松散软岩巷道的技术研究

１工程概况及地质条件

国网能源和丰煤电有限公司沙吉海煤矿位于新疆和布克赛尔蒙古自治县城东南６３ｋｍ，新疆和什托洛盖合什东－沙吉海矿区的南部，设计产能为５００万ｔ／ａ，采用２斜井１立井综合开拓方式。目前正在施工的轨道石门（如图１）为沙吉海煤矿＋５５０ｍ水平开拓巷道。巷道全长为６９４ｍ，巷道断面形状为直墙半圆拱，巷道净宽为５０００ｍｍ，净高为４２００ｍｍ，净断面积为１８．８ｍ２，采用锚网索喷支护，锚喷厚度为１５０ｍｍ。石门穿过的岩层大多为松散的含水砂岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩与砾石互层，节理裂隙发育，胶结性差，岩石强度低，膨胀系数大，遇空气易风化，遇水后岩石崩解沙化，岩石强度迅速降低，掘进过程中容易片帮、漏顶、泥化、安全威胁大、施工困难。

２破坏机理及支护对策分析

２．１围岩破坏机理沙吉海煤矿轨道石门围岩松散破碎，胶结性差，岩石强度低，自由膨胀率大，易风化、泥化，遇水后岩石软化膨胀，并伴随膨胀附加应力的产生，造成巷道围岩整体变形量大，顶板下沉明显，喷层由于受到拉剪应力的作用，开始开裂、脱落。根据围岩Ｘ射线衍射分析结果可知，石门底板泥质岩石膨胀性粘土矿物含量高，最高可达７３％，在水的作用及施工开挖扰动作用下，底板岩层产生显著的臌起变形，水沟破坏，进而影响巷道两帮及顶板的稳定。巷道穿层掘进，各岩层之间层理、节理发育，结合力低，砂岩富水性较强，泥质岩石遇水砂化、崩解，掘进过程中巷道经常发生漏顶、片帮现象，造成支护困难。

２．２支护对策为了控制石门巷道围岩强度低、整体性差、膨胀性强而导致巷道顶沉、两帮移近量大等非线性大变形破坏，采用新型恒阻大变形锚杆（索）［１］进行锚网索二次耦合支护。由于该锚杆（索）具有很高的支护阻力，伸长量大，且能够在自身变形过程中保持恒定的阻力，因此，能够承受较高的围压，阻止浅部岩体的初期变形，充分发挥岩体的承载力，并可以对岩层内部的高应力进行释放、转移，以使围岩应力均匀化。

针对轨道石门围岩易风化、泥化的力学特性，在开挖后，及时进行喷砼封闭，隔绝岩体与空气中的水分子接触，防止风化、泥化及膨胀，充分保持原岩强度；由于严重的底板破坏，采用无缝钢管作为底角锚杆并注速凝化学浆进行加固，同时排水沟紧跟掘进工作面。针对轨道石门围岩松散破碎，胶结性差，岩石强度低，自由膨胀率大，易风化、泥化，遇水后岩石软化膨胀，在掘进过程中频繁发生片帮、漏顶的现象，采用超前管棚支护即无缝钢管作为纵向支撑，将向前掘进方向超前托起，形成一个整体；以恒阻大变形锚杆（索）作为横向环形支撑，构成纵、横支护体系，强度较大，可限制围岩发生大变形，并能提前承受早期围岩压力。综合以上分析，采用超前管棚＋锚网索耦合支护［３－５］，对轨道石门进行围岩控制。

３管棚工作原理及数值模拟分析

３．１超前管棚支护的工作原理超前管棚支护的工作原理与撞楔法工作原理相似。采取超前支护的工艺，超前支护顶板，在距巷道轮廓线一定距离的位置，按照一定的间距打设超前管棚孔，并沿孔口送入无缝钢管，能有效的控制顶板下沉，对顶板提前进行支护，形成对围岩爆破松动圈内的破碎岩石的超前临时支护［２－４］。

３．２轨道石门超前支护的数值模拟１）数值计算模型及参数为了了解巷道采用管棚支护后围岩的应力、位移、破坏场分布特征，并验证其合理性，选取沙吉海煤矿轨道石门作为研究对象，采用三维有限差分大变形模拟程序ＦＬＡＣ３Ｄ，构建了巷道三维工程地质力学模型及锚网索＋管棚＋底角锚杆支护工况模型（图２～３）。其中，锚杆、锚索分别采用恒阻大变形锚杆（Φ２２ｍｍ×２７００ｍｍ）和恒阻大变形锚索（Φ１５．２４ｍｍ×８０００ｍｍ）。模型的计算范围长×宽×高＝２０ｍ×４０ｍ×４０ｍ，一共划分了７６２７１个单元，１３２５４个节点。模型侧面限制水平移动，底部为固定边界，模型上表面为上覆岩体自重应力边界，施加的荷载为７．７ＭＰａ。

围岩物理力学性质参数，综合参考地质勘探报告以及岩体力学室内试验结果确定（表１）。围岩材料本构关系，采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｕｍｂ模型。２）数值模拟结果分析从水平位移场及竖向位移场（图４～６）可以看出，巷道在采用锚网索＋管棚＋底角锚杆支护的工况下，位移量较小，变形得到了有效控制，巷道断面形状维持的较好，因此也未影响其正常使用。最大顶板下沉量为２３ｍｍ，顶板无明显的应力集中区，底板应力分布较为均匀，两帮应力有向深部岩体转移及扩散的趋势。另外，从破坏场分布特征图（图７）可以看出，巷道顶板剪切塑性区范围显著小于两帮，两底角周边的塑性区已基本消除。以上模拟结果及位移、应力、塑性区分布特征，表明了底角锚杆有效控制了两底角及底板的塑性变形，减小了应力集中程度，恒阻大变形锚杆（索）起到了转移围岩的高应力、释放一定变形能的作用。而超前管棚在巷道开挖前就已对松散顶板实行了预加固，提高了围岩的整体性。巷道打开后，管棚及时阻止了浅部松动岩体的进一步离层、滑动发展，缩小了顶部的破裂区范围，较大程度上保持了岩体的强度，有利于围岩的稳定，同时也消除了频繁漏顶、片帮现象的发生［４－５］。

４支护设计及支护施工工艺

超前管棚＋锚网索断面支护图，如图８所示。超前管棚支护是在即将开挖的巷道沿外轮廓周边上，间隔一定的间距，沿洞轴以一定的外插角钻孔，安装无缝钢管。无缝钢管外留一定长度，与预先锚网索喷预留的金属锚网连接成整体。加固环发挥“承载拱”的作用，承受拱上部的地面荷载和岩层重量，使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变压力，从而创造了理想的开挖条件。１）锚杆：锚杆选用恒阻大变形锚杆，锚杆分为两部分：恒阻器和杆体，恒阻器规格为Φ３４ｍｍ×５００ｍｍ，杆体为Φ２２ｍｍ×２２００ｍｍ，总长度应为２７００ｍｍ，锚杆间排距为８００ｍｍ×８００ｍｍ，锚杆托板规格为１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×１０ｍｍ碟形铁托板，锚固剂药卷采用Ｋ２３７０和ＣＫ２３７０各一根。

２）锚索；选用恒阻大变形锚索，锚索分为两部分：恒阻器和锚索。恒阻器规格为Φ３４ｍｍ×５００ｍｍ，锚索规格为Φ１５．２４ｍｍ×７５００ｍｍ，总长度应为８０００ｍｍ，锚索间排距为１８００ｍｍ×２４００ｍｍ，锚索托盘采用４００ｍｍ×２００ｍｍ×８０ｍｍ的槽钢和２００ｍｍ×１５０ｍｍ×１０ｍｍ钢板焊接而成。锚固剂药卷采用３根Ｋ２３７０和１根ＣＫ２３７０药卷。３）金属网：网片采用Φ６．５ｍｍ的钢筋编制网，网目规格为１００ｍｍ×１００ｍｍ，搭接为１００ｍｍ采用１４＃铁丝每隔２００ｍｍ绑扎一道。

４）喷层：喷射砼厚度为１５０ｍｍ，使用标号不低于Ｐ．Ｏ３２．５Ｒ普通硅酸盐水泥，砂为纯净的中粗河砂，石子为粒径５～１０ｍｍ的碎石。喷砼强度等级Ｃ２０，重量配合比为水泥∶砂∶石子＝１∶２．０３∶２．１９，水灰比０．４８；速凝剂掺入量一般为水泥重量的２．５％～４％。水沟砌筑砼强度等级Ｃ２０，砼重量配合比水泥∶沙∶石子＝１∶１．２９∶２．３１，水灰比０．６９。５）管棚超前支护参数①超前支护长度：掘进过程中，循环进尺１．２ｍ，在对围岩性质分析的基础上，确定超前支护长度为３６００ｍｍ，超前管棚长３８００ｍｍ。选用Φ３２ｍｍ×３８００ｍｍ的钢管制作管棚。②超前管棚的布置方式（图９～１０）：管棚眼距为４５０ｍｍ，在距巷道轮廓线１００ｍｍ处以３０的夹角斜向轮廓线外打眼，眼底坐落于巷道轮廓线外１５０ｍｍ处，眼深３６００ｍｍ，外露的管棚大约２００ｍｍ，用１４号铁丝双股绑在顶部金属锚网上［８］。

５管棚施工工艺流程

按设计打管棚孔→安装固定管棚→按设计打爆破眼→爆破→处理顶部围岩→打锚杆挂网支护顶板→处理两帮并进行支护→打锚索喷浆成型。各环节具体施工过程如下：１）管棚插入及孔口处理：超前管棚管径，选用Φ３２ｍｍ钢管，管棚钢管长度采用３８００ｍｍ，管棚应沿巷道开挖轮廓线向外倾斜，其倾角一般不宜大于５度，管棚钢管沿巷道拱部开挖轮廓线布设，布设宽度为４５０ｍｍ，沿拱部开挖外轮廓布置。２）管棚打设：打设排干眼时，要严格按设计的眼距、眼深、倾斜角打设；安装排干时，管棚要与巷道顶部的金属网连接牢固，同时相邻的管棚也要用１２号铁丝相连，以防放炮打偏。３）炮眼布置及打设：周边眼距排杆眼２００ｍｍ，周边眼尽量与管棚眼成交错布置，炮眼深度为１４００ｍｍ，每眼装药不超过１块。４）爆破后及时检查管棚与顶网的连接和相邻管棚之间的连接是否被打开，及时将其连接牢固，以作为临时支护。然后打锚杆挂网喷浆支护顶板，金属网挂在管棚下，将管棚连成一个整体［６－９］。

６应用效果分析

沙吉海煤矿含水松散膨胀复合型软岩巷道采用管棚超前支护，保证施工中安全与巷道成型，降低了工人的劳动强度，为矿井快速、安全施工创造有利条件，缩短了建矿周期，提高了社会、经济效益。１）安全质量分析：超前支护的管棚间距０．４５ｍ，相当于提前进行了临时支护，这是一种类似主动支护方式。巷道开挖后，煤矿职工可在管棚超前支护的掩护下进行作业，强化顶板控制，消除片帮、漏顶的安全隐患，实现安全生产。实践证明，使用管棚超前支护在施工轨道石门过程中，没有出现片帮冒顶现象，对巷道的成型起到了决定性的作用。同时，也相应的降低材料消耗及浪费，节省了人力、物力、财力。２）经济效益分析：管棚超前支护长度３．８ｍ，施工过程中循环进尺１．２ｍ，按正常的施工顺序，每天完成三个循环，进尺３．６ｍ，只需要打一次管棚即可，提高了掘进速度，缩短了施工周期。自从实行了管棚超前支护以来，２０１２年３月份该掘进工作面掘进５０ｍ，４月份进尺７０ｍ，５月份进尺９０ｍ，为矿井快速施工创造良好条件。

７结语

针对沙吉海煤矿轨道石门遇水泥化、沙化严重，易片帮、漏顶，在掘进过程中随掘随冒、安全威胁大、施工困难的问题，通过现场工程地质调查及理论分析，明确了其破坏机理，提出了超前管棚＋锚网索喷耦合支护对策。在数值模拟分析的基础上，进行了巷道的断面支护设计、施工工艺设计和现场工业性试验。通过本次研究与工程实践，主要得到了以下几点认识和体会：１）采用超前管棚＋锚索网喷的支护方式，有效控制了沙吉海煤矿含水松散膨胀复合型软岩巷道大变形破坏，保证了围岩稳定，消除了大面积冒顶、片帮的安全隐患，为巷道快速、安全施工创造了良好条件。

２）松散膨胀复合型软岩巷道在施工过程中，易频繁发生片帮、漏顶现象，此时对掘进工作面前方围岩实施超前管棚支护，对围岩能起到有效的支撑作用，形成统一有效的整体，为后续的掘进施工提供了安全保证。３）应用超前管棚＋锚索网喷对松散膨胀复合型软岩巷道进行支护，具有显著的经济效益和较强的实用性，并在沙吉海煤矿运输石门、回风石门、内外水仓掘进过程中成功应用，为沙吉海矿区类似围岩地质条件的工程支护提供了有益的借鉴和参考，具有一定的推广应用价值。

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