采動(dòng)壓力影響下掘進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)研究

楊志勇

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏 銀川 750000）

科學(xué)合理的巷道支護(hù)方案能夠在確保企業(yè)生產(chǎn)安全的情況下節(jié)約施工成本，并且減少巷道的維護(hù)與加固次數(shù)，從而讓開采作業(yè)具有連續(xù)性，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。而目前由于礦藏的開采條件日益復(fù)雜，支護(hù)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)難度也在不斷加大，深層開采和高作業(yè)強(qiáng)度導(dǎo)致采動(dòng)壓力、地應(yīng)力和相應(yīng)的圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化的復(fù)雜程度都在不斷地提升。因此，對(duì)于采動(dòng)壓力影響下的掘進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)的研究越發(fā)引起了人們的重視。

1 采動(dòng)壓力對(duì)掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性與完整性的影響

1.1 掘進(jìn)巷道圍巖的主要載荷及其破壞作用機(jī)理

掘進(jìn)巷道圍巖在采掘活動(dòng)開始前主要受到自重影響，應(yīng)力分部狀況處于相對(duì)平衡狀態(tài)，因而不同層面之間以及巖體本身在拉應(yīng)力、剪切應(yīng)力與壓應(yīng)力在三個(gè)方向的作用下相對(duì)位置比較穩(wěn)定。

而當(dāng)采掘活動(dòng)開始后，處于地下深處的圍巖會(huì)因采空區(qū)的形成而受到擾動(dòng)，原本已經(jīng)達(dá)到平衡的內(nèi)部應(yīng)力不可避免被破壞，從而引發(fā)巖體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的重新分布。在應(yīng)力場(chǎng)形成新的平衡的過(guò)程中，巷道頂板、底板以及兩幫都會(huì)因應(yīng)力作用出現(xiàn)不同程度和循序漸進(jìn)的彈性變形、塑性變形直至巖層破裂。體現(xiàn)為巷道的兩幫向內(nèi)側(cè)收斂、頂板下沉以及地鼓現(xiàn)象，并且破裂與松散的巖體會(huì)出現(xiàn)剝落，造成巷道截面積變小與巷道的不規(guī)則變形，對(duì)采掘活動(dòng)的安全形成很大威脅。

巷道的圍巖變形和破壞程度與圍巖的巖性、地應(yīng)力大小以及巷道的布置有關(guān)，一般巷道布置需要避開地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的區(qū)域，選擇圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、巖性較硬且水文地質(zhì)環(huán)境理想的方案。

1.2 采動(dòng)壓力對(duì)掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性與完整性的影響

在巷道開拓或回采的過(guò)程中，巷道圍巖所受到的三向平衡應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)而受到擾動(dòng)，原本與巷道內(nèi)壁形成穩(wěn)定應(yīng)力作用關(guān)系的礦層被破壞，從而使圍巖內(nèi)部形成壓應(yīng)力。

而由于目前開采深度和開采強(qiáng)度的增加，這種壓應(yīng)力的水平對(duì)巖體自身的強(qiáng)度來(lái)說(shuō)越來(lái)越大，形成巖體受壓破碎、受剪離層和受拉斷裂等現(xiàn)象，破壞了圍巖的整體性并降低了圍巖的強(qiáng)度，引起部分巖體的約束力失效并脫落，使圍巖整體結(jié)構(gòu)失去了穩(wěn)定性。

因此，采動(dòng)壓力對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性的影響是企業(yè)生產(chǎn)中需要面對(duì)的重要課題。

2 巷道支護(hù)技術(shù)的基本原理及其發(fā)展概述

2.1 巷道支護(hù)技術(shù)的基本原理與應(yīng)用

支護(hù)技術(shù)是確保巷道的圍巖結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性的手段，根據(jù)對(duì)巷道地質(zhì)環(huán)境的勘查，了解巷道圍巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、巖性以及水文地質(zhì)條件后，對(duì)于不同功用以及不同設(shè)計(jì)使用年限的巷道選擇科學(xué)的支護(hù)技術(shù)、材料與支護(hù)構(gòu)件以及施工工藝，能夠?qū)κ艿讲删蚧顒?dòng)擾動(dòng)和破壞的圍巖形成支撐與防護(hù)，防止破碎巖體墜落、裂隙擴(kuò)大和控制圍巖變形位移，從而確保應(yīng)力重新分部的過(guò)程中巷道的安全。

并且需要在受到擾動(dòng)的巖體內(nèi)部應(yīng)力逐漸達(dá)到新的應(yīng)力平衡的過(guò)程中，盡量確保支護(hù)構(gòu)件不會(huì)因承受過(guò)大的應(yīng)力作用而破壞和失效。

2.2 巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介

近年來(lái)，巷道支護(hù)技術(shù)從原材料的使用到支護(hù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，以及支護(hù)技術(shù)的理論研究都發(fā)生了很大變化。由于新材料、新技術(shù)以及新理論的應(yīng)用，巷道支護(hù)技術(shù)從過(guò)去的對(duì)已經(jīng)被破壞的巷道圍巖施加支撐與防護(hù)，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)支護(hù)體系的設(shè)計(jì)維護(hù)圍巖的整體性和穩(wěn)定性，使其荷載能力在采掘活動(dòng)開始后始終得以保持，讓支護(hù)構(gòu)件與圍巖共同形成新的整體承載結(jié)構(gòu)[1]。

基于這一支護(hù)理念的巷道支護(hù)技術(shù)，得益于近年來(lái)普遍被使用的圍巖錨固技術(shù)及其理論的日漸完善，解決了過(guò)去使用木材、鋼材或鋼筋混凝土為主要支護(hù)材料時(shí)面對(duì)的材料強(qiáng)度和抗腐蝕性問(wèn)題的同時(shí)，簡(jiǎn)化了施工工藝，并實(shí)現(xiàn)了支護(hù)構(gòu)件與圍巖之間的緊密連接。而相關(guān)理論的發(fā)展則為精確的設(shè)計(jì)支護(hù)構(gòu)件和支護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)提供了分析與計(jì)算的依據(jù)。

因而，目前巷道支護(hù)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)主要以經(jīng)濟(jì)實(shí)用的圍巖錨固技術(shù)為主。

3 采動(dòng)壓力影響下常見的支護(hù)技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 錨桿支護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用理論概況

錨桿支護(hù)是圍巖錨固支護(hù)技術(shù)最常用到的一種支護(hù)形式，早期的錨桿支護(hù)理念是給遭受破壞的圍巖施加被動(dòng)的支撐，避免其變形和破壞加劇。

溢洪道后凍土膨脹對(duì)壩肩的低溫壓力如圖2所示。可以看出溫度應(yīng)力在凍結(jié)期結(jié)束時(shí)急劇增加，見圖2(a)，在y的深度大約等于0.3 MPa，見圖2(b)，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果一致。

而隨著粘結(jié)劑性能、錨桿施工技術(shù)以及其應(yīng)用理論的不斷進(jìn)步，通過(guò)粘結(jié)劑將打入巖體深部的錨桿與圍巖緊密的錨固為一體，已經(jīng)能夠通過(guò)預(yù)應(yīng)力對(duì)不穩(wěn)定的巖體結(jié)構(gòu)主動(dòng)施加壓應(yīng)力，從而讓松動(dòng)和出現(xiàn)破裂的巖體結(jié)構(gòu)重新穩(wěn)固，并且通過(guò)多個(gè)錨桿支護(hù)作用的疊加，形成一定范圍內(nèi)巖體與支護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成的整體承載結(jié)構(gòu)。而錨桿支護(hù)的理論研究基于錨桿與巖體之間的緊密連接和形成的承載結(jié)構(gòu)的作用，以其對(duì)圍巖的懸吊作用、承壓作用或新的結(jié)構(gòu)內(nèi)部圍巖各部分之間的相互作用力為主要研究對(duì)象，探究其作用的形成機(jī)理與規(guī)律，給不同巖體性質(zhì)、不同支護(hù)位置和不同巖體結(jié)構(gòu)形式的支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了建立力學(xué)模型和進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)分析計(jì)算的依據(jù)。

3.2 錨索支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用理論

錨索支護(hù)技術(shù)相對(duì)于錨桿支護(hù)具有更大的靈活性，并且可以形成更大范圍的支護(hù)。目前，錨索支護(hù)可以分為全長(zhǎng)錨固與端部錨固兩種形式，前者的錨固劑與打入圍巖的錨索桿體形成共同的承載結(jié)構(gòu)，共同控制巖層的錯(cuò)動(dòng)、離層與壓力下的變形，因而其粘結(jié)劑與桿體需要共同抗壓、抗剪與抗切[2]。

而端部錨固的錨索的粘結(jié)劑主要提供粘結(jié)力。在實(shí)際的工程運(yùn)用中，錨索支護(hù)通常與錨桿支護(hù)聯(lián)合應(yīng)用，利用各自的優(yōu)點(diǎn)給采動(dòng)壓力影響下復(fù)雜的圍巖結(jié)構(gòu)提供可靠的支護(hù)。尤其是在巖性不理想和應(yīng)力相對(duì)集中區(qū)域，可以帶來(lái)更好的支護(hù)效果并保證支護(hù)方案的經(jīng)濟(jì)性。

3.3 聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)原理

通常由于采動(dòng)壓力影響下的巷道全長(zhǎng)范圍內(nèi)的圍巖構(gòu)造、巖性差異以及煤層分布等各自因素都非常復(fù)雜。在采動(dòng)壓力下，圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分配的過(guò)程中，巷道的頂板、兩側(cè)以及底板的變形和破壞形式多種多樣，因此需要采取聯(lián)合支護(hù)方案才能夠取得理想的支護(hù)效果和確保其經(jīng)濟(jì)性[3]。一般情況下，除了采用還需要在錨桿與錨索的支護(hù)間隙布置鋼帶或金屬網(wǎng)，起到輔助加固和防止巖層破壞脫落事故的發(fā)生。

4 采動(dòng)壓力影響下的掘進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

4.1 掘進(jìn)巷道支護(hù)方案的初步設(shè)計(jì)

對(duì)受到采動(dòng)壓力影響的掘進(jìn)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，首先需要研究掘進(jìn)巷道所在位置的圍巖巖性、礦層分部、水文地質(zhì)環(huán)境以及既有的支護(hù)狀況等，根據(jù)已有的支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初步確定支護(hù)方案。

確認(rèn)支護(hù)所用的錨桿與錨索的種類、數(shù)量、具體的安裝位置以及輔助支護(hù)構(gòu)件的選擇，并且對(duì)巷道保護(hù)煤柱的預(yù)留位置和預(yù)留寬度進(jìn)行規(guī)劃，盡量利用煤柱的預(yù)留形成對(duì)巷道頂板的支撐，并減少掘進(jìn)巷道兩側(cè)與底板因采動(dòng)壓力而出現(xiàn)向巷道內(nèi)側(cè)的位移，降低巷道邊幫的支護(hù)設(shè)計(jì)難度和支護(hù)強(qiáng)度[4]。

而煤柱的預(yù)留寬度既要滿足支護(hù)需要，也要避免寬度參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)于保守。

4.2 掘進(jìn)巷道支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算及優(yōu)化

由于錨桿與錨索支護(hù)理論研究的進(jìn)步與計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，讓優(yōu)化采動(dòng)壓力影響下的掘進(jìn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，并得到最佳支護(hù)效果與經(jīng)濟(jì)性成為了可能。

首先，依據(jù)較為成熟的理論依據(jù)和巷道的幾何參數(shù)對(duì)錨桿與錨索的長(zhǎng)度、直徑和強(qiáng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和校核，并且根據(jù)工程的類比計(jì)算所需的支護(hù)密度、錨桿與錨索的排距以及間距等[5]。

其次，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件模擬采動(dòng)壓力下巷道不同部位的巖體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的變化，找到應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的變化和應(yīng)力分布規(guī)律，并且在不同的預(yù)留寬度條件下模擬分析煤柱的內(nèi)部應(yīng)力情況，從而進(jìn)一步優(yōu)化錨桿、錨索以及預(yù)留保護(hù)煤柱的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，合理的布置錨桿與錨索的間距、排距以及精確的選擇支護(hù)強(qiáng)度。

單一支護(hù)構(gòu)件的有效支護(hù)范圍必須形成一定程度的疊加，從而形成對(duì)巷道圍巖整體的壓縮連接作用。在通過(guò)增加預(yù)緊力和加強(qiáng)單一支護(hù)構(gòu)件的支護(hù)強(qiáng)度能夠解決支護(hù)需要的前提下，要盡量降低支護(hù)密度，達(dá)到支護(hù)效果與支護(hù)系統(tǒng)安裝施工的經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

4.3 掘進(jìn)巷道支護(hù)系統(tǒng)的施工工藝對(duì)支護(hù)效果的影響

基于主動(dòng)預(yù)防巷道圍巖變形和破壞形成的支護(hù)系統(tǒng)，其支護(hù)效果的形成需要有嚴(yán)格的施工工藝控制來(lái)保證。

首先，錨桿與錨索的安裝需要精確的控制粘結(jié)劑的攪拌與固化時(shí)間，才能夠按照設(shè)計(jì)形成支護(hù)系統(tǒng)與圍巖的整體性，達(dá)到共同承載采動(dòng)壓力的效果[6]。

其次，錨桿與錨索的安裝角度、深度以及預(yù)緊力的施加也必須控制在一定的誤差范圍，否則支護(hù)系統(tǒng)無(wú)法形成預(yù)期的有效支護(hù)范圍。

4.4 掘進(jìn)巷道支護(hù)效果的檢測(cè)與改進(jìn)

在采動(dòng)壓力影響下的掘進(jìn)巷道支護(hù)系統(tǒng)安裝完畢后，應(yīng)進(jìn)行必要的檢測(cè)，測(cè)量支護(hù)系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)力參數(shù)和巷道頂板或兩側(cè)的位移等，校核和評(píng)估支護(hù)系統(tǒng)是否足夠穩(wěn)固和總體支護(hù)效果能否達(dá)到掘進(jìn)巷道使用的設(shè)計(jì)要求，并且在必要的情況下加以改進(jìn)，直至所有細(xì)節(jié)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在優(yōu)化采動(dòng)壓力影響下的掘進(jìn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)方面，國(guó)內(nèi)的研究人員還在不斷地進(jìn)行探索，對(duì)于應(yīng)用理論的研究以及模擬分析模型的建立還有很多問(wèn)題有待解決。相信不久就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行更加科學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)化的參數(shù)設(shè)計(jì)，為開采帶來(lái)更經(jīng)濟(jì)和安全的支護(hù)解決方案。