礦山近距離交錯巷道硐室結構穩定性控制研究

許 諾，侯殿坤

（內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014000）

我國的礦產資源儲量十分豐富。有數據顯示我國礦產資源的總儲量達到了4 億噸，位居世界第三位。我國能源開采利用具有悠久的歷史，中國早在3000 年前先秦時期，在春秋戰國時期，人們發現并利用了它。它是世界上第一個開采和使用礦產資源的國家。漢書《地理志》記載“豫章出石，可燃為薪”。宋代《天工開物》中記載著最早的井下開采方法。近現代我國的發展在各方面有目共睹，礦產資源作為工業的糧食，為國家工業建設提供了強有力的支撐。為保障礦產資源的供給能源的穩定輸出，保證開采技術先進和安全生產是一切的基礎，但開采過程中大多無法避免礦井巷道礦壓顯現劇烈影響的發生，而多巷道及交叉巷道布置引起的礦壓顯現更為劇烈，因此完善近距離空間交錯巷道的研究抑制礦山壓力顯現極為重要。

1 巷道圍巖穩定性研究現狀

在20 世紀初，很多專家學者認為作用在硐巷圍巖上的壓力等于上覆巖體的重量。對圍巖的了解是在經典壓力理論。然后也生產太沙基和普氏松散壓力理論，并認識到圍巖支撐上的壓力遠小于上覆巖石的重量，這大約是塌陷松散圓下方的圍巖質量。它大致是塌陷的松散圓下方的圍巖質量。采動擾動和塌方的高度與巷道的跨度和圍巖的巖性有關，但沒有系統地給出塌方拱的高度和演化形式[1]。

到1950 年代為止，基于Mohr-Coulomb 準則的圍巖穩定性研究經歷了彈塑性理論、巖性轉換理論和軸向變形理論、圍巖疏松帶理論、分區破壞理論[2]。目前，對巷道圍巖穩定性的研究主要基于圓形等規則巷道的理論研究，對于其它形狀的巷道主要通過數值模擬進行相似模擬實驗。

2 復雜巷道研究發展

當前多巷道空間布置形式的圍巖穩定控制問題已經得到諸多學者密切關注。雙巷間及多巷間的近距離擾動長久以來是礦山開采的難題，多巷道布局的干擾比單獨巷道更為嚴重。探索圍巖擾動的許多因素以及相鄰巷道間距的擾動影響，目前國內外很多學者開展了較多的理論研究及工業試驗。

錢鳴高[3]院士使用了雙孔物理模型試驗，雙巷圓形巷間距控制影響理論的實踐，得出巷道擾動應力影響區與巷道斷面的相關。針對此類問題，陳彥光[4]進行了補充研究，巷道間距控制在6 倍硐徑以外擾動疊加影響明顯減弱，并根據巖性不同進行巷間距調整；劉泉聲[5]通過現場工業測試，可以認識到兩個相鄰巷道之間的相互干擾程度與巷道的布局有關，得出巷道位置擾動具有時空效應；對于巷道群的布置，闞甲廣[6]對圍巖強度，水平間距和垂直間距等物理因素進行了研究。研究結果表明增加巖體物理力學強度可增加巷間抗擾動能力； 針對巷間距控制，宋朝陽[7]提出了三種不同間距的應力疊加情況，分析每種情況下的圍巖穩定性，發現當巷道達到平臺應力時，巷道間的擾動值較小，經濟效益較高。對于深度問題，提出間距不同的三種應力疊加情況；針對深度問題，葉洲元[8]建議巷道群的埋深是影響巷道的關鍵因素。巷道巖石層的巖石物性隨深度的增加而增加，抗壓強度也隨之增加。

孔德森[9]采用有限元數值分析方法,將巖土力學常用的數值分析方法分為連續變形分析方法與非連續變形分析方法對各種方法的研究現狀和最新進展進行了評述所得結論對類似的巷道工程具有重要的指導意義；蔣金泉[10]通過研究復雜采動條件下礦山巷道圍巖穩定性研究，采用有限元數值模擬軟件FLAC3D模擬了不同采動條件下的巷道圍巖應力應變情況。華心祝、闞甲廣[11]針對巖體強度，巷道間距等影響巷道開挖擾動效果的因素，研究巷道開挖次序擾動的影響，采用數值模擬進行相似研究。揭示其在深部開采多巷道間的礦壓顯現；聶軍委、馬百龍以深部巖巷巷道群是研究對象，通過理論分析，數值模擬，全面的研究方法，例如現場工業測試。

當前對復雜空間巷道問題研究取得了良好的研究成果。然而，已經解決了諸如空間錯開的巷道的圍巖的應力互擾以及巷道之間的圍巖的擾動和不穩定性之類的工程問題。研究和理論分析仍然有限，巷道圍巖交錯排列的圍巖應力擾動影響規律，近距離交錯巷道承載結構擾動失穩災變的主要影響因素，對如何判別交錯巷道區域圍巖承載失效災變等工程問題迫切需要進一步基礎科學研究。

3 復雜巷道支護技術的發展現狀

我國學者巷道圍巖控制理論發展主要有鄭雨天和馮豫[12]聯合支護理論提出了軟巖巷道圍巖的嚴重變形問題。董方庭提出的圍巖松動圈理論以及何滿潮[13]提出了關鍵位置的支撐與支撐理論以及主、次承載圈的支撐理論。于學馥[14]等通過研究硐巷巖石變形與其基本原地應力之間的關系提出了“軸向變形理論”的觀點。“應力分布軸比”和“圍巖穩定軸比”這幾個定律說明了圍巖穩定性與巷道軸比之間的關系。

陳衛忠[15]考慮了多個地下巷道之間圍巖應力互擾的影響，研究了開挖順序和巷道群的支護對巷道穩定性的影響。使用數值計算方法，為相關工程案例提供借鑒。喬正[16]研究了礦柱和巷道的穩定性研究提出了道路群變形與破壞的關系：對于水平方向平行排列的道路群，與單獨的道路排列相比，垂直應力變化不大且水平應力變化較大，相鄰巷道的護巷礦柱安全寬度考慮了巷道群圍巖受應力疊加影響，為類似的交錯巷道布置提供了技術參考。孫光中[17]等運用應用數值模擬軟件研究采動工作面礦柱不同寬度對硐室群穩定性的影響，研究顯示：巷道群圍巖應力隨著礦柱寬度減小，應力集中向深部轉移并且波及到巷道群與之應力疊加擾動，巷道群表現出顯著的巷間圍巖體變形破壞嚴重。因此控制圍巖穩定恢復承載結構十分重要。

盧興利，劉泉聲[18]等相信深埋巷道，尤其是巷道群的圍巖穩定性控制已成為亟待解決的技術問題。該研究得出巷道群圍巖及支護結構的變形開裂特征及失穩機理，提出了綜合控制對策和設計方案，通過現場工業試驗證實了方案有效性。馬立強[19]通過對巷道群地應力分布特征及巷道群開挖的時空效應研究，發現后期開挖巷道將對第一條巷道的應力場產生影響。相鄰巷道內應力場的疊加導致應力集中的出現，提出了主動與被動聯合支護控制方案。

卜慶為[20]，針對近距離交錯巷道產生的圍巖應力集中、巷道圍巖變形加劇、巷間巖體喪失承載能力等特征問題，從控制巷間巖體結構破壞、恢復圍巖承載結構等方面進行了理論研究，并提出了“高強錨桿+金屬網+錨索+注漿”聯合支護體系。

如今，鑒于巷道圍巖控制技術的日趨成熟，但在技術的應用過程中還需要進行不斷改進，可以通過研發不同形式的支護結構、承重方案為后期礦山開挖巷道的支護提供保障，另外針對不同地質形態下的巷道圍巖采取不同處理方案，可使用多種支護方式互相配合，幫助加固巷道圍巖。在相關理論支持下，充分發揮技術優勢，將理論與實際相結合。礦山開挖巷道支護相關理論探討過程中，發現導致巷道出現不穩定的因素大部分與支護相關。進行數值模擬實驗研究后，實驗驗證了頂板分離機理，巷道承載機理及巷道的承載性。通過全面理論與實驗驗證后的出的結果為維持巷道穩定性提供了技術支撐，更有利于礦山安全生產。

4 結論

（1）巷道圍巖的穩定性主要基于圓形巷道的力學理論研究，并已逐漸成熟。主要通過數值模擬和相似模型的建立來研究其他類型巷道圍巖的穩定性。空間交錯巷道的研究正在不斷完善。

（2）復雜空間巷道問題研究取得了良好的研究成果。然而，已經解決了諸如空間錯開的巷道的圍巖的應力互擾以及巷道之間的圍巖的擾動和不穩定性之類的工程問題，研究和理論分析仍然相對較少。對交錯巷道的圍巖應力擾動影響規律，近距離交錯巷道承載結構擾動失穩災變的主要影響因素，對如何判別交錯巷道區域圍巖承載失效災變等工程問題迫切需要進一步基礎科學研究。