沙吉海煤矿松散膨胀复合软岩支护技术实践

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摘要：文章针对松散膨胀复合型软岩的特点，依据支架一围岩相互作用关系原理，提出了沙吉海煤矿松散膨胀复合软岩支护方法，并在实践中进行支护技术参数改进，形成了具有沙吉海煤矿特色的松散膨胀复合软岩支护工艺。

关键词：复合软岩；支护技术；技术参数；流变；最佳支护时间

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2011)27-0142-03

软岩巷道支护一直是巷道支护领域的难题，到目前为止，仍然没有从根本上给以解决。通常来说，软岩包括两种，一种是围岩本身性质比较软弱，表现出较强的流变性；另一种是虽然岩石强度较高，但在高应力条件下仍然表现出流变性较强的性质。沙吉海矿井煤系地层形成于中生代侏罗纪，成岩时间短、胶结差，具有松散膨胀复合型软岩的特点，遇水易崩解软化，属第一种软岩。沙吉海煤矿针对本矿软岩的特点，通过产学研相结合的模式，最终研究确定了采用“躲压+让压”联合控制的方式对软岩巷道进行维护，探索出适合沙吉海煤矿松散膨胀复合型软岩的支护方式。

一、工程概况

井田内出露地层有中生界侏罗系三工河组、西山窑组、头屯河组和新生界下第三系乌伦古河组以及新生界上第三系塔西河组及第四系构成，见表1。通过井筒检查钻控制的情况，共控制了编号煤层8层，各煤层的顶板岩石为砾岩、中粗砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩、粉砂岩夹层。泥质粉砂岩、粉砂岩为泥质、粉砂质结构，薄层一中厚层状构造，常见有水平层理、缓波状层理，岩石极软。细砂岩、中砂岩、粗砂岩为粒状结构，块状构造，多为泥质充填，常见有平行、板状、楔状交错层理，岩石较软。控制的各煤层的底板岩性为泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩。泥质粉砂岩为泥质粉砂状结构，薄层一中厚层状构造，层理、节理发育，多泥质充填，岩石极软。仅个别层位以中砂、细砂、粉砂岩为底板时，属次软岩石。

二、软岩巷道支护原理

软岩巷道支护和硬岩巷道支护原理截然不同，这是由其自身的结构关系所决定的。硬岩巷道支护要求硬岩不能进入塑性，如果硬岩进入塑性状态就意味着其丧失了承载能力。巷道支护时，软岩进入塑性状态是不可避免的，理论上应以达到其最大塑性承载能力为最佳；同时，其巨大的塑性能(如膨胀变形能)必须释放出来。软岩支护的关键就是选择变形能释放时问和支护时间。

岩石力学理论和工程实践表明，巷道开挖之后，围岩变形会逐渐增加。根据变形速度区分，划分三个阶段；减速变形阶段、恒速变形阶段和加速变形阶段。进入加速变形阶段时，岩体本身结构发生改变，产生新的裂纹，强度大大降低。加速变形阶段使PO―max，同时降低了P1，不满足优化原则，解决这一问题的关键是确定最佳支护时间(图2)和最佳支护时段(图3)。

最佳支护时问就是图2中(P0+P1-t)曲线峰值点所对应的时间Ts。实践证明，该时间点同PO-t和P1-t曲线峰值点所对应的时间基本相同。此时支护使PO在优化的意义上达到最大，同时又保护了围岩的强度，使其在强度损失上达到充分小，其本身白撑力P1达到最大。确定准确的最佳支护时问，在工程实践中是很难办到的。因此，提出了最佳支护时段的概念。最佳支护时段[Ts1，Ts2]如图3所示。在工程实施时，只要是[Ts1，Ts2]时段进行永久支护，基本上就可以使PO和P1同时达到优化意义上的最大。

巷道在开挖之后，其原岩应力遭到破坏，在切向应力增大的同时，径向应力减小，并在巷道帮处达到极限。使围岩自身的裂隙发生扩容和扩展，力学性质也随之不断地恶化，从而导致这一区域岩层屈服而进入塑性状态。塑性区的出现使应力集中区向深部转移，当应力集中的强度超过围岩的屈服强度时，将出现新的塑性区。如此逐层推进，使塑性区不断地向纵深发展。若不及时采取适当的支护措施，巷道围岩塑性区将随变形的加大出现松动破坏现象。塑性区可分为稳定和非稳定的，松动破坏产生之前的最大塑性区称作稳定塑性区，相应围岩的径向变形称为稳定变形。产生松动破坏之后的塑性区称作非稳定塑性区，相应围岩的径向变形称为非稳定变形。由于塑性区的出现，改变了围岩的应力状态。应力集中向深部转移，一方面使应力集中程度降低，减少了作用于支护体上的载荷；另一方面改善了巷道围岩的受力状态，使深部岩石处于三轴受力状态，其破坏的可能性大大降低。因此，对于软岩巷道支护而言，要允许出现稳定塑性区，限制非稳定塑性区的扩展，参考指标即最佳支护时间Ts，最佳支护时问的力学含义为最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏的时刻。

软岩巷道破坏过程是渐进的过程，通常是从一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个支护系统失稳。这些首先发生破坏的部位我们称之为关键部位。关键部位产生的根本原因是因为支护体的力学特性与围岩的力学特性不耦合，关键部位通常发生在巷道围岩应力集中处和围岩强度薄弱位置，及时加强关键部位的支护可取得事半功倍的效果。

三、软岩支护的要求

1．尽量保护围岩自身的稳定性。巷道开挖尽量减少对围岩的震动，及时封闭围岩或采用超前支护等加固措施，并注意防水，减少巷道开挖后应力重新分布的扰动范围，以保护围岩原始结构状态的强度。

2．一次支护。软岩巷道开挖后及时喷射砼封闭，甚至全封闭防止潮解、吸水风化；然后用锚杆进行加固，加金属网、复喷等其他支护形式；在短时间内构成具有强抗力的柔性及可缩性一次支护。

3．适时补强加固。一次支护后应加强对围岩的变形监测。如位移速度快、变形量大，说明一次支护抗力不足，应及时补强，可补打锚索、锚注等加固措施。

二次支护加固，

对于蠕变持续时间长，变形量大的软岩，使围岩趋于稳定转入平稳蠕变阶段，位移速度趋于某一稳定常数时，需要采用二次支护。处于平缓稳定变形阶段，巷道围岩变形位移速度仍在每月3～5mm左右，甚至会延长一段时问，软岩二次支护要提高支护强度，且要留有一定变形量的支护结构。

二次支护应具有加固围岩、缓冲、让压特性和强支护抗力的结构形式，使其能吸收、释放围岩长期缓慢变性的特点，又具有围岩位移达到一定临界值后，支护抗力足以阻止继续位移，防止围岩失稳的作用。

4．必要封底。软岩巷道的地压特性是四周来压，不仅有顶压、侧压，还有底压，因而软岩巷道都出现一定量的底臌，因此对软岩巷道，不仅要加强顶、帮支护，还要加强底板支护，防止底臌。四、沙吉海煤矿软岩支护措施

沙吉海煤矿井下岩层成岩时间短，胶结差，具有松散膨胀复合型软岩，遇水易崩解软化的特点，坚持软岩支护的基本原理，做出了具体支护措施。

1．采用机械破岩为主、爆破为辅的破岩方式。

2．一次支护采用25U型钢支架+木背板+金属网支护，每架u型钢支架分三段，用四副卡栏扣接。金属棚间采用刚性连接，即用8#槽钢和u型卡连接，每架7道，棚间距500mm；背板规格800×50×100mm，二次支护最大间距不超过15拱部问距300mm，墙部间距500mm拱部铺设金属网，规格4000×1200mm，网目数40×40mm，采用绑扎方式连接，搭接长度lOOmm。

永久支护采用单层钢筋+C30砼碹支护(见图4)，壁厚400mm，钢筋用18mm和16mm螺纹钢以绑扎的方式连接，搭接长度为35mm。钢筋间距为300mm，保护层为50mm。砌碹采用7．5m滑模台车整体浇筑，砼按照设计配合比经设在井口附近的砼搅拌站拌和后，经运砼车运输至井下，由砼输送泵直接入模。

3．一、二次支护最大间距不超过15m，围岩破碎时及时缩短支护距离。

4．当通过地质构造及围岩破碎带时，采用钢管棚注浆法，实施超前支护及加固围岩，必要时增设金属拱形临时支架，加强临时支护。

五、结语

实践证明，一次支护采用25u型钢支架+木背板+金属网支护，永久支护采用单层钢筋+c30砼碹的支护方式是科学合理的，在实际应用中效果十分明显，有效地解决了岩层成岩时间短，胶结差，遇水易崩解软化等对矿井施工的影响，为沙吉海煤矿井巷的安全快速施工提供了保障。