深部巷道圍巖控制原理與應用研究

李劍鋒

【摘 要】 隨著采煤技術的進一步發展，礦井逐步向更深的區域發展，井下各種問題便隨之而來，頂部煤層較大下沉，巖石性質改變，礦山壓力快速增大，還有大斷面的出現，淺井的支護方法需要進一步改善，必須具有高強度的支護結構才能適應深部巷道開采，對圍巖應力進行調整，維護費用很高。弄清厚頂煤層巷道的穩定原理。圍巖巷道的支護方式，要根據巖層的穩定性、巷道的服務年限和技術經濟的合理性來選擇。還要對巷道支護失效進行分析，加強頂板支護，想出進一步解決辦法。

【關鍵詞】 深部巷道；厚頂煤；破壞機制；礦壓顯現；斜拉錨索梁

前言

我國煤炭儲量大部分埋藏于地下深部，許多煤礦的開采深度已經超過了600—800m，回采工作面任務量巨大，增加了大型的機械設備，回采動壓較大，地應力和構造應力突出，巷道寬度不得不增加，又要滿足回風運輸的要求，圍巖變形嚴重，巷道掘進工作難度極度增大。分析變形破壞機制，采用理論分析來解決深度煤層圍巖變形控制技術。

1 深部巷道圍巖變形破壞分析

1.1 深部巷道圍巖難控制原因

隨著開采深度的增加，掘巷后圍巖表面應力解除，巷道地應力增加，巷道底鼓嚴重，集中應力峰值相對無限外移，迅速向兩幫煤體內部移動，降低了兩幫對頂板的支護，塑性區向直接頂縱向發展，發生高應力劈裂現象。深部巷道礦壓特征明顯，例如塑性區、破碎區顯著增加，巷道掘進中兩幫和底角最容易出現巖石松軟、破損、產生塑性區域。

1.1.1 頂煤的冒落拱作用機制

巷道寬度較小時，開采難度小，圍巖壓力弱，裂隙小，直至開采深部煤層，掘巷后圍巖表面應力解除，頂煤松動區域形成松散冒落拱。

1.1.2 層理面剪切作用機制

煤層在淺部埋藏時，所受法向應力和剪切應力較小，深部正常應力狀態下，層理面最容易發生剪切破壞。淺部煤體迅速破壞導致頂煤下沉量增大。在深部構造應力與淺部應力不同的情況下，剪應力逐步加大，頂煤產生水平位移，方向由兩幫向中部發展。

1.1.3 水平應力作用機制

在沒有支護的情況下，頂煤表面垂直應力臨近為零，而水平應力較為增高，后者與前者之比趨于無窮大的狀態。伴著巷道寬度的不斷增大，撓曲導致頂板中部破壞，頂煤彎曲下沉速度和數量增大，次生水平應力增長。采掘面逐步加深后，兩者比值減小，剪切破壞成了主要的破壞方式。

1.2 深部巷道圍巖穩定原理分析

1.2.1 圍巖穩定控制技術

由于深部厚煤層巷道圍巖伴隨著大斷面的出現，頂板下沉量增加、圍巖塑性區域延伸、淺煤層頂煤發生破壞，克服巖石抗拉強度小的弱點，提出高強高預緊力錨帶網，錨帶網與頂煤形成共同支護體通過錨入圍巖內部的錨桿，充分利用圍巖本身抗壓強度大的特點，在巷道周圍形成一個整體而又穩固的巖石支撐帶，憑借韌度大、剛度大、維護面廣等特點以達到維護巷道的目的，達到支護體與圍巖共同承載的目的。高阻讓壓錨桿支護技術也是一種積極防御性支護方法。此方法往往超過錨桿的錨固范圍，所以要想出進一步的解決辦法，采用錨索加強對頂煤必要的實質性控制。

1.2.2 斜拉錨索梁的控制作用

斜拉錨索梁的支護作用主要表現于：

（1）加固錨索錨固控制區域內的煤層和煤層圍巖。預應力錨索通過錨索的擠壓加固，防止出現松散“冒落拱”，減小其變形和離層，實施控制作用，可以更好地對錨桿錨固范圍內的煤巖體進行支護作用，還會起到加固、緊實作用，約束錨桿錨固區外煤體，防止出現松散“冒落拱”。

（2）控制好頂煤與直接頂巖層間產生的剪切變形，斜拉錨索穿過巷道兩側通過擠壓增加層理面之間的摩擦力，在一定程度上可阻止“倒梯形”塑性的形成，提高層里面剪切剛度，塑性部分減小。

（3）防止圍巖較松軟破碎，避免出現拱形冒現象，能夠減小水平拉力產生的破壞對松散煤巖體起到兜護作用，

2 深部巷道圍巖控制原理分析

我們可以從圍巖強度、圍巖應力、支護技術三個方面來解決深部巷道圍巖控制難的問題，它們是防止圍巖出現塑性區域的關鍵性因素，從而實現深部巷道圍巖穩定。

2.1 提高圍巖強度

2.1.1 錨桿支護強化圍巖強度

錨桿支護煤層煤礦巷道， 由于圍巖松軟， 加之埋藏深，受采動、構造應力的影響， 地應力很大圍巖破壞嚴重， 因而其周圍存在著破碎區、塑性區和彈性區，錨桿支護煤層的作用在于提高圍巖強度。采用高強錨桿支護通過實驗室試驗和理論分析， 研究巷道錨桿支護對錨固范圍巖體峰值強度和殘余強度的強化作用以及對錨固體峰值強度前后力學參數的改善， 隨錨桿支護強度提高，分析錨固體強度強化后對巷道圍巖塑性區和破碎區的控制程度，這種方法保持了頂煤的自身穩定性。

2.1.2 圍巖注漿

運用圍巖注漿的方法把破碎的巖石加固，改善其力學參數，起到充填裂隙、封閉水源，隔絕空氣的作用，防止巖石遭受風蝕。此方法主要針對于軟弱，破碎圍巖。

2.1.3 加固關鍵部位

避免出現視頂板、忽視兩幫和底板的思想，兩幫和底板出現變形會導致巖石碎脹變形，采用樹脂藥卷加長錨固，高預緊力。高強度錨桿支護兩幫底角破碎區，塑性區很大，通過注漿加固的方法，能夠提升兩幫和底角破碎塑性區的韌度，阻止其更進一步地破碎。

2.2 減小巷道圍巖應力

整體地且合理地規劃巷道布置，減少采空區變形對巷道巖體、巷道形態的破壞，盡最大努力的減少煤層圍巖受到的壓力。合理設計煤礦巷道的尺寸、大小，充分發揮錨索支護能力，預算好保護煤柱的數量和保護煤柱的穩定性。盡量減小淺部煤層圍巖應力，使深部煤炭巷道圍巖變形量減小，維護良好的深部煤礦巷道支撐力。

2.3 采用合理的錨桿支護技術

2.3.1 高強度，大延伸量錨桿支護

采用樹脂藥卷加長錨固，使用高強度錨桿支護，阻止深部巷道圍巖變形是不可能實現的，大延伸量錨桿支護允許圍巖有一定變形，但選擇合理的錨桿支護可提供較大的支護阻力，改變塑性區流變速度，使圍巖變形速度降低，塑性區域擴展速度降低，改善巷道維護狀況。

2.3.2 增大錨桿預緊力

錨桿注漿完成，固結后產生的錨固力。錨桿的抗拉拔力與注漿的材料及其強度、錨桿直徑、錨固長度、孔的大小等因素有關系。增大錨桿預緊力能夠給錨桿提供較大的初始支護阻力，為預防圍巖松弛、滑動而通過張拉設備施加的荷載，承載外部圍巖承受的剪應力，錨桿又具有較大延伸率可使錨桿固體保持較大的支護阻力，支撐外部圍巖破碎帶。

2.3.3 改善錨索性能

對巖層施加壓力對不穩定巖體進行錨固，使用新型材料制造的錨索，避免破斷失效。

3 工程應用

深部大斷面厚頂煤巷道圍巖穩定原理是我們施工的主旨思想，我們要對厚頂煤回采巷道支護設計進行多次的試驗，確保試驗的準確度，用支護能力較高的高強錨帶網支護，同時用斜拉錨索梁對頂煤進行加強防護，并鋪設金屬網和鋼帶。計算頂煤使屈服強度，設計好頂、幫間排距，選好錨索的規格。

河南平頂山礦務局為梯形斷面，煤層松軟、強度小、單軸抗壓強低，工作面埋深為870～930m，煤層厚度3.5～4.3m，傾角14度到23度。直接頂為砂紙泥巖，構造結構為裂隙發育，在巷道掘進工作中容易出現冒頂和片幫的現象。采用了超前鉆孔應力轉移技術、高阻讓壓錨桿支護技術，在掘進迎頭前方煤層布置鉆孔，采用樹脂藥卷加長錨固，高阻力，大伸長量的抗破斷錨桿實現高阻讓壓支護，結合瓦斯抽放，降低塑性區流遍速度，減少頂板下沉量，對兩幫的圍巖實現高阻讓壓支護，很大程度的縮短了巷道塑性變形速度又增大了穩定時間，有效阻止底鼓，控制兩幫的向中間移動。

3 結語

深部大斷面厚頂煤巷道的變形破壞特征是“拱形”巷道出現在巷道寬度較小，這時塑性區出現在頂煤，而“倒梯形”形態出現在巷道寬度較大時，“矩形”形態出現在直接頂塑性區。表現為冒落拱、層理面剪切以及水平應力是主要的頂煤變形破壞機制。

采用高強高預緊力錨帶網、高阻讓壓錨桿支護技術能夠有效地提供煤層圍巖破碎、塑性變形的阻力，起到懸吊、兜護、加固的作用消除淺部頂煤拉破壞。加固錨索錨固范圍內的煤巖體需要用斜拉錨索梁進行固定，頂煤中發生的拉破壞能夠得到有效的控制。

參考文獻

[1] 馮朝朝，丁凌霄，毛彥鑫.深井高應力復合頂板巷道圍巖控制技術[J].煤礦安全，2012（8）：92-93

[2] 張向陽.復雜條件下松軟散巷道圍巖控制原理與應用技術研究[J].采礦技術，2012，（4）：78-79

[3] 張農，李桂臣，闞甲廣.煤巷頂板軟弱夾層層位對錨桿支護結構穩定性影響[J].巖土力學，2011，（9）：124-125