深部煤巷圍巖控制理論與技術研究現狀總結

摘要：深部煤巷圍巖普遍具有軟化、擴容和流變特征。這是導致巷道變形破壞的根本原因。與廣泛的現場應用實踐相比現有的理論和技術研究明顯落后。本文對現有理論和技術研究現狀進行了總結和評價，并對發展趨勢做了預測。

關鍵詞：深部煤巷 圍巖控制 軟巖支護

1 深部煤巷圍巖控制理論研究現狀

我國煤礦正以每年20~30米的速度向深部拓展。開采深度的增大使得圍巖應力水平隨之增大。同樣條件下，深部煤巷較巖巷礦壓顯現更為明顯。淺部軟巖巷道支護理論和煤層巷道支護理論是深部煤巷圍巖控制的兩個理論基礎。

1.1 深部圍巖特征分析

在較高水平應力的作用下，煤層及頂底板圍巖都表現出明顯的軟化、擴容和流變等性質。很多學者認為巷道支護應以通過支護阻力對破裂巖體施加第三向應力補償圍巖因開挖而失去的三向應力狀態、縮減圍巖開裂的程度為目的。也有學者認為，深部軟巖及煤層巷道的變形破壞由圍巖擴容和彈性體積變形共同引起。

1.2 深部巷道圍巖破裂特征分析

高應力條件下，巷道開挖后即在周邊圍巖中形成了環狀分布破裂區，該破裂區由中國礦業大學董方庭教授命名為松動圈。松動圈的形成、發展機理及穩定控制技術得到了國內外學者的廣泛關注。

深部巷道圍巖普遍存在深度很大的破裂區。因而巷道支護的中心任務成了控制圍巖松動圈的進一步發展，并將巷道圍巖松動圈的總深度控制在允許的范圍之內。在應力條件一定的情況下，主動及時地對圍巖松動圈內破裂的巖石進行加固，使其殘余強度恢復到一定水平，保證松動圈不再繼續向深部擴展，是深部巷道松動圈理論的基本觀點。

巷道開挖后，圍巖內部形成了環狀分布的四個區域：即塑性流動圈、塑性軟化圈、塑性硬化圈和彈性區。其中具有承載能力的是塑性硬化圈和一部分塑性軟化圈，因而塑性軟化圈和塑性流動圈應該作為實施支護的對象。軟巖巷道實施錨網聯合支護及反底拱圈梁支護后，圍巖的力學狀態由雙向向三向改變，圍巖內集中應力區域也隨之向低應力區轉移，應力集中水平也隨之下降。

很多軟巖巷道的破壞形式表現為擠壓流動變形，巷道圍巖在高應力作用下變成了軟弱碎裂巖體。軟弱碎裂圍巖變形破壞過程中，將產生很大的體積碎脹流動，導致巷道發生很大的位移。圍巖的大變形強流變導致巷道底鼓嚴重。對于擠壓流變巷道，可將其底鼓分為擠壓流動性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、剪切錯動性底鼓和遇水膨脹性底

鼓。

高應力水平作用下，圍巖的蠕變特征明顯。由于蠕變松動圈內本已穩定的破裂圍巖經歷長期變形后很可能二次失穩，及蠕變失穩，這是是很多巷道長時間內變形總量過大的原因。因此，所采用的支護手段應該有能力避免圍巖的蠕變失穩。

1.3 深部煤巷圍巖控制理論研究

在煤層巷道圍巖控制理論研究方面，國內外學者進行了廣泛的研究。

巷道開挖后，圍巖塑性區首先從強度最低的部位，通常稱為關鍵部位開始。單一巖層中，巷道支護的關鍵部位通常在巷道的兩個拱腰45°部位、兩個幫底交界處。煤層巷道頂底板巖性千變萬化，關鍵部位也變化多端，但大多出現在幫底及幫頂交界處。在非對稱應力的作用下，巷道支護也應隨之改變。

煤層巷道的變形受兩個主要因素的影響：頂底板及煤層本身的強度、圍巖應力大小。如果煤層自身的強度低于頂底板強度，則巷道兩幫多發生楔形或倒楔形破壞，頂板易形成大塊狀垮落體；如果煤層自身強度高于頂底板強度，如我國西部地區很多礦山，則巷道兩幫多發生片狀或鼓形破壞，頂板易形成單拋物拱垮落體。如果采用錨桿支護技術，幫部錨桿是關鍵。

2 深部煤巷支護技術研究現狀

與淺部巷道類似，深部煤層巷道圍巖變形破壞的控制途徑也無外乎兩個：提高圍巖強度、減小圍巖應力，當然這兩點都需要選用合理的支護手段。國內外學者在淺部巷道支護技術，特別是淺部軟巖巷道支護技術的基礎上找到了一些適合深部煤巷的支護技術，主要包括巷道加強支護技術和應力轉移技術。

2.1 支護技術

廣義上說，支護技術包括對深部圍巖加固提高其承載能力的技術和對圍巖表面提供抗力的技術。由于深部煤巷來說單一的支護手段，無論是主動支護還是被動支護，都難以達到預期的效果，因而通常采用聯合支護技術。

近年來在煤巷較為常用的聯合支護技術包括：錨梁網支護、錨網噴索支護、錨梁網索支護、錨網架聯合支護技術等。

2.2 圍巖應力轉移技術

應力轉移，指將較高的原始地應力、工作面開采等其他作用造成的高應力轉移到巷道深部圍巖中，使被保護巷道始終處于應力較低區的區域。

應力轉移必須通過聯合巷道支護技術才能實現。一方面使巷道圍巖的應力水平降低，另一方面通過支護使得圍巖的承載能力增強。目前應用于深部煤巷的應力轉移技術包括上行開采、跨巷開采等，但由于施工條件及經濟成本的限制大多不能廣泛采用。切實可行的方案是將現有的支護手段有機聯合，使巷道近表出的集中應力向深部轉移或者支護體上轉移。

3 研究現狀評述

在深部煤巷變形破壞機理、支護技術以及破裂圍巖的承載機理研究方面，國內外學者雖然取得了上述較多的成果，但存在的問題依然很多：

3.1 制理論中巖石峰后力學特性基本未考慮

全應力應變測試是今年來倍受推崇的測試技術，因為巖石力學特性既有峰前的力學特性，也有峰后的力學特性，而峰后力學特是破碎圍巖控制直接依據，對于深部高地壓作用下的煤巷，峰后力學特性對圍巖的穩定性控制有著更大的理論和現實意義。

目前的解析分析和數值計算分析中，巖石的峰前的力學特性被廣泛應用，峰后力學特征少有考慮，因為無論是解析分析還是數值計算都要求應力——應變函數單枝對應。因此，目前的研究結果和實際的出入較大。相似試驗能很好的彌補上述缺憾，但是相似材料與實際的圍巖材料往往相去甚遠，模擬結果也只能是差強人意。

3.2 巷圍巖應力場演化規律的認識不夠

與一般巷道比較，深部煤層巷道圍巖條件、應力環境更為復雜。礦山壓力及巷道變形觀測表明，深部高應力煤巷的礦山壓力顯現有以下特點：①巷道圍巖初始變形速度大；②圍巖變形持續時間長，短時間內都不會有收斂的趨勢，巷道變形總量通常很大；③巷道開挖時圍巖在高應力作用下會產生劈裂現象，經常出現類似沖擊地壓的現象；④具有明顯的分層性的煤巷變形過程中，一般情況下首先是兩幫煤體被迅速擠出，緊接著是強烈底鼓，最后是頂板也隨之下沉。造成上述現象的原因及機理尚不清楚。

3.3 圍巖承載區未進行系統研究

國內外學者已經充分認識到圍巖自身承載承載能力是保證深部煤層巷道支護效果的關鍵，并據此劃分了巷道圍巖的承載區。但對圍巖承載區的界定往往從單一角度出發，如變形量、應力大小、破碎程度等，沒有充分考慮其間的聯系，因此不能全面反映圍巖承載機理。

3.4 能夠被施工現場廣泛接受的經濟合理的技術手段較少

再好的理論也需要切實可行的支護技術來體現，也需要成功現場應用來驗證。比如，學者們都在強調巷道底板加強支護的重要性，然而目前的底板維護方法，如金屬反底拱梁、混凝土反底拱等都不能再煤巷中大規模采用，底板錨桿及錨索受鉆孔機具限制也很難大規模實施。鑒于此，深部煤巷的維護不僅要在理論上深入研究，更要結合現場條件，開發經濟合理的技術手段。

4 發展趨勢

支護技術發展趨勢：在深部煤巷的支護技術研究方面，無論是一般煤巷還是沿空巷道，均具有一個共同的趨勢將各種支護手段有機地結合，共同作用，以達到事半功倍的效果。

支護理論發展趨勢：以約束變形為主要目標的理論研究向以應力與應變雙向共同約束為主要目標的理論研究轉移。