论文部分内容阅读
摘要：近年来，矿山开采的条件因为各种原因变得越来越复杂，所涉及的范围也越来越广，目前我国的许多矿区都存在着软岩巷道支护困难的问题，并对矿井经济技术效益和矿区发展产生很大的影响。巷道工程中软岩巷道支护是一个难题，通过对软岩巷道的概念和特征及支护方法技术进行了分析，并给出了相应的建议和措施，取得了良好的效果
关键词：软岩巷道；围岩；支护结构
中图分类号： TD82 文献标识码： A
引言
软岩巷道支护的质量和水平直接关系到深部矿井的安全，直接关系到矿工的生命财产安全，因此我们必须加以重视。在软岩巷道支护的过程中，由于受到矿井周围以及顶部的压力，其对于支护的要求是非常严格的，再加上多种因素的综合影响以及多种问题层出不穷，都对应支护工程的质量带来威胁，为了保证采矿工程的顺利进行，我们必须加强煤矿软岩巷道支护技术的研究与应用。本文将从软岩的基本概念和基本论述出发，在充分了解软岩的基础上再对软岩巷道变形破坏的原因以及软岩巷道支护存在的问题进行了分析和论述，最后对于当前法的软岩巷道支护技术进行了介绍，希望给读者一定的启示。
一、软岩的概述
（一）软岩的概念
软岩是软弱、松散、破碎、流变、膨胀、高应力的岩体及强风化蚀变之总称，分为工程软岩和地质软岩两类。前者是指孔隙度大、强度低、受构造面切割、胶结程度差及风化影响显著或含有大量的膨胀性粘土矿物的软、散、松、弱层。后者是指在工程力作用下塑性变形的工程岩体呈现显著，工程力是指在工程岩体上作用力的总和，它可以是构造残余应力、重力、工程扰动力和水平作用力以及膨胀应力等，显著性塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的允许变形值，并对工程的正常使用产生了影响。软岩的概念直接对软岩的相对实质性进行了揭示，也就说是否为软岩取决于岩体强度与工程力的相互关系进行了分析。但是当工程力固定时，不同的岩体不仅可以表现为软岩的特性，HIA可能表现为硬岩的特性，而在受到比较低的工程力的作用的时候，无论是否为同一种岩石都可能会表现为硬岩的变形特性，在受到较高的工程力的作用时候可能表现为大变形特性的软岩。
（二）软岩的特性分析
软岩的特性主要表现在两个方面:一方面主要变现为软岩的临界荷载，当软岩的临界荷载超过一定范围之后，软岩的稳定性能就会受到威胁，当超过一定的荷载值之后，软岩的岩体形状就会发生变化，并随着荷载作用力的不断增加，变化程度在不断加深；另一方面，软岩的特性还表现为它的软化临界深度，当软岩巷道的深度在合理范围之内，岩层的变化程度也会在合理范围之内，但是随着巷道深度的增加或是达到一定的深度之后，巷道周围的岩层就会明显发生形变，影响支护的效果。
二、软岩巷道支护的基本原理
根据不同类别的矿井覆盖岩层，可以结合具体的地压状态的显现，对矿井地压活动规律进行预测分析，运用合理有效的支护组合方式，使巷道支护体系和施工工艺不断适应由于开拓带来地压导致的围岩变形，从而在合理范围内维护围岩稳定、实现控制巷道变形的目的。其重点应该考虑的是:巷道支护体系的柔度和要强度与通过加固后围岩自承能力相匹配，围岩自承能力得到了最大利用；采取适当卸压、合理支护与有效加固相结合的方法，充分释放应力集中区，使变形集中区适度缓减，使松散破碎区得以加固，实现巷道围岩整体支护有效；跟踪巷道围岩监测，对围岩变形状态进行全面准确地掌握，并根据量测结果综合分析，合理确定巷道封底和二次支护的时间、参数。
三、深井软岩巷道支护技术
（一）整体刚性支护
通常分为：全封闭钢支架支护、整体预制模板支护、现浇封闭钢筋混凝土支护等。实际上，支护刚度的增加，围岩压力相应增大。支护承载力加大，但是支护载荷却没有下降，支护的变形和破坏状况没有得到改变。因此，整体刚性支护无法很好解决巷道围岩和支护间的冲突，在刚度和强度上无法与变形量大、地压偏大的软岩巷道围岩相对应。
（二）U型钢可缩性支架支护
此方法适用于支护膨胀性岩层。断层破碎带。U型钢可缩性支架有一定的伸缩性，支撑能力较好。一定条件下支架压缩后，支架上的荷载降低。但是，实际使用过程中，U型钢可缩性支架的支撑能力往往得不到全部发挥。主要因素：巷道掘进和支护工艺都无法避免地在支架背后形成不同尺度的空穴，使得围岩与支架周围不能完全贴合接触。围岩发生变形时，支架不均匀载荷而产生失稳变形，支架受力情况恶变，支架出现弯曲。扭曲等不良变形，最终导致失效。安全生产需要加大支护阻力，导致钢支架的质量增加，钢材消耗使用量增加，支护成本随着升高。
（三）锚杆支护加固
软岩巷道开挖过程中由于围岩的稳定性较差、巷道容易遭到破坏。采用锚杆支护的技术方案可以使巷道上覆岩层形成一个整体、提高了巷道围岩的稳定性。具体过程为在巷道内每隔一段距离打钻并钉入锚杆、岩层相与铆合、形成多个结构稳定的锥形整体、能够承受上覆岩层的部分自重应力。由于岩层中间和破碎岩石之间裂隙的存在、导致锚固过程中岩体变形并呈现矿压显现、释放的压力强度与原岩应力强度十分接近、经工业试验结果表明、经锚杆支护加固后巷道围岩加固强度相当于原岩应力强度的90%以上。
（四）锚网喷架棚联合支护方案
辽源矿业（集团）有限责任公司金宝屯煤矿是国内外罕见的软岩矿井，通过对金宝屯煤矿软岩回采巷道发生强烈变形破坏的原因以及变形破坏特征进行分析总结，从提高支护阻力和加固破碎岩体两方面综合研究入手，采用锚网喷架棚联合支护，使锚网喷支护和U型钢棚分别在支护工艺和承载力上实现优势互补，这样就有一个稳定而高效的围岩承载体系形成了。联合支护方式断面如图1所示。
图1 联合支护方式断面图（单位mm）
（1）锚杆支护
帮锚杆和顶板采用Φ22×2400mm的螺纹钢锚杆，树脂药卷锚固，锚杆间排距700×700mm。
（2）锚索支护
顶板采用Φ17.8×7000mm的锚索加强支护，树脂药卷锚固，锚索间排距700×700mm。
（3）U型钢棚
采用双层U40型钢圆形棚，每节搭接长度为 400 mm，每搭接处上4套卡缆，棚子每米三架。
四、深井软岩巷道支护技术效益分析
支护成本高一直是软巷道支护的老大难问题，也是软岩煤矿生产成本高的重要原因。采用锚网喷架棚联合支护后，可以减少U型钢投入量及配套材料。因为掘进时减少一次架三节棚的工序，按每米两架三节棚，每米巷道节约支护费用如下表所示：
表1联合支护每米巷道掘进减少材料费用
序號 材料 单价 消耗量/米 费用/（元/米） 备注
1 40U型钢 5000元/吨 0.8吨 4000 两架三节棚料长20m
2 圆木 1380元/m3 0.102 m3 140.76 每米17块木板，每块0.006 m3
3 棚卡子 新 60元/套
旧 30元/套 16套 720 按一半新卡子，一半旧卡子计
4 铁丝网 76元/块 2.5块 190
5 合计 5050.76
同时因为增加了锚网支护，每排新增支护成本如表2所示：
表2锚杆支护每排巷道材料费用
序号 材料 单价 消耗量/排 费用/（元/排）
1 锚索 200元/套 5套 1000
2 锚杆 70元/套 12套 840
3 水胀锚杆 71元/套 5套 355
4 树脂药卷 6元/支 39支 234
5 合计 2429
注：1. 如果没有锚杆支护，架棚一样要用金属网，所以锚杆支护金属网的成本计入架棚中，此处不予计算；
2. 锚杆支护每排材料费用2593元，按800mm的排距，每米巷道1.25排，锚杆支护每米材料费用为2429元/排×1.25排/米=3036.25元/米。
由以上分析可知，采用联合支护后，每米巷道掘进时可节约支护成本：5050.76—3036.25=2014.51（元）。以N201采区为例，入风道930米，回风道900米，边界道250米，开切眼260米，共计2305米，则采用联合支护后，可节约支护成本约464.34万元。
总之，采用锚网喷架棚联合支护，每年可以减少人员工资费1335.84万元；减少一个采区U型钢材投入量及其他材料费用464.34万元，有效地减少了掘进的支护成本。
结束语
从煤矿深井的实际支护效果来看，巷道支护的影响因素是来自多个方面的，软岩回采巷道的支护效果受到很多方面的影响。一般情况下，高应力的软岩巷道具有显著的特性，尤其表现在巷道的变形破坏方面，比如巷道周围的围岩的变形量大、发生变形的概率大等。为了更好地保证深井矿的安全稳定性，我们必须做好软岩回采巷道的支护工作，在综合分析了煤矿实际地质环境后，要制定切实合理的深井高应力的软岩支护技术方案，采用可行的支护技术进行，进而保证支护工程和深部采矿工程的顺利进行。
参考文献：
[1]王利元.浅谈煤矿软岩巷道支护技术[J].科技创新与应用，2014，21:91.
[2]杨振.深井软岩巷道支护对策[J].煤炭科技，2014，01:48-50.
[3]王利新，李靖.煤矿软岩巷道支护技术探索[J].内蒙古煤炭经济，2014，05:207-208.
[4]原志峰.软岩巷道支护技术应用探讨[J].能源与节能，2014，03:26-27+40.
关键词：软岩巷道；围岩；支护结构
中图分类号： TD82 文献标识码： A
引言
软岩巷道支护的质量和水平直接关系到深部矿井的安全，直接关系到矿工的生命财产安全，因此我们必须加以重视。在软岩巷道支护的过程中，由于受到矿井周围以及顶部的压力，其对于支护的要求是非常严格的，再加上多种因素的综合影响以及多种问题层出不穷，都对应支护工程的质量带来威胁，为了保证采矿工程的顺利进行，我们必须加强煤矿软岩巷道支护技术的研究与应用。本文将从软岩的基本概念和基本论述出发，在充分了解软岩的基础上再对软岩巷道变形破坏的原因以及软岩巷道支护存在的问题进行了分析和论述，最后对于当前法的软岩巷道支护技术进行了介绍，希望给读者一定的启示。
一、软岩的概述
（一）软岩的概念
软岩是软弱、松散、破碎、流变、膨胀、高应力的岩体及强风化蚀变之总称，分为工程软岩和地质软岩两类。前者是指孔隙度大、强度低、受构造面切割、胶结程度差及风化影响显著或含有大量的膨胀性粘土矿物的软、散、松、弱层。后者是指在工程力作用下塑性变形的工程岩体呈现显著，工程力是指在工程岩体上作用力的总和，它可以是构造残余应力、重力、工程扰动力和水平作用力以及膨胀应力等，显著性塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的允许变形值，并对工程的正常使用产生了影响。软岩的概念直接对软岩的相对实质性进行了揭示，也就说是否为软岩取决于岩体强度与工程力的相互关系进行了分析。但是当工程力固定时，不同的岩体不仅可以表现为软岩的特性，HIA可能表现为硬岩的特性，而在受到比较低的工程力的作用的时候，无论是否为同一种岩石都可能会表现为硬岩的变形特性，在受到较高的工程力的作用时候可能表现为大变形特性的软岩。
（二）软岩的特性分析
软岩的特性主要表现在两个方面:一方面主要变现为软岩的临界荷载，当软岩的临界荷载超过一定范围之后，软岩的稳定性能就会受到威胁，当超过一定的荷载值之后，软岩的岩体形状就会发生变化，并随着荷载作用力的不断增加，变化程度在不断加深；另一方面，软岩的特性还表现为它的软化临界深度，当软岩巷道的深度在合理范围之内，岩层的变化程度也会在合理范围之内，但是随着巷道深度的增加或是达到一定的深度之后，巷道周围的岩层就会明显发生形变，影响支护的效果。
二、软岩巷道支护的基本原理
根据不同类别的矿井覆盖岩层，可以结合具体的地压状态的显现，对矿井地压活动规律进行预测分析，运用合理有效的支护组合方式，使巷道支护体系和施工工艺不断适应由于开拓带来地压导致的围岩变形，从而在合理范围内维护围岩稳定、实现控制巷道变形的目的。其重点应该考虑的是:巷道支护体系的柔度和要强度与通过加固后围岩自承能力相匹配，围岩自承能力得到了最大利用；采取适当卸压、合理支护与有效加固相结合的方法，充分释放应力集中区，使变形集中区适度缓减，使松散破碎区得以加固，实现巷道围岩整体支护有效；跟踪巷道围岩监测，对围岩变形状态进行全面准确地掌握，并根据量测结果综合分析，合理确定巷道封底和二次支护的时间、参数。
三、深井软岩巷道支护技术
（一）整体刚性支护
通常分为：全封闭钢支架支护、整体预制模板支护、现浇封闭钢筋混凝土支护等。实际上，支护刚度的增加，围岩压力相应增大。支护承载力加大，但是支护载荷却没有下降，支护的变形和破坏状况没有得到改变。因此，整体刚性支护无法很好解决巷道围岩和支护间的冲突，在刚度和强度上无法与变形量大、地压偏大的软岩巷道围岩相对应。
（二）U型钢可缩性支架支护
此方法适用于支护膨胀性岩层。断层破碎带。U型钢可缩性支架有一定的伸缩性，支撑能力较好。一定条件下支架压缩后，支架上的荷载降低。但是，实际使用过程中，U型钢可缩性支架的支撑能力往往得不到全部发挥。主要因素：巷道掘进和支护工艺都无法避免地在支架背后形成不同尺度的空穴，使得围岩与支架周围不能完全贴合接触。围岩发生变形时，支架不均匀载荷而产生失稳变形，支架受力情况恶变，支架出现弯曲。扭曲等不良变形，最终导致失效。安全生产需要加大支护阻力，导致钢支架的质量增加，钢材消耗使用量增加，支护成本随着升高。
（三）锚杆支护加固
软岩巷道开挖过程中由于围岩的稳定性较差、巷道容易遭到破坏。采用锚杆支护的技术方案可以使巷道上覆岩层形成一个整体、提高了巷道围岩的稳定性。具体过程为在巷道内每隔一段距离打钻并钉入锚杆、岩层相与铆合、形成多个结构稳定的锥形整体、能够承受上覆岩层的部分自重应力。由于岩层中间和破碎岩石之间裂隙的存在、导致锚固过程中岩体变形并呈现矿压显现、释放的压力强度与原岩应力强度十分接近、经工业试验结果表明、经锚杆支护加固后巷道围岩加固强度相当于原岩应力强度的90%以上。
（四）锚网喷架棚联合支护方案
辽源矿业（集团）有限责任公司金宝屯煤矿是国内外罕见的软岩矿井，通过对金宝屯煤矿软岩回采巷道发生强烈变形破坏的原因以及变形破坏特征进行分析总结，从提高支护阻力和加固破碎岩体两方面综合研究入手，采用锚网喷架棚联合支护，使锚网喷支护和U型钢棚分别在支护工艺和承载力上实现优势互补，这样就有一个稳定而高效的围岩承载体系形成了。联合支护方式断面如图1所示。
图1 联合支护方式断面图（单位mm）
（1）锚杆支护
帮锚杆和顶板采用Φ22×2400mm的螺纹钢锚杆，树脂药卷锚固，锚杆间排距700×700mm。
（2）锚索支护
顶板采用Φ17.8×7000mm的锚索加强支护，树脂药卷锚固，锚索间排距700×700mm。
（3）U型钢棚
采用双层U40型钢圆形棚，每节搭接长度为 400 mm，每搭接处上4套卡缆，棚子每米三架。
四、深井软岩巷道支护技术效益分析
支护成本高一直是软巷道支护的老大难问题，也是软岩煤矿生产成本高的重要原因。采用锚网喷架棚联合支护后，可以减少U型钢投入量及配套材料。因为掘进时减少一次架三节棚的工序，按每米两架三节棚，每米巷道节约支护费用如下表所示：
表1联合支护每米巷道掘进减少材料费用
序號 材料 单价 消耗量/米 费用/（元/米） 备注
1 40U型钢 5000元/吨 0.8吨 4000 两架三节棚料长20m
2 圆木 1380元/m3 0.102 m3 140.76 每米17块木板，每块0.006 m3
3 棚卡子 新 60元/套
旧 30元/套 16套 720 按一半新卡子，一半旧卡子计
4 铁丝网 76元/块 2.5块 190
5 合计 5050.76
同时因为增加了锚网支护，每排新增支护成本如表2所示：
表2锚杆支护每排巷道材料费用
序号 材料 单价 消耗量/排 费用/（元/排）
1 锚索 200元/套 5套 1000
2 锚杆 70元/套 12套 840
3 水胀锚杆 71元/套 5套 355
4 树脂药卷 6元/支 39支 234
5 合计 2429
注：1. 如果没有锚杆支护，架棚一样要用金属网，所以锚杆支护金属网的成本计入架棚中，此处不予计算；
2. 锚杆支护每排材料费用2593元，按800mm的排距，每米巷道1.25排，锚杆支护每米材料费用为2429元/排×1.25排/米=3036.25元/米。
由以上分析可知，采用联合支护后，每米巷道掘进时可节约支护成本：5050.76—3036.25=2014.51（元）。以N201采区为例，入风道930米，回风道900米，边界道250米，开切眼260米，共计2305米，则采用联合支护后，可节约支护成本约464.34万元。
总之，采用锚网喷架棚联合支护，每年可以减少人员工资费1335.84万元；减少一个采区U型钢材投入量及其他材料费用464.34万元，有效地减少了掘进的支护成本。
结束语
从煤矿深井的实际支护效果来看，巷道支护的影响因素是来自多个方面的，软岩回采巷道的支护效果受到很多方面的影响。一般情况下，高应力的软岩巷道具有显著的特性，尤其表现在巷道的变形破坏方面，比如巷道周围的围岩的变形量大、发生变形的概率大等。为了更好地保证深井矿的安全稳定性，我们必须做好软岩回采巷道的支护工作，在综合分析了煤矿实际地质环境后，要制定切实合理的深井高应力的软岩支护技术方案，采用可行的支护技术进行，进而保证支护工程和深部采矿工程的顺利进行。
参考文献：
[1]王利元.浅谈煤矿软岩巷道支护技术[J].科技创新与应用，2014，21:91.
[2]杨振.深井软岩巷道支护对策[J].煤炭科技，2014，01:48-50.
[3]王利新，李靖.煤矿软岩巷道支护技术探索[J].内蒙古煤炭经济，2014，05:207-208.
[4]原志峰.软岩巷道支护技术应用探讨[J].能源与节能，2014，03:26-27+40.