深井巷道支护存在的问题及解决方法.pdf

深井巷道支护存在的问题及解决方法 宋文军 山东科技大学 ， 山东 青岛 2 6 6 0 0 0 摘要 伴随矿山深部开采活动的逐渐开展， 开采深度日益加深， 矿山压力也随着开采深度的增加而增加 ， 巷道围岩处于一种破 裂的形态主要是因为巷道围岩的强度达到极限状态 ， 而且巷道围岩的压应力、 剪应力都超过了极限状态导致这种结果的出现。也正 因此造成了巷道围岩的变形量大， 支护的困难也会随之增加。所以， 深井巷道支护技术的关键就是要提高巷道围岩的自身强度以及 承载能力 ， 并且6 利氐巷道围岩的集中应力。 关键词 深部开采； 矿山压力； 巷道围岩 ； 集中应力 ； 巷道支护 中图分类号 F 4 0 6 ． 3 ； T D 3 5 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 0 1 5 5 2 0 1 6 0 2 0 l 1 9一 O 2 1概 述 就目前而言， 矿井巷道支护主要取决于岩体本身 以及在岩体上作用的低应力。假如把前者看作材料， 把后者当成载荷， 那么从根本上来讲， 支护设计问题与 其他工程设 计问题 没有太大差别 ， 区别仅在于其他工 程设计所涉及的材料的性质以及所加载到材料上的载 荷是已知的， 而矿井巷道支护设计所涉及的围岩力学 性质以及作用在之上的载荷是未知的。 深井巷道的围岩变形主要体现在巷道顶板变形、 某些位置发生离层 、 底板底臌 ， 并且部分位置顶底板移 近量较大 ， 有些 已超 过 5 0 0 m m。就 目前分析来看主要 认为巷道顶板在水平应力的作用下发生了剪切破坏， 导致现行的支护体系不能够提供有效的约束力， 具体 表现在以下方面 ‘ 1 锚杆强度偏低， 且“ 三径” 匹配不合理， 容易形 成手套效应 。 2 支护强度低， 现行的支护形式效果受到影响主 要是由于现场的锚杆托盘变形严重甚至断裂 。 3 实际现场所用的绑扎金属 网的 网丝发生活动 变形 ， 由此不能够满足对巷道围岩 自身强度的需求。 4 现场许多钢带在开孔处断裂 。 2支护设计理论基础 2 ． 1 巷道 围岩破坏机理 1 由于高水平应力的作用， 水平应力达到可以破 坏顶板的程度时， 煤巷顶板岩层的主要破坏途径为以 下形式 在巷道开挖之后， 原有的煤体传递水平应力会 向顶板中部转移 ， 并且顶板下部的岩层水平应 力也会 逐渐增大。 2 在水平应力持续增长时， 并且垂直方向的应力 逐渐减小时 ， 巷道 顶板中部岩层尤其是较弱 的岩层 会 首先发生破坏 ， 破坏形 式主 要是 岩石材料本身或者 沿 层面的破坏， 也就会在一定范围内形成一个破坏区。 3 岩石在 受到压 力影 响时会发生破裂形成楔 形 块状体， 并且这个楔形块状 体在岩 层逐渐丧失 了强度 之后会发生相对的位置变化 ， 从 而在受到压力时慢 慢 收缩， 但是在正交方向会逐渐 的膨胀变形 ， 这种膨胀变 形会造成顶板变形。 4 岩层在发生膨胀变形一段时间之后， 松动程度 会非常大， 以至于不能够在承受其余的任何额外载荷， 同时本应该由其承担的载荷就会发生转移， 转移到上 部相邻岩层， 并且 由相邻岩层承担这部分载荷。这时 发生破坏变形的岩层对于水平应力的传递能力会明显 降低， 这也就导致了水平应力会向顶板深部进行转移， 由此而言上部的岩层将要承载更高的应力。 5 如若应力重新分布， 那么应力强度高于上部岩 层强度时， 顶板深部就会形成一个新的破坏区域， 这也 就有可能逐步进入破坏状态， 造成水平应力逐步向上 部转移 ， 这也就 造成 了岩 层 的破坏 范围会 逐步扩 张。 破坏区域的岩石在剪切破坏膨胀之后对于岩层本身以 及该岩层的下部岩层都会形成一个向下的载荷， 也正 由此无法向上继续膨胀变形， 同时巷道顶板的岩层也 就会发生弯曲下沉， 在这个过程当中就会一直持续， 在 遇到强度非常高的岩层时或者支护系统足够强大时会 阻止这种破坏的继续产生。 6 在破坏区域内岩石对水平应力的传递能力较 差， 并且在受到水平应 力作用时破坏范围会逐渐增大 ， 并且由于自身重力的作用， 形成垂直载荷发生冒落。 2 ． 2巷道 围岩破坏模式、 随着开采深度的增加， 水平应力也相应地增加， 当 水平应力较高时， 巷道围岩的破坏通常是按一个可以 事先预测的过程发展， 这个过程称为破坏路径。破坏 路径取决于巷道周围的应力重新分布以及不同岩层能 够传递这种重新分布后的应力的方式。 这里所谓水平 力较大 也是 相对 的 ， 有些地方顶板 比较松软或较为破碎， 譬如巷道上方为煤顶或是破碎 带 ， 虽然水平应力的绝对值并不是特别高 与垂直应 力 相比 ， 但巷道顶板传递水平应力的能力很低， 仍很容 易造成巷道顶板破坏。 3支护理论及支护形式 3 ． 1支护理 论 分析 1 水平应力主要作用于顶底板， 水平应力对巷道 收稿日期 2 0 1 51 2 0 1 作者简介 宋文军 1 9 9 1 一 ， 男， 河北邢台人 ， 山东科技大学在读硕士研究生， 研究方向为矿山压力与岩层控制。 1 1 9 顶底板的作甩明显， 它是造成巷道顶板下沉、 底板底臌 的主要原因； 顶、 底板应力集中处位于顶、 底板靠近两 帮处， 且底板应力集中大于顶板。 2 垂直应 力作用于两帮同时也作用于顶、 底板 ， 但其对两帮造成的应力集中明显大于顶、 底板， 可见垂 直应力是造成两帮位移的主要原因。 3 巷道两肩窝为剪切应力集中区， 剪切应力主要 集中在巷道四个肩角处， 因此顶板靠切眼两帮锚杆的 角度可以设计为 1 0 。 。两帮肩窝处 、 顶板肩窝处 的 1 0 。 锚杆及两帮的底角锚杆的设置可以很好地克服肩窝处 剪切应力的集中。 4 因巷道顶板中心线及两帮中心线为巷道位移 最大点， 锚杆 、 锚索联合支护对顶板效果较好， 对两帮 效果较差。 3 ． 2围岩稳 定性评 价 原苏联学者采用公式 y H ／ o - 其中 指的是岩石 单向抗压强度， 指的是上覆岩层平均容重 作为指标 来评价深井巷道的稳定性 如表 1 ． 1 所示 。 表 1 ． 1 原苏联深井巷遭 稳定性评价 y H ／ o “ 。 巷道稳定性 0 ． 2 5 稳定 0 ． 2 5 0 ． 4 中等稳定 0 ． 4～ 0 ． 6 5 不稳 定 原西德的学者普遍认为巷道的稳定性决定因素是 底板岩石的力学性质， 也就是说将底板岩石的岩性作 为评价其稳定性的指标。而且当巷道不受采动影响的 时候得出了以下经验公式。 日 ～ r1 3 _ 式中 底板岩石的单向抗压强度， M P a 。 由以上公式可 以得知巷道围岩的岩性不同， 其失 稳 的极限深度也就不同。但是根据实践情况来看 ， 上 述公式所确定的巷道失稳极限深度普遍偏大。 3 ． 3围岩 变形 量 许多国家都将巷道的变形量作为进行深井巷道支 护设计的重要依据， 例如确定巷道支护方式 ， 支护参数 的确定， 预留变形量的确定。而且原西德的专家学者 们通过大量的现场观测， 计算出了巷道的变形量和开 采深度也就是原岩应力以及岩石的强度之间具有如下 的关系表达式 一 4 6 1 3 ． 3 P o ／ ,／ Or 式中 一 掘巷引起的巷道变形量占巷道原始尺寸 的百分数 ， ％ ； 尸 。一 巷道处的原岩应力， MP a 。 原苏联的学者A P ． 普洛托谢尼雅等人还利用理论 分析的方法确定了深井巷道的变形量。 3 ． 4支护技 术 深井巷道的矿山压力控制的基本措施就是巷道支 护。无论采用什么样的支护方式都应当能够适用于深 部开采巷道压力大、 变形量较大这些特点， 而且现在的 支护技术是否能够适用于深井巷道支护当中， 能否使 用于深井巷道的矿山压力控制等等 问题都是现在支护 技术亟待解决的重要问题。 1 2 0 原西德以及原苏联的专家学者研究认为， 顶板的 移近量 K Ay 4 5 ％的时候 ， 采用现有的支护技术才能够 管理好深井巷道。①当开采达到 1 6 0 0 m深度的时候， 刚性支架已经不能完全使用； ②在稳定的砂岩当中采 用拱形可缩支架以及碎石巷旁充填能够满足要求； ③ 在不稳定的岩层中， 必须采用专门的支护材料进行巷 旁充填。 4结论 深井巷道的矿山压力控制的基本措施就是巷道支 护。无论采用什么样的支护方 式都应 当能够适用于深 部开采巷道压力大、 变形量较大这些特点 ， 而且现 在的 支护技术是否能够适用于深井巷道支护当中， 能否适 用于深井巷道的矿山压力控制等等问题都是现在支护 技术亟待解决的重要问题。 顶板的移近量 K A≤ 4 5 ％的时候， 采用现有的支护 技术才能够管理好深井巷道。①当开采达到 1 6 0 0 m深 度的时候， 刚性支架已经不能完全使用； ②在稳定的砂 岩 当中采用拱形可缩支架 以及碎石巷旁充填能够满足 要求； ③在不稳定的岩层中 ， 必须采用专门的支护材料 进行巷旁充填。 参考文献 [ 1 ] 蒋金泉， 等． 巷道围岩结构稳定性与控制设计 [ M] ． 北 京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 谭云亮， 刘传孝． 巷道围岩稳定性预测与控制[ M] ． 徐 州 中国矿业大学出版社， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 刘玉堂， 等． 我国缓倾斜、 倾斜煤层回采巷道围岩稳定 性分类的研究[ J ] ． 煤炭学报， 1 9 9 8 ， 3 3 2 3 6 ． [ 4 ] 侯朝炯． 煤巷锚杆支护[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版 社 ， 1 9 9 2 ． [ 5 ] 范维唐． 煤矿支护手册 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 93． [ 6 ] 董方庭， 等． 巷道围岩松动圈支护理论 [ J ] ． 煤炭学报， 1 99 4． 1 2 326． [ 7 ] 徐云洪． 矿井深部采准巷道煤巷锚杆支护参数的选择 与确定[ J ] ． 河北煤炭， 1 9 9 4， 1 4 5 4 7 ． 责任编辑 陈文明