煤礦井下巷道圍巖破壞分析及控制對(duì)策

樊俊豪

摘要：本文通過(guò)對(duì)煤礦井下巷道圍巖破壞因素進(jìn)行科學(xué)的分析，提出了利用與提高圍巖強(qiáng)度、利用注漿技術(shù)提高圍巖承載能力的兩個(gè)煤炭井下巷道圍巖破壞控制技術(shù)，從而為安全、經(jīng)濟(jì)、有效、環(huán)保的解決煤礦井下巷道的圍巖破壞控制提供科學(xué)的參考。

關(guān)鍵詞：圍巖破壞圍巖強(qiáng)度注漿技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（c）-0074-01

隨著我國(guó)淺部煤炭賦存量的逐漸枯竭，煤炭開采越來(lái)越趨于深部開采。由于目前我國(guó)煤炭井工開采技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，所以沖擊地壓引起的巷道圍巖的破壞已經(jīng)成為制約煤炭生產(chǎn)的重要因素。這是由于煤炭開采的深度增加以后，會(huì)導(dǎo)致圍巖的自重壓力以及沖擊地壓的不斷增強(qiáng)，與此同時(shí)還有可能引發(fā)巷道圍巖周圍巖體的承載力，巖石軟化、膨脹的情況等發(fā)生變化，常常會(huì)引起巷道周圍巖體的剪應(yīng)力破壞、巷道失穩(wěn)等現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的煤炭安全事故。由此可見，如何加強(qiáng)煤炭井下巷道圍巖穩(wěn)定性已經(jīng)成為現(xiàn)階段我國(guó)煤炭開采領(lǐng)域的關(guān)鍵課題。現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)于想到圍巖破壞的研究?jī)H適用于淺部開采的地質(zhì)條件，不能解決煤礦井下深部開采的礦壓規(guī)律以及頂板管理等出現(xiàn)的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)煤礦井下巷道圍巖破壞原因進(jìn)行科學(xué)的分析，旨在提出切實(shí)有效的控制煤礦井下巷道圍巖破壞的對(duì)策。

1煤礦井下巷道圍巖破壞因素分析

煤礦井下開挖過(guò)程中，不可避免會(huì)破壞煤巖體的原巖應(yīng)力，從而導(dǎo)致巷道周圍的應(yīng)力重新分布，既有可能引發(fā)巷道圍巖的應(yīng)力集中。煤礦井下巷道主要會(huì)出現(xiàn)的圍巖破壞情況為頂板下沉、底鼓、片幫、巖石冒落等，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致頂板垮塌、棚梁彎曲等現(xiàn)象。雖然巷道是否穩(wěn)定是由圍巖的承載能力與承受載荷之間關(guān)系決定的。然而巷道圍巖的破壞因素卻非常復(fù)雜。經(jīng)過(guò)筆者多年對(duì)煤礦巷道穩(wěn)定性的研究，總結(jié)出以下幾方面的煤礦井下巷道圍巖破壞因素。具體內(nèi)容如下：（1）煤礦井下巷道的位置選擇。由于煤炭資源一般賦存在抗風(fēng)化能力較弱、巖石孔隙性不發(fā)育的巖體中。一般情況下，井下巷道布置在煤層底板相對(duì)較硬的巖層當(dāng)中。但是為了方便煤炭井下運(yùn)輸、減少工作量，主要巷道以及上下山通常布置離煤層較近的巖層當(dāng)中，所以圍巖的穩(wěn)定性不夠；（2）沒(méi)有充分的利用圍巖的自承能力，一味的加固圍巖。通常情況下，井下采煤較多的利用鋼支架、錨索等進(jìn)行支護(hù)。并沒(méi)有充分的利用圍巖的自承能力，使得圍巖的荷載由于支護(hù)方式重新分布，部分圍巖會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成圍巖破壞的隱患；（3）施工方式不合理。巷道開挖一定會(huì)導(dǎo)致圍巖的應(yīng)力重新分布，在巷道周邊會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。如果施工方式不合理，在應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)進(jìn)行后襯砌的施工方式，很可能會(huì)產(chǎn)生圍巖的應(yīng)力疊加現(xiàn)象。在高應(yīng)力狀態(tài)下，一旦圍巖的承載力超過(guò)自承能力時(shí)，圍巖會(huì)失穩(wěn)產(chǎn)生破壞。在循環(huán)荷載的條件下，圍巖的強(qiáng)度會(huì)降低，有可能產(chǎn)生塑性變形，使得支護(hù)失去作用；（4）井下采煤工作因素。煤層的開采工作可能會(huì)導(dǎo)致圍巖滲透水、巖層離層、頂板壓力集中等情況，對(duì)于采場(chǎng)周圍的巖體應(yīng)力影響非常大。所以煤層的開采是煤礦井下巷道圍巖破壞的重要因素之一。

2煤礦井下巷道圍巖破壞控制對(duì)策研究

2.1 利用與提高圍巖強(qiáng)度

為了提高圍巖的支護(hù)效果，充分利用圍巖的自承能力，本文主要采用以維護(hù)以及加固圍巖為核心，充分發(fā)揮圍巖的自承能力的基本思路。這是由于圍巖具有一定的抗壓強(qiáng)度，能夠承受一定的巖層荷載。如果將圍巖的自承能力與支護(hù)結(jié)合利用，就能經(jīng)濟(jì)、合理的達(dá)到井下相待圍巖穩(wěn)定的效果。圍巖的壓應(yīng)力包括變形壓力以及松動(dòng)壓力，其主要是由圍巖自己承擔(dān)。由此可見，支護(hù)荷載的選擇完全取決于圍巖的性質(zhì)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度以及時(shí)間。以下是圍巖支護(hù)與支護(hù)工作曲線的關(guān)系。（如圖1）

其中，a為圍巖支護(hù)特性曲線；C為支護(hù)工作曲線。

利用與提高圍巖強(qiáng)度的施工方式為：（1）在巷道的掘進(jìn)過(guò)程中，噴射薄混凝土以封閉圍巖的裂隙，形成初期的支撐力從而控制巷道圍巖的變形；（2）確定合理的支護(hù)參數(shù)。一般按照圍巖的性質(zhì)以及錨桿的選型、巷道的跨度幾方面進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的計(jì)算。比如錨桿參數(shù)的計(jì)算過(guò)程為：；；；其中L代表錨桿的長(zhǎng)度、D代表錨桿之間的距離、d代表錨桿的直徑、C代表巷道的跨度、T代表巷道圍巖的穩(wěn)定性影響系數(shù)（其中Ⅱ類圍巖T=0.9；Ⅲ類圍巖T=1.0；Ⅳ類圍巖T=1.1；Ⅴ類圍巖T=1.2）。L不小于兩倍的巖石節(jié)理間距；D不大于三倍的巖石節(jié)理間距。鋪設(shè)錨桿目的是與圍巖形成具有一定支護(hù)能力的承載拱，達(dá)到臨時(shí)支護(hù)的目的；（3）確定巷道圍巖已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)候，進(jìn)行巷道的永久支護(hù)，澆筑混凝土形成內(nèi)拱，使得整個(gè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力增高；（4）井下巷道斷面的形狀選擇對(duì)于支護(hù)效果的影響非常大，一般情況下應(yīng)當(dāng)保證拱的中心線與巷道的圍巖曲線能夠達(dá)到吻合或者趨近。由此可見拋物線的形狀是最合理的。如果圍巖變形仍然未能很好地控制，就要構(gòu)筑底拱相乘封閉的支護(hù)形式，從而最大限度地達(dá)到圍巖的穩(wěn)定。

2.2 充分利用注漿技術(shù)

為了降低井下采煤的影響，最大限度的降低由于開采所導(dǎo)致的滲透水現(xiàn)象愛那個(gè)，要充分的利用注漿技術(shù)以達(dá)到圍巖的防滲加固的作用。與此同時(shí)，噴錨鏈和支護(hù)配合注漿能夠達(dá)到很好的抗凍效果。煤炭井下巷道的注漿工作中，注漿的孔間距及孔網(wǎng)參數(shù)對(duì)于注漿加固的效果影響很大。一般情況下，采取多排孔注漿的方式，布孔方式采取梅花形布孔效果最佳。能夠很快的達(dá)到注漿加固體的規(guī)定厚度，并且還能夠有效的降低注漿盲區(qū)。其中注漿孔的終孔行距a和排距b可以按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：；，其中，R代表注漿漿液的擴(kuò)散半徑。注漿壓力的控制可以以地下水的壓力為指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程為：。控制圍巖變形所需要的注漿量是以注漿速度為指標(biāo)。具體公式為：；其中Q為注漿量；R為注漿漿液擴(kuò)散半徑；L為填充注漿段長(zhǎng)度；為漿液的填充率；為注漿漿液損失率。

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