浅谈软岩巷道安全经济支护技术

崔天龙

（铁法煤业（集团）有限责任公司晓南矿，辽宁 铁岭 112700）

1 引言

晓南矿是国家“五五”期间重点建设项目，始建于1971年10月，1980年9月28日建成投产，原设计年产量90 万吨，1990年9月25日，矿井改扩建为150 万吨现代化大型矿井，2004年正式核定生产能力214 万吨，目前年产量在210万吨。矿井煤炭主要以中厚煤层的长焰煤为主，有部分气煤，属低硫煤，适用于工业动力用煤和民用煤。现有两个开采水平。本文主要针对软岩的概念、特点及支护形式，结合晓南矿W2－723 综采工作面两顺支护情况进行论述。

2 软岩的概念

我国对软岩有着很多用语习惯，各个煤炭系统对其都有着多种定义。

第一种是根据岩石的单轴抗压强度，小于20 MPa 的岩层称为软岩；第二种定义是较软较弱岩性的岩层是指胶结程度差、受结构面切割、孔隙度差、强度不高及风化较大影响或含有较多量的具有膨胀性质黏土矿物的散、松、较软较弱岩层；第三种定义指的是软岩在矿山压力的作用下能产生明显变形的工程岩体。

3 软岩巷道的特点

第一，软岩具有遇水膨胀、易风化等特点。开挖软岩巷道时，要及时将围岩封闭，尽可能保证围岩的原始特征不被破坏，要通过喷射混凝土等措施防止围岩吸潮、风化，这样还可以为围岩提供支撑力，避免围岩变形、松动，为安全提供了保证。

第二，为适应软岩巷道变形大、来压快、变形持续时间长、低压大等支护特点，可采取刚柔结合和多次支护的原则，让先期的支护逐渐承受压力分布，也就是所谓的柔性支护，后期可以采用刚性材料来避免出现软岩持续变形造成的巷道大幅度变形。

第三，软岩围岩巷道承受载荷能力差。上覆岩层的压力只有小部分承载于支架上，主要部分会由巷道围岩来承受，因此要通过各种措施提高软岩自身的承载能力，可以采用锚喷支护来提高围岩承载能力，尤其是多次经过修复的巷道，围岩承受载荷能力极弱，并且围岩松动影响范围大，更应该采取方式提高围岩强度，提高自身承受载荷能力。

第四，软岩巷道的周期来压步距是28 天，巷道四周均有压力，因此软岩巷道均会有底鼓现象发生，因此，针对软岩巷道，除了顶板、两帮需要支护，还要防止底鼓[1]加强底板支护。

4 工作面地质概况

西二采区723 工作面为综采工作面，地面相对位置、标高，区域内的建、构筑物及邻近采区开采情况、煤层顶底板情况如表1 和表2 所示。

表1 W2—723 工作面位置及井上下关系

表2 煤层顶底板情况

从上述表格可以看出，W2-723 工作面为一水平采区，采区井下标高-308～-374 m，工作面西部和东部为采空区，北部为西二大巷煤柱，南部为F19-2 断层为界。工作面顶板伪顶为平均0.6 m 厚泥岩、碳质泥岩，直接顶为平均3.2 m 厚泥岩、炭质泥岩、7-1 煤及泥质粉砂岩，伪顶与直接顶岩石特征属松散破碎、遇水泥化，工作面地质情况复杂。

5 软岩巷道的支护形式

针对晓南矿巷道工程历史经验进行分析、总结，分析出以往支护形式的优点和缺点，为改进和完善软岩巷道支护提供参考依据，分析晓南矿软岩巷道常用支护形式如下。

5.1 锚索支护

锚索支护以钢绞线为主要支护材料，具有工期短、成本低、施工安全、锚固范围大、锚固力高的优点，是软岩巷道二次支护，尤其是解决大断面硐室围岩支护问题的有效技术，在煤矿领域取得了良好的效果。晓南矿W2-723 综采工作面两顺锚索支护的参数采用28.6 mm×6 200 mm 锚索进行顶板支护，确保锚索锚固在稳定岩层中。

5.2 锚网喷浆联合支护

晓南矿W2-723 综采工作面两顺都采用了锚网喷浆联合支护，锚网喷浆联合支护针对软岩巷道是较好的支护方式，采用锚网喷浆联合支护的巷道，是在巷道掘进之后首先用锚杆、金属网进行支护，然后将速凝剂、沙子、水泥按照一定比例混合形成混凝土，利用喷浆机对巷道岩体外部进行均匀喷打，起到保护巷道围岩，对其密封、加固、风化等作用，达到维护巷道稳定性等目的，晓南煤矿W2-723 工作面运、回顺采用锚网喷浆联合支护，通过该支护形式，巷帮围岩应力得到了改善，避免了围岩发生破碎松动，柔性支护起到了作用，最终保证了巷道的稳定性。

5.3 U 型钢可缩性支架支护

U 型钢可缩性支架支护不仅有可缩性，而且有较高的初承力和支撑能力，W2-723 综采工作面运顺在大、小断面交界处架设U 型钢可缩性支架支护顶板，运、回顺巷道断面都是三心拱形，采取这种架设方式，支架能与顶板及巷帮充分接触，但是工作面回采时，采动压力大，围岩变形严重，支架受到集中荷载和偏心荷载的作用而产生失稳变形，支架受力状况恶化，使支架出现压弯、扭曲，甚至断裂等变形而失效，出现这种情况支架很难进行修复，U 型钢可缩性支架支护钢材用量大，支护、修复成本高。

5.4 砌碹支护

砌碹支护有直墙拱顶式等主要形式，由拱、墙和基础构成。该砌碹支护本身会对围岩增加支护强度，但砌碹支护的砌体允许变形小但刚度却很大，所以该支护不适用围岩变形明显的区域，一般在服务年限较长的主要井巷采用这项技术。近年来，由于锚杆支护和锚喷支护技术的推广应用，其应用在不断减少。这种支护方式也不适用于工作面两顺维护，因为两顺随着采动压影响，顶板巷帮发生位移变化明显，该支护方式适用于永久性且变化程度不大的巷道，同时该方式施工速度慢、工人劳动强度高，已经不能满足现代化矿井生产需求。

5.5 单体棚支护

单体棚支护目前被许多矿井广泛应用，该支护方式构造简单，运输及安装方便，还具有可重复利用的特点，因此在煤矿井下施工中被广泛采用。晓南矿W2-723 综采工作面两顺选取了架设单体棚支护方式，在工作面运、回顺超前支护前方开始架设单体棚，随着工作面的推进，重复备单体棚来对巷道顶板的围岩进行补强支护。

单体棚单体数量的选择：

每架棚所支撑顶板：5.0 m（巷道断面）×0.8 m（架棚间距）=4.0 m2

来自顶板的压力为：4.0 m2×252.1 kN/m2=1008.4 kN

点柱的支撑力取180 kN，一梁6 柱支撑力为：180 kN×6=1080 kN

通过计算在达到一梁6 柱的情况下能满足顶、帮控制支护强度的要求，考虑到单体棚为在原有锚索网支护情况下的补强支护，一梁3 柱足以达到补强支护要求。因此，要求每架棚梁下打3 根单体液压支柱，初撑力满足要求。

6 工作面两顺支护设计参数

W2-723 综采工作面两顺支护形式为锚喷支护，喷浆厚度50 mm，顶板锚杆采用22 mm×2 200 mm 全螺纹等强锚杆，帮锚杆采用22 mm×2 000 mm 全螺纹等强锚杆，锚杆间排距800mm，采用28.6mm×6200mm 锚索进行顶板支护，间排距为1 600 mm，采用“5-3-5”布置方式，巷道断面：三心拱形断面。

通过支护方式可以看出，W2-723 综采工作面在掘进过程为最大限度减小巷道顶、帮的位移变形，该工作面针对软岩巷道采取了多种支护。

7 补强支护及方法

在两顺巷道原有支护方式下提出以下维护工作面两顺支护方法。

在工作面回采期间，在超前支护前20 m 设置固定观测点来观测顶板及巷道两帮变化量，通过观测发现，巷道每天存在着显著变化，顶板与底板高度有150～300 mm 的缩减，巷道两帮净宽发生150～300 mm 的缩减，变化明显，变化量大，后来通过更改巷道维修支护设计，在开帮作业施工中对巷道硬帮锚杆打注22 mm×2 900 mm 全螺纹等强锚杆及21.6 mm×3 000 mm 锚索，帮锚杆与帮锚索布置方式如图1 所示。在工作面两顺超前支护打顶板锚索吊梁的方式进行支护顶板，顶板吊梁采用36U 型号U 型钢加工制作，长度根据巷道宽度选择，可选择3.6 m 或4.2 mU 型钢，在U 型钢上切割3 个200mm×40 mm 方孔，使用28.6 mm×6 200 mm 锚索固定U 型钢。锚索吊梁排距1.6 m，两架吊梁之间使用2.4 m 长木柈刹顶。在顶板下沉严重或顶板破碎区域内，可以减小吊梁排距，或在两架吊梁中间架设单体棚来补强支护。

图1 开帮平面图

通过更改开帮后支护设计参数以及顶板吊梁或架设单体棚的方式，巷道两帮和顶、底板变化量明显减少，增强施工现场安全系数，并切实可行地满足工作面回采的需求。

8 软岩巷道支护的发展方向

通过常用支护技术特点对软岩巷道支护的分析和总结，软岩巷道支护有以下创新[2]和发展形式。

8.1 超高强度锚杆

超高强度螺纹锚杆比普通锚杆能够带来3 倍以上的支护阻力，具有非常高的破断和屈服强度，能够为巷道围岩在变形、层理裂隙、离层等方面提供较大约束力。另外，由于超高强度锚杆可以实现全长锚固，围岩变形剧烈能够得到有效控制，系统的可靠性能够得到有效提高。

8.2 注浆加固围岩支护

由于软岩巷道围岩具有岩体强度不高、松动范围大等特点，所以注浆能够使围岩的整体性得到保证，让破碎、松软的围岩支撑性和稳定性得到提高，具有支护效果好、投入少、工艺简单等优势。

8.3 联合支护

联合支护的类型有很多种，如锚喷加U 型钢可缩性支架锚喷或注浆加固，U 型钢可缩性支架加注浆加固等支护形式，在进行联合支护的选择时，根据现场的地质和生产条件，确定可行的支护参数和支护形式，经过对比，性能较好并适合软岩巷道围岩的锚喷支护是推荐支护方式。

9 结论

软岩巷道支护应事先根据围岩性质，选择合理的支护对策，并不是单一的支护方式能满足软岩巷道支护的需求，要根据巷道围岩破坏情况，合理选用超高强度锚杆，约束巷道围岩离层和层理裂隙等弱面巷道围岩大变形，对工作面两顺进行打顶板锚索吊梁的方式进行超前顶板支护，并对其实施注浆加固，使松软、破碎围岩的自支撑能力和自稳能力得到有效提高。有针对性地选择合理的支护形式的同时，满足能充分地释放围岩变形能和充分地保护围岩的力学强度，以充分发挥其自承能力。