李輝

摘 要：煤礦的礦坑、礦井周圍的巖層容易被破壞，軟巖巷道的安全支護顯得尤為重要。如果采挖的深度繼續(xù)加大，在應(yīng)力的作用下，地下開采容易產(chǎn)生更多的軟巖巷道安全問題。我國煤炭資源豐富，地下巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，軟巖巷道安全問題一直是威脅煤礦安全開采的因素。研究軟巖巷道的支護技術(shù)和控制技術(shù)，可以為煤礦業(yè)的巷道安全提供方案，完善巷道安全理論，對煤礦施工和生產(chǎn)具有巨大的安全意義。

關(guān)鍵詞：煤礦；軟巖巷道；控制技術(shù)

前言

煤礦的安全建設(shè)與安全開采問題，一直是巷道挖掘工程的難題。文章將針對軟巖巷道的控制方式進行闡述，對比各自的特點，努力尋求一種或幾種有效的破碎軟巖巷道的控制技術(shù)。

1 軟巖概念簡述

由于研究方向不同，對軟巖主要從三個方面進行定義，第一種是從軟巖層的物理結(jié)構(gòu)—松、軟、散—進行分析。一般認為，軟巖形成時間短，膠結(jié)性差，巖體無法形成結(jié)構(gòu)一致的整體。第二種是國際通用定義，是軟巖的數(shù)字定義：單軸抗壓強度范圍是0.5-25Mpa。第三種是我國學者提出的工程定義，以“松動圈”為關(guān)鍵詞，軟巖是其厚度在1.5M以上的圍巖。

2 破碎軟巖巷道支護原理及控制機制

2.1 國外軟巖支護理論簡述

在最初的巷道研究，國外大部分學者認為，巷道上覆巖層的重量即為作用在支護結(jié)構(gòu)的壓力力量（F=γ·H），但是由于受當時技術(shù)的限制，深部地下工程較少，這個理論多為總結(jié)淺部地下工程，所以一直被認為是正確的。但是隨著深挖技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)=γ·H理論與最新的工程實踐存在矛盾，舊理論一度忽略了新的安全問題，所以相關(guān)學者不得不重新思考，找出解決深部巷道的支護問題，坍落拱理論應(yīng)運而生，該理論認為，破碎軟巖巷道的工程跨度與四周圍巖性質(zhì)決定了坍落拱的高度與范圍。而國外較先進的理論是數(shù)值計算理論，該理論與計算機模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用有密切聯(lián)系，利用模擬軟件的離散元法、有限單元法等，為此理論提供技術(shù)支持。技術(shù)人員創(chuàng)造了連續(xù)介質(zhì)力學方法和非連續(xù)介質(zhì)力學方法。連續(xù)介質(zhì)力學方法可以模擬巖體，需要將其等效成為一種連續(xù)固體介質(zhì)，遵循固體力學的方法分析其在工程荷載下的力學特性與破壞過程。非連續(xù)介質(zhì)力學方法的理論較為復(fù)雜，涉及不連續(xù)變形分析、塊體理論等。石根華與Goodman為不連續(xù)變形分析方法建立了一整套塊體系統(tǒng)運動學理論，完整的描述了非連續(xù)面巖體的運動和變形規(guī)律。

2.2 國內(nèi)軟巖支護理論簡述

1950年代，我國學者提出軸變論：軸比變化對圍巖變形和破壞的作用理論，該理論主要研究靜力與連續(xù)介質(zhì)，在當時屬于較為先進的一種理論，認為巷道圍巖破壞的根本原因是地應(yīng)力。而具有我國傳統(tǒng)文化的理論是聯(lián)合支護理論，該理論較為靈活的采取先柔后剛的方法，認為單純強調(diào)剛性支護不可取，可以先支撐再讓壓，不能一味與地質(zhì)應(yīng)力抗衡，否則一損俱損，沒有緩和余地。此理論體現(xiàn)了我國的中庸文化。當代較為先進的支護理論是關(guān)鍵部位耦合支護。該理論認為，如果巷道支護強度與周圍巖體的應(yīng)力總和不耦合，容易造成巷道破壞。該理論要求支護需要靈活，采用面和關(guān)鍵點雙重支護的方法。

對于支護理論，我國學者還提出多種觀點，大都針對巷道圍巖的形變提出的，具有各自的特點，形成了各自的理論系統(tǒng)。

3 軟巖支護的不足之處

3.1 錨桿的不足之處

在研究錨桿支護方式時，其主要參數(shù)是預(yù)應(yīng)力，如果預(yù)應(yīng)力越低，錨桿的主動性變差，強度變?nèi)酰苯訉е聡鷰r強度大幅度降低，巷道就會出現(xiàn)嚴重的塑性形變，存在重大的安全問題。錨桿的預(yù)應(yīng)力是判斷錨桿支護能力的標準，所以在設(shè)計與安裝之前，必須嚴格采集各項數(shù)據(jù)，精確計算，讓錨桿發(fā)揮應(yīng)有的價值。

3.2 設(shè)計與施工存在漏洞

我國工程普遍存在“差不多”現(xiàn)象，同樣出現(xiàn)在軟巖的施工過程，如爆破范圍控制不足，導致爆破范圍超出了設(shè)計要求，產(chǎn)生蝴蝶效應(yīng)：巷道的尺寸過大，與巷道的設(shè)計初衷不符，要修改設(shè)計，還要修改支護結(jié)構(gòu)；爆破不足同樣不能達到預(yù)期。不管是爆破不足或者爆破超限，勉強施工建設(shè)，都會造成巷道的結(jié)構(gòu)容易破碎和坍塌。在工程驗收過程，由于種種利益關(guān)系，驗收人員也抱有“差不多”心態(tài)，睜一只眼閉一只眼，對標準流程視而不見，留下安全隱患。

3.3 支護設(shè)施強度不夠

地應(yīng)力是軟巖巷道的主要施加外力。在做支護之前，需要對地應(yīng)力進行準確評估，但是由于相關(guān)技術(shù)的局限和地形復(fù)雜性，時常造成地應(yīng)力估計不足，導致巷道內(nèi)部的支護設(shè)計強度不足，發(fā)生形變。在實踐中，地應(yīng)力尤為強大，即使使用了較為先進的聯(lián)合支護，也無法徹底解決巷道的變形問題。更為嚴重的是，大多巷道工程還沒竣工，早期的工程已經(jīng)出現(xiàn)形變，甚至完全不能使用了。

4 解決破碎軟巖巷道的措施

4.1 科學選擇巷道的橫截面

地下巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一條巷道承擔的壓力，不僅僅來源于頂層上的壓力，在某些巖層結(jié)構(gòu)中，側(cè)面壓力也許會高于頂壓幾倍、十幾倍甚至幾十倍。所以需要合理選擇巷道橫截面，易于維持巷道的穩(wěn)定性。可以根據(jù)地應(yīng)力的大小和方向來判斷巷道斷面，如果地應(yīng)力小，則可以選用傳統(tǒng)的拱形支護，如果地應(yīng)力較大，可以選用圓型巷道截面。另外還要單獨測試不同方向的地應(yīng)力；如果頂部壓力最大，在選用拱形或者圓形斷面的同時考慮選用立式橢圓；如果水平壓力最大，可以選用高跨比小于1的臥式橢圓形支護手段，實事求是的選擇不同方式。巷道支護工作實施的時候，可以根據(jù)軟巖的形變規(guī)律，有目的的加高、拓寬巷道的初形尺寸，避免后期的巷道圍巖形變。

4.2 加強支護強度

選擇好合適的巷道橫截面，要進一步考慮所選支護的特性，支護強度是直接解決軟巖形變的方法，其特性包含強度、彈性、伸縮性等，提高支護設(shè)施的主動支護功能，可以卸壓或者讓壓，盡快穩(wěn)定開挖后的巷道應(yīng)力。穩(wěn)定后立即涂抹、噴射混凝土，密封巖層表面，達到防止吸潮、風化脫落的目的。然后再架設(shè)具有足夠支撐力同時具有柔性的支護。達到初步穩(wěn)定后，需要利用電子儀器實時監(jiān)測支護變形，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷一次支護能否應(yīng)對巷道形變，如果發(fā)生較大的形變，要及時加強措施，可以加密支護設(shè)備。在巷道開挖后，即使沒有發(fā)生較大的形變，也要采取二次保護措施，同一次支護要求相似，需要支護設(shè)備具有讓壓、伸縮的特性，用以緩沖應(yīng)力，達到平衡軟巖增長的壓力，到達足以避免突發(fā)形變的可能。如果隨著巷道的加長，巷道的形變坍塌風險逐漸加大，所以單一的支護方案是不夠的，建議每個3個月，要增加一次支護，用以吸收逐漸增大的應(yīng)力。

4.3 改變開鑿截面的形狀

在充分測量的基礎(chǔ)上，分析軟巖巷道頂面和兩個側(cè)面的應(yīng)力分布，采用拋物線形的端頭，可以有效避免新挖掘的巷道的發(fā)生形變甚至斷裂，同時盡早用水泥封住軟巖斷口，避免應(yīng)力過大造成斷口繼續(xù)斷裂脫落，而且通過填補層理和節(jié)理發(fā)育的軟巖縫隙，在一定程度上可以提高巷道圍巖的強度，改變松散的特性。

5 結(jié)束語

綜上所述，地下軟巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，遠遠超出人們的可預(yù)見能力，包含煤礦的開采在內(nèi)，任何地下工程都要面對復(fù)雜多樣的地質(zhì)環(huán)境，需要技術(shù)人員、施工人員本著以人為本的心態(tài)，科學嚴謹?shù)臏y量地下軟巖結(jié)構(gòu)，盡心應(yīng)對軟巖巷道的形變。在特定的軟巖巷道建設(shè)中，要全方位采集數(shù)據(jù)，分析軟巖巷道的各類不穩(wěn)定因素，做到實事求是的測量，實事求是的施工，利用先進的理論和先進的技術(shù)，對煤礦的安全生產(chǎn)作出努力。

參考文獻

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