大断面软岩巷道综掘快速施工技术的应用探究

张文鑫

（山东方大工程有限责任公司，山东 淄博 255100）

1 引言

我国部分大断面巷道中的围岩结构为稳定性较差的软岩，巷道内综掘的施工难度较大，容易出现较多的安全风险。因此，为安全、高效地完成综采工作，本文对大断面软岩巷道综掘快速施工技术展开分析，借此明确该类巷道的支护要点，完善软岩巷道综掘快速施工技术体系。

2 大断面软岩巷道施工难点

软岩具体指单轴抗压强度在0.5~25 MPa的岩石，具有孔隙度大、强度低、风化严重等特点。开采工作面所处的环境较为复杂，在我国西部地区存在较多的软岩地质。由于此种软岩结构中包含大量膨胀性黏土、植化碎片，以及稳定性较差的粉砂，导致开采时大断面巷道围岩结构过于松散，且包含软弱层[1]。巷道综掘过程中伴有较为突出的安全风险，直接增加了巷道支护、掘进的难度。比如，本工程项目中，大断面软岩巷道综掘时，巷道围岩所包含的灰色泥岩、粉色砂岩会导致巷道顶板结构处的安全风险突出，钻孔、掘进时会出现裂隙。不仅如此，综采区域的两个大断工作面内，部分含水层的主要结构是灰色及黑色泥岩，使综掘过程中深部巷道透水性强，掘进时可能存在涌水情况，安全风险较大。

3 大断面软岩巷道综掘前的支护原则

大断面软岩巷道综掘前，相关人员根据巷道软岩结构分析巷道掘进前的支护方式，同时充分利用软岩本身的承载力对巷道进行安全支护。在此过程中，大断面软岩巷道综掘前的支护原理是：基于软岩结构，相关人员应分析地面压力产生的原因，同时按照地压活动时软岩结构层的变化规律评估大断面软岩巷道围岩的变形状态。然后采用锚杆支护、锚索支护、注浆加固等支护技术，控制软岩巷道内围岩的变形风险，保证巷道在综掘过程中处于稳定状态[2]。

为保证软岩巷道支护的可靠性，还应坚持以下原则：

1）大断面软岩巷道中，围岩破裂会产生残余强度，但松动破裂后的围岩仍具有一定的承载能力。综掘支护时，相关人员应合理分配支护压力，平衡好支护结构、岩石应力的承载关系。

2）支护的本质是提升松动软岩的剩余强度，增强软岩巷道内围岩的承载力，所以，在支护软岩巷道时，相关人员还应遵循保持围岩剩余强度、提升围岩承载力的基本原则，科学地设计支护结构。

3）在深入研究大断面软岩巷道地质条件的基础上，结合软岩巷道综掘施工方案，分析综掘时的支护需求，针对性地优化巷道内的支护结构设计[3]。

4 大断面软岩巷道综掘快速施工技术的具体应用

4.1 优化软岩巷道设计

初期掘进时，应优化软岩巷道的整体设计。相关人员应结合软岩的力学特征与井下地层结构，将巷道设置在围岩膨胀性小、强度大的区域；巷道走向应避免与地面应力方向相交；巷道设计应以结构简单为基本原则，避免因巷道结构过于重叠、密集而影响掘进时围岩的稳定性。然后，施工人员可选择较为稳定的岩层快速掘进，配合耙杆机进行初次开掘。出矸顺畅后，利用侧卸式装岩机、EBZ160掘锚一体机在软岩巷道进行一次成巷支护，以提升大断面软岩巷道综掘施工效率[4]。掘进初期，巷道支护设计是采用锚网带、锚索对巷道顶板进行全封闭支护，顶板锚杆规格为2 400 mm×20 mm的高预应力锚杆，锚杆内注入K2340树脂锚固剂，使巷道顶板上每根锚杆锚固力不低于22 MPa。巷道两侧可用螺纹钢细丝锚杆进行支护，排列成锚索结构，锚杆规格为2 800 mm×20 mm，两侧同时设置W形钢带作为支护结构之一，钢带长宽厚分别为2 600 mm×170 mm×3 mm。

4.2 综掘施工的前期准备

随着开采机械化水平的提升，设备成为综掘施工的基础设施。在应用大断面软岩巷道综掘快速施工技术时，还应合理应用巷道掘进设备[5]。对于大断面软岩巷道，巷道综掘施工时，运输刮板机、综掘机、皮带机属于核心设备，其在应用时可与巷道中的支护结构、通风设施、降尘设备、供水供电设备共同构建出机械化大断面软岩巷道综掘系统。

该系统在运行中可实现软岩巷道快速掘进的基本目标，具有均衡性强、效率高、作业协调性强等优势。相关人员可根据大断面软岩巷道综掘施工过程中的支护、掘进要求，科学调整相关设备的运行参数，使其处于良好的运行状态，更可靠地服务于综掘施工作业。与此同时，综掘施工期间，还应加强设备维护、检修，减少设备故障，为软岩巷道综掘快速施工奠定基础。

除此之外，施工人员是落实大断面软岩巷道综掘快速施工技术的主体，正式施工时，还应对大工作断面的所有施工人员进行专业培训，再分别从安全培训、技术培训入手，使其掌握大断面软岩巷道综掘快速施工的技术方案，强化其安全意识、效率意识，可使其在管理人员的带动下，完成巷道掘进中的施工作业。部分掘进设备操作人员需要在巷道掘进时开展系统的专业培训，使其明确软岩巷道综掘施工质量要求，在保障掘进安全的前提下，提升巷道掘进速度，规范地操作各类掘进设备。

4.3 综掘支护施工流程

4.3.1 综掘支护设计

1）支护是大断面软岩巷道综掘快速施工的核心内容。为保证大断面内软岩巷道支护的可靠性，应在初次支护结束后再进行二次支护。大断面软岩巷道掘进施工时，初次支护的基本工序包括施工准备→综掘机截割、排矸→大工作断面初喷→作业平台就位→前探梁支护→拱部支护→拱部锚网支护等。二次支护时，应分别完成锚网支护、架棚、锚索支护、软岩巷道复喷、巷道底板修整等工作。

2）大断面软岩巷道综掘施工时，支护施工应采用主动支护的方法。建设永久性支护结构时，大断面软岩巷道可利用钢筋混凝土、型钢作为支护材料。设计巷道中软岩结构的支护方案时，应重点减少综掘施工对地层产生的作用力。一般情况下，施工人员可在超强支护的基础上，强化支护力度，若大断面软岩巷道中存在膨胀性软岩，支护施工时可通过改变软岩巷道底板、巷道拱顶支护强度的方式，确保软岩巷道快速掘进时的稳定性。

4.3.2 综掘支护施工

1）综掘机截割时，施工人员应在大断面软岩巷道中预留掘进时的轮廓线，然后在轮廓线内的50 cm处将厚围岩截割。首次开挖作业完成后，在巷道中应根据综掘施工设计方案，在轮廓线内开挖厚50 cm的围岩，掘进设备的基本路线为：（1）根据大断面软岩巷道的设计图纸开挖轮廓线；（2）综掘机首次截割轮廓线；（3）综掘机首次截割掘进路线；（4）综掘机修正掘进路线。掘进过程中，若软岩结构较为稳定，施工人员需要灵活地调整开挖过程中的掘进深度，将综掘机截割时每刀的进刀深度控制在0.6～0.7 m，进刀次数约为1~3次。

2）掘进后及时对软岩巷道进行支护，支护方法包括锚网支护、架棚支护、喷混凝土支护等方式。（1）锚网支护时，施工人员可同时对巷道拱部结构、后巷进行支护，支护结束后用气动锚杆支护巷道帮部。（2）架棚支护的主要材料是型钢，施工人员可按照架棚支护设计值现场加工钢棚，然后结合大断面软岩巷道的掘进面划分钢棚。一般情况下，软岩巷道掘进面小于24~30 m2时，应将钢棚分为4~5段，分段后在巷道中挖钢棚支护所需的基础设施，安装钢棚。对于稳定性较差的软岩巷道，钢棚支护后需要紧跟迎头。（3）喷混凝土支护时，软岩巷道的支护可分为两步，分别为初次喷护、复喷。施工人员可在大断面工作台处安装喷浆机，迎头开挖、掘进后立即进行初喷，混凝土初喷厚度为35~50 mm，且初喷结束后可直接将工作断面封闭。之后，用喷浆机在软岩巷道后巷进行复喷，复喷时避免占用综掘施工时间，实际复喷厚度应符合软岩巷道支护要求。

3）大断面软岩巷道支护时，可同样采用砌碹支护方式，即在巷道综掘施工过程中，直接在钢拱架施工区域的10 m范围外，将衬砌台车移动到需要支护的位置，固定后架设输送支护材料的管路，将混凝土衬砌在指定区域内，以起到支护软岩结构的作用。

4.4 综掘快速施工技术要点

大断面软岩巷道综掘快速施工时，其基本的施工顺序包括支护施工、快速掘进等，掘进作业通常会集中在巷道支护过程中。由于软岩巷道本身的特殊性，综掘快速施工时还应明确各环节的施工技术要点。

1）施工人员应及时将软岩巷道顶板处的浮矸清除，然后在裸露的软岩面上喷射50 mm的混凝土，并安装预应力较强的锚杆对软岩面进行支护。支护过程中，相关人员可用FLAC数值模拟分析巷道支护参数的合理性，确保锚网支护可增加软岩巷道围岩和顶板的稳定性。布设顶板锚杆时，施工人员可借助综掘机在全断面一次性掘进，掘进过程中使用锚杆对顶板进行支护，锚杆支护时最大空顶间距应控制在2 m以内。若发现巷道两侧围岩破碎情况严重时，施工人员应适当缩小顶距。

2）快速掘进5~10 m后，施工人员应加强关键部位的支护，全断面布设锚网、喷混凝土，混凝土厚度约为70 mm。在此过程中，施工人员还应实时监测综掘施工时软岩巷道的变形情况，当掘进后累计变形量超过100 mm时，需浇筑混凝土对围岩进行支护。

3）为提升软岩巷道综掘效率，施工人员可根据围岩结构的特性，灵活调整综掘机的掘进顺序、掘进速度。截割软岩结构时应自上而下进行切割，截割过程中应注意根据软岩巷道中围岩结构特点，控制截割速度和截割方向。

此外，设计软岩巷道掘进路线时，还应结合巷道实际位置，分析巷道掘进路线中的低强度区域、高应力区域，然后推算软岩分布情况，合理支护后再确定快速掘进的路线。在此期间，为全面优化软岩巷道综掘施工设计，还应按照大断面软岩分布情况简单布设巷道，重点预防综掘施工中巷道内存在空间重叠的情况。

4）由于大断面软岩巷道的特殊性，综掘施工中的安全风险较大，所以，在构建综掘快速施工技术体系时，还应以智能掘进为方向，将钻孔成像技术、岩体结构面数字摄像技术、智能截割技术、输送带多点驱动功率平衡技术应用在大断面软岩巷道施工设计中，以此夯实大断面快速掘进、软岩巷道支运平行作业的基础。

5 结语

综上所述，为在大断面软岩巷道综掘施工中进一步保障巷道掘进的安全性与可靠性，相关人员应集合大断面软岩巷道的地质特点合理选择综掘支护方案，在安全支护的前提下，高效完成软岩巷道的掘进工作。掘进过程中还应坚持有掘必探，先支护后掘进的基本原则，同时持续研究软岩巷道的地质参数，完善综掘施工的技术方案，制定更可靠的施工管理条例，健全我国综采中不同巷道综掘施工技术体系。