现有支护技术等方面进行了归纳总结，结合西部地区弱胶结软岩巷道的变形特性和支护难点，分析了目前巷道变形破坏理论、支护理论及现有支护技术存在的问题，指明未来弱胶结软岩巷道支护技术应在现有支护理论的基础上，开展多层次、全方位的耦合支护理论，支护技术应逐渐向空间耦合、锚网索喷架联合支护技术发展。

关键词：煤矿；软岩巷道；变形；锚喷支护；联合支护

引言

软岩包括工程软岩和地质软岩两大类，其中工程软岩是指巷道开挖过程中因施工扰动、风化、浸水等外力作用形成的具有胶结性差、易风化、软化系数低、自稳能力差等特点的一类岩体[1]。我国西部地区矿井建设中，穿过的白垩系志丹群、侏罗系安定组、直罗组和延安组地层，具有富水性强、岩性软弱、地址条件复杂等特点。其中安定组含水软岩层和延安组含水砾岩层为弱胶结软岩巷道施工工程的技术难点。因此以西部地区弱胶结软岩巷道支护工程为研究对象，提高含水条件下软岩巷道的支护强度、整体稳定性、自身承载能力，具有重要的科学意义和工程实践意义。

1 软岩巷道变形破坏机理分析

西部地区矿井建设过程常遇到具有破碎性、高地应力、软弱或极软弱和膨胀性等特性的工程软岩。该类工程掘进施工和支护难度极大，是西部地区矿建建设面临的最为棘手的问题。对此类巷道机理的研究要从围岩自身的力学特性、水对围岩的影响以及外力作用的影响等方面展开[2-4]。

1.1 围岩矿物成分和结构

西部地区矿井建设遇到的白垩系和侏罗系地层中，岩体中含有大量的蒙脱石和伊利石等大量亲水矿物成分，此外软岩多属于泥状结构或者凝胶结构，遇水和高地应力作用将发生较大的膨胀变形和碎胀变形，加剧巷道围岩的变形。

1.2 水对围岩的弱化作用

工程软岩本身具有较低的强度，在水的浸泡作用下，围岩发生强度弱化，强度明显降低，进而使围岩松动圈范围扩大，导致围岩自承能力下降，应力集中程度扩大，进而导致巷道发生底鼓和侧胀等变形，诱发巷道支护结构破坏、失效。此外水对围岩的弱化作用还体现在裂隙岩体受渗流水的影响将改变岩体应力场的分布，加之其对裂隙围岩裂隙面起着润滑作用，将使裂隙岩体裂隙加速扩展，加剧围岩的变形速率和概率。

1.3 高地应力对围岩的破坏作用

巷道开挖将打破原有岩体的三向受力平衡状态，地应力将重新分布，特别是开采深度越深，地应力越大将加剧围岩的应力集中，使巷道发生明显的流变变形甚至出现塑性破坏。

1.4 围岩流变特性的影响

围岩流变包括蠕变、松弛和弹性后效等。围岩的流变特性受外力作用影响明显。西部地区矿井受富水条件影响较大，且开采深度大，地应力高将加速围岩的流变变形，使得巷道的变形具有长期扩展的趋势。

综上可见，西部地区软岩巷道变形机理主要为围岩自身矿物成分和结构形式的影响、水对围岩的弱化作用、高地应力对围岩的破坏作用以及围岩流变特性的影响。

2 软岩巷道支护技术

2.1 锚杆支护

目前锚杆支护理论主要包括悬吊理论、组合梁理论和压缩拱理论等[5]，锚杆支护技术主要包括金属锚杆、非金属锚杆和锚索三大类。金属类锚杆主要为螺纹钢树脂锚杆、注浆锚杆（锁）、钻锚注锚杆以及锚杆桁架等，其中螺纹钢树脂锚杆和注浆锚杆（索）是我国软岩巷道锚杆支护的主要形式，在我国西部地区矿井井筒建设和巷道支护中得到了广泛的应用。但由于我国西部地区软岩巷道地质条件具有复杂性和多变性等特点，软弱围岩与锚杆相互作用、锚杆与锚索协调作用机制以及锚注联合加固机理尚未研究清楚，特别是缺少具有普遍使用性和定量化的锚杆支护参数设计理论。因此未来锚杆支护应注重锚杆作用机理、锚杆支护设计理论和锚杆支护新材料等方面展开新的尝试和探究。

2.2 锚网喷支护

锚网喷支护技术是在锚杆（索）支护基础之上联合钢筋网和喷射混凝土等形成的联合支护体系。锚网喷支护技术主要机理是充分发挥锚杆的悬吊作用，同时在围岩表面挂设金属网片防止软弱围岩脱落，形成刚柔并济的联合支护形式。喷射混凝土既可以在围岩开挖后立即封闭围岩，防止围岩风化，同时又可以充填围岩裂隙，防止围岩裂隙水渗流。其与锚网支护结构共同作用将显著提高支护结构的整体稳定性，增强支护效果，同时通过喷射混凝土可将锚杆外漏部分褒住，增加巷道的美观度和舒适度。锚网喷支护结构对对浅埋软岩巷道具有良好的支护效果。

2.3 锚注支护

锚注支护是在充分发挥锚杆支护作用的前提下结合注浆技术有效加固松动圈范围内围岩的稳定性，从而达到增强软岩巷道支护效果的一种重要支护方案。锚注支护使用的锚杆（索）主要为中空注浆锚杆

（索），注浆浆液主要为水泥、水玻璃、CS砂浆和化学浆液等。锚注支护机理主要是通过中空注浆锚杆（索）泵送高压浆液，使浆液在破碎围岩范围内充分扩散，对围岩裂隙进行填充，通知阻止裂隙水的流动。待浆液凝固后，浆液、锚杆和围压三者形成统一的支护结构，有效提高围岩强度、控制围岩变形。錨注支护技术在极为软弱破碎的围岩巷道具有较好的支护效果，但支护成本较高，且注浆浆液的适用性受到工程条件的限制。

2.4 锚网喷架支护

对深部软岩巷道，仅采用锚杆（索）支护或锚网喷支护往往并不能有效控制围岩变形，特别是对于具有显著流变特性的软弱岩体来说，流变变形将使巷道产生较大的收缩变形。因此对于深部软岩巷道以及受水影响大、锚杆（索）施工质量难以保证的软岩巷道而言，在锚网喷支护形式基础上加设型钢钢棚支护，将有效提高支护结构的整体刚度，特别是对于限制软岩的流变变形将起到较好的支护效果。目前型钢钢棚支护主要形式包括：工字钢、U型钢和钢管混凝土支架等形式，上述型钢钢棚支护与锚网喷支护形式的联合支护结构将充分发挥锚杆主动刚性支护和型钢支架被动柔性支护的各自优点，实现刚性支护和柔性支护、主动支护和被动支护耦合联合支护，是目前深井软岩巷道支护常用的支护形式。

3 结束语

目前我国在软岩巷道破坏机理、支护理论和支护方法方面取得了很大成就，但由于软岩巷道岩体力学强度低、水和地应力影响作用大、软岩流变特性显著，软岩巷道支护问题尚未得到有效解决，对软岩巷道支护方案选择和参数确定尚未有明确的理论依据。因此开展以锚喷支护技术为基础，综合注浆、型钢支架、管棚支护等联合支护技术将是未来弱胶结软岩巷道支护技术的发展方向。

参考文献

[1]孔令辉.弱胶结软岩巷道围岩稳定性分析及支护优化研究[D].青岛：山东科技大学，2011.

[2]孟庆彬，韩立军，乔卫国，等.泥质弱胶结软岩巷道变形破坏特征与机理分析[J].采矿与安全工程学报，2016，33（6）：1014-1022.

[3]何满潮.深部软岩工程的研究进展与挑战[J].煤炭学报，2014，39（8）：1409-1417.

[4]Cheng A.G， Ning S.Z， Yuan T.X. Resarch on compresensive regionalization of China coal resources[J].China Coal Geology，2011，23（8）：5-8.

[5]康红普.我国煤矿巷道锚杆支护技术发展60年及展望[J].中国矿业大学学报，2016，45（6）：1071-1081.