易国晶

摘要：膨胀软岩含泥量高，结构松散软弱，遇水易膨胀变形，极易对围岩的稳定性造成破坏，因此膨胀软岩巷道控制方法的合理选取对煤矿安全生产具有重要意义。众多专家学者曾对软岩巷道的变形特征及其支护技术方面进行了详尽研究。

关键词：膨胀软岩;冒顶;数值模拟;悬吊作用

1概况

某煤矿，目前主采的2号煤层埋深300m左右，为全区稳定可采煤层，厚1.60～3.65m，平均2.79m。2号煤层直接顶以厚4.25m的砂质泥岩为主，基本顶为厚2.1m的细砂岩。底板岩性为细砂岩、泥岩。1202轨道巷另一侧为实体煤，沿2号煤顶板掘进，矩形断面，宽×高=4200mm×2800mm，毛断面面积11.76m2。原支护方案为锚网索联合支护，顶板采用φ18mm×1800mm左旋螺纹钢锚杆（间排距900mm×1000mm、预紧力矩≥170N·m、1支MSCK23/80型树脂锚固剂）+φ17.8mm×5500mm1×7股低松弛预应力钢绞线锚索（大三花布置，间排距1800mm×2000mm、预紧力≥100kN、2支MSCK23/80型树脂锚固剂）支护;回采帮采用φ18mm×1800mm玻璃钢锚杆支护，间排距1000mm×1000mm、预紧力矩≥50N·m;煤柱帮采用φ16mm×1600mm金属杆体树脂锚杆支护，间排距1000mm×1000mm、预紧力矩≥90N·m;顶板及两帮均采用10号铁丝菱形金属网（网孔50mm×50mm，网片10000mm×1000mm）协同锚杆索支护。

2膨胀软岩顶板回采巷道支护技术

2.1强膨胀软岩巷道支护技术原理

强膨胀软岩巷道支护难度大，锚网索喷联合支护难以起到良好的支护效果。大量工程实践表明，U型钢可缩性支架具有初撑力高、增阻速度快、支护强度大等优点，在富水性较强的强膨胀性软岩巷道中采用锚杆、钢筋网、喷射混凝土和U型钢可缩性支架联合支护技术，可以克服锚网索喷支护的不足，允许围岩变形能量充分释放，支架工作阻力逐渐发挥，能显著提高支护结构的整体刚度，有效解决强膨胀软岩巷道支护难题。

2.2遇水膨胀特性

根据水电水利工程岩石试验规程，将同一钻孔中K1p地层粉砂质泥岩制成?50mm×50mm的试样，用YYP-50岩石膨胀力试验仪测定其膨胀力。根据试验记录得到K1p地层粉砂质泥岩3个试样的最大膨胀力的最大值分别为2197.1kPa，1994.9kPa和1899.8kPa，平均值为2030.6kPa，具有强膨胀性;并根据试验结果绘制出膨胀力与浸水时间的关系曲线。试样膨胀力曲线可分为3个阶段：1）剧烈加速膨胀阶段（OA段）;2）减速膨胀阶段（AB段）;3）稳定膨胀阶段（BCD段）。在OA段，试样表层微裂隙发育，与水接触后，黏土矿物迅速吸水，体积迅速膨胀;AB段，试样表层一定范围的黏土矿物吸水膨胀完成，封闭表层微裂隙，内部黏土矿物吸水过程由外层的沿裂隙通道直接吸水变为沿岩体孔隙吸水，吸水过程减缓，故膨胀缓慢;BCD段，此时试样黏土矿物吸水基本完成，在轴向荷载作用下，部分黏土矿物发生变形，封闭部分大开孔隙，使得膨胀力略微减小，直至最终稳定。

2.3总体思路

通过以往施工经验及借鉴其他相关类似软岩隧道的处治方式，总结出处治此种岩体基本原则是：加固围岩、先柔后刚、先让后顶、变形留够、底部加强、分层支护。方案总体思路：大格栅与型钢拱架交替支护，刚柔并济，大直径长锚管注浆锁脚，台阶底部采用铺垫扩大受力面积，临时抑制变形，短台阶七步开挖法尽快封闭成环，超前导管注浆支护确保成洞。

2.4围岩塑性特征

通过围岩塑性特征范围可以对锚网喷架联合支护效果进行评价。U型钢支架与围岩相互作用，充分发挥了可缩支架被动承载的柔性支护作用，提供了较强的支护阻力，使围岩由开挖后的二向或单向受力状态重新调整为三向受压状态，再加上锚杆的主动支护作用，二者联合作用有效抑制了围岩塑性区的范围和大小。采用锚网喷架联合支护时巷道周边围岩未产生剪切破坏或受拉破坏。锚网喷架联合支护对工作面围岩塑性变形有较好的抵抗作用，仅在底板和掘进工作面出现局部塑性变形，底板塑性区范围为巷道直径的0.3～0.5倍。

2.5方案

由于1202轨道巷顶板2～4m存在软岩且破碎离层较多，为保证顶板可以形成一个稳定的承载结构，锚固区的厚度需达到一定程度，且须有相当长度锚固于坚硬岩层，主动支护能力也须足够大。为此，将锚杆长度由1800mm增加至2400mm，锚索长度由5500mm增加至7500mm，顶锚杆预紧力矩由170N·m增加至300N·m，锚索预紧力由100kN增加至150kN。新型支护方式改为锚杆+锚索+钢筋梯子梁+金属网补强联合支护，并且提高其预紧力与锚固力，防止直接顶离层以及水侵入。优化后具体方案为：顶板采用φ20mm×2400mm高强度螺纹钢锚杆（间排距1000mm×900mm、预紧力矩>300N·m）+φ17.8mm×7500mm低松弛预应力钢绞线锚索（间排距2000mm×1800mm、预紧力≥150kN、1支CK2335，2支规格为Z2360树脂锚固剂，二二式布置）支护;回采帮采用φ20mm×2000mm玻璃钢锚杆支护，间排距1100mm×900mm、预紧力矩≥50N·m;煤柱帮采用φ18mm×2000mm高强度螺纹钢锚杆，间排距1100mm×900mm、预紧力矩≥300N·m;架设规格为φ14mm的钢筋焊接而成钢筋梯子梁，长度4800mm，宽度80mm，在安装锚杆的位置焊接上2道纵筋，纵筋间距80mm，以便安装锚杆，并将锚杆组合在一起。优化方案中提高锚杆（索）预紧力的作用是改变岩石的受力状态，让岩石由二维受力变为三向受力，减少顶板离层量;增大锚杆（索）锚固力主要是为了提高锚杆（索）的悬吊作用，使冒落的软弱岩层或危岩更好地悬吊于上部坚固稳定的岩石上。通过这种方式来保持软弱岩层的稳定性，有利于围岩的支护。

3结语

（1）膨胀软岩巷道冒顶原因为：直接顶有软弱夹层+强降雨与空气潮湿+支护方式不合理且支护参数较弱。（2）膨胀软岩巷道的支护方式为锚杆+金属网+钢筋梯子梁+锚索补强联合支护，并且应提高其预紧力与锚固力，防止直接顶离层以及水侵入。现场监测发现优化后的支护效果良好。（3）通过数值模拟得出，支护方式改进后巷道围岩塑性区减小，说明改进后的支护方式可有效降低巷道围岩的塑性破坏范围与破坏程度，从而能够提高巷道整体稳定性。

参考文献：

[1]刘帅，杨科，唐春安.深井软岩下山巷道群非对称破坏机理与控制研究[J].采礦与安全工程学报，2019，36（3）：455-464.

[2]蔡峰，郭志飚，王炯，等.软岩井底车场巷道变形破坏机理及支护技术研究[J].煤炭科学技术，2017，45（2）：46-50.

（作者单位：盘江精煤股份有限公司）