软岩巷道支护理论与施工技术.pdf

问题 探 讨 软岿 替道支护理 论与施工技术 王哲 （潞 安矿 业 集 团 公 司，山 西 长 治0 46 2 0 4） 摘要 在松软岩层 中施 工巷道， 掘进 较容易， 维护却 极其 困难， 采用常 规的施 工方法 和支 护形 式、 支护结 构， 往往不能奏效。 因此， 软岩支护 问题是 井巷施工中很关键问题。 对松 软岩石巷 道施工 的基本 规律和应 当注意的 问题进行 了阐述， 其要 点是必须根据 岩石性 质和地 压显现 特点选 择合 理的支 护方式、 支 护结 构， 正确选择巷道 位置和断面形状， 同时要加强巷道底板 的管 理， 采用合理 的掘进破 岩工艺 等。 如能结 合工程 的具体地质条 件， 采取 相应 的技术措施， 就有 可能 比较顺利 地在 松软岩 层中进 行施工， 并 使巷 道易于 维护 而处于稳定 状态。 关 键 词 软 岩 巷 道 ； 支 护 理 论 ；围岩 变 形 中 图分 类 号 T D 353文献 标 识 码 B文 章 编 号 10 0 5－2 7 98 （2 0 0 6） 则 －0 0 53－0 3 对于 软岩 有不 同 的定义 。 一 种 是根 据岩 石 的单 轴 抗压 强度 。 c ， 把 。 c ＜2 0 ＊Pa的 岩层 称 为 软 岩； 或 者 根 据 单 轴 抗 压 强 度 与 垂 向 地 应 力 的 比值 ，即 。 c 个H ＜ 2的岩层 称 为软 岩。 再有 一 种 定 义是 “ 软 弱 岩层 是指 强度低 、 孔 隙 度 差、 胶 结程 度 差、 受 结 构 面 切割 及 风化影 响显 著或 含 有大 量膨胀 性 粘土 矿物 的 松、 散、 软、 弱岩 层” 。 另 一 种 定 义 是， 软 岩 指 在 巷 道 工程 力 的作用 下 能产 生显 著变 形 的工程 岩体。 生 流 变， 且 持续 时 间很长， 有 的达 数 年之 久。 如不 采 取 有效 的支 护措 施， 则 由于 围岩 变形 急剧 加 大， 势 必 导致巷 道失稳破 坏 。 这种变 形特 征 明显地 表 现 出蠕 变的 三个 变形 阶段 ， 即减 速蠕 变 淀常蠕 变 和加 速蠕 变 。 2）围 岩 变 形 有 明显 的 空 间 效 应。 其 一表 现 为 围岩与 掘进 工作 面 的相 对 位置对其 力 学状 态 的影 响， 通 常在 距工 作 面 1 倍 巷 宽 以远 的地 方 就 基 本 上 不 受掘 进 工作 面 的制 约； 其 二 表 现为 巷 道 所 在 深 度 不仅 对 围岩 的变形 或 稳 定状 态 有 明显 影 响， 而且 影 响程 度 比坚 硬 岩层 大得 多。 软岩 巷道 围 岩 强 度低 ， 结 构松 软， 易 吸 水 膨胀 ， 因而 巷道 围岩 变形 大， 易 发生底 鼓， 软 岩巷道 支 护是 煤矿 巷道 支护 的难 点 和重 点 。 3）软岩 巷道 不仅 顶板 下沉 量 大 和 容 易 冒落， 而且 底板 也 强 烈 鼓起 ， 并 常 伴 随有 两 帮 剧 烈 位 移。 尤其 是粘 土层， 浸 水 崩解 和 泥化 引起 的底 鼓 更 为 严 重。 如淮 南谢 一 矿测试 结 果表 明， 顶板 下沉 量、 巷帮 内移 量 与底鼓 量 的 比值 一 般 为 互 回 2。 因此， 防止 水 的浸蚀 和底板 治 理成 为 软 岩巷 道 支 护 的 重 要课 题 。 l软岩 巷 道 围岩 变 形 和压 力特 征 围 岩变形 是衡 量 软岩 巷 道矿压 显 现强 烈程 度和 维 护状 况 的重要 指标。研 究 和预测巷 道 的围岩 变形 规 律、 特征 和变形 量， 以便 合理 选择 巷 道 的支护 形式 和参 数， 最 大限 度地 利用 围岩 自身 强 度， 避 免 目前 软 岩巷 道 中经 常遇 到 的支 护 多次破 坏 和频 繁翻 修的 困 难 局 面， 对 改善 软岩 巷道 维 护具 有 重 要意 义。 4 ）围岩 变 形 对 应 力 扰 动 和 环 境 变 化 非 常敏 感 。表 现为 当软 岩巷 道受 邻 近 开 掘 或修 复巷 道、 水 的浸蚀 、 支架 折 损 失 效、 爆 破震 动 以及 采 动等 的影 响 时， 都 会 引起巷 道 围岩变形 的急剧 增 长。 豆 ． 1软岩巷 道 围岩 变形 和压 力特 征 软岩 的力学 性 质对 围 岩稳 定 性 有 重 要 影 响， 根 据许 多井下 观测 ， 可归纳 出软 岩巷 道 的 围 岩 变 形 有 以下 特征 l ）围 岩 变 形 有 明 显 的 时 间效 应。 表 现 为 初 始变 形速度 很 大， 变 形趋 向稳 定后 仍 以较 大 速 度 产 此 外， 软岩巷 道 的 自稳 时 间 短。 由 于上 述 因素 的差异， 松 软 围岩 的 自稳 时 间 通 常 为 几 十分 钟 到 十 几 小 时， 有 的顶板 一暴 露 就 立 即 冒落 ， 这 主要取 决 于 收 槁 日期 2 0 0 6 ． 0 2 ．15 作 者 简 介 王哲（ 196一）， 男 ，山西 长 治人 ， 工 程 师 ， 从 事 煤 矿 技 术 管理 工 作 。 煤第15 卷 第4 期53 围岩 暴露面 的形 状 和面 积、 岩体 的残 余 强 度 和 原 岩 应力。 因 此在决 定巷 道掘 进方 式和 支护措 施 时必 须 2）支 承 压力 的影 响。 实践 证 明， 回采 动 压 是 造 成煤 层底 板 岩石 大巷 破坏 的主 要原 因。 煤层 开采 以后， 其 底 板 岩石 大巷 的压 力 就 有明显 的增 加。考虑 到巷道 围 岩的 自稳时 间。 玉 ． 2巷道 围岩 变形量 的构成 底板 岩石 大巷 与煤 层距 离 的大小 和落 煤方 式 有 关 。 用 风 镐 落煤 时， 岩 石 大 巷距 煤 层 在 刀 －刀 m 时， 基 本 上可 不受 动压 的影 响。 而放 炮落 煤时， 岩石 大巷煤 层 40 m 以外还 仍 然会 遭到破坏 。 在 未经 采 动 的松 软岩 体 内开掘 巷 道 时， 其 围岩 变形 量 主要 由以下 三部分组 成 ， 见 图 儿 除 了避 兔 支承 移 动压 力 的影 响外， 还 必须 避 开 采场 上 下 固定支 承 压力 的 影 响范 围， 应 把 巷 道 布 置 在应 力 降低 区或 原 岩应力 区内为最 好。 2 2巷道 断面形 状 的选择 由于 松 软岩 层 地 质 情况 非 常 复杂， 巷道 支 护不 单 纯受 岩层 的重 力 作 用， 有 时 周 围都 受 到 很 大 的 膨 胀 压力， 甚 至有 的巷 道 的侧 压 比顶 压 大 几 倍。 若 采 用 常 规 的直 墙 半 圆拱 或 三 心 拱 形 断 面 显 然 难 以 适 应， 往 往造 成巷 道 的破坏 和失 稳。 因此， 合 理选 择断 面形状对 维护松软 岩层 巷 道的稳定 尤 为重 要。 n o 一掘胡 陷 的变形量； 沏 t 。 －巷道流变量； z U ； －扰动和浸水引起的变形量 图回巷道掘进时间 1 ）掘 巷 引 起 的 围 岩 变 形 量 ， 它 一 般 发 生 在 巷 道 掘 迸 的 初 期 。 2）围 岩 流 变 引 起 的 变 形 量 ， 它 在 巷 道 整 个 服 务 期 内都 会 发 生。 巷 道 断面 形 状， 主 要 应根 据 地 压 的大 小 和方 向 来选 择。 若地 压 较 小， 选用 直墙 半 圆 拱 形 断 面是 合 理 的； 若 巷道周 围均受 到很 大 的压 力， 则 以 选择 圆形 巷 道 断面 为宜； 若 垂 直 方 向压 力 特 别 大 而水 平 压 力 较小 时， 则 选用 直 立 椭 圆形 断 面或 近 似 椭 圆形 断面 是 合 理 的； 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 圆形 断面。 3）巷道受 各类 扰 动 引起 的变 形 量， 如 巷 道 维 护过 程 中， 因支 架损 坏， 支 护 阻力 发 生 变 化， 巷 道 附 近支 架 翻修或 开掘 新 的 巷 道， 以 及 泥岩 遇水 和 巷 道 积水 增 加等等。 因 此， 软 岩 巷 道 的 围 岩 变 形 量 可 用 下 式 表 示 u＝n o＋。 。 t o＋Z u ； 2 3控 制爆 破 保 护 围 岩 式 中 u为 巷道 服务 期 间 内 的围 岩 变形 量， m m； u 。为 开掘 巷道引 起 的 围岩 变 形 量， m m； v 。为掘 巷 影 响趋 向稳 定 期 间 内 的 围岩 平 均 流 变 速 度， m l n ／d ； t 。 为 巷道 的服务 时 问， d ； z U；为 巷 道 受 扰 动期 间 的变 形 量， m m， 其中 江 回 ， ⋯ ， n ， n为受 扰动 次数。 软 岩 巷 道掘 进 必 须 采用 浅 眼 小炮、 光 爆 等 控制 爆破 ， 多采用 预 留光 面层 的光 面爆破； 必要 时采 用风 镐或 手镐 等人 工 成形 掘进 法。 对 特别 松软 破碎 者可 采用 临 时超 前锚 杆等 前探 支护 手段 或者采 取注 浆或 化学 加 固等技 术 措施并 尽 量减 小水 的影响。 以确保 围岩强 度与 稳定 性， 减 小 爆 震 波 的影 响 和 开 挖 后重 新分 布应 力 的扰 动影 响范 围。 2软 岩 巷 道 支 护 从 理论 分 析 和工 程 实 践 得 出， 软 岩 支 护 应 遵循 “以柔 克刚、 缓 冲 让 压、 稳 定 支护 ”的 基 本 准 则。 在 具体 的巷道 施工 与支 护 设 计 时， 应 考 虑 以 下 几个 方 面 。 2． 4及 时 采 用 柔性 或 可 缩 性 的 一 次 支 护 软 岩 巷 道掘 进 后 应 尽早 喷射 薄 层混凝 土、 封 闭 围岩， 以 防 止 吸水、 潮 解 风 化， 进 一 步保 护 围 岩。 然 后 打锚 杆或 加金 属 网、 复 喷、 架 可缩 金 属 支 架等， 及 时构 成有 足 够支 护抗 力又 有 足够 的柔性 及可缩 性 的 一次 支 护。 2 回 合 理选择 巷 道位 置 合 理选 择巷道 位置 是保 证巷 道处 于稳 定状 态最 关 键 的决策 之一。 选择 巷道 位置 应着 重考 虑 以下两 个 方 面。 2 5适 时补 充 加强 一 次 支 护 一 次 支 护后 应 加 强 对 围 岩与 支 护变 形 的 监测。 如位 移 速率 始终 较 大、 不 足 以 使 围 岩 由急 剧 变 形转 化 为缓 慢稳 定变 形 时， 说 明一 次支 护抗力 不 足， 应 及 时 采取 相应 补充 加强 措施， 如 补打 锚杆 功D 密 可缩 支 架 等。 一 次支护 的喷 层 可 能 发生 开 裂， 亦 属 正 常 现 玉 ）岩石 性 质。 应 尽 量 将 巷 道 布 置 在 遇 水 膨 胀量 小 、 质 地均 匀、 较 坚硬 的岩 石 内。 在 同一条 巷道 内， 即 使 围岩性 质只有 微小 的差 异， 巷道 压力 的显 现 也 有 明显 的差别 。 54 Co a l 4／2 0 O 6 象（喷 层 的 有 限 柔 性 很 难 适 应 井 巷 初 期 的急 剧 变2． 7适 时 封 底 形 ） ， 只 须 采取 多 次 复 喷 、 薄 喷 即 可 。 2 6趋 于稳 定 时 采 用 二次 支 护 封底 是 软 岩支 护 的重 要 环节 ， 以 形 成封 闭 的整 体 承重 环结 构， 不 封 底 的软 岩 支 护， 不 仅导 致 底 鼓， 还 会使 巷道 帮、 顶 的变形 和压 力 成倍 增长， 使 整个 支 护破 坏失 稳。 上 述 及 时支 护 及 适 时补 充 加 强 的 支护， 都属 一 次支 护 的范 畴。 一 次 支护 后 如 围岩 能 趋 于 稳 定， 这 多在 1 类软 朔 围 岩 的情 况 下 ， 则 一 次 支 护 就 成 为 永 久性 支 护结 构。 封底 的 时 机， 既 要避 开 巷 道 掘 进 初期 的急 剧 变 形 影 响， 又 不能 因延 缓封 底 时间 导致 整个 支护 失利。 为 此， 封底 可分 两步 进行， 首 先在 围 岩初期 急剧 变 形 期 后， 即大 约 在 半 月 左 右， 采 用 柔 性 的 锚 喷 封 底 结 构， 且 以锚 为主并 用 有 滑 移 让 压 特 性 的 全 长 锚 固式 锚 杆； 待 围岩 趋 于稳 定 时， 适 时 作 永 久性 封 底 处 理， 多 用有 较高 强度 与 封闭性 能 的底 拱结 构。 对 于蠕变、 膨 胀 变 形 大、 持 续 时 间 长 的 软 岩， 则 应 待围 岩趋 于稳 定， 即转入 平缓 蠕 变 阶段， 位 移速 度 减小 并趋 于某 一稳 定 的常 数 时， 一 般 是 在 巷 道 开 掘 3 － 6个 月 以后 ， 采 取 f u次 支护 。 二次 支护 应采 用具 有缓 冲、 可缩、 让 压特 性且 有 足 够支 护抗力 的 支护结 构。 它具 有 吸收 释放 围岩 长 期继 续缓 慢增 长 的变形 位移、 压 力； 又具有 在 围岩 位 移达 一定 临界值 后， 支 护抗力 足 以 阻止其 继续 位移。 防止 围岩产 生松 脱失 稳 。 控 制 软 岩底 鼓 的另 一措 施 是 处 理 好 井巷 淋 水。 疏 通流水 ， 尽量 消 除或减 小水 的影 响。 【贵任编辑 李 巧英1 （ 上接 第 38 页 ） 7）综 采 队后 刮 板 输 送 机 机 尾 减 速 机 加 注 ER 产 品 前 测 试 的 平 均 温 度 为 48． 6℃ ， 加 注 ER产 品 后 测 试 的 平 均 温 度 为 39． 3 ℃ ，降 低 了 9． 3 T，降 率 为 19． 2％ 。 4试 验 数 据 统计 l ）选 煤 厂 主 洗 车 间 30 9振 动 筛 加 注 ER产 品 前 测试 的 平 均 温 度 为 朋． 2℃ ， 加 注 ER产 品 后 测 试 的 平 均 温 度 为 7 2．95 ℃ ，降 低 了 15．2 5 ℃ ，降 率 为 17． 3叽 。 8 ）综 采 队 左 摇 臂 减 速 机 加 注 ER产 品 前 测 试 的 平 均 温 度 为 39． 6℃ ， 加 注 ER产 品 后 测试 的 平 均 温 度 为 34 0℃ ， 降 低 了 5． 6℃ ， 降 率 为 14． 2 ％ 。 2）胶 带 队 S 翼 3’ 胶 带 减 速 机 加 注 ER产 品 前 测试 的 平 均 温 度 为 90． 4 ℃ ，加 注 ER产 品 后 测试 的 平 均 温 度 为 7 7． 3℃ ， 降 低 了 13． 豆 ℃ ， 降 率 为 14 5 ％ 。 3）综 采 队 卜 －ZI作 面 转 载 机 减 速 机 加 注 ER产 品 前 测试 的 平 均 温 度 为 7 0． 5℃ ， 加 注 ER产 品 后 测 试 的 平 均 温 度 为 50 5 T，降 低 了 2 0 t， 降 率 为’ 2 8叽 。 9）综 采 队 右 摇 臂 减 速 机 加 注 ER产 品 前 测 试 的 平 均 温 度 为 44． 8℃ ， 加 注 ER产 品 后 测 试 的 平 均 温 度 为 36． l℃ ， 降 低 了 8 ． 7℃ ，降 率 为 19． 5 ％ 。 结语 5 通 过 对 以上各 队组、 单 位 进 行 定 期 的 现 场 观察 和 现场 实测数 据 进行对 比分析， ER产 品 在常村 煤 矿 生产设 备上使 用 效果 良好 。 1） 该 产 品 降温效果 明显。 4 ）综 采 队前 刮板 输 送 机 机 头减 速 机 加 注 ER 产 品 前 测 试 的 平 均 温 度 为 48 ． 7℃ ， 加 注 ER产 品 后 测 试 的 平 均 温 度 为 41． 6℃ ， 降 低 了 7．回 ℃ ，降 率 为 1小 6％ 。 2）该产 品具 有极 强 的减 磨、 降噪、 节 能功 效。 3）该产 品具 有 延 长设 备 使 用 寿 命， 降低 能源 消耗 等 复合 功效。 5）综 采 队 前 刮 板 输 送 机 机 尾 减 速 机 加 注 ER 产 品 前 测 试 的 平 均 温 度 为 49． 1 ℃ ， 加 注 ER产 品 后 测试 的 平 均 温 度 为 39 9 ℃ ， 降 低 了 9． 2℃ ，降 率 为 回 8 ． 8 叽 。 4 ） 该 产 品 在 矿 山 机 械 中的 应 用 有 利 于设 备 的安全 运行 和生 产 的有序 迸行。 总之 ， ER纳 米金 属表 面 调理 剂作 为 一项 高科 技 的产 品 和技术， 在 煤 矿 企 业 无 论 是 从 经 济效 益 还 是 杜会 效 益考 虑都 有 良好 的推广 和应 用 价值。 6）综 采 队 后 刮板 输 送 机 机 头 减 速 机 加 注 ER 产 品 前 测 试 的 平 均 温 度 为 48 ． 5 ℃ ， 加 注 ER产 品 后 测 试 的 平 均 温 度 为 39。 7℃ ， 降 低 了 8 ．8 ℃ ，降 率 为 互 8 ． 2呢 。 【贵 任 编辑 常 丽 芳1 煤第15 卷 第 4用55