高應(yīng)力軟巖條件下煤礦巷道支護(hù)研究與實(shí)踐

劉爭放

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.24.057

摘 要：我國的煤炭資源經(jīng)過多年開發(fā)，儲量不斷減少，因此現(xiàn)在煤礦深度也在不斷增加，而更深處的應(yīng)力就會增加，對煤礦的巷道支護(hù)提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，特別是一些煤礦的地質(zhì)條件比較特殊，地下巖層情況復(fù)雜，對巷道支護(hù)的要求就更高，現(xiàn)在煤礦安全采掘的研究重點(diǎn)就是尋找更加科學(xué)合理的支護(hù)方式。該文簡要介紹了高應(yīng)力軟巖，并介紹了巷道支護(hù)原理，以實(shí)例探討最佳支護(hù)方式。

關(guān)鍵詞：高應(yīng)力軟巖 巷道支護(hù) 研究實(shí)踐

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（c）-0057-02

到目前為止，我國的能源結(jié)構(gòu)還是以煤礦為主要能源，因此近些年的煤礦消耗量巨大，煤炭的儲量也在逐年下降，煤礦層的深度也在逐年增加。我國的煤礦開采深度逐年增加，巷道支護(hù)難度逐年增大。現(xiàn)在煤礦安全采掘的研究重點(diǎn)就是尋找更加科學(xué)合理的支護(hù)方式，該文以某煤礦的巷道為例，試驗(yàn)了3種支護(hù)方式，確定了其中的最優(yōu)。

1 高應(yīng)力軟巖概述

在巖石力學(xué)和工程界有關(guān)軟巖并沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，很多研究者都持有自己的觀點(diǎn)。劉高等人認(rèn)為，高應(yīng)力地區(qū)有一種巖石可以被稱為軟巖。這類巖石具有非常特殊的特點(diǎn)：這類巖石在應(yīng)力比較小或者處在地表淺部時候巖體十分堅硬；而在高應(yīng)力、低圍壓的條件下，巖體的強(qiáng)度和彈性模量都較高；而在高應(yīng)力、高圍壓條件下就會表現(xiàn)出軟巖的性質(zhì)。

（1）通常情況下滿足飽和抗壓強(qiáng)度大于或等于25 MPa的比較堅硬的巖石才會形成高應(yīng)力軟巖。

（2）能形成軟巖的巖石巖體顆粒通常都比較小，巖體比較容易破碎，彈性模量比較小，比較容易形成流體。開挖前的巖體具有較高強(qiáng)度和彈性模量；而開挖以后巖體的圍壓較低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面張開，強(qiáng)度和彈性模量大大降低。

（3）能形成軟巖的巖石通常都埋在地底很深的位置，水平應(yīng)力很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力。目前我國大多數(shù)煤礦的開采深度的巖石的自重應(yīng)力都達(dá)不到高應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，只有埋藏在地下很深的地方的巖石的水平應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力，才能滿足高應(yīng)力的條件。

2 高應(yīng)力下巷道變形

煤礦巷道在高應(yīng)力條件下會出現(xiàn)明顯的變形，主要有以下特征：（1）巷道圍巖會發(fā)生明顯變形，高應(yīng)力下軟巖的變形情況取決于軟巖自身特征，因?yàn)樗綉?yīng)力要遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力，因此巷道的水平收斂量也要大于拱頂下沉量，通常會出現(xiàn)尖頂、底部鼓起和兩側(cè)向內(nèi)偏移等；（2）巷道在初始變形速率高。因?yàn)樗綉?yīng)力遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力，因此挖掘巷道時卸載速度快，產(chǎn)生壓力大，造成早期的變形速率高；（3）巷道圍巖的流變性能明顯，因此巷道變形的時效性很強(qiáng)。巖體流變造成圍巖產(chǎn)生過大的變形，巷道支護(hù)體不能滿足需要，圍巖會產(chǎn)生更加明顯的變形。

3 高應(yīng)力下巷道支護(hù)工作原理

已經(jīng)有很多學(xué)者研究過巷道支護(hù)的工作原理，掌握了一些軟巖力學(xué)屬性和變形力學(xué)機(jī)制，但是軟巖巷道在高應(yīng)力條件下變形量大、受壓大、支護(hù)困難。何滿潮等人認(rèn)為單一的變形力學(xué)機(jī)制不能解釋軟巖巷道的圍巖變形，而應(yīng)該采用多種變形力學(xué)機(jī)制結(jié)合來解釋。并且軟巖巷道和硬巖巷道的本構(gòu)關(guān)系存在明顯差異，因此它們的支護(hù)原理也大不相同。硬巖巷道在支護(hù)時嚴(yán)禁出現(xiàn)塑性狀態(tài)，因?yàn)橛矌r在塑性狀態(tài)下不具有承載能力。而軟巖巷道開挖后需通過某種手段釋放其強(qiáng)大塑性能，并且軟巖在塑性狀態(tài)下承載能力依然存在。

巷道開挖后圍巖會受到各種力的作用，這些力促使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動，假設(shè)這些力的合力是PT，那么巷道支護(hù)的原理可以描述為：巷道開挖后使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動的合力PT等于變形形式轉(zhuǎn)化的工程力PD、圍巖自撐力PR和工程支護(hù)力PS之和。也就是說巷道開挖后促使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動的力并不全是工程支護(hù)力PS，而是由PD、PR和PS共同作用。軟巖巷道支護(hù)時軟巖必然會進(jìn)入塑性狀態(tài)，因此必須在設(shè)計時留下足夠的釋放時間和空間保證軟巖的強(qiáng)大塑性能釋放。

4 某煤礦巷道支護(hù)實(shí)例

4.1 某煤礦情況簡介

該煤礦井田高度差較大，最深處有1 081 m，最低處是443 m，巷道圍巖由多種巖石組成，主要有灰?guī)r、細(xì)砂巖和泥巖等。該煤礦的瓦斯和煤儲量豐富，礦井內(nèi)的應(yīng)力很高，水平應(yīng)力大約為豎直的自重應(yīng)力的2倍左右，水平應(yīng)力相當(dāng)大。巷道的圍巖破碎嚴(yán)重，礦井之前采用錨網(wǎng)噴加料石進(jìn)行支護(hù)，但是巷道依然會受到不同程度的變形破壞，因此在礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行多種巷道支護(hù)方式試驗(yàn)，以便獲得高應(yīng)力條件下的最佳支護(hù)方式。

4.2 3種高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)方式

經(jīng)過研究，進(jìn)行如下3種支護(hù)方式試驗(yàn)：錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)、錨梁網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護(hù)及錨梁網(wǎng)和拱形支架聯(lián)合支護(hù)，每種支護(hù)方式都是80 m。

（1）錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)：首先采用光面爆破技術(shù)挖掘巷道，在爆破以后初噴，并迅速打好錨孔，然后在錨孔中安裝錨桿，同時把鋼絲網(wǎng)和鋼梁掛好作為第一次支護(hù)，最后噴射混凝土進(jìn)行第二次支護(hù)。

（2）錨梁網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護(hù)：首先使用光面爆破技術(shù)挖掘巷道，在爆破之后進(jìn)行初噴并打好錨孔，然后在錨孔中安裝錨桿，同時把鋼絲網(wǎng)和鋼梁掛好作為第一次支護(hù)，然后噴射混凝土進(jìn)行第二次支護(hù)，最后在巷道靠近頂部兩側(cè)打上錨索加強(qiáng)支護(hù)。

（3）錨梁網(wǎng)和拱形支架聯(lián)合支護(hù)：在爆破以后初噴，并迅速打好錨孔，然后在錨孔中安裝錨桿，同時把鋼絲網(wǎng)和鋼梁掛好，然后裝上拱形支架作為第一次支護(hù)，最后噴射混凝土作為第二次支護(hù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

觀測錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)巷道76 d，拱頂下沉40.69 mm，兩幫收斂80.25 mm，拱頂下沉速度為0.54 mm/d，兩幫收斂速度為 0.85 mm/d；觀測錨梁網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護(hù)巷道70 d，拱頂下沉 24.45 mm，兩幫收斂142.13 mm，拱頂下沉速度為0.35 mm/d，兩幫收斂速度為2.03 mm/d；觀測錨梁網(wǎng)和拱形支架聯(lián)合支護(hù)的巷道67 d，拱頂下沉3.81 mm，兩幫收斂13.94 mm，拱頂下沉速度為0.06 mm/d，兩幫收斂速度為0.21 mm/d。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用錨梁網(wǎng)和拱形支架聯(lián)合支護(hù)的巷道在拱頂下沉和兩幫收斂方面都具有最好的效果，因?yàn)樗梢宰寚鷰r應(yīng)力通過一定方式釋放，因此圍巖有一定的變形也不會影響巷道的穩(wěn)定。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)在我國的煤礦深度不斷增加，巷道支護(hù)困難越來越大，巷道支護(hù)已經(jīng)成為煤礦發(fā)展的主要阻礙，巷道支護(hù)方式已經(jīng)成為近些年煤礦研究的熱點(diǎn)。通過某煤礦的試驗(yàn)分析可知，錨梁網(wǎng)和拱形支架聯(lián)合支護(hù)在高應(yīng)力軟巖條件下是一種十分有效的巷道支護(hù)方式，可以極大地降低巷道拱頂下沉量和兩幫收斂量，具有重要的應(yīng)用價值，各煤礦可以加深該種支護(hù)方式研究，廣泛應(yīng)用，安全采掘煤炭資源。

參考文獻(xiàn)

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