煤礦軟巖支護技術研究

引言
　　隨著我國煤炭資源的日益減少，大中型礦井的開發逐漸向深層及海域發展，而隨著開采深度及廣度的增加，處于成巖松軟強度低易風化 潮解遇水膨脹的軟巖巷道，在高應力地壓的作用下，穩定性變的極差，支護更加困難，給安全生產帶來了前所未有的嚴峻考驗使煤炭開采成本不斷增加，嚴重阻礙了我國煤礦工業的生產建設和發展，因此探索一套切實可行解決軟巖治理難題的新途徑。
　　1軟巖分類及特性
　　軟巖是指在工程力作用下，能夠產生顯著變形的工程巖體。由于是非均質、非連續的巖體，具有復雜的變形力學機制，并具有大變大地壓、難支護的特點。隨著礦井開采深度的增加，原來很少有軟礦井，現在逐步呈現軟巖特征，某些巖層首先進入軟巖狀態。軟巖巷道的維護問題一直困擾著我國煤礦的生產和建設。隨著采深的增加，地應力增大，煤礦軟巖巷道的支護更加困難。我國很多地區都是典軟巖礦區，都出現了軟巖巷道支護設計困難的情況。[1]
　　2軟巖支護理論與技術
　　2.1 新奧法
　　新奧法為新奧地利隧道施工法，國際上稱為NATM。20世紀70年代傳入我國。在鐵路、水電、煤礦等工程領域推廣應用。新奧法的概念是接巖石力學圍巖支架共同作用的基本原則制定的。其主要意圖是調動圍巖自身的承載能力。盡可能地控制圍巖變形，防止圍巖松動。以達到施工最大安全度和最好的經濟效果。新奧法主要內容有：圍巖與支護共同發揮承載的作用；初始支護應采用柔性結構；建立二次支護的概念；調整支護參數和重視涌水處理等。[2]
　　2.2 二次支護理論
　　實踐表明，在高應力、膨脹性軟巖巷道用一次支護，特別是使用強剛性支護均不可行。包括雙料石碹，600mm厚的鋼筋混凝土支護等等．原因是它們都不適應軟巖初期大變形的特點。由此一次支護主要是提高圍巖自身承載能力。保證巷道在安全的條件下允許圍巖在控制下釋壓變形，以適應軟巖的變形力學機制。為了保證巷道的較長時間的穩定和服務期的安全，在圍巖變形穩定后必須進行二次支護。給巷道圍巖提供最終支護強度和剛度。
　　2.3錨噴網支護
　　錨噴網支護是目前軟巖巷道有效且實用的支護形式，錨噴網支護具有以下優點與作用：噴射混凝土能及時封閉圍巖和隔離水、風對圍巖的破壞，減少膨脹泥化剝落的條件；錨桿能實現主動支護加固圍巖，提高圍巖自身承載能力和圍巖一起形成一個加固圈，網不僅可以支承錨桿之間圍巖，同時將單個錨桿連結成整體錨桿群，和混凝土形成有一定柔性的薄壁鋼筋混凝土支護圈。錨噴網總體和圍巖共同形成一個支承圈共同支承圍巖，保持巷道穩定。錨噴網支護允許圍巖有一定變形，所以錨噴支護的性能十分符合軟巖對支護的要求。特別是一次支護性能的要求。錨噴網支護是目前軟巖巷道有效、經濟、實用的支護形式。
　　3軟巖巷道的治理
　　3.1掘進
　　由于軟巖的遇水易泥化膨脹的特性，鉆眼采用干式鉆眼法，以控制圍巖的膨脹變形，消除膨脹壓力，也可以有效的防止底鼓的發生；爆破法掘進巷道，在圍巖中產生爆破震動，甚至形成炮震裂縫，周邊圍巖常因凹凸不平而加劇應力集中，從而加速了圍巖的松動破壞，造成過大的圍巖壓力，尤其對地質條件較差的圍巖影響更為嚴重因此，在爆破施工中采用淺眼光爆技術，打淺眼，少裝藥，放小炮，毫秒爆破，減小震動波對圍巖的擾動，使巷道軟巖具有一定的自穩時間，并能迅速轉入支護工作對于松散破碎較嚴重的巖層，如不能采用全斷面放炮掘進時，應采用只放掏心炮然后用風鎬擴刷的掘進方法，加強巷道的成型管理和頂板管理，防止圍巖因冒落片幫而失穩，從而產生應力集中現象。
　　3.2錨網噴
　　巷道掘刷成型后，盡快噴漿封閉圍巖，巷道圍巖曝露時間越長，圍巖松動愈往深處發展，圍巖應力就越大，易風化的圍巖更是如此 及時封閉不僅能保持圍巖的原巖狀態，而且能防止圍巖表面被水軟化，對易風化的巖層還能起到防止風化的作用及時錨網噴支護錨網噴結構直接接觸圍巖，及時錨網噴可以在巷道發生破壞前限制圍巖的變形與位移，改變其應力狀態，提高巖體的強度，使圍巖不進入松動狀態，充分發揮巖體自己支護自己的能力，使其較快向穩定狀態轉化原巖應力狀態經歷了從平衡到不平衡到新平衡的變化過程，錨網噴積極參與了這個應力變化的全過程，使圍巖在新的應力平衡條件下處于穩定狀態。
　　3.3施打錨索
　　錨索采用長度8米的鋼絞線錨索，因為錨索較長，可以錨固在巷道松動圈以外較穩定的巖層中，錨固力比錨桿更大，使原來由錨桿支護形成的承載圈更大，增強了圍巖的自身穩定性，起到了懸吊作用，及對錨網噴支護和圍巖的補強加固作用。
　　4巷道基本地質條件
　　煤礦巷道埋深608m，頂、底板巖性為，煤層，煤層厚度變化小，平均6.0m；煤層強度中等。煤層直接頂為2.0m的砂質泥巖；老頂為厚度8~10m的中粗粒砂巖，巖性好，強度較高。煤層直接底為1.5m的砂質泥巖；直接底下部為厚度2.0m的泥巖見圖1。
　　泥巖和砂質泥巖吸水后強度明顯降低，泥巖干燥狀態下抗壓強度24~30MPa，吸水后3.9~12.8MPa，砂質泥巖干燥狀態下強度13~36MPa，吸水后6~24MPa。
　　5巷道破壞特征及原因分析
　　5.1巷道破壞特征
　　在該礦地質條件下，面臨深部開采引起的巷道位移量大、返修劇增、巷道維護困難等一系列問題。根據現場礦壓觀測，該礦巷道出現的礦壓顯現特征為：巷道變形量大，變形速度快，頂底板總變形量1.2～1.8m，變形速度達10～39mm/d；掘進20d后表面水平移近速度才小于10mm/d，之后移近速度比較小，但仍然保持在2.0 mm/d左右。其中底鼓量占巷道總變形量的65%～75%，巖體中的應變隨時間逐漸增長，并不趨近于某一穩定值，達到某一階段應變率會急劇增加，最后導致破壞。
　　5. 2巷道破壞原因分析
　　5.2.1巷道底板無支護或支護強度不夠，導致巷道巖體流變難以得到控制。流變性圍巖體巷道要求巷道進行全斷面支護，避免底板出現圍巖體的粘性流動通道。由于底板積水和耙斗機裝巖的作用，底板巖體強度弱化較嚴重。底板流變極易發展，并導致巷道兩幫整體移動，幫、頂支護強度也難以發揮有效作用。[3]
　　5.2.2錨桿沒有發揮有效作用。從現場安置的2個錨桿測力計觀測結果知，錨桿實際工作阻力均為2.0MPa×0.55t/MPa=1.1 t，錨桿基本沒有發揮作用。在其它礦區大變形巷道進行的錨桿工作阻力測試結果，同樣存在錨桿工作偏低，沒有起到控制圍巖穩定的作用。
　　5.2.3混凝土噴層和圍巖體變形不匹配，導致提前破壞；和錨桿沒有起到共同支護作用，并導致錨桿工作阻力損失。圍巖體力學性質相對較弱的深井巷道，巷道初期產生一定的變形是塑性區形成、圍巖應力峰值向深部轉移的必然過程；也是錨桿工作阻力迅速增加，錨桿發揮作用、減少巷道變形速度的過程。
　　結語
　　軟巖巷道支護是一個復雜而又細致的二作，要針對圍巖情況，軟巖的特性，因地制宜地對癥下藥，軟巖支護的困難是可以解決的。同時要改變傳統的硬巖支護理念，正確理解和應用軟巖立護理論，把軟巖巷道支護技術大膽地應用到實踐中去。