论深部软岩巷道支护技术系统工程方法

２０１２年ｌＯ月　矿业安全与环保　第３９卷第５期　论深部软岩巷道支护技术系统工程方法　王新军，翟加文　（平顶山天安煤业股份有限公司朝川矿，河南平顶山４６７５２３）　摘要：针对以持续变形、流变为主要特征的深部软岩巷道支护问题，分析了传统施工与支护方法存　在的多方面薄弱点，结合矿区实践，提出了从巷道的层位选择、断面大小与形状设计、施工工艺、支护方　式、维护方法等全过程考虑巷道支护的系统工程方法，以指导软岩巷道支护工作中的各个环节，对提高　巷道的支护质量与效果，解决软岩巷道支护难的问题具有重要的理论和实际意义。　关键词：软岩巷道；系统工程；主动支护；被动支护　中图分类号：ＴＤ３５３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００８—４４９５（２０１２）０５—００７７—０４　应是贯穿于地质勘测、巷道层位确认、断面形状设　１　引言　以持续变形、流变为主要特征的软岩巷道支护　问题，是目前我国煤炭深部开采面临的严峻挑战…。　仅就平顶山矿区而言，十矿、十一矿等多个矿井开采　深度已达１　０００　ｍ左右，都出现了松软岩层巷道施　工与后期维护困难的问题。然而，纵观巷道支护的　计、施工方法、支护材料选择及后期使用维护全过程　的系统工程，其中每个阶段的工作都应以维持巷道　围岩的完整性、稳定性为目标。　按照系统工程的方法，可将巷道支护分为３个　阶段，即设计、施工和使用维护阶段，见图１。每个阶　段的工作内容各不相同，但其根本的目标是一致的，　理论、方法和成果，人们关注的重点更多地集中在巷　道施工和后期使用阶段，尤其是在巷道使用阶段投　即降低巷道的支护难度，确保巷道的稳定。　２．１　掌握详尽的地质勘察资料　井巷工程全部埋置在地下岩土体内，其安全、经　济和正常使用，都与所处的工程地质环境密切相关。　因此，在矿井建设初期，要深入细致地进行工程地质　勘察，查清基本地质地形情况和岩体的基本工程特　性，特别是工程地质和水文地质条件、地质构造情况、　应力场状态以及主要岩层的岩性条件，获得需要的各　种地质资料，最终对有关问题做出评价，并作为后期　井巷工程布置、确定施工方案、编制施工措施的依据。　２．２巷道在岩体中的层位选择与方位确定　入的精力更多。传统施工与支护方法在巷道完成后　不久就出现变形破坏，有的在未投入使用前就多次　返修，不仅增加了企业成本，而且还威胁生产安全。　由于软岩巷道是处于复杂地层中的特殊工程结构，　其稳定与否受地质条件、地应力环境、施工方法、巷　道自身断面大小、断面形式、支护方式等多种因素的　影响，仅仅从巷道开挖后的受力状态考虑巷道的支　护问题，有一定的局限性和被动性，巷道支护的效果　也往往不理想。因此，不断探索、研究适合深部软岩　巷道支护的新理论、新技术、新材料，已成为深部开　采的研究热点和核心之一。　笔者运用系统工程的方法，分析深部软岩巷道　支护问题，从地质勘察、巷道位置的选取就开始考虑　巷道的支护问题，使支护工作前移，并从勘察、设计、　施工、监测与维护等方面进行了全方位分析。　在矿井总体布置设计阶段，应以经济合理、技术　可行为原则进行优化，综合考虑巷道的选层定位，井　点和车场水平标高的确定，以及巷道走向和开采顺序　２巷道支护技术系统工程方法要点分析　巷道支护绝不是在开挖之后才进行的工作，而　收稿日期：２０１２－￣一２０；２０１２—０８—０３修订　作者简介：王新军（１９５５一），男，高级工程师，１９７９年毕　业于河南理工大学采矿专业，现任平顶山天安煤业股份有限　公司朝川矿副矿长，一直从事矿山安全和生产技术管理工作。　的安排等问题。同时还要注意以下几个问题：　１）主要巷道，如服务年限长，对生产影响大的巷　道、断面大的硐室，应选择在强度大、膨胀性小、地质　构造和水文条件简单的层位和地区。　２）主要巷道走向应尽量与最大地应力方向平行　而不要垂直，尽量避免与断层、软弱夹层、节理方向平　行或小夹角相交，若不能绕避，则应尽量使巷道的轴　向与其走向问呈４５。一６５。夹角为宜。　３）尽量避免巷道在空间上重叠、密集交叉，硐室　群的施工应根据所处区位的工程地质等条件优选出　最佳施工顺序。　．７７．　２０１２年１０月　～　叁毒　一　矿业安全与环保　矿井岩石力学性质、地应力勘测　第３９卷第５期　一　辞　Ｈ谋　一　蕾　姑匠　巷道位置选择：服务年限长的巷道宜布置在稳　定、坚固地层中　若地压较小，选用直墙半圆拱形　巷道的方住：应使巷道轴向与主应力方向平行　均受到很大的压力，则以选择圆形巷道断面为宜　巷道断面形状：主要根据地压的大小和方向来　确定　若垂直方向压力特别大而水平方向压力较小时，则选用直　立椭圆形断面或近似椭圆形断面　巷道掘进方法选择：以保持围岩的整体性、不　破坏或少破坏巷道围岩为原则选择破岩方法　若水平方向压力特别大而垂直方向压力较小时。则选用曲　墙或矮墙半圆拱带底拱、高跨比小于ｌ的断面。或平卧椭　圆断面　以强化围岩、整体承栽、允许变形、适当让压、控制巷道　合理的支护方案　断面为原则　加强底板控制　选择合理的支护时机：初次支护、二次支护　合理的支护形式：锚网、桁架锚网、钢筋梯锚网、钢带锚　网，以及锚注加固等联合支护形式　加强水的治理，封闭围岩，防治风化　工程水，地下水，空气中的水分，以保持围岩强度，最终　保持巷道的稳定　围岩表面及内部的位移、应力、围岩与衬砌之间的接触压　力、衬砌内部的应力、支护锚杆（索）中的应力等　加强巷道施工过程及使用过程中监测　改善巷道围岩的受力状态　开卸压巷、卸压槽，爆破卸压等，降低巷道浅部围岩的应　力水平　图１　深部软岩巷道支护技术系统工程方法示意图　４）应使主要巷道免受采动压力影响。实践证　的分布与巷道的断面形状密切相关。巷道围岩应力　分布的规律是：顶、底板围岩容易出现拉应力；周边　转角处存在较大的剪应力；巷道的高宽比对围岩应　力分布的影响极大。因此，应根据地压的大小和方　向来选择巷道断面形状。　若地压较小，选用直墙半圆拱形是合理的；若巷　道周围均受到较大的压力，则宜选择圆形巷道断面；　若垂直方向压力特别大而水平方向压力较小时，则　明，煤层开采以后，其底板岩石大巷围岩的压力明显　增高，这是造成煤层底板岩石大巷破坏的主要原因。　因此，最好将巷道布置在应力降低区或原岩应力区　内。如某矿将岩巷布置在距煤层垂距２０～３０　ｍ时，　与采场上端煤柱上角水平线成４５。角的范围内，受到　的压力较小（图２）。　应选用直立椭圆形断面或近似椭圆形断面；若水平　方向压力特别大而垂直方向压力较小时，则应选用　曲墙或矮墙半圆拱带底拱、高跨比小于１的断面，或　平卧椭圆断面。　如某矿胶带输送机暗斜井，采用直墙半圆拱形　断面，建成后不久即被压垮。该暗斜井修复时，选用　曲墙、半圆拱加底拱的近似圆形断面，如图３所示，　永久支护为ｕ形钢支架，克服了原直墙半圆拱形断　面局部受力不均的缺点。　ｌ一固定支承压力影响区；２一煤层底板岩石巷道；３～应力降低　２．４选择合理的破岩方法　区；４一移动支承压力有害影响区；５一原岩应力区。　图２煤层底板岩石巷道合理位置　２．３确定合理的巷道断面形状　松软岩层巷道掘进时，应以保持围岩的整体性、　不破坏或少破坏巷道围岩为原则选择破岩方法。　若采用爆破破岩，应选用光面爆破技术，尽可能　减少爆破对围岩的破坏作用，将围岩的整体性和自承　巷道开挖后，引起围岩应力的重新分布，而应力　・７８・　２０１２年１Ｏ月　矿业安全与环保　第３９卷第５期　１宫　＼　５０｛　＼｜＼　盘曩　｜　、　—　｜／，　　，｜　・　＼　莩　曼　量：　戤　＼　ｒ一　一　Ｊ曩Ｊ　＿＿—＿　—ｇ　Ｌ　１　ｌｎ　６０Ｑ　４　ｏｏ　量　６００　６Ｏ００　１一预留３ｏ０　ｍｍ混凝土衬砌：２一混凝土块砌筑的底拱。　图３某矿暗斜井试验巷道施工图　能力受掘进的影响减小到最低限度。　实践表明，掘进机破岩能够最大限度地保持巷　道围岩的整体性和稳定性，是目前值得大力推广的　破岩技术。　２．５确定合理的支护方案　松软巷道围岩的支护应以强化围岩、整体承载、　允许变形、适当让压、控制巷道断面为原则，通过支　护来加强巷道围岩的整体性，保持和提高巷道围岩　的整体承载性能，通过支护来抵制压力、释放压力，　控制巷道的整体变形，保证有足够的巷道空间满足　生产需要。松软巷道围岩一般需要二次支护。　２．５．１初始支护　根据围岩与支架共同作用原理，初始支护应选　用刚度适宜、具有一定柔性或可缩性的支护结构，既　允许围岩有一定的移动变形，以释放压力，同时又能　限制围岩发生大的变形移动，以抵抗压力。实践证　明，Ｕ形金属可缩性支架可用作初始支护。而锚喷　支护既主动控制围岩又允许围岩有一定变形，是一　种更为理想的初始支护方案。目前用于松软岩层巷　道的锚喷网支护结构方式有以下几种：　１）锚网、桁架锚网、钢筋梯锚网、钢带锚网等。　原则上不喷层、不进行二次支护。底鼓不严重的底　板可仅用锚杆加固底帮角。　适用条件：厚煤层和急斜煤层的全煤回采巷道；　埋藏较浅的软岩回采巷道；无膨胀性的较软岩回采　巷道和准备巷道。　２）一次支护用锚喷网支护，二次支护用复喷混　凝土或局部增加钢筋梯复喷。底板用全封闭的锚喷　网支护，适用于马蹄形、拱形断面。　适用条件：采区上下山、石门；压力不大的浅部　矿井基本巷道；煤层易风化、易发火且底鼓较严重的　回采巷道。　３）一次支护锚喷网，二次支护锚喷网。二次支　护的锚杆较一次支护稍长，数量减少。　适用条件：软岩矿井各类基本巷道；压力较大的　软岩矿井采区上下山、石门等。　４）一次支护用锚喷网，二次支护用速凝水泥或　速凝高水材料对围岩进行注浆加固。　适用条件：节理化破碎岩体各类巷道；松散性岩　体各类巷道。　５）一次支护用锚喷网，二次支护用架后预留有　变形充填层的全封闭钢架封闭支护（带弧度），必须　及时将钢架全喷混凝土封闭。　适用条件：高应力强膨胀软岩矿井各类基本巷　道和准备巷道；井底车场巷道。　６）一次支护用锚喷网，二次支护用预留有变形　充填层的Ｕ形钢支架、半底拱全封闭。　适用条件：高应力强膨胀软岩各类基本巷道（包　括井底车场巷道）。　需要指出的是，上述方案中的二次喷混凝土均　属一次支护范畴。在深部巷道支护中，如果采用锚　杆支护，均应给锚杆施ａｎ－　定的预紧力，以提高锚杆　限制围岩变形的能力，从亓ｉｉ提高锚杆支护的质量与　效果。　２．５．２二次支护　在围岩变形稳定后，为了保证巷道较长时间的　稳定和服务期的安全，应当给巷道围岩提供后期支　护强度和刚度，这就是二次支护。二次支护同时起　到安全储备的作用。　二次支护可采用锚喷支护，也可采用Ｕ形钢支　护。二次支护的关键是支护的时机，根据实践其最　佳时机是在一次支护巷道围岩变形稳定（收敛）后，　一般在开掘２０－４０　ｄ、围岩变形速度小于０．０５　ｍｍ／ｄ、　变形一时间曲线出现稳定平缓拐点之后进行支护。　２．５．３联合支护　在非常松软破碎的岩层中，仅使用某种单一的　支护方法往往很难奏效，尤其是在围岩条件差的重　要地段，如马头门、井底车场的重要硐室、主要运输　和通风大巷等。实践表明，对于这种条件采用注浆　加固技术、大断面硐室锚索技术、ｕ形钢可缩支架和　弧板支架，高强预应力锚杆、锚索和Ｕ形钢支架等联　合支护技术，是比较理想的支护技术。　２．６巷道使用过程中的维护与管理　巷道破坏主要发生在使用阶段，因此该阶段的　维护与管理对于延长巷道的服务年限至关重要。　２．６．１巷道底鼓的治理　研究表明，底鼓是造成巷道破坏的重要原因。　在软岩巷道的支护实践中，重视底板治理是保证软　．７９・　２０１２年１Ｏ月　矿业安全与环保　第３９卷第５期　岩巷道支护效果的重要条件。　目前，我国预防底鼓的措施一般是砌筑底拱，有　的矿区则采用底板钻眼、松动爆破，然后注浆加固底　板的方法预防底鼓，这种方法能降低围岩应力和提　高围岩强度。治底时，必须结合帮、底联合治理，不　能各行其是。不论采用何种底拱结构，都必须使底　拱两端压在墙下，与墙连为一个整体。　２．６．２加强水的治理　岩体中地下水的赋存与活动，既影响围岩的应　力状态，又影响围岩的强度，进而影响巷道的稳定。　地下水的影响表现在静水压力作用、动水压力作用、　对软弱岩体及软弱夹层的软化和泥化作用、对可溶　性岩体的溶蚀作用及对滑动面的润滑作用等，水的　存在会给施工造成很多困难。因此，必须加强巷道　施工与后期使用过程中水的治理工作。　煤矿井下巷道施工遇到的水主要有岩层地下　水、施工工程用水和空气水分，在施工中应分别加以　处理。　１）对于地下岩层中赋存的水，水量大的可以提　前打钻疏水；对于巷道水，应及时修建永久性水沟或　用水管导引外流到永久性水沟；巷道低凹易积水处　用小井集中后用风泵排入正式水沟。　２）对于工程水，应尽量减少用水，在膨胀岩中禁　止用水冲洗岩面和钻孔，须用干式凿岩、干式吸尘。　３）对于空气水分，巷道开挖后应及时用高强速　凝防水喷射混凝土封闭岩面，及时隔离空气造成巷　道围岩干湿交替的条件。　２．６．３　加强巷道施工与使用过程中的监测　工程监测的主要目的在于了解围岩的稳定性以　及支护结构的工作状态，为巷道支护、加固措施的制　订提供依据。　巷道工程监测的主要内容包括围岩表面及内部　的位移、应力，围岩与衬砌之间的接触压力，衬砌内　部的应力、支护锚杆（索）中的应力等。在松软岩层　巷道施工监测过程中，可用收敛计测量巷道的收敛　变形；用水准仪测量顶板下沉量和底鼓量；用各种多　点式位移计测量岩层内不同深度的位移，从而可以　算出位移速度。在这些信息中，又以位移量最容易　准确测量并容易实现反馈。因此，位移测量应放在　首位，其他测量可与位移观测配合进行，相互对照比　较，综合分析观测结果，为支护方案的确定和支护参　数的优化，以及修改设计参数和确定二次支护时间　提供依据。　对于采用预应力锚杆、锚索支护的巷道，要有计　・８０・　划地检查锚杆预紧力的变化，并及时对锚杆螺母进　行二次或多次紧固，以确保锚杆的支护效果。　在地应力特别大的矿区，还应测量构造应力，这　对合理布置巷道，减轻地应力对巷道的作用具有重　要的指导作用。　２．６．４改善巷道围岩的应力状态　采深大、地应力高，是造成深部软岩巷道稳定性　差、支护困难的根本原因。采取有效措施，减缓乃至　消除巷道围岩的高地应力，是维护深部软岩巷道稳　定的关键。　爆破卸压能够将作用于巷道周边的集中应力或　高应力向围岩深部转移，从而减缓、降低巷道周边地　应力的作用程度，是深部高应力软岩巷道支护以及　使用与维护的一种有效的辅助手段。爆破卸压技术　在国内外许多矿井的巷道支护中得到应用，并取得　良好效果　。　此外，开卸压槽、掘卸压巷道等也是改善巷道围　岩应力环境的有效手段，在实践中也发挥了重要作用。　３结束语　深部软岩巷道支护系统工程方法的关键就是要　从地质勘探、巷道布置、断面设计以及开采顺序的确　定阶段开始，就考虑巷道支护的问题，把巷道支护目　标的实现落实到勘察设计、巷道施工和巷道使用与　维护工作的各个方面，由传统的开挖后再支护改为　未开挖之前就考虑巷道的支护问题，变被动支护为　积极主动支护。只要每个阶段的工作做好了，充分　考虑了后期维护巷道稳定的要求，并切实使每个阶　段的工作都达到预期的目标和要求，就能够从根本　上解决目前深部巷道支护困难的问题。　参考文献：　［１］赵生才．深部高应力下的资源开采与地下工程一香山会　议第１７５次综述［Ｊ］．地球科学进展，２００２，１７（２）：２９５－２９８．　［２］ＰＡＴＲＩＣＫ　Ａ，ＪＯＨＮ　Ｈ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｔｒｅｓｓａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎｄｅｘ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ　ｏｆ　ＳＵＣＣＥＳＳ　ｆｏ　ａ　ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｄｅｓｔｒｅｓｓ　ｂｌａｓｔ　ｉｎ　ａｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｉｎｅ　ｐｉｌｌａｒ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｆｏ　Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００８，４５：４０７—４２１．　［３］夏红兵，徐颖，宗琦，等．深部软岩巷道爆破卸压技术及　工程应用研究［Ｊ］．安徽理工大学学报：自然科学版，　２００７，２７（１）：１３－１６．　［４］赵干．谢桥煤矿锚注一爆破卸压修复巷道的试验研究　［Ｊ］．煤炭技术，２００８，２７（７）：１２１－１２３．　（责任编辑：卫蓉）