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[摘 要]软岩巷道支护其因地质条件不稳定，围岩的支护会产生变形和破坏，一直是国际、国内矿建行业重大难题之一，近年来，中煤三十工程处先后承接了查干淖尔、马家梁、张子山等软岩地质矿井，根据因地制宜的原则，在其研究方面取得了一定成果。
[关键词]张子山 煤矿 软岩巷道 支护
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）07-0003-01
张子山煤矿是山西省中阳县中钢煤业公司的一个技改矿井，矿井设计年产量90万吨，位于山西吕梁，41煤底板运输上山设计长度为906m，26°下山施工289.9m，16°下山施工231.6m，13°上山施工195.m，服务年限8年。设计支护形式为锚网喷支护，距形断面，净宽×净高=4.2×3.1m（巷中高度），净断面积13.02m2，掘进断面积14.52m2。斜巷掘进到75m处，将分别揭露FII-2（∠50°～60°，H=2.5m）正断层、FII-3（∠50°～60°，H=2.6m）正断层；掘进到150～309m区域内地质构造异常，该异常区域内岩性较破碎，层理紊乱、揉皱现象明显，对掘进施工有一定的影响。
一、软岩巷道的破坏机理及支护理论
当荷载超过支护的极限承载能力时，巷道围岩的支护就会产生变形和破坏。这些外力主要包括以下几个：①上覆岩层压力；②构造应力；③膨胀应力；④碎胀应力；⑤支承压力的影响；⑥冲击地压。外力作用是影响支护稳定的重要因素，但同时岩石性质也很重要，岩石在上述某一种或几种应力作用下，围岩会首先失稳，从而引起支护失稳。通常软岩巷道多表现为四周普遍受压，并且全断面收缩，同时底臌现象十分严重，有的软岩巷道甚至引发顶板冒落和两帮破坏。
软岩巷道的支护原则：根据对软岩巷道破坏机理和变形规律的分析，可以知道对软岩巷道的支护原则主要有两种：一、主动、及时、有效的支护原则；二、动态、过程控制原则。
二、软岩斜巷支护现场实测研究
1、斜巷围岩力学参数测试
为了测定围岩力学性质，在4煤底板运输上山迎头取样，主要测定岩石的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、变形模量、泊松比和软化性等力学性质。该试验过程按照原煤炭工业部标准《煤和岩石物理力学性质试验规程》中的要求进行。岩石力学性质的测试全部在RMT岩石力学测试系统上进行，测试数据自动记录、处理。
2、斜巷表面位移观测
（1）随着掘进工作面的推进，巷道表面位移逐渐增大，在距迎头69m范围内表面位移变化较大，速度变化剧烈，在69～107m范围，表面位移变化缓慢，在107m范围以外，位移变化趋于稳定；
（2）巷道腰线两帮变形量为92mm，巷道底部两帮变形量为82mm，顶底变形量为98mm；
（3）巷道变形不均匀，AB和AF不同，相差4mm；AC和AE不同，相差10mm。
以上表明：巷道掘进过程中，巷道变形影响时间较长，并且巷道各点变形不均匀，导致巷道周边发生差异变形，差异变形进一步加剧了巷道的应力集中，从而加剧了巷道变形。顶底板变形量大于两帮变形量。
3、斜巷深部位移观测
深部各基点变形范围与表面位移变化范围相一致，在巷道掘进初期，由于地压的作用，巷道围岩整体向巷道内侧移动。所以在巷道掘进的过程中，先期各深部基点之间没有相对移动，既各基点的相对位移量变化不大。当基点距迎头40m左右时，深部各基点开始有变形，随着巷道向前掘进变形量逐渐增大，在掘进的过程中测点2.0m范围内与2.5m及以上范围相对位移位移变化均不大，但是2.0m基点和2.5m基点间位移却发生了较大的变化，变化位移量为11mm，说明2.0m范围围岩整体向外移动，2.0m和2.5m之间围岩发生了离层，因围岩没有及时注浆，围岩松动圈范围不断增大，最后趋于平衡。
4、锚杆锚索受力分析
对两帮锚杆和锚索进行观察和测试，可得知：
（1）锚杆锚索的受力开始均呈现下降趋势，最后趋于稳定，这反映了锚杆锚索没有能很好的阻止巷道围岩移动，没有起到加固围岩的作用。
（2）锚索受力曲线下降速度快，最后趋于受力平衡时，锚索的受力和右帮的锚杆受力几乎相等，反映了锚索锚固力不够，生根不牢靠，锚索设计长度不够。
（3）两帮锚杆受力均偏小，且受力不均，说明锚杆施工没达到设计要求，应加强施工管理与监督工作。
三、支护方案及支护参数设计
根據围岩状况和上述要求，较为理想的支护方案应为“一次锚网喷（让压变形）+二次锚索和锚注（围岩结构强化）”分步加强联合支护方式。其中在巷道破碎带采用“架棚（让压变形）+二次锚索和锚注（围岩结构强化）”分步加强联合支护方式。根据对现场观测结果分析可知，巷道最佳二次支护时间在巷道开挖后10天左右，按每个圆班5m进尺，即在滞后掘进工作面50m左右内进行施工，此时围岩中的应力得到释放，变形趋于稳定。
1.一次支护
锚杆采用直径20mm、长2400mm的左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆。岩层中锚杆锚固力不小于80KN，扭矩力不小于200N·m，间排距为700×700mm，锚固长度不小于700mm，锚杆眼眼位误差±100m，托盘150×150mm，托盘紧贴煤岩面。
网片采用直径6.5mm圆钢焊接的金属网，网幅为900×3000mm、840×900mm，网格为110×120mm，网片搭接长度不小于100mm，网片之间采用预留部分握成挂钩将前后网片进行连接，不能自连的采用12#铁丝双股绑扎，绑扎间距200mm。
初喷材料及要求：选用矿用硅酸盐水泥（水泥标号为425#）、中粗黄沙、瓜子片，其配比（体积比）为水泥：黄沙：瓜子片=1∶2∶2，水灰比0.45，喷射时掺入水泥含量的3%～5%的速凝剂，喷拱部时速凝剂掺量取上限，喷淋水区时可酌情加大；初喷厚度30～50mm。
2.二次支护
根据巷道来压变形情况，合理确定二次支护与一次支护的间隔时间，二次支护滞后应不大于50m。
（1）锚索支护：锚索采用直径17.8mm，长度7.5m钢绞线锚索，一排三根间距为1.2m，顶好时排距2.8m，顶差时1.4m，锚索生根硬岩长度不低于1.4m，锚固力不低于100～110KN；锚索托盘用11#矿用工字钢，规格为500×110mm，中间孔径为30mm，顶部横向使用，肩窝竖向使用严禁吊斜、必须紧贴壁面。锚固剂使用Z2370树脂药卷、K2370树脂药卷，锚索每孔两卷、锚杆每孔1卷，不得使用过期、失效的锚固剂药卷。
（2）注浆加固：①注浆采用自下而上、左右顺序作业的方式，注浆完毕后，根据观察结果确定是否复注及复注位置。②注浆锚杆间排距2400×3000（mm），锚杆孔用Φ32mm柱齿钻头钻取，眼孔深度比注浆锚杆长50～100mm。废孔要用水泥封严封实，以免注浆过程中跑浆。③根据现场实际确定注浆压力，以不跑浆和破坏喷层为原则，一般为2～3MPa，当压力达到4MPa时，必须立即停止注浆。④注浆量以注浆压力的大小而定，一般顶板两侧肩窝处和顶部注浆量较大，两帮注浆量较小。⑤浆液水灰比约为1：1.5，水玻璃掺量为水泥重量的3～5%。在配浆容器中搅拌5min后配成注浆液。水泥在倒入搅拌桶时要过筛。
通过后来的实践证明，二次支护既可控的释放了巷道围岩变形能量又有效的控制了软岩斜巷的强烈变形，实现了巷道的稳定，达到了预期的支护效果。
[关键词]张子山 煤矿 软岩巷道 支护
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）07-0003-01
张子山煤矿是山西省中阳县中钢煤业公司的一个技改矿井，矿井设计年产量90万吨，位于山西吕梁，41煤底板运输上山设计长度为906m，26°下山施工289.9m，16°下山施工231.6m，13°上山施工195.m，服务年限8年。设计支护形式为锚网喷支护，距形断面，净宽×净高=4.2×3.1m（巷中高度），净断面积13.02m2，掘进断面积14.52m2。斜巷掘进到75m处，将分别揭露FII-2（∠50°～60°，H=2.5m）正断层、FII-3（∠50°～60°，H=2.6m）正断层；掘进到150～309m区域内地质构造异常，该异常区域内岩性较破碎，层理紊乱、揉皱现象明显，对掘进施工有一定的影响。
一、软岩巷道的破坏机理及支护理论
当荷载超过支护的极限承载能力时，巷道围岩的支护就会产生变形和破坏。这些外力主要包括以下几个：①上覆岩层压力；②构造应力；③膨胀应力；④碎胀应力；⑤支承压力的影响；⑥冲击地压。外力作用是影响支护稳定的重要因素，但同时岩石性质也很重要，岩石在上述某一种或几种应力作用下，围岩会首先失稳，从而引起支护失稳。通常软岩巷道多表现为四周普遍受压，并且全断面收缩，同时底臌现象十分严重，有的软岩巷道甚至引发顶板冒落和两帮破坏。
软岩巷道的支护原则：根据对软岩巷道破坏机理和变形规律的分析，可以知道对软岩巷道的支护原则主要有两种：一、主动、及时、有效的支护原则；二、动态、过程控制原则。
二、软岩斜巷支护现场实测研究
1、斜巷围岩力学参数测试
为了测定围岩力学性质，在4煤底板运输上山迎头取样，主要测定岩石的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、变形模量、泊松比和软化性等力学性质。该试验过程按照原煤炭工业部标准《煤和岩石物理力学性质试验规程》中的要求进行。岩石力学性质的测试全部在RMT岩石力学测试系统上进行，测试数据自动记录、处理。
2、斜巷表面位移观测
（1）随着掘进工作面的推进，巷道表面位移逐渐增大，在距迎头69m范围内表面位移变化较大，速度变化剧烈，在69～107m范围，表面位移变化缓慢，在107m范围以外，位移变化趋于稳定；
（2）巷道腰线两帮变形量为92mm，巷道底部两帮变形量为82mm，顶底变形量为98mm；
（3）巷道变形不均匀，AB和AF不同，相差4mm；AC和AE不同，相差10mm。
以上表明：巷道掘进过程中，巷道变形影响时间较长，并且巷道各点变形不均匀，导致巷道周边发生差异变形，差异变形进一步加剧了巷道的应力集中，从而加剧了巷道变形。顶底板变形量大于两帮变形量。
3、斜巷深部位移观测
深部各基点变形范围与表面位移变化范围相一致，在巷道掘进初期，由于地压的作用，巷道围岩整体向巷道内侧移动。所以在巷道掘进的过程中，先期各深部基点之间没有相对移动，既各基点的相对位移量变化不大。当基点距迎头40m左右时，深部各基点开始有变形，随着巷道向前掘进变形量逐渐增大，在掘进的过程中测点2.0m范围内与2.5m及以上范围相对位移位移变化均不大，但是2.0m基点和2.5m基点间位移却发生了较大的变化，变化位移量为11mm，说明2.0m范围围岩整体向外移动，2.0m和2.5m之间围岩发生了离层，因围岩没有及时注浆，围岩松动圈范围不断增大，最后趋于平衡。
4、锚杆锚索受力分析
对两帮锚杆和锚索进行观察和测试，可得知：
（1）锚杆锚索的受力开始均呈现下降趋势，最后趋于稳定，这反映了锚杆锚索没有能很好的阻止巷道围岩移动，没有起到加固围岩的作用。
（2）锚索受力曲线下降速度快，最后趋于受力平衡时，锚索的受力和右帮的锚杆受力几乎相等，反映了锚索锚固力不够，生根不牢靠，锚索设计长度不够。
（3）两帮锚杆受力均偏小，且受力不均，说明锚杆施工没达到设计要求，应加强施工管理与监督工作。
三、支护方案及支护参数设计
根據围岩状况和上述要求，较为理想的支护方案应为“一次锚网喷（让压变形）+二次锚索和锚注（围岩结构强化）”分步加强联合支护方式。其中在巷道破碎带采用“架棚（让压变形）+二次锚索和锚注（围岩结构强化）”分步加强联合支护方式。根据对现场观测结果分析可知，巷道最佳二次支护时间在巷道开挖后10天左右，按每个圆班5m进尺，即在滞后掘进工作面50m左右内进行施工，此时围岩中的应力得到释放，变形趋于稳定。
1.一次支护
锚杆采用直径20mm、长2400mm的左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆。岩层中锚杆锚固力不小于80KN，扭矩力不小于200N·m，间排距为700×700mm，锚固长度不小于700mm，锚杆眼眼位误差±100m，托盘150×150mm，托盘紧贴煤岩面。
网片采用直径6.5mm圆钢焊接的金属网，网幅为900×3000mm、840×900mm，网格为110×120mm，网片搭接长度不小于100mm，网片之间采用预留部分握成挂钩将前后网片进行连接，不能自连的采用12#铁丝双股绑扎，绑扎间距200mm。
初喷材料及要求：选用矿用硅酸盐水泥（水泥标号为425#）、中粗黄沙、瓜子片，其配比（体积比）为水泥：黄沙：瓜子片=1∶2∶2，水灰比0.45，喷射时掺入水泥含量的3%～5%的速凝剂，喷拱部时速凝剂掺量取上限，喷淋水区时可酌情加大；初喷厚度30～50mm。
2.二次支护
根据巷道来压变形情况，合理确定二次支护与一次支护的间隔时间，二次支护滞后应不大于50m。
（1）锚索支护：锚索采用直径17.8mm，长度7.5m钢绞线锚索，一排三根间距为1.2m，顶好时排距2.8m，顶差时1.4m，锚索生根硬岩长度不低于1.4m，锚固力不低于100～110KN；锚索托盘用11#矿用工字钢，规格为500×110mm，中间孔径为30mm，顶部横向使用，肩窝竖向使用严禁吊斜、必须紧贴壁面。锚固剂使用Z2370树脂药卷、K2370树脂药卷，锚索每孔两卷、锚杆每孔1卷，不得使用过期、失效的锚固剂药卷。
（2）注浆加固：①注浆采用自下而上、左右顺序作业的方式，注浆完毕后，根据观察结果确定是否复注及复注位置。②注浆锚杆间排距2400×3000（mm），锚杆孔用Φ32mm柱齿钻头钻取，眼孔深度比注浆锚杆长50～100mm。废孔要用水泥封严封实，以免注浆过程中跑浆。③根据现场实际确定注浆压力，以不跑浆和破坏喷层为原则，一般为2～3MPa，当压力达到4MPa时，必须立即停止注浆。④注浆量以注浆压力的大小而定，一般顶板两侧肩窝处和顶部注浆量较大，两帮注浆量较小。⑤浆液水灰比约为1：1.5，水玻璃掺量为水泥重量的3～5%。在配浆容器中搅拌5min后配成注浆液。水泥在倒入搅拌桶时要过筛。
通过后来的实践证明，二次支护既可控的释放了巷道围岩变形能量又有效的控制了软岩斜巷的强烈变形，实现了巷道的稳定，达到了预期的支护效果。