麻家梁煤矿复合型软岩巷道支护技术研究及应用

收稿日期：2012－07－16作者简介：张有喜（1958－），男，山西大同人，现任同煤集团董事长、党委书记，长期从事安全技术研究和科技管理工作。

麻家梁煤矿复合型软岩巷道支护技术研究及应用张有喜1，2，赵杰1，白庆升1（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116； 2.大同煤矿集团公司，山西大同037003）摘要：复合型软岩巷道在施工过程中难以支护，巷道经常出现顶板下沉脱落、两帮收缩、底板鼓起等变形破坏现象，变形破坏严重时，巷道甚至无法使用，严重影响安全生产。

文章基于麻家梁矿中央水仓施工过程中揭露出来的泥岩、碳质泥岩呈现大变形、难支护的特点，通过对麻家梁矿中央水仓巷道破坏机理的研究，提出了先采用常规锚网索喷支护，然后增加钢筋混凝土浇筑，同时对巷道底板采用钢筋混凝土铺底的联合支护技术。

现场实践表明，该支护方案满足软岩巷道对支护刚度和强度的要求。

关键词：复合型软岩巷道;联合支护;破坏机理;围岩变形中图分类号：TD353文献标识码：B 文章编号：1671－0959（2013）01-0029-03软岩巷道受岩层特性及复杂地质构造等诸多因素的影响，巷道经常发生严重的变形破坏，对行人、运输、通风等构成很大的威胁。

有关数据表明，我国煤矿每年软岩巷道的掘进量大约占巷道掘进总量的28% 30%，软岩巷道的返修率高达70%以上［1］。

我国学者通过实验室建模分析和现场实测等手段，对膨胀性软岩巷道及高应力软岩巷道的围岩变形破坏机理、围岩与支护的相互作用关系以及巷道的支护特点与支护原则进行了分析，确定了膨胀性软岩巷道和高应力软岩巷道合理的支护方案与支护参数［2－7］，但对于复合型软岩巷道围岩与支护的相互作用关系还有待进一步研究。

本文根据麻家梁矿井中央水仓掘进支护过程中的实际情况，分析复合型软岩巷道的支护，研究复合型软岩巷道的变形机制和支护方法，总结出合理的支护技术要点，并通过现场实测验证理论分析的可靠性，为类似生产地质条件的巷道支护提供参考。

1工程概况1.1围岩力学性能分析麻家梁煤矿现开采4#煤层，矿井中央水仓布置在+665m 水平副立井井底车场，全长510m ，容量约为5000m 3，布置在4#煤层底板的灰黑色高岭质泥岩当中，并且由于考虑矿井巷道整体布局，矿井中央水仓的掘进方向与水平地应力方向成60ʎ夹角，同时经过现场调研和实验室物理力学实验分析得出该灰黑色高岭质泥岩属于软弱岩层，具有以下几个特征：埋深较深，处于537 545m 的范围内；岩石孔隙率大，十分松散；岩石属于泥质胶结，易泥化崩解；岩石具有中等膨胀性。

岩石物理力学实验如图1所示，参数见表1。

图1实验室物理力学实验表1岩石物理力学性质一览表岩性平均抗压强度/MPa 平均抗拉强度/MPa 平均抗剪强度/MPa 灰黑色高岭质泥岩27.62.227.95由上分析可以得出矿井中央水仓围岩的性质：①自身强度低；②膨胀性和泥化崩解性较好；③受到水平地应力影响较大，处于高应力场中。

所以麻家梁矿井中央水仓具有膨胀性软岩巷道和高应力软岩巷道的双重特点，属于复合型软岩巷道。

1.2巷道原支护技术巷道断面为直墙半圆拱断面，巷道净高2500mm ，净宽4000mm ，净断面8.28m 2；原有支护方案采用锚网喷支护，选用Φ20mm ˑ2400mm 螺纹钢锚杆和Φ6mm ˑ2.0m ˑ1.0m 金属网进行支护，锚杆间排距800mm ，每根锚杆安装Φ23mm ˑ600mm 的树脂药卷两卷，金属网搭接长度100mm ，喷射混凝土厚度100mm ，强度等级C20，如图2（a ）所示。

但在施工过程中，巷道出现喷层开裂、脱皮掉块922013年第1期煤炭工程施工技术等破坏现象，围岩变形严重，如图2（b ）所示，不利于保证矿井安全生产。

图2巷道原有支护方案及变形破坏现象2复合型软岩巷道支护技术软岩的临界载荷和软化临界深度这两个工程特性都表明：当巷道围岩产生明显的塑性变形时，巷道就会出现变形量大、自稳能力很差等现象，如果不加以控制，巷道开挖后，顶板易于冒落，底板产生强烈的鼓起，同时两帮会产生严重破坏，影响矿井安全生产。

因此，为了有效地控制软岩巷道产生变形破坏，需要采取合理的支护方案和支护参数，加强对巷道围岩顶板、两帮和底板的全面控制，增加围岩的强度，以达到减小巷道变形破坏的目的。

图3不同断面形状的巷道围岩应力分布2.1软岩巷道支护理论分析根据软岩的力学特性，使用有限差分模拟软件对不同软岩巷道断面的应力分布进行了计算，如图3所示。

结果表明：巷道在不支护的情况下，圆形或接近圆形巷道断面的位移量、围岩应力集中范围和应力集中系数均是最小的。

因此，在软岩巷道中，采用圆形或接近圆形巷道的断面形式，是最合理的；另外，采用全封闭的支护形式，可使围岩成为一个整体，增加了围岩的强度，能有效地控制巷道围岩的变形；同时，锚网索联合支护实现了岩体结构的转化，加强了围岩的稳定性，有助于发挥岩体的自承能力，控制巷道围岩变形岩块塌落；最后，复合型软岩巷道周围岩体应尽量避免与大量的水体接触，防止围岩遇水泥化崩解、膨胀变形。

巷道开挖以后，原本处于三向应力弹性状态的岩体会产生应力的重新分布，如果应力超过岩体的强度极限，围岩就会出现塑性变形，引起应力向围岩内部转移；以塑性变形区的外圈为界，围岩形成弹性变形区和非弹性变形区。

在非弹性变形区内，围岩的强度明显削弱，能够担负的压力显著降低，进而发生破裂和位移。

分析巷道围岩非弹性区的范围及其影响因素，从而采用合理的支护方案，控制巷道围岩非弹性区的范围，达到矿井安全生产的要求。

巷道围岩的弹塑性变形区的力学模型如图4所示。

图4围岩弹塑性变形区的力学模型巷道开挖后，围岩内部非弹性区半径R 的计算公式［4］为：R =a P （1－sin φ）C ctg φ+（1－sin φ[]）1－sin φ2sin φ式中a ———巷道开挖半径，m ；P ———累积地应力，MPa ；C ———围岩的内聚力，MPa ；φ———围岩的内摩擦角，（ʎ）。

从式中可以看出，围岩内部最大非弹性区半径的大小取决于围岩的内聚力和内摩擦角，一般情况下，各种岩体内摩擦角的三角函数值变化不明显，所以增加巷道围岩的内聚力有助于减小围岩内部的最大非弹性区范围，增强围岩的强度和稳定性，能很好的控制巷道围岩的变形和破坏。

2.2原支护存在的问题矿井中央水仓原支护存在以下问题：1）没有采取锚索加强支护措施，尤其当巷道处于高应力场中时，无法将较高的水平地应力传递到深部岩层中，无法发挥组合拱承载结构的稳定性以及提高围岩的强度。

2）喷射混凝土厚度较薄，并且其内部没有添加防水剂，当水仓蓄水后，无法将软弱岩体与水仓的水隔绝起来，3施工技术煤炭工程2013年第1期使围岩产生泥化崩解和较大膨胀性，进而巷道破坏。

3）没有采取钢筋混凝土的二次浇筑和铺底措施，一方面无法提高巷道围岩的强度和内聚力，使巷道的非弹性区范围较大；另一方面，不能改善围岩受力状态，无法有效地控制软岩巷道的底鼓量和巷道变形。

2.3改进的支护设计根据以上理论分析的结果，结合麻家梁矿井中央水仓的实际地质情况、支护现状和破坏情况，研究决定先采用常规锚网索喷支护，然后增加钢筋混凝土浇筑，同时对巷道底板采用钢筋加混凝土铺底的支护技术。

该支护方案的支护结构如图5所示，具体支护参数如下：1）锚杆：采用高强度螺纹钢锚杆，锚杆长度为2.4m，直径为20mm，间排距为800mm，端头锚固，每根锚杆使用两根长度为600mm的树脂锚固剂锚固，底角处的两根锚杆向底板倾斜，与水平方向成30ʎ角，间排距为500mmˑ800mm，其余锚杆分别与顶板和两帮垂直安装，锚杆安装时应施加较大的预应力。

2）锚索：为了保证组合拱承载结构的稳定性，利用锚索将其传递到深部岩层。

Φ15.24mm的钢铰线锚索配合专用锁具，锚索长度为7m，每断面布置一根，锚索排距为2.4m，沿巷道轴向布置，端头锚固，托盘规格为300mmˑ300mmˑ10mm，每根锚索使用三根Φ23mmˑ600mm的树脂锚固剂。

3）金属网：巷道顶板和两帮铺设用Φ6mmˑ2.0mˑ1.0m菱形金属网进行支护，金属网搭接长度100mmˑ100mm。

4）初喷混凝土：喷射混凝土厚度为100mm，强度等级为C20。

5）钢筋混凝土浇筑：钢筋混凝土的二次浇筑，把复合型的软弱岩体与水仓的水隔绝起来，有效地防止了软岩遇水泥化崩解而产生膨胀性效应，同时增加了巷道围岩的强度和内聚力，减少了巷道开挖后非弹性区的范围。

混凝土强度等级C30，并在其内部每立方米添加40kg的BR－3系列防水剂，浇筑厚度300mm，同时在混凝土的基础上按照间排距300mmˑ300mm配搭Φ20mm钢筋。

6）铺底：对巷道底板采用20mm钢筋加C30混凝土铺底，并在其内部每立方米添加40kg的BR－3系列防水剂，浇筑厚度300mm，可使软岩巷道围岩成为一个整体，改善围岩受力状态，能有效地控制软岩巷道的底鼓量。

3现场应用效果麻家梁矿井中央水仓蓄水以来，使用效果良好。

实践证明，复合型软岩巷道采用锚网索喷支护时增加钢筋混凝土浇筑，同时对巷道底板采用钢筋加混凝土铺底的联合支护技术，可以使“锚网索喷+钢筋混凝土浇筑+钢筋加混凝土铺底”的组合梁作用、封闭围岩作用和加固作用有机地结合起来，有效地控制巷道围岩变形，保持巷道稳定，减少维修工程量，节省巷道投资，保证安全生产。

图5软岩巷道联合支护方案（mm）4结语通过对麻家梁矿井中央水仓软岩巷道的现场调研和实验室研究，得出应采用合理的支护方案和支护参数来增加巷道围岩的整体强度，以达到减小复合型软岩巷道变形破坏的目的，同时应采取措施使软岩与水阻隔开来，防止软岩遇水泥化崩解而使巷道围岩强度降低。

提出了采用了“锚网索喷+钢筋混凝土浇筑+钢筋加混凝土铺底”的联合支护方案。

经过后期的巷道变形监测证明该支护方案满足巷道对支护刚度和强度的要求。

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