软岩矿井巷道掘进顶板支护技术探析

穆 晨，商显洋，石 超

（新汶矿业集团（伊犁）能源开发有限责任公司一矿，新疆 伊宁 835300）

煤炭工业发展为我国社会经济建设提供了有力支撑，同时，煤炭生产的安全性也受到了广大学者的关注与重视。在软岩矿井巷道施工工艺中，掘进顶板支护技术的应用较为关键，直接影响了矿井生产安全和生产质量。为此，矿井企业应结合软岩矿井巷道具体条件，有针对性地制订掘进顶板支护方案，并采取行之有效的支护措施，以保证巷道施工的安全性和可靠性。对此，文章通过对软岩矿井巷道掘进顶板支护技术进行讨论与分析，以期为广大学者提供参考及建议。

1 软岩矿井巷道掘进顶板支护技术

1.1 矿用支护型钢

矿用支撑型钢结构作为矿井掘进巷道支护的主要形式，其性能优良[1]。目前，矿井支护所用钢主要分为“U”型钢和“工”型钢。在具体应用过程中，为确保煤层支撑型钢同时具备抗剪、抗拉和抗挤压等力学性能，选择时应对其种类进行严格控制。通常情况下，矿井中使用支撑型钢比较广泛，但因为矿井中有梯形、半圆拱、弧形等不同断面，所以要有针对性地选用。此外，针对矿井巷道施工中存在技术困难、支护要求较高的问题，应确保支护有较好可伸缩性；同时，在支护构造上充分发挥支护承载力及断面阻抗转矩作用，以此保证支护承载力及煤巷应力值处于较高的稳定性[2]。

1.2 锚杆支护

锚杆支护由锚杆（索）、托盘、锚固性能剂、钢带、网等组成，各组成部分各有其特点，其中，功能锚杆作用作为使煤层张拉及剪应力同时增大，有利于保障整个煤层应力增大。支架施工区域中起到连接锚索两端的作用，并将预紧力通过锚索向周边岩体传递，避免支护岩体破裂、结构面滑落以及支护岩体脱落等问题。锚固性能剂作为固化剂，能够将锚杆支撑体与煤层顶板紧密结合，提高煤层开采效率。铺装网对铺装层起到两重作用：首先，增强铺装层承载力；其次，防止矿体崩塌，确保矿体安全[3]。

1.3 可缩性支架

矿井巷道施工中可收缩支架作为相对常用支撑方式，具有双向收缩优势的同时，也具有较强的灵活性。目前，此方法在Ⅲ、Ⅳ型巷道中有较好推广应用前景，两型巷道断面均小于8.2m2，极大程度上提高了支护的可靠性及稳定性，对于提高采煤安全性和效率具有促进意义。

1.4 预留柱支护

矿井生产技术发展，煤柱留置法在矿井生产中得到越来越多的应用。为确保井下巷道围岩稳定性，应在上区段与下区段之间预留一定距离，以确保支撑系统正常工作。在风平巷中，为尽量避免支护负荷，将支护负荷影响减到最小，通常会根据矿井具体情况进行选择。此外，虽然预留柱作为相对简单且易操作的工程工艺，但其施工成本较高及运营成本较高，且在一定程度上会影响采掘效果。

1.5 混凝土浇筑技术

除以上工艺外，井下巷道也可采用混凝土浇筑工艺，将混凝土浇筑到某个截面，通过一系列工程实践，在该截面上形成新支撑表面。该支护技术具有封闭迅速、支护时间短的优点，有利于降低巷道围岩暴露与损伤。采用混凝土浇筑技术中，可通过对围岩进行合理围岩布置，使得围岩内应力尽量均匀，减小围岩内压力，防止围岩因围岩过大而损坏，进而保证围岩的稳定性。

2 软岩矿井巷道掘进顶板支护常见问题及成因

软岩矿井巷道对顶板支护要求较高，为保证软岩矿井巷道掘进过程中顶板支护的有效控制，在支护结构选择上应具有较强的针对性，针对不同用途、不同地质构造的矿井巷道，采用相适应支护措施，如锚网、金属支架、直墙半圆拱支护等，并进行相关试验，对支护结构进行有效验证及对其应用范围进行分析。目前，软岩巷道普遍采用不会导致巷道失稳的支护方式，如采用拱棚-锚网联合的支护方式[4]。诚然，由于软岩的特殊性质，成巷初期由于挤压、膨胀等原因，极大程度上容易发生变形的问题，进而导致巷道失稳。具体如下。

2.1 软岩矿井巷道掘进顶板支护常见问题

软岩巷道顶板支护存在着许多问题，其中最普遍的问题有：变形不易察觉，变形速度快，矿井开采对基坑破坏大，以及围岩与支架协调程度低，主要表现在以下几个方面。

2.1.1 软岩变形不易被察觉

软岩矿井巷道成形中，由于人为扰动作用，往往会导致软岩变形，但这种变形并非即时表现出来，随着时间增加而逐渐出现，这种变形效应会逐渐累积和显现出来，当变形达到一定程度时，就可能导致矿井垮塌，给矿井带来安全隐患。

2.1.2 形变速度快

巷道变形在早期不易被发现，但变化速度较快，当有关人员意识到变形后，所能做预防或应急反应时间都较短，对井下巷道工作安全带来巨大威胁。

2.1.3 矿井开采对于底部破坏较大

矿井采掘作业对矿井稳定有较大影响，可能会发生在矿井内部膨胀力增大，或由于过大压力而导致矿井底板破坏。对其产生原因进行分析来看，造成这一现象的主要因素在于在顶板支护部位、围岩材料本身特性受到限制容易产生膨胀和位移。由于受力过大，支护部位受力过大，导致支护部位发生变形，严重时发生坍塌。

2.1.4 围岩与支架间协调性较差

巷道掘进施工对软岩围岩部位有较大影响，为防止发生安全问题，可采用韧性和强度中等支架来进行支护，减少围岩变形。诚然，在支架材料选择上，难以控制其强度和柔性，导致围岩和支架之间的协调程度不高。

2.2 问题成因

2.2.1 施工工艺

井下巷道掘进作业成败直接影响到支护技术在矿井中的运用效果。目前，钻孔爆破法是井下巷道施工中应用最为广泛的施工工艺，具有较高的施工效率。钻爆法是快速、高效、经济、高效的施工方法，但其运用不当，会导致巷道顶板支护结构稳定失效，进而引起巷道坍塌，造成损失，甚至人身伤亡。在钻孔和爆炸法中，光面爆破相对常用，其炮眼角度、炮眼间距及炸药数量都是重要因素[5]。

2.2.2 软岩岩体自身属性因素

由于矿井地质应力场不同，因此，各矿井主要地应力方向也各不相同。它与巷道走向有较大联系，三维应力应该保持在一定限度之内。同时，当软岩岩体中含有接触到水或者风就会膨胀的粘土质矿物时，会导致岩体发生位移现象，造成严重的安全隐患，威胁到工作人员的生命安全。

2.2.3 自然因素影响

因为软岩浸水性较强，所以在遇到水时会导致岩石碎裂，变成颗粒状或者是泥土状，对岩石稳定性不利。另外，岩体本身就有膨胀力，较容易发生滑移，当岩石慢慢地变成泥浆后，极易发生岩体滑移，加重对巷道的破坏。另外，风向也是重要的影响因素，软岩巷道在掘进后，应要及时对周围岩体进行封堵，以此才能降低岩石暴露，让岩石保持在适当温度范围内，如尚未做好防风措施，岩石将会不停吸水膨胀，危及巷道安全性。

3 软岩矿井巷道掘进顶板支护技术应用质量的建议

3.1 提升顶板承载力

通过分析巷道顶板支护中存在的问题及其影响因素，可知顶板强度将直接影响支护效果。为此，为进一步提高软岩巷道掘进期顶板支护效率，防止出现一些常见顶板支护问题，在实践中应重视起吊顶板承载力和强度。在巷道支护过程中，应该采用光面爆破技术，结合锚杆喷射支护巷道，最大限度地保证巷道的稳定性和完整性，达到对巷道控制，减少由于外部因素对岩体作用而导致的岩体松动。另外，提高顶板承载力，可通过提高顶板本身构造、提高支护结构和周围岩层协调性，使支护结构和周围岩层相互作用，达到提高顶板承载力的目的。

3.2 对流变程度进行控制

由于软岩构造特殊性，在软岩矿井巷道掘进过程中，顶板构造相对于其它岩体施工顶板构造要更加松软，为确保施工质量和安全，作业人员应控制好流变度。施工中，不仅要注重隧道推进，还要做好防护工作。当掘进过程中出现软顶时，应及时采用短挖短砌工艺，对其流变性进行控制。换而言之，当巷道进入一定范围后，应立即对其进行永久性支护，以保证支护结构足够牢固，防止由于岩体流变而产生膨胀导致巷道坍塌。同时，为最大限度地实现流变学控制，除采用短挖短砌方法，还应注意，当支护结构发生断裂或局部不能起到支撑作用时，应规避进行大面积返修。因此，在掘进阶段，要对已掘进巷道进行封闭，在掘进过程中，要及时地进行支护，并将其封闭起来，以达到最好的流变控制效果。在发生流变时，采用锚喷方法进行临时支护，达到围岩和支护协同效应，抑制流变发展，以此对巷道变形状态进行有效控制。

3.3 减少震动对巷道的影响

从以上分析可以看出，振动会对岩石产生作用，引起隧道结构失稳，引起隧道变形，引起岩体滑移或坍塌。因此，应积极采取相应的防治措施，以减少相关因素对隧道变形造成的影响。在因爆炸而引起振动时，工作人员应尽量少用火炮，以免发生振动。

3.4 采取新奥法进行施工

在矿井生产中，多采用一次成巷模式。当巷道受力破坏后，需采用工艺修复时，一般修复工程仍采用原有支护结构。但大量实例证明，传统的设计方法、施工管理方法和支护方法无法满足现代矿井开采要求，且从本质角度来看，其施工工艺不符合岩体力学变化规律，不能适应工程需要。为此，需要在设计、管理和支护方法上进行革新和改进。新奥法以探测为主，通过对软岩矿井特定数据采集，及时掌握工程实际状况，有效发现设计、管理及支护等问题。同时，结合锚喷支护技术，能够有效地控制围岩变形状态，极大程度上提高了锚索加固岩体承载力。此外，喷层与围岩结构紧密结合还能填充岩壁上缝隙和不均匀的空间，在提高围岩结构整体和稳定性的同时，有利于加大支护强度。此外，根据现有支护结构类型，在软岩巷道支护中推广应用新奥法技术，该技术以锚喷为主，在初期让压产生柔性变形，后期通过反复喷射加强，形成刚性支护，或者采用拱形钢架，实现初期让压，后期用刚性支护，具有较大的应用价值。

3.5 优化井下巷道支架结构性能和强度

矿井井下巷道掘进顶板支护工作时，施工初期首次掘进工作中，巷道位置较容易发生变化，严重时还会发生变形，影响到掘进工作顺利进行。为解决这一问题，应在实际工作中对各种环境条件进行对比，选择最优施工方案。通常情况下，掘进过程中使用适当刚性和弹性，可从一定程度上避免巷道位移和变形。同时，通过对支护结构优化，可确保在施工过程中保持最小空间，并将施工过程中出现问题所引起的大范围修复工作降到最低。另外，在井下巷道顶板支护时，使用支护体强度，对其施工质量及效率也有较大影响。通过对支架结构和相关性能进行优化，能够为施工过程中围岩变化提供相对适宜的区域，并能够确保在整个煤层巷道中实现顶板支护技术。同时，基于以上分析，针对不同围岩条件，合理减轻对围岩应力场，可在一定程度上提高煤井巷道顶板支护技术应用的质量与效果。

3.6 在施工之前做好充分的准备工作

掘进作业前，设计人员要根据特定工程地质条件及岩层承载力差异，对顶板支护方法进行合理规划，特别是对作业中的重点、难点问题，如为提高巷道掘进断面的安全性，应在作业中选择最佳工艺和作业方法，保证作业人员和整体作业安全。同时，在初步施工计划设计完成后，设计者还应与相关施工单位共同讨论，不断地对计划进行修正和改进，确保在满足具体顶板支护要求和施工要求的基础上，提高施工质量和效率。在施工过程中，要对所用材料体积、数量、运用方式等进行判断，进而在方案设计完毕后，按照施工方案及相关标准进行井下巷道掘进。

3.7 重视围岩让压、释压与支护强度协调作用

软岩巷道施工多采用刚性支护结构，但无法承担巷道变形与压力，且需要反复维修造成投资巨大损失，对此，唯有采用前期柔性后刚性支护结构，在缓解初采巷道围岩变形位移时，保持巷道围岩整体稳定性，具有较低返修量的同时，提升企业经济效益。对此，为实现围岩让压、释放压力与支护体之间的协调，需要支护体具有足够强度，并能在一定程度上实现围岩变形释放压力。

4 结论

综上所述，从当前软岩矿井巷道掘进顶板支护来看，在具体施工中，不仅要保障整体施工质量，同时还要针对软岩矿井巷道环境中存在的安全隐患进行处理，正确地将临时支护与永久支护相结合，进而运用先进技术与可靠理论展开操作。文章通过对软岩矿井巷道掘进顶板支护技术进行讨论与分析，对当前软岩矿井巷道掘进顶板支护技术存在的问题及成因进行分析后，提出了相关解决措施，以期为广大学者提供参考。