淺析大斷面回采巷道圍巖破壞機理及控制

摘 要：回采巷道的穩定對煤礦正常生產起關鍵作用。通過分析大斷面回采巷道圍巖的變形破壞機理，分別得到了回采巷道頂板、兩幫和底板的有效控制措施，此項工作對回采巷道的維護具有重要意義。

關鍵詞：回采巷道 圍巖 破壞機理

中圖分類號：TD82 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0064-02

早在20世紀，國外學者就針對工作面回采巷道穩定性提出了相應的控制措施并提出了相關理論。但近年來伴隨著大采高大斷面工作面的發展，大斷面回采巷道也得到快速發展，加上煤礦開采的地質條件越來越復雜，比如煤層松軟，斷層、裂隙、節理、褶曲等現象，結合生產實踐發現：由于煤層松軟、圍巖條件差導致工作面推進速度較慢，巷道底板和巷幫鼓出嚴重，導致回采期間不斷起底開幫，給井下工作人員的安全帶來了一系列消極的影響，嚴重的影響了礦井的經濟效益。

因此，研究大斷面回采巷道圍巖破壞機理及控制研究，不僅能科學合理地指導相近地質條件下的煤礦開采，同時還能夠豐富和完善巷道圍巖破壞支護理論。

1 回采巷道破壞特征

目前針對特厚煤層，普遍采用大采高工作面開采。由于巷道高度大。斷面大、圍巖強度低、節理發育、較破碎，且受到斷層、破碎帶的影響，在其掘進和工作面回采過程中變形嚴重。對其破壞特征進行分析，發現巷道破壞形式主要有冒頂、頂板下沉、幫臌、底臌等，其中底臌和幫臌現象尤為明顯。

大量實測資料表明，工作面回采巷道頂板在及時支護的情況下，整體表現較好，但在遇到地址構造帶以及回采工作面附近容易發生冒頂和較大的下沉。煤壁片幫是巷道常見破壞形式，由于巷道斷面較大，其兩幫的破壞受回采工作面的推近影響較大。主要表現為頂角及底角臌出、中部臌出、中底部臌出等三種形式。通過現場實測發現，工作面回采巷道底臌多發生在工作面超前支承壓力范圍內，且距工作面煤壁越近，底臌量越大。

2 巷道圍巖變形破壞機理

2.1 兩幫破壞機理

兩幫變形的特征主要為兩幫煤體向巷道中心擠出，部分地段有片幫現象。一般根據松動圈理論認為，兩幫變形是由巷道煤體彈塑性變形和松動變形共同作用的結果。回采巷道兩幫煤體變形過程中，往往受到煤體內軟弱夾層的影響具有了塑性，由塑性引起的變形往往又稱為彈塑性變形。研究發現，一般彈塑性變形量較小，工程實踐中一般不予考慮。松動變形是指兩幫煤體在松動區范圍內變成破碎的煤塊產生相對運動而引起的變形。現場發現，兩幫煤體松動變形量比較大，是引起工作面回采巷道收縮、幫錨、錨索失效的主要原因。

煤體由于巷道的開挖出現的二向受力情況，煤體的受力改變后，其積聚的內部能量向外部空間釋放，引起兩幫煤體臌出。但是這一部分變形量不大，一般經過簡單支護后可以控制。受工作面回采的影響，回采巷道兩幫煤體松動范圍進一步變大，大量煤體膨脹、破碎向巷道中心移動。底板發生底臌時，對巷道兩幫下部的約束力減弱，則巷道兩幫煤體容易在巷道兩幫中下部發生臌出。

2.2 頂板破壞機理

由于回采巷道要受到工作面超前支承壓力的影響，因此回采巷道頂板的下沉是必然現象，另外，巷道冒頂主要有地質條件和現場管理兩個因素：（1）回采巷道頂板受地質構造的影響，頂板部分巖體破碎成無自承能力的巖塊。此外，構造帶附近易形成導水裂隙，水體沿此裂隙不斷侵蝕裂隙附近頂板巖層，使巖層強度降低、軟化、崩解、破碎，也易形成冒頂。（2）巷道支護不合理也是冒頂的重要因素，特別頂板比較破碎，巖層節理裂隙發育，支護不合理更易造成冒頂現象。當回采巷道頂板中存在層理弱面時，巷道在開挖后在自身重力和工程擾動應力共同作用下，會使頂板在該層理弱面處產生剪切作用，產生彎曲離層，隨著彎曲離層的進一步發展，最終頂板產生離層彎曲型冒頂。

2.3 底板破壞機理

巷道底板破壞一巷道底臌為主，而巷道底臌的表現形式多種多樣，歸根結底，巷道底臌的產生原因均是由巷道底板巖層作用的結果。從時間方面考慮，底臌變形過程主要可以分為巷道掘進階段、巷道穩定階段和回采階段等三個時間段。

巷道的開挖過程也可以看做是底板巖層應力變化的過程。由于巷道的開挖破壞了巷道的圍巖壓力的分布，當底板承受的應力超過其極限時，底板發生破壞。研究發現，巷道在掘進期結束后一段時間進入相對穩定階段。但是，該階段底板變形和破壞仍在進行之中，底臌量仍在不斷變大，只是變形量和變形速度均不明顯。整體看來，在這一階段，回采巷道底板巖層基本處于穩定狀態。由上覆巖層結構模型分析可知，在工作面回采過程中，基本頂發生斷裂使煤壁前方產生支承壓力，此壓力可通過巷道煤壁和煤柱傳遞給底板引起底板巖層產生拉應變和壓應變。底板巖層一般為泥巖、砂質泥巖等軟巖，在超前支承壓力下引起的拉應力和壓應力作用下容易產生離層，降低了底板巖層的整體抗彎能力，容易發生底臌。同時，兩幫下部在超前支承壓力作用下逐漸嵌入巷道底板增加了底板巖層所受的水平應力，進一步加大了巷道底臌發生率。

3 控制回采巷道穩定的有效措施

3.1 兩幫穩定性控制方法

由回采巷道兩幫變形機理分析可知，巷道兩幫變形包括彈塑性變形部分和松動變形部分，受采動影響較大，巷幫變形具有一定的流變特征。因此，可以據此理論分析來采取措施控制回采巷道兩幫變形程度。

隨著工作面的回采，回采巷道兩幫煤體因受才動影響其松動范圍變大。為了防治巷幫煤體的變形，目前采用的控制手段一般為“錨網索”聯合支護法、注漿錨桿/錨索加固法等。

“錨網索”聯合支護：錨桿支護和錨索支護兩幫煤體是通過鎖具的擠壓給兩幫煤體提供較高預應力來防止煤體松動、垮落，保持其整體性，提高煤體的自承載能力。同時，給予煤體的預緊力有能增加煤體節理裂裂隙的摩擦力，減小煤體產生相對滑動，促使支護范圍內的煤體處于三向應力平衡狀態，進一步提高了兩幫煤體的整體強度。金屬網主要是提高“錨網索”系統的護表能力，利用其較強承載力防止煤體片幫和碎煤塊的掉落。注漿錨桿/錨索加固法：在大采深或礦壓顯現劇烈的回采巷道特殊地段，采用錨固法對巷幫煤體進行加固后，對巷幫進行噴漿處理。主要是利用漿液膠結特性把回采巷道兩幫煤體的節理弱面與周圍煤體膠結成一個整體，提高兩幫煤體的整體強度。聯合法：顧名思義，聯合法便是在具體條件下“錨網索”聯合支護法、注漿錨索加固法、架棚支護法的聯合使用，利用其各自優點，保證巷道的穩定性。

3.2 頂板穩定性控制方法

目前對回采巷道頂板圍巖控制一般采用“錨網索鋼帶”聯合支護法，在超前支承影響范圍內或距工作面煤壁較近時往往補加單體柱和π型梁。對于回采巷道局部冒頂，要及時進行封頂，控制冒落區范圍的增加。一般情況下，對回采巷道局部冒頂可采用錨噴支護。

錨桿和錨索主要通過其預緊力和張力將錨固范圍內的頂板巖層壓緊，增大巖石層間摩擦力，使各層巖石組成具有較強抗彎、抗剪能力的組合梁。同時，錨索還可利用其錨固深、承載能力強、預應力高的特點，將下部松軟、破碎巖層懸吊在上部堅硬穩定的巖層中，使下部巖層和上部穩定巖層形成新的組合梁結構。頂板護網一般采用具有高承載力、不易腐蝕的金屬菱形網，主要是起到頂板護表作用，與錨桿、錨索共同承載頂板巖石，防止破碎巖塊的破碎、冒落。

3.3 底臌控制方法

由工作面回采巷道底臌機理可知，底臌與巷道底板巖層所受的水平應力、工作面超前支承壓力有直接關系。巷道越寬，越容易發生底臌；煤柱越窄，受采動影響越明顯，越易發生底臌；巷道越高，受超前支承壓力越大，越易發生底臌。此外，有學者指出軟煤層巷道發生底臌程度遠遠高于在中硬及硬煤層中的巷道。因此，應結合巷道斷面尺寸、高度、煤體強度等方面治理回采巷道底臌。

由于底臌具有普遍性和特定性，其普遍性是指在回采巷道中底臌是普遍存在的，無法進行人為的消除底臌，只能盡量減小底臌；其特定性是指底臌在不同的地質條件下表現不同，需要采取的措施也多種多樣。因此，國內外專家學者一直致力于底臌治理方面的研究。隨著對底臌機理的認識不斷加深，目前一般采用加固法、卸壓法、巷幫充填法和巷幫、角加固法治理底臌。

4 結論

回采巷道是煤炭、材料運輸的必經通道，回采巷道的穩定對煤礦的安全正常生產具有重要意義。根據巷道的破壞特征，其破壞形式主要有冒頂、頂板下沉、幫臌、底臌等，其中底臌和片幫現象尤為明顯。目前對回采巷道頂板圍巖控制一般采用“錨網索鋼帶”聯合支護法，而對兩幫采用的控制手段一般為“錨網索”聯合支護法、注漿錨桿/錨索加固法等，底臌一般采用加固法、卸壓法、巷幫充填法和巷幫、角加固法進行治理。

參考文獻

[1]董方庭，鹿守敏，梁士杰.巷道圍巖松動圈支護理論[J].煤炭學報，1994.

[2]徐乃忠.大采高沿空掘巷底臌機理及控制研究[J].安徽理工大學，2005.

[3]楊雙鎖，錢鳴高，康立勛，等.巷道圍巖控制的波動性平衡理論[J].太原理工大學學報，2001.

[4]郝海金，吳健，張勇，等.大采高開采上位巖層平衡結構及其對采場礦壓顯現的影響[J].煤炭學報，2004.