作者单位：川煤古叙煤田观沙煤业公司观文煤矿

 

　　摘 要： 软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质岩石等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。观文煤矿建矿期间掘进所处地层的岩石以泥质粉砂岩、泥岩、粘土岩为主，属软岩结构。本文以对观文煤矿掘进临时超前支护的介绍，讨论软岩临时超前支护。

　　关键词：软岩 支护 管棚
　　观沙煤业观文煤矿+1155m总回风巷及回风石门均处于较为松散、破碎、软弱及风化膨胀性的砂岩、泥夹岩，其施工时表现出软岩的可塑性和流变性，属于典型的软岩施工。软岩开挖的核心就是及时支护，其重点是初次支护的强度必须满足抵抗围岩变形的要求。
　　根据围岩特征，我矿永久支护采用格栅支架+连接筋+钢筋网片+超前管棚+稳固锚杆+喷砼（喷厚根据条件不同而采用250～300mm）。采用管棚作临时支护；管棚支护既是超前支护，又是临时支护。管棚用于加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力，同时与强有力的工字钢支架作用形成强有力的预加固体系。
　　一、管棚在使用我矿过程中总结起来有起到以下两个作用：
　　1、减小拱跨度作用：如图一所示，沿巷道掘进方向使用管棚支护，各管棚间发生成拱现象，形成的小拱跨度等于管棚的支护间距，与没使用支护管棚的巷道相比，其成拱的跨度是成倍的缩小。显然，拱跨度减小使得岩体调整和成拱的时间大大缩短，能是巷道在开挖后很快形成新的平衡。

　　2、梁的作用：管棚前端嵌入岩体，后端与金属支架相联，从而形成纵向支撑梁，这种结构能非常有效的提供竖向抗力的布置形式。
　　二、管棚的受力状态
　　在巷道开挖过程中，管棚的荷载传递途径为：所有临时支撑完成后，上部荷载由管棚转移至格栅拱支撑上，支撑受弯矩和剪力，再以轴力和弯矩形式传至基座。管棚侧面泥土压力主要由管棚承担。在永久状态时（当完成隧道拱形混凝土结构后），上部及侧面荷载将以压弯和剪切形式传至混凝土拱形结构，再传送到基座。
　　三、加固机理
　　对于软岩地层，巷道开挖后，围岩会发生片帮冒顶，形成松动压力，其中比较有代表性的理论是岩柱理论和普氏理论。
　　岩柱理论适合于埋深极浅的巷道。岩柱理论认为，在软岩地层开挖后，由于顶板下沉及岩柱两侧摩擦力的存在，使顶部岩体卸载，而两侧岩层加载。根据岩柱理论，隧道开挖后边墙侧压很大。因此，在开挖前必须进行超前加固措施，尤其应加强墙部的支护，否则很难成拱，极易使顶板完全塌方。
　　普氏理论适合于埋深较浅的巷道。普氏理论认为，巷道开挖后，顶部岩体失去稳定，产生坍塌，并形成自然拱。随之，巷道两帮由于应力集中而逐渐破坏。因此，顶部坍塌并进一步扩大形成冒落拱。根据普氏理论，对上覆围岩破碎且埋深较浅的巷道，如果不进行超前支护，则巷道顶拱极易坍塌。因此应加强对巷道拱顶的支护。
　　采用管棚进行超前临时支护时，形成的承载拱上部的岩层大部分重量，使拱内部围岩与支护系统处于减压或免压状态，拱内部围岩与支护系统受到的力仅是由于拱向巷道方向的变形引起的形变压力。当管棚为惯性力矩较大的厚壁钢管且沿巷道开挖轮廓周边密布时，加固圈的变形较小，因此巷道支护结构所承受的上部荷载大大减小。
　　四、管棚支护的力学模型
模型的建立必须基于客观的土层条件、支护结构条件和实际的施工步骤，才能真实地反映管棚的受力和变形特点，描述各种因素对管棚支护的影响。
　　管棚支护结构在理想条件下，具有板、壳作用。但实际施作时，难以保证每种作用都能得到发挥，模型建立时完全考虑管棚的作用，不仅使模型的复杂性大大增加，而且也有安全性问题。所以，建立模型时基于以下观点和简化原则：
　　1、由于巷道开挖对土体扰动范围在工作面前1D (D为巷道直径)左右，所以管棚对巷道施工的支护作用始于工作面前至少1倍直径范围外；
　　2、巷道埋深低于2D时，预支护结构上的作用荷载应以无承载拱条件考虑；
　　3、管棚的作用在于将其上的荷载通过自身的梁效应转嫁到已施作好的巷道初支结构和工作面前方的土体中；
　　4、在管棚施工中由于是一次穿越，一次施作，不考虑管棚间搭接；
　　5、假设围岩为各向同性的连续介质；
　　6、支撑管棚基础的围岩为线弹性半无限体，符合Winkler假设。
　　根据以上分析，管棚支护结构的力学模型可以用图二表示。

　　根据管棚的支撑条件，在纵向上可以分为5个区，分别为初支稳定区、初支未稳定区、开挖区、工作面扰动区和未扰动区。初支稳定区即初期支护结构已封闭成环且已有相当强度的区段，拱顶沉降已稳定；初支未稳定区是初支尚未封闭，或刚刚封闭，但由于超挖、混凝土早期强度弱而仍处于松弛状态，拱顶沉降尚未稳定的阶段；开挖区为单日进尺长度，可视为无支撑区：工作面未扰动区为考虑工作面开挖引起应力释放而导致基床系数相应减小的区段；未扰动区即尚未受到开挖影响的区段。
　　在开挖区荷载最大，为计算的工作面扰动区范围高度岩体重量，向两侧至扰动区边界和初支未稳区边界处渐变为零。支撑与管棚孔口管焊成整体，此时端部能承受较大的弯矩和具有较大竖向抗力，可以按固定支座考虑。此外，也可以在开挖一段距离后，已初支作为管端支护的，此种条件下，模型中管端无约束，为自由端。
　　参考文献
　　[1]蔡美峰．岩石力学与工程．北京：科学出版社，2002
　　[2]林锡章．井巷工程．北京：煤炭工业出版社，1999

本网通讯员：犹元强、陈兵

编 辑：晓岚