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深部巷道围岩破坏机理及支护策略探讨 董良钻 （山西焦煤霍州煤电吕临能化有限公司， 山西临县033200） 【摘要】近些年， 煤矿深部开采导致的地质灾害十分严重， 我国加大了巷道支护研究力度。在煤炭开采深度持 续增加下， 硬岩软化和构造应力增加以及巷道变形等问题突出， 尤其是巷道支护变得更为复杂。因而本文通过分析深 部巷道围岩破坏机理， 重点研究巷道支护策略， 期望对煤矿安全生产有一定帮助。 【关键词】深部开采； 围岩破坏机理； 巷道支护 【中图分类号】 TD353【文献标识码】A【文章编号】 1008-8881 （2017） 01-0016-02 收稿日期 2016-03-02 作者简介 董良钻 （1981－） ， 男， 山西襄汾人， 山西焦煤霍州煤电吕临能化有限公司助理工程师。 由于煤炭开采深度不断增加， 导致围岩的自身 压力与构造应力明显提高， 主要体现在围岩变形与 巷道失稳等方面， 并且使巷道支护与顶板管理变得 更加困难与复杂。通过调查国内煤矿基本情况， 发 现巷道支护成本虽然显著增加， 可是矿井的翻修率 已超过 40， 由此得出深部巷道支护直接影响着煤 矿正常开采作业。如果深部围岩条件出现一定变 化， 就会导致高地应力和采动影响加剧， 甚至硬岩 发生软化或者是弱化问题， 使软岩特点变得更加突 出，并且受到强膨胀和时间效应等要素的影响， 导 致巷道维护难度增加。因而， 研究深部巷道围岩破 坏机理及支护策略具有重要意义。 1 深部巷道变形机理分析 巷道发生严重变形， 支护繁琐， 挖掘速度慢等 是煤矿深部开采面临的重要问题。针对各种地质环 境下的煤矿工程，在矿井开采深度达到一定条件 后， 就会导致巷道发生变形， 尤其是深埋地下的巷 道围岩变形十分突出[1]。巷道变形机理如下 顶板岩 层受到高围岩压力影响就会形成裂缝， 而且裂缝的 不断拓展与贯通就会导致岩层损坏， 满足一定条件 后就会脱落， 从而导致支护失去作用， 致使围岩损 坏范围持续增大。由于自重产生的水平应力会使巷 帮沿着巷道内侧移动，这样顶板发生剪切损坏， 并 且两帮也出现劈裂损坏。同时底板遭受两帮的挤压 就会向上鼓起。另外因为受到上覆岩层压力和回采 工作面相应支撑压力， 所以巷道的两帮就会不断移 近， 致使顶板损坏。而损坏的不断蔓延， 会使岩体原 有裂隙持续扩张， 体积显著增大， 从而发生岩层弯 曲， 形成高应力， 引发巷道变形。由于岩体的复杂性 和各种地质环境条件的影响， 高地应力问题研究也 需要不断深入， 许多学者从不同的角度分别提出了 高地应力的含义及其判别方法。表 1 所示， 其实质 是反映岩体承受压应力的相对能力。 表 1世界上部分国家地应力划分等级 2 分析巷道围岩变形主要因素 2.1 岩石性质 为能够深入研究与分析巷道围岩变形影响因 素， 选择 3 组岩石样本开展力学参数实验， 每组设 计 2 个试件， 同时完成各个试件压缩实验， 通过对 实验获取的结果整理、 归纳， 选择平均值 （具体见表 2） 。实验过程中应用的岩石具备脆性与强度高特 点， 可是因为围岩中包含软岩层与硬岩层， 导致围 岩自身强度并不高，因而巷道围岩就会发生变形， 且变形时间与损坏范围都比较严重[2]。 表 2岩石力学参数数据 煤电技术研究 地应力等级高地应力中低应力 低地应力 岩石强度应力比值4 实验组12 抗压强度 /MPa81.7272.03 弹性模量 /GPa13.6915.93 变形模量 /GPa11.029.53 山西能源学院学报 Journal of Shanxi Institute of Energy 2017年 2 月 第 30 卷第 1 期 Feb.， 2017 Vol.30No.1 16 2.2 覆岩层压力 基于巷道挖掘深度的持续增加下， 巷道围岩形 成的水平应力明显提高， 而且随着的深度的增加应 力也会不断增加。如果忽略其它外界影响要素， 巷 道围岩压力能够简化成静水压力， 根据此规律展开 研究， 此种情况下巷道围岩承载的压力就会通过岩 体强度弱与支护力小的位置进行释放， 例如巷道底 角发生严重的变形， 甚至损坏。因而一定要制定针 对性策略防止巷道底角变形。 3 深部岩体与浅部岩体的工程差别 深部问题作为岩石工程的三大基本问题之一， 与常规浅部问题相比存在着非常显著的差别， 这些 差别体现在从获取基本地质条件的关键因素、 强度 参数和工程布置等方面。如表 3 所示。 表 3深部和浅部工程岩体差别 4 巷道支护策略研究 4.1 锚注支护设计 首先， 明确注浆压力值。注浆压力和围岩裂缝、 浆液类型以及注浆半径等存在密切关系。而注浆压 力一般是克服浆液流动时产生的阻力， 大量实践证 明注浆压力应在 2MPa 以内，围岩裂缝拓展压力值 不会超出 1MPa， 如若裂隙开裂相对比较小可选择 1 至 2MPa 的注浆压力，但是岩石自身强度低时应选 择的注浆压力为单抽抗压强度十分之一， 相反就可 能造成围岩产生新的裂缝， 从而导致围岩自身强度 严重降低[3]。针对注浆难度偏大的围岩， 不可选择提 高注浆压力的做法，应通过加密钻孔方式进行注 浆。在应用相关策略后也能够适宜增加注浆压力。 进行围岩注浆时一定要依照实际情况， 通常先选择 相对偏小的注浆压力， 主要目的是保证原来围岩的 结构不受破坏， 防止发生大区域围岩破坏现象。但 是要允许存在些许劈裂效应， 方便浆液注入， 改进 小裂缝的受力状态， 从而使围岩应力处于平衡状态 下， 有效加强围岩强度。其次， 合理编排注浆孔间排 距。根据注浆标准规定， 注浆孔布局应该保证相邻 的两孔固结浆在径向可以相互渗透， 同时多余的浆 液可以把固结体存在的间隙填满。依照孔的布局方 法和各个注浆孔相应扩散半径， 就能够明确孔间距 具体大小。 最后， 明确注浆孔的深度。 设计注浆孔深 度过程中一定要根据围岩破裂情况使其相适应。进 行注浆前应用最可靠的方式就是对围岩破裂具体 范围进行测定，然而此测定办法存在一些缺陷， 如 应用此种方法消耗的成本相对较高。因而通常选择 其它相关指标实现注浆半径的准确判断， 例如选择 巷道顶底板或是两帮移近量来判断。注浆孔的深度 直接影响着支护强度和破裂岩体固结质量等。基于 支护强度角度分析， 表面看固结圈比较大效果会好 一些， 但是实际上若是其值相对偏大， 就会导致巷 道径向刚度显著加强， 严重影响软岩巷道围岩对应 力进行合理调整[4]。并且大量实验结果表明， 深部围 岩渗透率相对较低， 而且在经济方面也不合理。所 以固结圈的厚度一定要选择适宜的数值。基于破裂 岩体相应固结质量分析， 围岩损坏特性与应力状态 按照顺序应是破裂区极限平衡区弹性区。 因此注浆孔深度应在达到破裂区与极限平衡区便 可。基于注浆孔渗透特点分析， 注浆孔渗透一般是 沿着钻孔的径向渗透， 其中浅部区域的渗透量相对 比较大， 随着深度的增加渗透量呈现指数规律逐渐 递减， 尤其是钻孔尾部区域的围岩深部渗透量比较 小， 所以钻孔深度应该与加固深度保持相同。 4.2 刚柔层可缩钢架设计 钢架支护是一项被动支护技术， 适合应用在自 稳时间相对比较短， 且围岩破碎与不具备条件设计 锚杆的巷道围岩支护方面， 可确保破碎围岩不会发 生跨落， 同时可确保短时间内巷道的安全性与稳定 性[5]。在围岩破碎区域不断拓展下， 就会加大钢架的 荷载力， 如果荷载高于钢架极限支撑强度后， 就会 导致钢架失去原有的支护功能， 从而引发巷道失稳 或者是变形， 这时就需要通过锚注方式对破碎围岩 进行加固， 然后和钢架融合成为一体， 使钢架荷载 不会超出极限支撑强度范围， 从而保证巷道的稳定 性与安全性。 同一结构方式的支架， 因为承受的荷载特点存 在差异，所以支架承载能力与支护阻力就相差悬 殊。因而可构建刚柔层， 通过刚柔层的作用有效改 进支护结构自身承载问题，实现荷载的均匀分布， 并且产生支护体。同时可以加强支护体的初撑力和 支护阻力速率快速增加， 还能够保证围岩应力调整 能量处于可控状态下，实现合理释 类别浅部工程及岩体特征深部工程及岩体特征 关键因素 结构面几何参数与结 结构面强度 岩体地应力水平与岩 体强度 强度参数 低围压条件下的低粘 结强度和高摩擦强度 高围压条件下的高粘 结强度低摩擦强度 工程布置 避开与主要结构面的 不良几何关系 避开与结构面及最大 主应力力的不良几何 关系 （下转 22 页） 董良钻 深部巷道围岩破坏机理及支护策略探讨 17 （上接 17 页） 放， 有限减小支护结构相应承载负担。 近些年， 随着煤矿资源的大量应用， 煤炭深部 开采持续增加。此种情况下， 硬岩软化与构造应力 增加等问题日益突出， 对巷道安全性与稳定造成严 重威胁。对此， 本文通过分析深部巷道围岩破坏机 理， 针对围岩损坏特点制定相应的支护方案， 从而 保证煤矿安全生产， 使煤矿企业获取最大程度上的 经济效益与社会效益。 【参考文献】 [1] 徐拥军.浅地层风化围岩大差异埋深副斜井支护优化 设计[J].煤炭与化工， 2014 （06） 98-100. 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[5] 何富连， 张广超.深部高水平构造应力巷道围岩稳定 性分析及控制[J].中国矿业大学学报， 2015 （03） 466-476. 此， 要采用相应的顶板管理方式， 才能更好的解决其 中存在的问题， 减少煤矿安全事故的发生。 3.2 回采工艺问题 在一些煤矿 3 号煤底层复采技术的过程中， 工 作面顶板管理等原因， 造成压力传导不到位， 一般 传导在工作面煤壁的前面， 就会出现相应的煤壁片 帮、 机道漏矸等现象， 在采煤过程中不能让工作面 推进运行。并且， 在采煤层地质构造以及上部回采 采高等因素的作用， 在采高工作面变化相对较大的 情况下， 尤其是在超出地段的时候， 有的地段不足 1m， 这样， 就会给整个工作面带来一定的影响。同 时， 在煤层变化相对较大的情况下， 顶板出现有一 定的锈结现象， 就会造成采煤过程中巷道掘进难度 增大， 在工作面回采过程中进风巷、 回风巷等管理 存在相应的难度， 因此， 要采取积极有效的应对措 施， 才能更好的实现整个复采技术的整体效果。 4 底层复采技术优势分析 4.1 工作面的技术创新 在煤矿整个技术层面的运用中， 要形成大胆的 创新模式， 其中， 最主要的技术参数、 设备运行以及 多方面的管理要全面。在工作面支护管理中， 可以 采用单体液压柱配合 HDJA1000 型设备的运用方 式， 将金属铰接改为相应的单体液压配合 2.2mπ 的 钢状管理方式， 这样可以增强整个工作面回踩过程 中的有效性， 对于支护空间顶板的稳定性与超前维 护的及时性等都能起到很好的效果。同时， 在工作 面的循环进度控制中， 可以将原来的 1m 缩小， 控制 到 0.6,m， 这样可以更大限度的减少放炮之后的顶板 裸露面积， 在对于整个综合开采的运行中都能起到 良好的推动性， 尤其是在整个综合煤矿复采技术的 顶板管理中， 都能起到良好的管理效果， 并在复采 技术的推广中形成一定的社会效益。 4.2 技术创新的综合管理 在复采技术的跟进中，要结合多方面的技术 跟进， 在采用毫秒微差定量爆破的过程中， 减少相 应的反复震动方式， 在提升了炭块率的基础上， 形 成对顶板振动的减少。同时，在配备相应的设备 中，主要是采用 2 种支护规格的单体液压支柱模 式， 在增加工作面开采高度的基础上， 形成对整个 高度的有效控制，这样可以推动整个开采的实际 效果。回采过程中, 将挂金属网管理顶板改为挂塑 料网管理顶板, 不仅操作方便、实用, 而且吨煤直 接成本下降了 6 元, 每年仅此一项就可节约材料 消耗 60 万元以上。 因此， 通过采用复采技术的综合运用， 在整个 3 号煤底层复采技术的推广运用中， 结合煤矿的综合 开采条件， 在融入技术、 规模开采、 管理到位等基础 上， 形成多元化的创新管理， 必将推动整个采煤工 艺技术的整体进步， 都有很大的实践意义。 【参考文献】 [1] 戴斌.我国矿产资源税费制度的演进和改革前景[J]. 榆林学院学报， 2010， 1 （12） 12-14. 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