软岩巷道掘进支护技术分析

软岩巷道掘进支护技术分析

贺海军

贺海军汾西矿业紫金煤业公司031304

摘要基于我国煤矿资源分布的较为广泛，由于各储藏位置的地质结构的差异导致巷道围岩的地质环境也变得更为复杂化，其中涉及软岩巷道掘进支护施工工程占有较大的比例。因而对于软岩巷道掘进支护技术的探讨与研究具有重要的价值作用。本文将对软岩的地质特点以及影响软岩巷道稳定性的因素进行系统的分析，再进一步探讨软岩巷道掘进支护技术。

关键词软岩巷道支护巷道掘进

随着国内煤矿开采步伐的不断深入，部分硬岩在开采应力的作用下开始软化，同时一些软岩区域的煤储层也成为的开发的重点，因而对于软岩巷道支护的研究已经成为了煤矿产业可持续发展规划的重点内容，此外，基于软岩本身的地质特点，软岩巷道掘进效率较低且容易出现变形，或受到其他地质环境的影响而遭到破坏，因而严重制约着煤矿产业的经济效益。

一、软岩地质特点以及工程力学特性

一般来说，地质软岩指的是单轴抗压强度小于25Mpa，具有松散、破碎、风化等一系列特征，该定义并非适用于工程实践中，它是在一定的施工环境下才能够成立的，如对于部分浅开挖巷道来说，即便抗压强度较低，但是地应力的水平也较低，因而“地质软岩”并非会呈现出软岩的特性。工程软岩指的是在一定量的工程力的作用下，产生较大塑性变形的工程岩体，在煤矿巷道掘进中，工程围岩是巷道施工中研究的重点，工程岩体往往承受着重力、构造残余应力、水的作用力、工程扰动及膨胀应力等工程力共同的作用，在工程力学的影响下，软岩的地质特征会得到充分的体现，在部分煤矿巷道开挖的场地中，如果选择的支护方式不够科学完善，就会出现坍塌、变形。由于软岩承受工程力的能力较差，因而在设计支护方式时，存在着一定的难度。

二、软岩巷道的支护原理以及支护措施

巷道开挖工程中会破坏岩体的原岩应力，工程围岩中的应力分布会出现一定的变化。巷道开挖工程的不断进行，切向应力力增大而径向应力不断缩小，到达硐壁处时应力达到极限，在两种应力的共同作用下，由于围岩本身的地质特性，其会向巷道的空区发生变形，同时可能会存在一定裂纹，进而对巷道形成一定的破坏能力，而继续掘进，工程围岩的性质将会变得更为恶劣。在围岩应力的基础上，切向应力在硐壁处对达到最大值，进而造成这个区域的岩石迫力屈服发生塑性变形。对于硬岩巷道的支护工程来说，因其强度较高，在巷道掘进中需要控制塑性区与松动去的出现，促使围岩处于弹性状态，进而具有抵御工程应力的极限水平。但是对于软岩掘进工程来说，其要求工程围岩中的岩体达到塑性状态，且需要达到最大的塑性变形。塑性区的出现使应力集中区从硐壁向围岩深部发展,当应力强度超过围岩的屈服强度时,又会出现新的塑性区,如此不断发展。该变化对支护来讲将产生以下两个力学效应:围岩中切向应力和径向应力降低,减小了作用于支护体上的荷载。这种变化能够在巷道支护体上出现两种力学效应：1）工程围岩上应力的减小会有效的减弱支护体的荷载力；2）围岩深部是应力集中的主要方向。由于深部岩石承受着三种不同的应力，因而能够减弱岩体受到工程力的总和。通过对图1与图2的分析可知，在软岩的稳定塑性变形区域内，尽可能以变形的方式释放围岩所积蓄的应力荷载，可以游戏哦啊的保证支护体的稳定，也有利于软岩巷道工程的开展与深入。

图1巷道开挖后围岩中应力分布的曲线

1—未出现塑性区时，切向应力与径向应力的分布曲线，可见，二者平衡；2—塑性区域为半径为R2的圆形区域内的应力分布；3—塑性区域为半径为R3的圆形区域内的应力分布

图2支护阻力与围岩变形量的关系

图中p为支护阻力，u为围岩变形量

三、当前煤矿产业中软岩巷道支护技术的应用

事实上，我国对于软岩巷道的研究已经具有50多年的历史，在软岩支护技术方面也具有一定的研究成效，当前，在煤矿实际生产中所运用到的支护理论主要包括联合支护理论、松动圈支护理论、工程力学支护理论等，其中联合支护理论就是分析不同种支护方式的优缺点，并且实现两种或者两种以上支护方式优化改革，从而稳定软岩巷道的支护能力，联合支护理论的核心在于，不能够一味的追求提高支护体的刚度，要先柔后刚，柔刚结合才能够得到良好地支护目的，当前在煤矿产业中所应用的巷道支护技术包括：锚注支护、锚喷支护、大弧板加强支护等等。本文将主要对联合支护技术理论进行探究。

（一）软岩锚注支护技术的分析

软岩巷道工程中，工程围岩的松动度较大，岩体承载能力差，如果单纯采用锚杆支护难以保证支护体的稳定。要让锚杆支护技术的价值在煤炭开采充分体现，需要改变工程围岩的强度，进而改善其变形模量以及变形规律。此时可以利用锚杆对软岩进行注浆加固，外锚内注，强化工程围岩的荷载力，并通过锚杆实现有效的支护。

通过对实际生产数据的总结克制，采用锚注支护不仅能提高了工程岩体的质量以及力学特性，同时也提高了锚杆的支护能力，进而有效的改善了当前软岩巷道的施工状况，对于锚注支护工作原理的分析如下：

1）对于节理发育的软岩巷道，注浆是改善工程围岩松散结构的主要方式，同时注浆也提高了围岩内部的粘合力，进而提高了围岩的强度，同时围岩强度的增加也提高了外部应力的承载力，成为了软岩支护工程中的一部分。

2）通过锚杆注浆，注浆的流动性作用可以填充如围岩的缝隙，同时可以隔绝空气，有效的控制围岩的风化，避免围岩因被水浸湿而降低自身强度，提高围岩的稳定性。

（二）锚喷网支护技术的分析与实例探究

软岩条件下锚喷支护的理论依据是挤压加固拱理论，即通过锚杆的锚固作用，使松动范围内的岩体形成具有一定厚度的拱形压缩带来承载围岩压力，防止围岩本身的移动和脱落；喷射混凝土能及时封闭围岩，隔离水、空气与围岩的接触，防止围岩的风化、潮解和片落；金属网不仅可以支承锚杆间的围岩，而且可以将单个锚杆连接成锚杆群，与混凝土喷层形成具有一定柔性的薄壁混凝土支护圈，增加支护的整体性。同时，锚喷网支护允许围岩有较大的变形量，符合软岩巷道对支护性能的要求。

事实上，对于各类巷道支护技术的选择与应用过程中，均需要进行一定的实验探究以及模拟分析，在现代化煤矿生产中通常会采用计算机模型对相关的支护技术进行模拟分析，进而确定出较为优化的支护技术。

图3锚杆支护加固模型图

在锚杆长度一定的情况下，喷射混凝土的厚度为10cm会大于混凝土的厚度为5cm的支护效果，喷射混凝土的厚度也会影响到支护的安全性，在锚杆长度和混凝土厚度都恒定的条件下，锚杆间排距越大则安全率越小，反之则安全率越高，其次在对巷道加固后，无论锚杆的长度如何变化，其安全率都会小于1。因而在支护工程施工中，应该保证喷射混凝土的厚度在10cm左右。经过测试，锚杆的间排距为时，喷射混凝土的厚度为1时，巷道的安全率仍较低。但是当锚杆长度达到，间排距为和，这两种方案的安全率均超过1，能够达到支护工程的要求，同时经过对支护方案的经济性分析可知，间排距为的支护方案更为节约成本，因而，巷道顶板与两帮的支护方案应该采用1.8m的锚杆，间排距为，喷射混凝土的厚度为10cm的支护方案较为优化。

四、总结

总之，对于软岩支护工程技术的研究对于煤矿产业的可持续发展具有重要的价值作用，目前主要通过改善围岩的受力状态与外部增加抗力设施相结合的方式、改善围岩内部的力学性能提高围岩的承载能力等方式确定出相应的支护方式，本文仅对两种常见的联合支护方式进行了简要的分析，联合支护方式能够优化不同种类支护技术的不足，因而必将取得较为广泛的适用范围。