高應力軟巖條件下煤礦巷道支護研究與實踐

劉爭放

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.24.057

摘 要：我國的煤炭資源經過多年開發，儲量不斷減少，因此現在煤礦深度也在不斷增加，而更深處的應力就會增加，對煤礦的巷道支護提出了更加嚴峻的挑戰，特別是一些煤礦的地質條件比較特殊，地下巖層情況復雜，對巷道支護的要求就更高，現在煤礦安全采掘的研究重點就是尋找更加科學合理的支護方式。該文簡要介紹了高應力軟巖，并介紹了巷道支護原理，以實例探討最佳支護方式。

關鍵詞：高應力軟巖 巷道支護 研究實踐

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（c）-0057-02

到目前為止，我國的能源結構還是以煤礦為主要能源，因此近些年的煤礦消耗量巨大，煤炭的儲量也在逐年下降，煤礦層的深度也在逐年增加。我國的煤礦開采深度逐年增加，巷道支護難度逐年增大。現在煤礦安全采掘的研究重點就是尋找更加科學合理的支護方式，該文以某煤礦的巷道為例，試驗了3種支護方式，確定了其中的最優。

1 高應力軟巖概述

在巖石力學和工程界有關軟巖并沒有形成統一的認識，很多研究者都持有自己的觀點。劉高等人認為，高應力地區有一種巖石可以被稱為軟巖。這類巖石具有非常特殊的特點：這類巖石在應力比較小或者處在地表淺部時候巖體十分堅硬；而在高應力、低圍壓的條件下，巖體的強度和彈性模量都較高；而在高應力、高圍壓條件下就會表現出軟巖的性質。

（1）通常情況下滿足飽和抗壓強度大于或等于25 MPa的比較堅硬的巖石才會形成高應力軟巖。

（2）能形成軟巖的巖石巖體顆粒通常都比較小，巖體比較容易破碎，彈性模量比較小，比較容易形成流體。開挖前的巖體具有較高強度和彈性模量；而開挖以后巖體的圍壓較低，導致結構面張開，強度和彈性模量大大降低。

（3）能形成軟巖的巖石通常都埋在地底很深的位置，水平應力很大，遠遠大于自重應力。目前我國大多數煤礦的開采深度的巖石的自重應力都達不到高應力標準，只有埋藏在地下很深的地方的巖石的水平應力遠遠大于自重應力，才能滿足高應力的條件。

2 高應力下巷道變形

煤礦巷道在高應力條件下會出現明顯的變形，主要有以下特征：（1）巷道圍巖會發生明顯變形，高應力下軟巖的變形情況取決于軟巖自身特征，因為水平應力要遠大于自重應力，因此巷道的水平收斂量也要大于拱頂下沉量，通常會出現尖頂、底部鼓起和兩側向內偏移等；（2）巷道在初始變形速率高。因為水平應力遠大于自重應力，因此挖掘巷道時卸載速度快，產生壓力大，造成早期的變形速率高；（3）巷道圍巖的流變性能明顯，因此巷道變形的時效性很強。巖體流變造成圍巖產生過大的變形，巷道支護體不能滿足需要，圍巖會產生更加明顯的變形。

3 高應力下巷道支護工作原理

已經有很多學者研究過巷道支護的工作原理，掌握了一些軟巖力學屬性和變形力學機制，但是軟巖巷道在高應力條件下變形量大、受壓大、支護困難。何滿潮等人認為單一的變形力學機制不能解釋軟巖巷道的圍巖變形，而應該采用多種變形力學機制結合來解釋。并且軟巖巷道和硬巖巷道的本構關系存在明顯差異，因此它們的支護原理也大不相同。硬巖巷道在支護時嚴禁出現塑性狀態，因為硬巖在塑性狀態下不具有承載能力。而軟巖巷道開挖后需通過某種手段釋放其強大塑性能，并且軟巖在塑性狀態下承載能力依然存在。

巷道開挖后圍巖會受到各種力的作用，這些力促使圍巖向臨空區運動，假設這些力的合力是PT，那么巷道支護的原理可以描述為：巷道開挖后使圍巖向臨空區運動的合力PT等于變形形式轉化的工程力PD、圍巖自撐力PR和工程支護力PS之和。也就是說巷道開挖后促使圍巖向臨空區運動的力并不全是工程支護力PS，而是由PD、PR和PS共同作用。軟巖巷道支護時軟巖必然會進入塑性狀態，因此必須在設計時留下足夠的釋放時間和空間保證軟巖的強大塑性能釋放。

4 某煤礦巷道支護實例

4.1 某煤礦情況簡介

該煤礦井田高度差較大，最深處有1 081 m，最低處是443 m，巷道圍巖由多種巖石組成，主要有灰巖、細砂巖和泥巖等。該煤礦的瓦斯和煤儲量豐富，礦井內的應力很高，水平應力大約為豎直的自重應力的2倍左右，水平應力相當大。巷道的圍巖破碎嚴重，礦井之前采用錨網噴加料石進行支護，但是巷道依然會受到不同程度的變形破壞，因此在礦區內進行多種巷道支護方式試驗，以便獲得高應力條件下的最佳支護方式。

4.2 3種高應力軟巖巷道支護方式

經過研究，進行如下3種支護方式試驗：錨梁網聯合支護、錨梁網和錨索聯合支護及錨梁網和拱形支架聯合支護，每種支護方式都是80 m。

（1）錨梁網聯合支護：首先采用光面爆破技術挖掘巷道，在爆破以后初噴，并迅速打好錨孔，然后在錨孔中安裝錨桿，同時把鋼絲網和鋼梁掛好作為第一次支護，最后噴射混凝土進行第二次支護。

（2）錨梁網和錨索聯合支護：首先使用光面爆破技術挖掘巷道，在爆破之后進行初噴并打好錨孔，然后在錨孔中安裝錨桿，同時把鋼絲網和鋼梁掛好作為第一次支護，然后噴射混凝土進行第二次支護，最后在巷道靠近頂部兩側打上錨索加強支護。

（3）錨梁網和拱形支架聯合支護：在爆破以后初噴，并迅速打好錨孔，然后在錨孔中安裝錨桿，同時把鋼絲網和鋼梁掛好，然后裝上拱形支架作為第一次支護，最后噴射混凝土作為第二次支護。

4.3 試驗結果分析

觀測錨梁網聯合支護巷道76 d，拱頂下沉40.69 mm，兩幫收斂80.25 mm，拱頂下沉速度為0.54 mm/d，兩幫收斂速度為 0.85 mm/d；觀測錨梁網和錨索聯合支護巷道70 d，拱頂下沉 24.45 mm，兩幫收斂142.13 mm，拱頂下沉速度為0.35 mm/d，兩幫收斂速度為2.03 mm/d；觀測錨梁網和拱形支架聯合支護的巷道67 d，拱頂下沉3.81 mm，兩幫收斂13.94 mm，拱頂下沉速度為0.06 mm/d，兩幫收斂速度為0.21 mm/d。

從以上試驗結果可以看出，采用錨梁網和拱形支架聯合支護的巷道在拱頂下沉和兩幫收斂方面都具有最好的效果，因為它可以讓圍巖應力通過一定方式釋放，因此圍巖有一定的變形也不會影響巷道的穩定。

5 結語

綜上所述，現在我國的煤礦深度不斷增加，巷道支護困難越來越大，巷道支護已經成為煤礦發展的主要阻礙，巷道支護方式已經成為近些年煤礦研究的熱點。通過某煤礦的試驗分析可知，錨梁網和拱形支架聯合支護在高應力軟巖條件下是一種十分有效的巷道支護方式，可以極大地降低巷道拱頂下沉量和兩幫收斂量，具有重要的應用價值，各煤礦可以加深該種支護方式研究，廣泛應用，安全采掘煤炭資源。

參考文獻

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