软岩巷道断面形式及支护方式分析

罗小阳

摘要:以新上海一号煤矿井底车场软岩巷道为背景，分析软岩巷道围岩受力情况及破坏原理，对软岩巷道断面形式及支护方式进行技术分析。结果表明软岩巷道采用二次复合支护，断面形状采用拱形断面、曲墙及反底拱抵抗围岩压力效果较好。

关键词:软岩；围岩压力；曲墙；反底拱

1．煤矿概况

新上海一号煤矿位于内蒙古自治区鄂托克前旗境内，井田南北长10.7km，东西宽0～3.5km，面积21.35km2。井田内10层可采煤层，设计可采储量349.30Mt，生产能力4.00Mt/a。工业场地选择在井田中部，自然高程+1315m左右。矿井采用立井多水平开拓。初期在工业场地内布置主井、副井及回风井各一条。主井深度516m，净直径6.0m。副井深度546m，净直径8.0m。一号回风井深度516m，净直径6.0m。两个水平的大巷分别布置在十五、二十一煤层中，分别编号为一、二水平。一水平水平标高+800m，开采二、二下、五、八、十五、十六煤，二水平水平标高+700m，开采十八、十九、二十、二十一煤。

2．井底车场软岩巷道工程实例

各煤层均属于“三软”煤层，矿井移交时井底车场位于八号煤层中，垂直应力为8.2～8.25MPa，水平应力为15.68～16.12MPa；围岩岩性主要为砂岩、泥岩、煤，多为泥质胶结；单轴抗压强度低，砂岩为13.91～18.19MPa，泥岩为10.78～12.8MPa，煤为3.08～5.3MPa；围岩为典型软岩，围岩松动圈范围0.74～2.96m。巷道埋深大，断面大，周边巷道多，应力集中，原设计采用半圆拱直墙断面，受水平及垂直应力双重影响，巷道直墙向开挖侧变形大，底鼓严重。

3.巷道破坏机理分析

巷道水平应力约为垂直应力的两倍，而原设计断面采用直墙半圆拱断面，底板也未设置反底拱，支护方式直接采用钢筋混凝土支护，没有采用初次柔性支护。当巷道开挖后，直墙便是支护体的薄弱环节，围岩在原始水平应力作用下向巷道方向变形，而直墙抵抗变形的能力较差，造成了墙体破坏。

由于未设置反底拱，相当于底板并没有支护，根据软岩车场巷道的受力模型，开挖后车场巷道四周均受围岩原始应力，当墙和拱支护后，底板反而成了一个自由面，成为车场巷道支护中的薄弱环节。当车场巷道底板长时间受水和空气的侵蚀，底板原始岩石受到破坏，逐渐失去支撑强度，在垂直应力的作用下发生底鼓现象。而车场巷道顶板采用半圆拱支护，其拱形支护体承载能力强，抵抗围岩变形的能力较强，拱部反而不易被破坏。这就是井底车场巷道为什么顶板相对变形较小，而底鼓非常严重的主要原因。

从支护的角度分析，原设计井底车场巷道直接采用钢筋混凝土砌碹支护，而钢筋混凝土为刚性支护，支护强度约为0.1～0.3MPa左右，而围岩垂直应力为8.2～8.25MPa，水平应力为15.68～16.12MPa，支护强度远小于围岩的原始应力，因此利用支护体抵抗围岩原始应力根本不可行。同时煤矿为软岩矿井，原始岩体开挖后，车场巷道本身变形范围较大，而钢筋混凝土支护体适应围岩变形能力较弱，岩石变形与支护体不匹配。因此须采用新型支护方式，提高围岩自我承载力，同时支护体还必须能适应车场巷道变形需要。

4．井底车场巷道断面选择

根据支护体受力模型，支护体需要抵抗围岩应力产生的弯矩，若支护体为平板形状，由于混凝土（支护体）抵抗弯矩破坏能力差，支护体易破坏。若支护体为曲状，其抵抗弯矩的能力大，则支护体不易破坏。围岩水平及垂直地应力均较大，应采用曲墙拱形断面。根据软岩车场巷道受力模型，当拱部及帮部支护较好，车场巷道底板便成了支护的薄弱环节，易产生底鼓，因此需设置反底拱。

5.支护方式选择

总结井底车场巷道破坏机理，得出“治理软岩，宜先治水，治水宜先治底，以改善围岩自身支撑能力为主，实施让抗结合、刚柔并济的支护原则”的经验。井底车场巷道多次修复，最终采用复合支护，先采用锚网喷+注浆锚索+36号U型钢初次支护，支护厚度250mm，再采用格栅混凝土二次支护，支护厚度400mm。车场巷道断面形状采用半圆拱曲墙断面，并设置反底拱。

注浆锚索实质是采用注浆锚索兼作注浆管使用，一方面通过注浆改变围岩的物理力学性能，另一方面又为锚索提供了可靠的着力基础，提高了锚索的支护效果。利用注浆锚索注浆充填围岩裂隙配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力。注浆后使得作用在顶板上的压力能有效地传递到两帮，通过对两帮的加固，又能把荷载传递到底板；由于组合拱厚度的加大，减小了作用在底板上的荷载集中度，从而减小底板岩石中的应力，减弱底板的塑性变形，减轻底鼓；底板的稳定，有助于两帮的稳定，在底板及两帮稳定的情况下,又能保持顶板的稳定。注浆使支护结构的断面尺寸加大，这样围岩作用在支护结构上的荷载所产生的弯矩较小，降低了支护结构中产生的拉应力和压应力，因此能承受更大的荷载，从而提高了支护结构的承载能力，扩大了支护结构的适应性。

U型钢可缩支架是通过构件间可缩和弹性变形来调节围岩应力的，同时在支架变形和收缩过程中，保持对围岩的支护阻力，以促使围岩应力状态趋于平衡，能适应较大的围岩变形和压力变化，维护时间较长并能回收复用。在软岩及采动影响强烈的巷道中，U型钢可缩支架具有很大的优越性。

6.井底车场巷道开挖后围岩力学分析总结

井底车场巷道属于深部软岩巷道，其关键技术是车场巷道断面形状及支护方式，车场巷道围岩为泥岩、沙质泥岩、页岩或泥岩页岩互层的岩石，特征是强度低、孔隙率高，吸水性好、易风化、易崩解，具有显著的膨胀性和明显的时效性。岩体开挖后出现持续变形，是造成车场巷道破坏的主要原因。若采用传统浅部低应力稳定围岩条件下的断面形状及支护方式，可能出现支护体的结构、参数与围岩变形特性不匹配、不耦合、不协调，易造成支护材料失效、车场巷道底鼓、帮部变形或冒顶等破坏现象，造成车场巷道严重破坏。

车场巷道开挖后，围岩原始应力平衡被打破，发生卸荷破坏，应力降低，加之新开裂处岩体在水及空气等因素作用下加速风化，岩体向车场巷道内部产生塑性松胀，使原先由车场巷道周壁围岩所承受的应力传递一部分给邻近的岩体，造成邻近岩体也产生塑性变形。当应力足够大时，塑性变形的范围便由车场巷道周壁围岩开始向深部围岩逐渐扩展下去，在车场巷道一定深度范围的围岩中形成一个塑性松动变形圈，简称塑性圈[1]。塑性圈内岩体的内聚力、内摩擦角及弹性模量等均有所降低，强度减小，丧失部分承载能力。塑性圈内的岩石在围岩原始应力作用下向车场巷道方向发生变形，若车场巷道断面形状及支护方式选择不当，则变形持续的时间长，幅度大，车场巷道破坏严重。

7.结论

深部软岩车场巷道断面采用拱形、曲墙及反底拱断面，支护方式采用二次复合支护，一次支护采用钢拱架柔性支护，二次支护采用混凝土刚性支护能有效抵抗围岩破坏。同时还得出如下经验。

(1)软岩矿井普遍岩石强度低，且膨胀性高，布置在煤层中的主要巷道层位要考虑适当留设0.5m以上的顶煤或底底煤，利于巷道维护。

(2)掘进采用光面爆破，巷道成形规整。可采用锚注、钢筋网壳锚喷支护、聚丙烯纤维混凝土锚喷等新技术和新工艺。

(3)软岩巷道断面布置应采用承压性较好的半圆拱断面，当岩石膨胀性高、埋深大、地应力高时，可采用承压性更好的圆形断面布置。

(4)软岩巷道支护原理是“先柔后刚，先让后抗”，一次支护一般采用锚网喷，二次支护采用混凝土或钢支架等。

(5)对底板膨胀严重的软岩巷道，应根据情况采用反底拱、底板圆弧钢梁、或打锚索注浆加固等方式进行处理。

参考文献:

[1]王建鹏.深部软岩支护参数的弹塑性分析.矿业快报：2008年11月第11期。