煤矿深部开采软岩巷道支护措施分析

2023-01-19＊马帅

当代化工研究 2022年4期

关键词：软岩锚索锚杆

＊马帅

（山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司山西 042100）

巷道支护要结合实际情况践行过程化分析，全面建立多元应用模式，保证相应的支护设计方案都能发挥其实际作用，提升支护效果的同时，减少安全隐患造成的损失。

1.煤矿深部软岩概述

(1)软岩定义和属性

较为常见的软岩主要分为两类。第一类是地质软岩，其具有强度较低、空隙率较大的特点，并且围岩结构的胶结效果较差，加之结构面切割或者是风化因素造成的影响，就会出现大量膨胀性黏土矿物，因此，将松散软弱岩层统称为地质软岩。第二类是工程软岩，在巷道工程力的实际作用环境中，工程岩体出现异常的变形，此时，巷道工程力会集中作用在岩体位置。与此同时，应力水平的增高，也会提升塑性变形的强度。

(2)软岩变形和破坏机理

①软岩变形

第一，因为整个煤矿深部开采软岩巷道在应用过程中，原岩应力场在开挖后会出现大范围释放的情况，此时，应力就会重新分布，然后造成围岩出现变形。也就是说，开挖操作本身就是对围岩施加多元压力的源头，造成围岩出现挠曲变形现象，甚至会出现岩体强度降低的问题，使得岩体的拉剪切力受到破坏[2]。

第二，没有进行掘进的巷道各个应力本身处于平衡趋势，而在掘进工作开始后，围岩的基本应力就会出现相应变化。一方面，径向应力迅速降低，使得强度也随之改变。另一方面，应力会出现大范围集中的现象，若是集中的区域应力依旧低于岩体自身的强度，此时就会出现弹塑性现象，若是集中的区域应力高于岩体自身的强度，则直接将作用力作用在围岩结构甚至是深部结构上，一直到再次平衡，形成不同的区域。

第三，变形问题出现后，就会造成不同程度上的时间效应、空间效应以及围岩扰动现象。与此同时，围岩的流变性和冲击性也会出现变化，表现十分突出，此时，就要结合其实际情况完善处理机制。

②破坏机理

结合关键部位耦合支护理论进行分析。对于软岩巷道而言，失稳状态和破坏状态本身就是循序渐进的过程，从1个或者是几个关键部位出现变形、损伤，然后造成整个系统出现失稳状态。基于支护体力学特性和软岩力学特性的不耦合情况分析，主要分为以下几种类型。

第一，I型关键部位，指的是支护体和围岩强度严重不耦合，使得非均匀荷载作用在等强的支护体系中，就会出现严重的局部过载，对应局部破坏使得整体结构失稳。

第二，II型关键部位，指的是支护体和围岩刚度正向不耦合，此时，支护体的刚度低于围岩的刚度，围岩会产生对应的变形问题，甚至变形情况不受到限值，此时，围岩剧烈变形就会产生损伤问题，严重影响其应用效能。

第三，III型关键部位，指的是支护体和围岩刚度负向不耦合，支护体的刚度超出围岩刚度，在围岩出现膨胀力后，无法转变为变形状态释放多余能量，就会影响局部能量参数，造成严重的集聚问题，使得支护体局部过载产生破坏。

(3)软岩巷道围岩变形规律

首先，软岩巷道围岩变形时间节点较为明显，时间效应非常突出，也是为后续变形控制工作提供了良好的处理空间，确保能及时践行规范化的管理方案，减少变形问题造成的经济损失，关注时间节点变化特征。

其次，软岩巷道在出现围岩变形情况时，多数变形结构和呈现出的状态都是换向受压，正是因为其受压层和状态存在一定的差异，所以，软岩巷道围岩变形通常都是非对称性。

再次，软岩巷道围岩变形一般会随着埋深的增加而增大，此时，软化临界深度较为明显，一旦超出临界深度，就会出现软岩巷道围岩结构变形量的急剧增加，造成整体围岩模式和应用质量的下滑。

最后，软岩巷道围岩变形会在不同应力作用下呈现出不同的状态，对应的围岩变形情况也会有所差异，此时，就使得围岩变形存在非常突出的方向性。

2.煤矿深部开采软岩巷道变形控制要点

(1)明确支护原理

针对煤矿深部软岩巷道的情况和特点，完善相应的支护方案，保证支护效果不仅能有效对围岩予以控制，还要对支护时间予以控制。所谓最佳支护时间，就是将围岩自撑力和以变形为形式转化的工程力达到最大，确保最佳支护时间能满足工程实际需求[3]。本文以XC煤矿工程项目为例，工程项目SX层为可采煤层，平均厚度为7.1m，并且区域内地质储量较好，可供开采的煤矿储量约为6700万吨，分为东西两区。其中，东区的倾角为15°以上、西区的倾角为15°以下。结合煤矿企业制定的基础计划，需要对其进行水平方向的拓展，为了保证稳定性，要对深部开采软岩巷道进行变形控制，主要是因为检测发展拱部喷体出现了锚索、锚杆断裂的问题，且变形下沉量超过400mm[1]。

另外，深部高应力软岩巷道支护处理工序中，巷道在开挖处理工作结束后，围岩的应力参数会重新布局，应力高度集中时巷道围岩进入塑性状态，而在应力向着纵向深层次区域偏移后，其应力的集中度就会随之降低，围岩的强度则会优化。所以，在原有力学状态基础上，确保整个支护区域内塑性区域承载效果最佳，且围岩破碎区不会蔓延就是最佳支护时间段[4]。

(2)确定相关参数

对于高应力软岩结构而言，软化临界载荷参数、软化临界深度是非常关键的参数，要在全面分析对应属性基础上评估残余构造应力、膨胀应力等。为了保证煤矿深部开采软岩巷道变形控制工作顺利开展，相关技术部门在落实支护方案前对工程地质情况进行了二次复查，依据物理岩石力学试验分析和现场地应力测试分析结果可知，整体区域性煤层结构较为简单，且煤层的条件也比较稳定，是较为典型的深部高应力软岩巷道，矿区内部走向为“北西-南东”走向为最大主应力方向，和测试中获取的构造应力场参数维持一致，这就说明构造应力主要是地应力。基于此，建立匹配的变形处理方案才能减少经济损失。

另外，要确定最佳支护时间和最佳支护时段，在软岩巷道开挖操作中，巷道围岩变形一般会随着时间的累积逐渐增大，此时，若是按照变形速度对其进行划分，主要分为减速变形阶段、近似线性恒速变形阶段以及加速变形阶段，一旦围岩结构进入加速变形阶段，岩体自身结构的组织参数就会出现变动，甚至会形成新的裂纹，整体强度效果也会大大削弱。所以，要依据（PR+PT）-t曲线峰值进行时间节点的判定，其中，PT表示的是挖掘巷道岩体后围岩向临空区运动的合力；PR表示的是围岩自撑力，也就是围岩本身的强度。而在实际工程项目中，最佳支护时间的判定难度较大，为了提升判定效果以维持工程实践合理性，选择最佳支护时间段的判定，就是PR-t和PD-t交换点两侧对应时间点之间的时间段，[Ts1,Ts2]是最佳支护时间段，此阶段，支护工程施工中只要保持Ts段能建立巷道永久性支护结构，且（PD+PR）→Max、Ps-Min。其中，PD表示的是以变形为形式软化的工程力。

(3)分析深部岩层应力特点

第一，在岩层开采深度增加的情况下，岩层的应力状态也会逐渐接近水平应力状态，此时，岩层的地应力会随着深度的增加而呈现出增加的态势，两者形成正比例关系。

第二，深部岩层在进行对应操作的过程中，巷道受到采动影响的范围有限，一般是浅部开采的1倍到1.25倍。

第三，在实际应用技术处理工序中，要想建立完整且规范合理的技术方案，就要全面分析岩层的应力特征，深部岩层中岩体的力学性质出现变化，则匹配的围岩性质也会出现变化，岩体单轴抗压强度会随之增加，这就使得岩石的冲击倾向性逐渐增大，所以，支护处理模式的选择就要区别于浅部开采，更加关注深部岩层的应力情况，以保证处理工序的安全性和整体支护稳定性。

(4)优选支护技术

为了保证相应技术内容和技术要点都能落实到位，要结合工程要求和支护标准，完善对应的支护技术方案，确定支护机理和支护时机都能贴合标准需求，避免经验参数不合理，保证合理修正和优化处理的并行，维持煤矿深部软岩巷道质量最优。

①让压支护

因为煤矿深部软岩巷道的地质结构和工程条件较为复杂，围岩性质多变，为了提升其稳定性，就要保证支护系统能将变形控制在合理的范围内，借助让压支护处理模式，实现荷载均匀化的同时，确保锚杆、锚索等能在共同受力的前提下形成支护一体化结构。尤其是在开挖初期，其变形速率较快，释放最剧烈，此时，若是单一化的依靠结构刚度或者是强度完成控制收效不佳，所以，要利用先让压后抗压结合的方式，确保长期稳定性，并且在锚杆的杆体上添加伸缩装置，发挥让压管的作用，完成围岩结构卸压释放处理，调控锚索的应用状态，延长锚索的使用寿命。

与此同时，让压支护处理机制也能对软弱围岩的破碎区、塑性区等位置予以综合控制，强化软弱面的抗滑能力，从而优化其整体强度，在调动自身承载力的基础上，发挥支护模式的价值优势，为稳定效果和缩减支护成本提供保障。

②预应力支护

第一，预应力支护能对承载结构进行支护稳定性的控制，在煤矿深部开采软岩巷道施工操作中，围岩必然会受到剪切破坏，预应力结构能打造横向压缩处理模式，最大程度上抵抗横向压缩力，维持整体结构的抗剪效果，避免破碎问题向着深部蔓延。

第二，水平应力的处理也要结合围岩支护难度合理应用和提炼，保证水平应力巷道稳定性最优化。比如，在支护结构应用过程中，依据设计标准适当施加合理的预应力，此时，就能利用应力结构对巷道的形变予以控制，确保最大水平应力的方向能和巷道的走向保持一致。

第三，在技术处理方案中，要保证锚杆参数、预应力大小都能贴合稳定预应力结构的基本参数标准，并且对锚杆长度内有效变形形变予以分析，避免横向弯曲变形[6]。

③高性能锚杆支护体系

依据项目实践研究内容可知，对应煤层巷道围岩变形问题的分析中，要综合考量相关影响因素，不仅要着重考虑巷道围岩结构整体变形情况，也要全面分析巷道围岩局部松散扩容变形的问题，相关数据显示，结构因素造成的变形是总变形数量的40%，剩余均为扩散扩容变形。而巷道的结构之所以变形，主要是因为巷道在开挖过程中，巷道围岩应力场必然会受到影响，而为了维持围岩结构的稳定性，就会存在定量的变形调整处理，结构变形在一定区域范围内，借助锚喷等基础支护技术对围岩予以结构变形的处理。而松散扩容问题则是因为巷道从表面到深部转移应力的过程中会造成相应的变形问题，究其原因，就是因为开挖操作中巷道围岩的膨胀问题、风化问题、卸荷问题等会形成共同作用，这就使得松散扩容具有非常明显的时间节点。一旦巷道开挖工作开始后缺乏实时性的支护处理，就会造成松散扩容变形向深部发展，最终形成大范围破碎带，冒顶问题、垮落问题较为严重。所以，为了全面提升煤矿深部开采软岩巷道变形控制水平，就要在巷道开挖的初期对围岩予以实时性支护，提供合理的支护强度，有效控制松散扩容变形的蔓延。

3.煤矿深部开采软岩巷道变形控制模拟方案

在深部开采软岩巷道围岩支护工作中，要确保对应工序操作流程的规范性和合理性，建立健全完整的模拟处理机制，并且在一次柔性让压支护技术基础上，进行二次大刚度高强度支护处理，要对锚杆、锚索的支护特性予以全面分析，发挥让压支护技术和大刚度支护处理技术的不同作用机理优势，打造多元支护管理方案，提升支护效果[7]。

(1)设定模拟方案工序

一方面，在柔性让压支护工序中，延伸率全面扩大，在18%以上，巷道围岩变形初期要对锚杆的延伸率予以集中管控，匹配高预应力安装锚杆完成处理工序，在变形量增加的过程中，越到后期其产生的张拉应力越大，此时，使用锚杆结构自身延伸量建立让压处理，避免后期拉断问题对其质量造成影响，并匹配围岩应力分析和位移特征分析等，综合评估作用机理。

另一方面，要利用大刚度支护处理方式进行综合评估，相较于锚杆分析，锚索承载能力的增大，就会造成延伸率受限，尤其是在变形初期，锚索强力支护作用必然会对整个结构中围岩的模型状态产生影响。使用锚索支护大刚度处理方式就要对位移区域、塑性区域等分布予以分析。

(2)确定模拟方案内容

要按照模型建立、原始应力平衡数值分析、支护分析、对比处理的流程全面分析不同支护方式的匹配结构和应用要点，全面提升技术研究和应用水平，最大程度上避免综合效果不符合预期的问题。例如，对比分析不同支护方案应用后位移量参数。①若是单一应用让压支护，则巷道围岩顶板的最大下沉量相较于没有支护模型的结构下降了13.9%；②若是单一应用大刚度支护处理机制，则巷道围岩顶板的最大下沉量相较于没有支护模型的结构下降了20.4%；③若是先进行一次让压支护再进行二次大刚度支护，则巷道围岩顶板的最大下沉量相较于没有支护模型的结构下降了41.6%。通过结果可知，配合使用两种支护方式的效果最佳[8]。