掘進過程中的礦壓控制及其圍巖的支護

摘要:為了維持巷道必要的斷面尺寸，防止圍巖發生危險的變形和垮落，就必須采取有效方法來維護巷道。

關鍵詞:掘進過程 礦壓控制 圍巖支護

0 引言

在原巖應力場作用下的巖體，一般處于相對穩定的自然平衡狀態。在巖體內開掘井巷就破壞了這種平衡，于是便在井巷周圍一定范圍內的巖體(以下簡稱圍巖)應力場中發生某種程度的變化并出現了次生應力場。由于上部巖層的重力作用，地下巖層處于受力狀態。地壓即開掘巷道后，頂板會下沉，以至冒頂，兩幫會變形，以至片幫，有時還會出現底鼓，有些區域簽至底鼓非常嚴重，通常皆稱為地壓現象。

為了維持巷道必要的斷面尺寸，防止圍巖發生危險的變形和垮落，就必須采取有效方法來維護巷道。這些方法主要有以下5種:①把巷道選在比較堅固的巖層小，特別要盡量避開地質構造復雜地帶;②保留一定尺小的護巷煤桿或保護層;③選擇合理的巷道斷面形狀和尺寸;④采用機械化切割、光面爆破等先進的破巖方法，減小施工對圍巖的破壞與震動，以利于巷道的穩定。⑤使用人工構筑物——支架。雖然維護巷道的方法有很多，但是目前架設支架是維護巷道的主要手段。

1 原巖應力及礦山壓力的含義

1.1 原巖應力及礦山壓力

地下巖體在采動以前，由于自重的作用在其內部引起的應力，通常稱為原巖應力。當開掘巷道或進行回采時，破壞了原來的應力平衡狀態，引起巖體內部的應力重新分布，直到煤、巖內部再次形成新的應力平衡為止。這種由于在地下進行采掘活動而在井巷、硐室及回采工作面周圍煤、巖體內和支護物上所引起的力，稱為礦山壓力，簡稱礦壓或地壓。

1.2 礦山壓力顯現

在礦山壓力作用下，將引起一系列力學現象:如圍巖變形或擠入巷道、巖體離散、移動或垮落，煤體壓松、片幫或突然拋出;巖層利曲表發生移動和塌陷等。這沖出于礦山壓力作用，使煤體、圍巖和各種人工支撐物產生的種種力學現象，統稱為礦山力顯現，簡稱礦壓顯現。

1.3 礦山壓力控制

為使礦壓顯現不至于影響正常的開采工作和保證安全生產，就必須采取各種技術措施加以控制。這種人為地調節、改變和利用礦山壓力作用的各種措施，稱為礦山壓力控制，簡稱礦壓控制。

2 圍巖穩定的方法

保護井巷圍巖穩定有的方面的措施:—是保護井巷硐室圍巖原有的強度和承載能力，如及時封閉圍巖以防風化，及時襯砌阻止因巖產生過大變形和松動;二是賦予圍巖一定的強度使其穩定性有所提高，如給圍巖注漿封閉裂隙、用錨桿加固危巖等。

井巷維護方法主要有以下3個方面:

2.1 合理選擇井巷位置:主要井巷應盡可能布置在穩定性好的巖體中，而應盡量不布置在穩定性極差的破碎巖體中;

2.2 合理選擇斷面形狀:從防止圍巖應力集中考慮，最好的斷面形狀是圓的或橢圓形的;

2.3 合理選擇支架類型:對于較大的變形地壓，一般的剛件支架難以支承，應選用可縮性的支架。這種支架對較大的變形地壓能作暫時的“退讓”，在圍巖變形過程中，大部分地壓由圍巖通過變形釋放出來并自身承擔其所能承擔的一部分。當作用在支架上的壓力減至某一較小值時，支架就能“不再退讓”而能承擔并頂住，如目前廣泛使用的錨噴支護。

3 圍巖支護

井巷支護材料，主要指在井巷支護中所用的支架材料。井下大氣具有腐蝕性及地下水的作用，能使支架材料失去它原來的性能而使支架遭到破壞。因此，對支架材料必須有—定的要求，要求主要指材料么物理力學方面及化學耐腐方面應具備的一些性能。支架按材質可分為木材、金屬、石材、混凝土和鋼筋混凝土支架等。

3.1 木材

在井下支護用的木材通常稱為坑木。用木材做支護材料的優點:具有一定的強度、質量輕、加工力便，靈活性強，且具有一定的可縮性等。但也有一定的缺點:使用期限短、維修工作量大、耐火性差、易腐朽等。由于木材具有上述優點，所以在地下采掘生產中曾廣泛使用，特別是在小斷面的地質探礦巷道中現今仍較廣泛地使用木材支架。

3.2 砌碹整體支護

砌碹整體支護按不同拱形可分為半圓拱、圓弧拱、各種不同高跨比的三心固拱、馬蹄形拱以及雙心圓拱等。按使用材料不同可分為料石、毛石、普通磚和混凝土磚值等。其應用范圍為服務年限較長的主要運輸通風巷道和地壓不大且較均勻對稱的巷道，巷道跨度以不超過4m為宜。普通磚和混凝土磚與料石碴相比，其交護強度要小得多，因此其使用區域的地壓應更小些。

3.3 錨桿支護

錨桿支護實質上是把錨桿安裝在巷道的圍巖中，使層狀的、塊狀的、整體的、軟質的巖體以不同的形態得到加固，形成一個完整的支護結構，提供一定的支護抗力，共同阻抗其外部圍巖的位移和變形。支護抗力是支護結構約束圍巖變形的作用力，任何支護結構都可提供一定的支護抗力。無支護結構時，圍巖是自由變形的，應力是自由釋放的。有了支護結構對圍巖產生約束，因而就出現了一定的支護抗力，當其與圍巖府力最后達成平衡時，就形成了一個力學上的穩定結構。

3.4 噴射混凝土

噴射混凝土大體可分為干式噴射法、半濕式噴射法和濕式噴射法。噴射混凝土，可以使空氣與巷道圍巖隔離，防止圍巖風化和易膨脹巖石吸收空氣個的水分而潮解膨脹，減少外部環境的影響，保護圍巖自身的穩定性。

3.5 聯合支護形式的選擇

3.5.1 錨噴聯合支護。錨噴聯合支護結構是噴射混凝土支護與錨桿支護兩者聯合使用的結構。它兼有兩者的優點，又克服了兩者的缺點。錨噴聯合支護結構中，以錨為主，以噴為輔。起主要作用并提供主要支護抗力的是錨桿，而噴層只起封閉防風化巖層的作用。

錨噴聯合支護，除具有噴射混凝土的及時性和密貼性，防止圍巖風化和水的滲透，阻止錨桿間小塊掉落外，還具有錨桿的長處，保持和加強圍巖的強度和整體性，保持圍巖的穩定，發揮圍巖的自承能力。

3.5.2 錨噴網聯合支護。錨噴網支護結構是錨桿、噴射混凝土和金屬網三者并用的聯合支護結構。與錨噴結構比較，它的最大特點是因加了金屬網，增大了噴射混凝土的整體性和其抗彎、抗拉、抗剪的能力。這不僅提高了噴射混凝土的支護抗力，面且顯著提高了噴層的抗裂能力，相對減少了噴射混凝土的厚度，提高了噴層的柔性和封閉性。同時金屬網在噴射混凝土中，可防止因收縮、養護不當而產生的裂紋，使噴層應力得到更均勻的分布。

3.5.3 錨網、錨笆、錨梁網支護結構。錨桿與金屬網聯合支護稱之為錨網支護，錨桿與荊笆、竹笆聯合支護稱之為錨笆支護，錨桿勺鋼板梁、金屬網聯合支護稱之為錨梁網支護。錨網、錨梁網支護，借鑒了錨網、錨笆支護的經驗，發揚了它們的優點，克服了它們的缺點。使得聯合支護的護層從強度上和對圍巖保護的控制面積上都有所增強和擴大，使錨桿加固范圍內的圍巖得到良好的保護和加固，形成一個完整的整體。使用這種支護結構的巷道，若錨桿參數選擇適當，巷迫維護狀態良好，除巷道頂段的兩個隅角錨梁網不好支護的缺護處在圍巖變形非常大的時候出現剪斷現象外，一般情況下被加固的圍巖處在整體下沉狀態，不會出現剪斷的現象。若巷道斷面縮小，僅需臥底就可以滿足安全和生產的需要。