维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第３期 煤炭工程 软岩巷遭麦护技 索嫉戳 张建华 ，赵贵彬 （１．呼伦贝尔学院工程分院，内蒙古海拉尔０２１００８； ２．大雁煤业有限责任公司第二煤矿，内蒙古大雁０２１ １２２） 摘要：大雁二矿属典型的软岩矿井，随着开采深度的不断加大，巷道支护问题十分突出。 采用常规的支护方法，已不能满足安全生产的需要。工程技术人员经过不断探索与实践，发明了 “刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架”。在软岩巷道支护技术方面，取得了成功。“刚柔一体化Ｕ 型钢可缩金属支架”支护技术具有工艺简单、操作方便、施工速度快、适应性强、支护强度高、 整体稳定性好等优点，是一种新的软岩巷道支护技术，在同类条件下，可推广应用。 关键词：软岩巷道；支护技术；刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架 中图分类号：ＴＤ３５３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１—０９５９（２００７）０３－００３３￣３ 大雁二矿开采的煤层属中生界、侏罗系上统，扎莱诺 １巷道围岩变形特征 尔群大磨拐组的中部含煤岩段。岩性主要有砂岩、粉砂岩、 泥岩、含砾泥岩、砂质泥岩等，岩石主要矿物成分为蒙脱 １．１ 围岩的物理力学性质 石、石英、高岭石、钾长石和伊利石等，属典型的软岩矿 围岩松散破碎、结构疏松、容重小、孔隙率高、强度 井。现正开采二水平（＋２５０ｍ），开采深度为４４０ｍ，主采煤 低。受采动影响，巷道围岩变形严重。岩石的物理力学性 层为３０ 煤层，划分为４１５、３６０、３０５、２５０四个区段，每 质见表１。 个区段布置机、轨石门。随着开采深度的增加，矿压也越 １．２ 自稳性差 来越大，２５０大巷及各区段机、轨石门变形破坏严重，有的 围岩矿压大、来压迅速、自稳性差。巷道开掘后，由 巷道已翻修３—４次，在施工中有的地段甚至出现了前掘后 于原始应力重新分布，围岩变形迅速，自稳时间短，一般 翻的现象，巷道支护问题越来越突出。 只有几十分钟到几小时，矿压显现剧烈。 范围之内，可见总体支护效果良好。通过本文研究和现场 定，为类似条件巷道支护提供了一种可以借鉴和推广的 成功的施工试验，可以得出以下结论： 方法。 １）用焊接钢筋网取代菱形铁丝网，提高了网的刚度和 参考文献： 强度，有效地保护了围岩的强度和自撑能力，实现了锚杆 ＋网＋喷层＋围岩的耦合支护。 ［１］ 何满潮，谢和平，彭苏萍，等．深部开采岩体力学研究 ２）通过加大锚杆的初次预紧力和二次紧固，并根据关 ［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（１６）：２８０３～２８１３． ［２］ 何满潮，景海河，孙晓明．软岩工程力学［Ｍ］．北京：科 键部位二次锚索施工时间的不同而施以不同的预紧力，调 学出版社，２００２． 动了巷道深部围岩强度从而实现对浅部围岩的控制，使支 ［３］ 何满潮．深部的概念体系及工程评价指标［Ｊ］．岩石力学 护体与围岩在强度上、刚度上和结构上实现耦合，保证了 与工程学报，２ｏｏ５，２４（１６）：２８５４～２８５８． 深部锚网索耦合支护巷道围岩的稳定性。 ［４］ 孙晓明，何满潮，杨晓杰．深部软岩巷道锚网索耦合支护非 ３）４５。底角锚杆可有效地切断来自巷道两侧的塑性滑 线性设计方法研究［Ｊ］．岩土力学，２０ｏ６，２７（７）：１０６１～ 移线，削弱来自巷道两侧的挤压应力，有效控制底板鼓起 １０６５． 变形。 ［５］ 何满潮，孙晓明．中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指 ４）运用锚网索耦合支护设计方法，并采用先进合理的 南［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４． 施工程序和施工技术，可有效控制深部软岩巷道围岩的稳 （责任编辑马光辉） 收稿日期：２０ｏ６—０４—２９ 作者简介：张建华（１９６１一），男，黑龙江双鸭山人，副教授，１９８３年毕业于阜新矿业学院，现主要从事煤矿开采及安 全技术的教学及研究工作。 ３３ 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ雹圈 煤 炭 工 程 ２００７年第３期 １．３变形速度快 围岩易吸水崩解，膨胀性强，变形速度快，变形范围 广。底鼓量和两帮收敛量是顶板下沉的１～２倍，且底鼓比 较严重。 １．４流变性显著 巷道变形量大、变形持续时间长，掘进或翻修后很长 时间不能稳定。 ２巷道变形破坏原因分析 ２．１ 地质方面的影响 ２．１．１围岩的影响 ３０ 煤层顶底板岩性主要有砂岩、粉砂岩、泥岩、含砾 泥岩、砂质泥岩等，岩石主要矿物成分为蒙脱石、石英、 高岭石、钾长石和伊利石等。岩石节理裂隙发育，胶结程 度低，软岩弱面夹层和泥化夹层十分发育，具有各向异性 的特点，并且孔隙率大，具有塑性和流变性，导致巷道变 形量大，自稳时间短。 ２．１．２水文地质的影响 由于围岩中含有伊利石、高岭石、蒙脱石等，遇水膨 胀、崩解、泥化和流变，这种吸水软化过程将导致煤层和 围岩的自撑力大大降低，从而引起巷道变形破坏。 ２．１．３地压的影响 现场矿压观测资料分析表明，地压作用是构成巷道变 形破坏的重要原因。根据实测，二水平开采范围内的重直 应力Ｚ＝１０．３２ＭＰａ，水平应力Ｘ＝１３．１５ＭＰａ，Ｙ＝ １２．５３ＭＰａ，地压以水平应力为主。二水平的开采深度为 ４４０ｍ，巷道围岩既受由上覆岩层重量形成的垂直应力的作 用，也受由于开掘巷道而使应力重新分布形成的水平应力 的作用，在二者的共同作用下，当岩石流变性能超过其抗 拉强度极限时，巷道两帮会发生内敛，顶板会下沉冒顶， 底板会出现竖向裂隙，发生底鼓。 ２．２支护结构选择的问题 ２５０大巷及各区段机、轨石门在施工过程中，根据软岩 的特性，初始支护和二次支护先后选择了锚网支护、锚网 喷支护、料石砌碹支护等，但实际效果很不理想。施工实 践证明，无论是初次支护，还是二次支护以及多次翻修支 护，支护体的破坏总是以某一个或几个部位先产生变形破 坏，进而导致整个支护体破坏。 ３４ ２．２．１锚网支护不合理 初始支护采用锚网支护，按挤压加固拱原理计算，所 形成的自承圈厚度约６００ｍｍ，远小于锚杆长度，很难抵抗 较大的压力，造成挤压加固拱破坏、围岩变形、巷道失稳。 ２．２．２锚网喷支护不合理 如果初始支护采用锚网喷支护，由于喷射混凝土支护 刚度大，不能适应巷道开掘初期及应力峰值期变形速度快、 变形量大的特点；如果初始支护采用锚网支护，二次支护 采用锚网喷支护，也不能满足要求，其主要原因一是初始 支护后，巷道变形速度快，没等到相对稳定后的二次支护， 巷道就已经破坏，二是二次支护采用锚网喷支护，喷射混 凝土支护是全断面等强支护，而围岩应力是不均匀分布的， 常常在一个或几个薄弱环节变形破坏，进而导致巷道破坏。 ４１５轨石门、３６０轨石门采用锚网喷支护技术均遭破坏。 ２．２．３料石砌碹顶底拱封闭支护不合理 料石砌碹顶底拱封闭支护是一种整体支护，其支护结 构具有刚度大的特点。在巨大的不均匀地压作用下，多数 由于点接触而形成应力集中使碹体局部遭到破坏，导致巷 道失稳破坏。４１５轨石门、３６０轨石门改用料石砌碹顶底拱 封闭支护后，也未获得成功。 ２．３采用新奥法施工存在的问题 首先，新奥法要求初始支护后，在巷道围岩变形达到 相对稳定时再进行二次支护；而实际情况是初始支护后， 往往没等到相对稳定后的二次支护，巷道就已经垮塌，等 稳往往是等垮。其次，新奥法的二次支护是全断面等强支 护；而巷道围岩应力是不均匀分布的，因此常常在薄弱部 分遭到破坏，导致巷道失稳。第三，二次支护的时间、支 护结构等很难确定，初始支护后，要用仪器实测围岩应力、 支护压力、巷道表面位移及围岩内部位移等，然后根据大 量的实测结果和理论分析，来确定二次支护的时间、支护 结构等，过程复杂，可操作性差。 ３软岩巷道支护对策 二矿的软岩巷道支护应采取以下对策：①选择软岩巷 道支护结构应首先搞清围岩的物理力学性质，如孔隙度、 单向抗压强度、矿物成分、膨胀性、流变性、岩体结构以 及应力分布状态等，正确判定围岩的变形特性，选择合适 的支护技术；避免只靠在实践中探索，失误多、效益差。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第３期 煤炭工程 ②根据软岩巷道矿压大、来压快、围岩变形大、变形速度 快的特点，支护结构应具有“先让后支，先柔后刚”的特 性。③根据新奥法不适于二矿软岩支护的情况，应采用一 次支护。④软岩巷道支护体应具有卸压、让压及加固的特 点，对矿压大、来压快，要卸得及时；对变形量大、变形 律及时控制卸压，以保正支架完好、有效地支撑围岩。 ４．２ 应用实例 ４．２．１ “刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架”支护 ３０５轨石门先后采用锚喷、锚网喷等支护均遭破坏。根 据矿压观测，顶板下沉量３００ｒａｍ、两帮收敛量６００— 速度快，要让得适度、让得及时；对薄弱部分要及时加固 支护。⑤合理选择巷道断面形状与尺寸，以小断面和受力 较好的圆形或准圆形断面为宜。⑥由于软岩变形速度快、 自稳时间短，应采用及时支护，并且支护体应具有较大的 初撑力；为防止底鼓，要采用全封闭结构的支护体。⑦设 专人对软岩巷道进行全程监测与维护，根据监测情况及时 采取措施，进行维护；根据监测结果总结来压规律，为巷 道支护提供依据。 ４一种新的软岩支护技术 “刚柔一体化ｕ型钢可缩金属支架”是二矿工程技术 人员，根据软岩巷道的实际情况，发明的一种软岩巷道支 护技术。这种支架既有柔性，又有相当高的强度和刚度， 径向有一定的可缩量，对围岩体的支撑效果好。 ４．１结构与性能 “刚柔一体化ｕ型钢可缩金属支架”采用三心拱带弧 形过渡底梁封闭式圆形断面。主体由２５ Ｕ型钢制作成具有 可缩性的拱型支架，其垂直抗压强度与水平抗压强度基本 相等，稳定性好；每节ｕ型钢开口焊接１００ 大角铁，形成 三角形，尖端朝向岩体，以增加支架的强度与稳定性，并 分解围岩对支架的压力，逐渐化解高应力对支架的破坏； 梁、腿、底梁连接处靠卡缆搭接固定，搭接段两端各留 １５０ｍｍ可缩长度，使支架径向可缩；架棚之间焊有６道 ６００ｍｍ×６０ｍｍ×６ｍｍ的筋板，保证支架横向完整成一体； 支架两侧焊有Ｕ型钢直腿并焊有“柱鞋”，以增大支护强 度，见图１。 ＝ 、 ｒ＿ 八 ／ ９１ ， Ｉ ｌ ，１ 、 ＝ 。２６００ 图１钢柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架 支架安装后，设专人进行监测维护，根据矿压显现规 １４００ｍｍ、底鼓量最大１４５０ｍｍ、断面收缩率６２％，支架发 生严重破坏。 ３０５轨石门改用“刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架” 进行支护后，巷道始终处于完好状态。根据矿压观测，支 架变形量为：宽度收缩１０～２７ｍｍ、高度收缩１０—２０ｒａｍ； 围岩最大移近量５０—２２０ｍｍ，支架规整完好，径向变形量 只有６—２６．８ｒａｍ，巷道支护取得巨大成功。 ２５０大巷及其他机轨石门改用“刚柔一体化Ｕ型钢可 缩金属支架”支护后，都取得了成功。 ４．２．２“刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架”与锚网喷联合 支护 由于２５０机石门不但地压大，而且围岩非常破碎，采 用单一的“刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架”支护，效果 不十分理想。因此，采用了“刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属 支架”与锚网喷联合支护。即在掘进２５０机石门时，先打 锚索（规格为１６ｒａｍ×５５００ｍｍ，每个锚孔装快、中、慢速树 脂药卷各一个，间排距为８００ｒａｍ），挂金属网，再每隔 ６００ｍｍ架设一架“刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架”，然 后再对全断面进行封闭喷浆，喷射混凝土厚度为１５０ｍｍ。 这样以“刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架”为支护主体， 结合锚杆、金属网及喷射混凝土，对围岩既有封闭作用又 有支护作用，使２５０机石门始终处于稳定状态，巷道支护 效果十分显著。 ５结语 二矿软岩巷道支护技术实践证明，“刚柔一体化Ｕ型钢 可缩金属支架”对软岩巷道支护非常有效。如果巷道围岩 比较完整，只用“刚柔一体化Ｕ型钢可缩金属支架”对巷 道支护就可以；如果巷道围岩比较破碎，需要辅之以锚网 或锚网喷才能收到良好的支护效果。“刚柔一体化Ｕ型钢可 缩金属支架”支护技术具有工艺简单、操作方便、施工速 度快、适应性强、支护强度高、整体稳定性好等优点，是 一种新的软岩巷道支护技术，在同类条件下，可推广应用。 参考文献 ［１］ 李凝，杨玉华．软岩巷道支护技术调研［Ｊ］．煤炭工程， ２００３（８）：４３～４６． ［２］ 吴再生，刘禄生，等．井巷工程［Ｍ］．北京：煤炭工业出 版社，２００５，２２２～２２７． （责任编辑马光辉） ３５