工程軟巖巷道變形機理支護修復方案設計
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0引言
目前對煤礦中軟巖比較一致的定義為“在工程地質環境下難于支護的巖體”。支護難易程度是由巖體物理性質（內因）和工程地質環境（外因）所決定的。巖體物理性質包括可塑性、分散性、崩解性、觸變性。巖體的力學性質包括巖石強度、結構面組數、密度、結合性、強度、粗糙度等。工程地質環境地下水、原巖應力、采動影響、巷道尺寸、施工方法等。因此，根據“難于支護”的原因可分為高應力軟巖、膨脹性軟巖、節理化軟巖、弱化性軟巖和復合型軟巖。伊田煤礦11號煤3條大巷由東往西掘進至500mm、由西往東掘進至約400m時，3條大巷在掘進過程中，先后揭露了無炭柱、斷層、褶曲、頂板裂隙水等地質異常情況，屬于煤礦軟巖中的工程地質軟巖，這種施工環境下的軟巖巷道難以支護，給掘進施工造成了較大難度。對伊田煤礦11號煤3條大巷的巷道修復方案設計進行了分析和說明，旨在為其他類似工程條件的巷道支護，提供一種切實有效的參考方案。
1我國軟巖巷道變形特征統計
考慮到軟巖巷道的形式的多樣性，以及軟巖成因和判定原則的不同，以軟巖巷道變形的不同機理對多種類型的軟巖巷道進行了區分。根據工程實踐經驗，可以根據變形機理將軟巖巷道劃分為3類；松動塌落型軟巖巷道、擠壓流動型軟巖巷道和膨脹型軟巖巷道。
1.1松動塌落型軟巖巷道的變形特征
松動塌落型軟巖巷道，其主要變形特征表現為：在開挖巷道之后，巷道的自穩時間比較短，嚴重時會出現邊掘邊冒現象。主要原因是軟巖巷道的破碎結構和軟巖巷道的散體結構在開挖巷道之前就處于強烈的破壞狀態，其狀態為“潛塑性”，此時巖體的粘結力很低，同時其摩擦系數也比較小，在原始地應力作用下，巖體之間失去了相互咬合的咬合力。當開挖巷道之后，軟巖巷道的巖體處于極不穩定狀態，甚至在微小的偏應力的作用下就會發生巷道破壞，此時，軟巖巷道會在極短時間內出現大范圍松動破壞，釋放出強大的松動地壓，破壞巷道的支護體，巷道出現失穩現象。對于這種類型的巷道，一般可以根據軟巖巷道的冒頂程度，進行巷道壓力的估算。
1.2擠壓流動型軟巖巷道的變形特征
擠壓流動型軟巖巷道表現為全斷面塑性收縮的軟弱型、破碎型、高應力型，可歸納以下3項特征：
（1）巷道圍巖表面變形特點是軟巖巷道在開掘之后，圍巖的初始位移發展速度較快，軟巖巷道的圍巖發生全斷面性的塑性壓入破壞；及時圍巖變形影響較低時，巷道圍巖依舊表現出較高水平的流變性，此時巷道圍巖地壓形式，可以歸為形變式地壓。
（2）軟巖巷道開挖之后，松動破裂帶會出現在巷道周邊的一定范圍之內，在現有支護條件下，軟巖巷道的破壞過程中，支護體主要承受圍巖的松動壓力作用。
（3）軟巖巷道的圍巖變形量往往都比較大，正常情況下，變形量都接近或超過200mm，正常情況下，松動破裂帶的巖體會發生碎脹作用，繼而產生形變，該部分的變形量能夠占到巷道總位移的60%左右。當支護有效時，松動破裂帶圍巖逐漸由松馳狀態轉為壓密狀態，使壓密區范圍越來越大，圍巖的碎脹變形量減小；當支護無效時，松動破裂帶范圍逐漸增大，壓密承載逐漸減小，圍巖的碎脹變形量越來越大，巷道失穩破壞。
1.3膨脹型軟巖巷道的變形特征
膨脹型軟巖富含粘土礦物成份，其主要變形特征表現為：當粘土質接觸水之后就發生膨脹，使巖體中的顆粒間距變大，處于極限含水率狀態下的膨脹性軟巖，其顆粒間幾乎不存在相互結合力，此時的圍巖巖體會充分的膨脹，最后崩解。
1.4伊田煤礦11號煤巷巷道變形特征分析
11號煤回風大巷回7后27m至回8前28m段（總共150m），因巷道處于地質構造區域，加之頂、幫壓力大，致使部分工字鋼棚已彎曲變形，不能滿足安全生產的需要，分析其破壞特征，可以歸為軟弱型、破碎型及高應力型軟巖巷道的變形特征。
2軟巖巷道變形因素分析
2.1巖性因素
（1）圍巖的力學性質。軟巖在一般情況下，表現出較差的力學性質和工程特性，軟巖的內部節理裂隙比較發育，致使巖體強度較低。同時處于動壓作用下的巷道，其圍巖的破碎程度更大。一旦與水接觸將產生更為顯著的巖石軟化作用，巖性降低最終引起巷道大變形。
（2）巖體弱面。軟弱結構面使巷道圍巖發生切割作用，產生了圍巖不同方向上的差異性和不連續特性，巷道圍巖會發生生松動式破壞，支撐強度明顯減小，巖體的自穩能力較多的喪失掉，同時處于破裂帶內的巖石，沿著結構面破裂方向移動之后，位于破裂帶外的巖體會發生彈性或塑性的變形，破裂的巖塊會向著巷道內部擠壓，從而產生更大程度的巖體變形和圍巖位移。
2.2工程應力
巷道圍巖的變形，根據其外部影響因素，可以歸納為：上覆巖層產生的壓力、構造作用產生的應力、支承作用產生的壓力、鼓脹作用產生的壓力，以及變形作用產生的壓力，掘進巷道根據圍巖的不同性質，巷道的采動程度，以及地質條件不同，在作用力之下，巷道的變形形式和巷道破壞的程度也不盡相同。
3.111號煤回風大巷修復設計
3.1.1工程概況11號煤回風大巷從（主井段）和（伊田段）兩個方向掘進，在主井方向掘進到428、480、547.5和608m時先后遇到了無炭柱X2、X4、X7、X10，伊田方向掘進至587、650和745m時，先后揭露無炭柱X3、X5、X12，巷道在過無炭柱期間，全斷面為黃泥、碎石，且粘結性強，無頂板，同時伴隨不同程度的頂板淋水，水量平均為18m3/h，最大時為30m3/h，過X2～X7無炭柱期間巷道采用工剎網支護，支護棚距為400mm，巷道壓力大，此段巷道支護工字鋼棚梁腿彎曲變形較大、棚梁腿扭結蹬出。
3.1.2支護設計過無炭柱X10、X12期間巷道采用U29型鋼支護，支護棚距為500mm，相對工剎網支護強度大、變形較小，并在過無炭柱X4時，由于巷道出現高頂4m，支護困難，采用山西安民宏遠公司的FCC材料充填12m和FSS材料對巷道加固6m，確保巷道安全通過了破碎高頂區。
3.1.3支護方案對比原支護方案：11號煤回風大巷從主井方向431～488m區域、從伊田方向559～720m區域均采用工剎網支護，支護棚距為400mm，巷道變形嚴重，棚梁彎曲扭結，棚梁中心下沉約為350mm，棚腿向巷道彎曲約250mm，出現扭結、棚腿蹬出等情況，需要及時進行修復，以滿足礦井安全生產需要。修復方案：在巷道貫通后統一對異常區域的變形工剎網棚進行更換，采用U29型鋼半圓拱進行支護頂板，支護棚距為500mm。
3.211號煤帶式輸送機大巷修復設計
3.2.1工程概況11號煤帶式輸送機大巷從（主井段）和（伊田段）兩個方向掘進，主井方向掘進至497、534m時，揭露無炭柱X8、X11，伊田方向掘進至532、680m時遇到無炭柱X6、X13，巷道過無炭柱期間全斷面為黃泥和碎石，且粘結性強，無頂板，同時伴隨頂板裂隙水，水量為8m3/h，過無炭柱X6～X8巷道采用工剎網支護，支護棚距為400mm，支護棚距為400mm，巷道壓力大，此段巷道支護工字鋼棚梁腿彎曲變形較大、棚梁腿扭結蹬出
3.2.2支護設計過無炭柱X11～X13期間巷道采用U29型鋼支護，支護棚距為400mm，相對工剎網支護強度大、變形較小，并在過無炭柱X8期間，巷道在掘進過程中出現高頂，冒落高度為4.5m，支護困難，高頂區采用山西安民宏遠公司的FCC材料對巷道充填了10m和FSS材料對巷道加固了5m，確保巷道安全通過了破碎高頂區。
3.2.3支護方案對比原支護方案：11號煤帶式輸送機大巷從伊田方向掘進基本無變形區域、主井方向從467～517m采用工剎網支護30m、U型鋼支護20m，支護棚距為400mm，巷道變形嚴重，棚梁彎曲、棚梁中心下沉約為350mm，棚腿向巷道彎曲約300mm，出現扭結、棚腿蹬出等情況，需要及時進行修復，以滿足礦井安全生產需要。修復方案：在巷道貫通后統一對異常區域的變形工剎網棚、U型鋼棚進行更換，采用U29型鋼半圓拱進行支護頂板，支護棚距為500mm。
4結論
（1）伊田煤礦11號煤巷道在生產過程中，在特殊施工段內呈現出工程軟巖地質的施工特征，針對巷道支護過程中出現的工剎網支護和棚支護不能滿足生產中巷道支護的情況，以及對巷道圍巖特殊段的極端破碎區，進行必要的充填修補措施，這些巷道修復方案在實踐中表現出良好的支護特性，表明巷道修復設計能對類似工程的巷道施工提供一定的參考價值，有助于煤礦企業的安全生產和發展。
（2）煤礦巷道的支護形式日漸多樣化，支護方案的設計也在不斷的豐富。由設計方案的總體分析可以得出，支護方案的設計應該根據實際工程特征，在正確的分析巷道破壞機理的基礎上，才可以保證設計方案滿足煤礦支護使用要求，文章中的局部充填措施和支護形式的設計科學合理，具備良好的應用前景。
作者：馬富君 單位：伊田煤業公司
