软岩巷道安全支护技术探究

冯溪阳

云南国土资源职业学院

就相关资料的研究分析，由于巷道变形量较大、支护相对困难并且返修的效果偏低等，不但会增大开采的难度以及对技术的要求，同时也会影响生产效率，降低生产安全性，同时给巷道的安全使用也带来极大的隐患，导致井下的工作人员面临极大的生命安全威胁。所以针对软岩巷道安全支护技术分析对于建设安全高产高效的矿井有着重要的意义。

1 软岩巷道变形力学机理及影响因素分析

出现软岩巷道变形是因为多个因素耦合作用，一般是在压力效应的作用下，二次应力值要比围岩极限强度以及塑性极限更强，使得围岩出现明显的流变，巷道围岩出现变形、破裂以及破坏等情况，从而表现出明显的地压力效应。软岩巷道围岩出现变形失稳的力学机制，主要包含了结构变形型、扩容型以及物化膨胀型3个方面。

应力扩容形变和力源有着直接的关系，让软岩受到净水压力、上覆岩层自重力以及动水压力、工程偏应力等情况的影响，就会破坏岩体，造成变形[1]。

结构变形的机制与围岩结构面以及结构本身的联合特性有着关系。结构面的力学特征、结合类别、形成特点以及巷道位置都对其有直接关系，进而对软岩发生变形以及失稳的规律产生影响。

物化膨胀则取决于岩体本身的化学性能。膨胀岩属于亲水性岩石，其本身的晶体结构会直接将水分子吸附在晶层的内部，导致具备矿物质颗粒的胶体出现膨胀，进而引发物质颗粒内部的膨胀。

对于软岩巷道变形破坏产生影响的因素：软岩具备明显的流变特性，由于长时间的荷载作用，就会有持续的变形出现。所以软岩巷道的变形与时间有着密切的关系，岩体强度、围岩结构、胶结强度等岩体本身的特性就会对软岩巷道围岩产生变形的主要因素，且工程偏应力、参与构造应力以及本身的重力等因素都可能受到外界的影响。地下水体会导致膨胀型软岩吸水膨胀，从而出现软化，这样也会对围岩变形产生影响[2]。

2 软岩巷道特征及支护困难的原因分析

2.1 软岩巷道特征

（1）来压快，自身稳定的时间短。自身稳定时间是围岩在无支护状态下从暴露到失稳冒落的时间。自稳时间和地压大小以及围岩强度有着直接的关系，并且也会受到位置、巷道形状以及掘进方法的影响。软岩巷道自稳的时间很短，一般几十分钟到几个小时即可，且来压快，需要超前支护或者是及时支护[3]。

（2）围岩的变形量较大，并且持续时间长。一般来说，当软岩巷道掘进1～2天，就会达到10～20mm的变形量，并且变形的时间长达25～60天，甚至超过半年。就算是选择了支护措施，依旧会有个别软岩巷道出现较大的变形量。

（3）围岩四周来压底鼓明显。针对相对坚硬的岩层，围岩对于支架造成的压力来源于顶板和两帮，但是软岩巷道之中是四周来压，其底鼓较为明显。这主要是因为松软岩层本身的结构疏松、强度偏低，无法支撑覆岩层的重量。

2.2 软岩巷道的支护

首先，软岩巷道本身的围岩成岩的年代晚，其胶结程度较差，这样就很容易让煤层的顶板和底板出现破坏，进而风化。

其次，煤矿之中存在泥岩、砂质泥岩等软岩，其本身的强度较低，主要表现在围岩松散软弱，一旦受到的应力水平较高，就会出现极大的变形，进而影响巷道的支护。

最后，岩体破碎、节理发育。部分矿区虽然岩石强度较高，但是考虑到节理发育，岩石破碎，就很容易表现软岩特征，并且支护也非常的困难[4]。

3 软岩巷道锚固方案设计及参数的确定

3.1 巷道锚固方案设计

3.1.1 开拓大巷锚固方案支护设计

在大巷支护方案设计中，选择锚索+锚杆+网+U型钢支架来开展支护，所选择的方案参数，见表1。

表1 开拓大巷锚固方案基本情况

3.1.2 工作面顺槽锚固方案支护设计

在大巷支护方案设计中，选择锚索+锚杆+网+W钢带来开展支护，所选择的方案参数，见表2。

表2 工作满顺槽锚固的基本情况

3.2 锚固材料的规格、性能及其选择

3.2.1 锚固剂

目前，国内常见的树脂锚固卷规格，见表3，各个型号的固化性能，见表4。按照实际的应用分析，并且考虑到锚杆孔直径、锚固剂直径以及锚杆直径的要求，所以在设计顶板以及两帮的时候都选择树脂锚固剂K2360与Z2360型号。其中K表示快速锚固剂，Z表示中速锚固剂[5]。

表3 树脂锚固卷的规格尺寸

表4 树脂锚固剂的固化性能

3.2.2 锚杆

本次所设计的巷道特点在于：第一，2#煤层的平均厚度为1.43m，选择长臂高档普采采煤法，全部使用垮落法管理顶板。第二，2#煤层的顶板存在泥岩，细中砂岩，破碎，本身的稳定性较差，并且集中了皮带大巷、集中轨道大巷、回风大巷以及工作面顺槽均沿着底板掘进。基于巷道围岩地质力学条件以及FLAC3D数值进行计算结果模拟，皮带大巷、集中轨道大巷、回风大巷均选择Ф22mm的高强度螺纹钢锚杆；2#工作面顺槽顶板选择Ф22mm玻璃钢锚杆，非工作帮选择Ф22mm的高强度螺纹钢锚杆（20MnSi）。2#煤集中弄皮带大巷、轨道大巷以及回风大巷两帮都选择的Ф22mm的高强度螺纹钢锚杆（20MnSi）。按照服务时间、断面尺寸以及锚杆的间排距，确定各个巷道锚杆的规格与尺寸。

3.2.3 锚杆梁

在锚杆支护中，锚杆梁是关键构件。按照巷道的深度、断面、围岩的具体条件以及支护方式，2#煤顺超顶板选择W型钢带锚杆梁。另外，考虑到加工的难易度、经济型、施工安全等条件，最终两帮锚杆梁选择Ф16mm的普通圆钢焊制。对于开拓大巷顶板、两帮和2#煤工作面顺槽两帮锚杆钢筋梯子梁的规格与加工尺寸，如图1-3。

图1 开拓大巷顶锚杆钢筋梯子梁

图2 开拓大巷锚杆钢筋梯子梁

图3 顺槽帮锚杆钢筋梯子梁

3.3 锚杆锚固参数的确定

3.3.1 锚杆锚固形式的确定

按照锚固长度的差异，将锚固划分为全长锚固、加长锚固以及端头锚固3个方面。经过相应的分析，全长或者是加长锚固锚杆支护系统的优点要明显高于端头锚固锚杆。一般在顶板相对完整稳定，并且应力偏小的巷道之中可以选择端头锚固锚杆的方式；如果地形条件复杂，并且操作困难，则可以考虑全长锚固或者是加长锚固。针对裂隙、节理以及层理十分发育受到采动影响的动压巷道，端头锚固锚杆本身的适应性较差，所以就应该选择全长以及加长的锚固锚杆支护系统。针对本次的2#煤巷的实际情况，选择加长锚固的方式进行支护操作。

3.3.2 锚杆预紧力的确定

（1）尽量增加安装锚杆的预警扭矩。按照锚固剂的力学性能、锚杆杆体材料、钻孔与锚固剂之间的粘结特性，在允许的前提下，锚杆预紧可以选择大扭矩扳手、气动扳手或者是大扭矩锚杆钻进来进行操作。

（2）确保锚杆尾部的螺母与螺纹之间的光洁度，尽可能的减少摩擦当量角。通过锚杆加工工艺的控制，或者是在螺纹段落涂抹润滑油脂，就可以满足其光洁度的要求。

（3）降低锚杆螺母与球垫以及托盘之间的摩擦力。考虑到螺母和球垫以及托盘之间可能会有水平摩擦力的存在，进而形成摩擦扭矩，就需要将施工机具提供的预紧扭矩消除，降低锚杆预紧力。所以可以利用尼龙垫圈的设置，就能有效降低摩擦阻力。

基于上述的分析，提升巷道围岩稳定性可以选择增加锚杆预紧力的方式进行，但是考虑到锚杆螺纹加工精度较低、可回收锚杆承载能力低以及施工机具等方面的条件限制，再结合本煤矿的基本情况，施工之中只能够要求：工作帮的玻璃钢锚杆预紧扭矩需超过150N·m；而非工作帮锚杆或者是巷道的顶板，预紧扭矩必须超过200N·m[6]。

4 结束语

总而言之，考虑到软岩地区本身的岩体结构强度以及刚度的问题，在进行煤矿开挖的过程中，就很容易让其进入高应力的状态，进而造成软岩的破碎，影响安全开挖。虽然一般的锚杆支护技术能够解决软岩巷道变形的问题，但是考虑到不同区域的应力的状态存在较大的差异，如果选择单一的支护形式其效果不够明显，并且还可能留下安全隐患。所以通过本文对于煤矿软岩巷道安全支护技术的分析，针对锚固方案进行针对性的设计，确定合理的支护方案，这样就能最大限度的保障煤矿开采的安全性。