管棚支护在软岩巷道施工中的应用分析

吴显超 WU Xian-chao

（重庆川九建设有限责任公司，重庆 401120）

摘要： 近年来，我国的煤矿事业得到了较大程度的发展，其中，软岩巷道是非常重要的施工环节。在本文中，将就管棚支护在软岩巷道施工中的应用进行一定的研究。

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关键词 ： 管棚支护；软岩巷道施工；应用

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0111-03

作者简介：吴显超（1985-），男，重庆人，助理工程师，研究方向为现场施工技术。

0 引言

由于深部岩体的工程地质环境非常复杂，导致其力学特性与浅部开采时的力学特性存在较大差异，而且随着开采深度的不断增加，再加上受到硬岩矿井向软岩矿井的转型影响，软岩问题会愈加严重。当深部围岩处于软岩状态时，不利于施工，此时若依然采取适用于浅部开采的传统支护理论、设计方法及技术已经无法满足深部巷道支护的要求，特别是深部软岩巷道支护设计及实际需要，容易在开采过程中出现各种各样的不利影响，比如增加了硐室支护的难度、加大了破坏程度等，严重时甚至会影响生产和威胁安全。面对这种形势，目前我国矿井的当务之急就是研究高效而经济的软岩巷道支护方法，以解决软岩巷道支护难问题。

本文针对软岩巷道结构特性，提出一种管棚超前支护的施工理念，很好的解决了软岩支护的常见问题。通过在重庆地区某煤层施工巷道软岩支护工程中的应用，验证了该支护理念的可行性。

1 软岩巷道的基本特征

①围岩的自稳时间短、来压快。在没有支护的情况下，围岩从暴露起到开始失稳而冒落的时间就是自稳时间。由于软岩巷道的自稳时间通常很短，巷道来压快，只有快速支护或超前支护才能有效保证巷道围岩不冒落。很多因素都会影响到巷道围岩自稳时间，比如围岩强度、地压大小、巷道的断面形状、掘进方式等。

②围岩变形量大、速度快、持续时间长。软岩巷道具有围岩变形速度快、变形量大、持续时间长的特点，通常软岩巷道掘进后的第1-2天，变形速度小的是5-10mm/d，变形速度大的达50-100mm/d，而且变形持续时间很长，甚至会在半年以上。

软岩巷道的围岩变形量，即使在支护良好的情况下也会出现60-100mm的变形，若支护不当，经常会出现300-1 000mm以上的围岩变形量。

③围岩的四周来压、底鼓明显。较坚硬的岩层对支架的压力来自顶板，中硬岩层对支架的压力来自顶板和两帮，而松软岩层巷道中则四周来压、底鼓明显。这是因为松软岩层的结构疏松、强度低，难以把上覆岩层的重量支撑起来，围岩在自重地压的作用下造成底鼓明显。

2 软岩巷道支护存在的问题

2.1 岩层成岩年代晚，胶结程度差

我国软岩矿区主要分布在开采新生界第三纪褐煤和开采中生界上侏罗纪的褐煤矿区。这些矿区煤层顶底板岩石普遍存在岩层成岩年代晚，胶结程度差的问题，所以怕风、怕水、怕展。

2.2 岩石强度低

煤矿软岩具有岩石强度低的特点，其单向抗压强度弱，在这种情况下，围岩一旦遇到中等或稍高应力，就可能会出现较大的围岩变形，导致支护困难。

2.3 节理发育，岩体破碎

即使有些矿区岩石强度符合要求，但如果节理发育，岩体破碎，其支护也非常困难，因此在节理发育，岩体破碎的地层中，软岩特征也很明显。

2.4 围岩应力水平高

岩石强度低是形成软岩的关键因素，但并不是唯一的因素。岩石强度的高低是一个相对的概念，其和地应力密切相关，若岩体强度低，但地应力也相对低的话，也不会形成软岩特征。围岩应力水平高，表现在三个方面：

①巷道埋深大。随开采深度的增加，一些原本稳定性较好的围岩也显现出软岩的特征。

②构造应力大。

③集中应力作用。连接处巷道、受邻近巷道掘进影响的巷道等，其围岩均承受一定的集中应力，从而使围岩由稳定状态过渡到软岩状态。

2.5 岩石吸水膨胀

遇水膨胀地层，由于含有很多的粘土矿物成分，若没有采取良好的治水措施，一旦这些粘土矿物成分遇到水后就会出现明显的体积膨胀，进而给支护工作带来更多的困难。

3 超前管棚支护概述

3.1 支护原理

管棚支护是规避上述问题的一种有效的支护形式。在煤矿工作中，软岩巷道施工是非常重要的一项工作，其中，架棚支护是一种应用较为广泛的支护方式。在掘进巷道冒顶事故中，所出现的冒顶类型一般为漏垮型，即其冒顶规模首先较小，会随着时间的推移而使冒顶范围逐渐加大，最终因为出现20m以上的冒顶情况而造成人身事故的出现。而对于超前管棚支护技术来说，其属于一种前探支架超前支护，能够在应用的过程中将松软破碎顶板使用前管棚进行托起，并在形成一个较好整体的基础上避免小冒落情况的出现，以此对煤矿的安全生产进行实现。而如果顶板为较易出现破碎情况类型、在出现暴露情况时非常容易导致出现冒顶情况时，则可以通过该技术的应用，在以300mm距离支护的基础上保证其前进方向同巷道一致，且角度控制在5°以内，则能够保证巷道能够在管棚的掩护下安全掘进。

3.2 适用范围

管棚支护可适用于：软弱砂土质地层、砂卵砾石地层，膨胀性软流塑、硬可塑状粉质粘土地层，裂隙发育岩体、突泥突水段、断层破碎带、塌方段、破碎土岩堆地段、浅埋大偏压等地质和地下水丰富条件的地下构筑物施工的支护，隧道进出口段开挖的支护，也多应用于地铁等穿越城区的地下工程的开挖预支护，可作为穿越既有建筑物、公路、铁路及地下结构物下方修建隧道的辅助方法；作为隧道洞口段及修建大断面隧道施工的辅助工法及作为其他施工的辅助工法，也常用于浅埋但不宜明挖地段或浅埋隧道情况下，地表有建筑物、或隧道接近地中结构物时等对施工沉降有特殊要求的工程等。

3.3 管棚支护形式

目前常见的管棚支护形式有扇形、半圆形、门形、全周形、上部一侧、一字形几种（如图1所示）。在实际施工中，应该结合现场条件合理选择支护形式，以达到预期的支护效果。

4 管棚支护在巷道施工中的实际运用

4.1 工程概况

我国新疆阿克苏市拜城县某煤矿机轨合一巷施工巷道，其设计长度为2300m，顺着A3煤层顶板方向进行掘进，巷道距A3煤层顶板约8m，且距离A2煤层约12m。

在该巷道中，其设计高度为4.3m，设计宽度为4.6m，采用锚网喷支护。锚杆方面，其为长度2300mm、直径20mm的螺纹钢锚杆，间排距为800*800mm，且在每根锚杆上都使用了树脂锚固剂进行了锚固。在实际施工过程中，因地质构造A2煤层处于巷道左帮，煤厚约0.8m，其顶板属于易破碎、较为松软的类型，巷道右帮为页岩、并有少量淋水，仅仅以锚网彭支护不能够对顶板进行较好的控制，且巷道也具有着较为严重的冒落现象。虽然已经根据其实际情况采取了一定的放水措施，但是在实际施工中依然具有一定的水分对煤层顶般造成了侵蚀现象，并因此对巷道的实际控制工作开展带来了一定的难度。而当该巷道施工到1640m位置时，也出现了一次较小的冒顶事故，为了避免后续施工中更大事故的出现，在相关人员联系实际的基础上决定以超前管棚支护的方式对顶板进行控制。

4.2 超前管棚支护的应用情况

对于超前管棚支护技术来说，其能够通过管棚的应用对松软顶板进行托起，使其在形成一个整体的基础上避免出现小的冒落情况，可以说是有效避免重大冒顶事故出现的一种有效支护方式。而如果巷道上方顶板处于较易破碎的情况，且顶板具有一点的暴漏情况，就很可能因此造成冒顶事故，对此，通过超前管棚支护技术的应用则能够对该问题进行较好的解决。在对巷道顶板实际情况进行联系的基础上，我们对超前管棚进行了安装，安装方向方面，则需要保证其能够同巷道前进方向保持一致，即巷道能够一直处于管棚掩护的状态下前进。

在实际对相关进行施工时，我们采用超前管棚+钢支架联合支护，一掘一喷每个循环1.8m，首先在巷道顶板钻出一个直径为50mm、深度为3m的钻孔，并在钻孔之后对孔内所存在的煤粉进行清扫，之后再使用铁锤将长度为2.6m的钢管打入，保证钢管外露长度为400mm，以间距300mm长度进行支护，且保证管棚上仰角度在5°以内。在外露钢管方面，则需要通过钢支架的使用对其进行压紧，以此保证其能够同巷道顶板保持紧密性。而在对其检查、合格之后，则可以在管棚掩护下开展支护以及掘进工作，当进行下个循环施工时，则需要以同样的方式对二次管棚进行安装，并以该种方式进行直至将巷道顶板区域全部施工完毕。

4.3 应用效果

①防止塌方。由于管棚支护的作用，减少了巷道作业面上覆的土压力，提高了软围岩的稳定性，从而避免了土体塌方。

②阻断沉降。管棚超前支护结构使地表沉降从45%~50%降低至30%~35%，巷道顶部沉降量也减少了40%，有效控制了巷道沉降。

③提高了围岩的力学参数，增大地层自稳能力。在煤巷支护施工中，为了增大管棚的刚度和管棚与围岩的粘结力，常常在关棚内注入水泥浆、水玻璃等材料，使管棚与周围土体成为一个整体，从而大大增强土层的自稳能力。

5 结论

软岩巷道的支护工作技术含量很高，特别是对深部围岩的施工，一旦处理不当，严重时甚至会影响整个矿井的经济效益和人员安全。管棚在施工过程中通过钻孔可以准确预知管棚作用范围内的围岩状况，为随后的注浆和开挖提供第一手地质资料，有利于施工方案的选择。管棚支护与其他预支护方法相比，具有安全可靠、工期短、效率高、支护效果好、经济效益和社会效益明显的优势。总的来说，超前管棚支护是对巷道破碎顶板问题进行解决的一类有效方式，在上文中，我们对管棚支护在软岩巷道施工中的应用进行了一定的研究与分析，并获得了较好的应用效果，具有较好的应用意义与推广价值。

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