千米深井安全開采技術難題探討

張云祥

雞西分公司屬于老礦區，其下屬的東海煤礦1958年建礦，屬于較為典型的老礦井，現開采深度達到了1100米，在55年的開采歷史中，經歷了由淺到深，由圍巖控制簡單到困難的過程。

在多年井工生產過程中，深井安全開采產生了一系列的技術問題

（一）東海煤礦在55年的開采過程中，逐步總結出原巖應力從淺部到深部的一些變化規律：

淺部原巖體多數處于彈性應力狀態，但進入深部以后，在高地應力以及采掘擾動力等的作用下，淺部表現為普通堅硬的巖石，在深部表現出非線性大變形的特征，而且圍巖變形產生了一些軟巖特征，即礦井由淺部的硬巖礦井轉化為類軟巖礦井，提高了井巷工程施工和支護難度。

深井條件下巷道圍巖非線性大變形的主要原因是巷道圍巖體受深部巖層的強大壓力與爆破施工影響，使巷道圍巖一定范圍內存在破碎裂隙區。巷道爆破施工后巖體應力得到釋放，圍巖產生新的裂隙，圍巖體新、老裂隙相互貫通，使巷道圍巖表面產生破碎裂隙區，即由巖層的結構面離層、裂隙張開及新裂紋產生的擴容變形，是巖石力學實驗曲線峰值后一段區間，為不連續非線性變形階段，屬于巷道支護的核心部分。然后是巖石的彈塑性變形，是實驗曲線峰值前一段區間，屬于彈性變形階段，為連續的變形。

由于圍巖破碎裂隙區的存在，使圍巖變形時間長，且長時間變形不止。特別是當受采動壓力影響時，巷道的破壞是全斷面的，不過從總體上看靠采空區一側巷道的幫部最先破壞。在工作面初采一個月后，不僅巷道上、下順槽被壓壞，而且距工作面停采線或切眼百米外的上（下）山巷道也受壓破壞。

為應對這種局面，一般深部巷道采用高強度、長錨桿與全長錨固等支護技術的主要目的就是有效的控制圍巖破碎裂隙區，暫緩并進一步防止圍巖破碎裂隙區向深部發展。同時也采用帶有底拱的巷道斷面，控制應力分布，起到應力的平均分布，維持巷道斷面完整。

（二）、在深井開采過程中，東海煤礦與黑龍江科技大學合作，在對深井巷道圍巖破壞機理進行研究得出成果后，針對這一破壞機理，在巷道圍巖支護方面進行了改進。

在巷道圍巖出現破壞之前，必須通過錨桿擠壓加固作用來提高圍巖體的強度，圍巖體的完整性必須得到保證，使巷道圍巖體與錨桿共同形成一個承載體。圍巖收縮變形實際也是壓力釋放的過程，一部分壓力在圍巖變形收縮過程中被釋放，一部分向圍巖深部轉移。巷道破壞一般首先從局部開始的，然后逐步擴大破壞范圍，最終使巷道失效。

巷道圍巖收縮變形的最終目標是巷道圍巖的壓力達到新的平衡，形成新的支護平衡系統。圍巖高應力區加強支護，低應力區減少支護，讓高應力區變形小，低應力區變形大，最終使巷道全范圍的收縮變形，即耦合協調變形，避免一些巷道圍巖因局部應力大而破壞的狀態。

要達到這個目的，一是降低圍巖應力集中區域的應力，如巷道底角、肩部等區域的應力集中程度；二是加大局部應力集中區域的錨桿和錨索支護強度，使圍巖應力靠錨桿和錨索的作用降低其應力集中程度，利用同一斷面內不同的支護強度，使巷道圍巖承受均勻壓力，最終使巷道達到耦合協調變形；三是利用 W型鋼帶、梯型鋼筋梁等使應力轉移，靠W型鋼帶、梯型鋼筋梁在支護過程中的微小移動或竄動，把高應力區的壓力向低應力區轉移，最終達到巷道各個部位圍巖應力差減少，圍巖受力均勻。

在支護理念上進行了以下改進：

1）以護為主。由于巷道破碎裂隙區的存在，保護巷道圍巖破碎裂隙的完整性，使破碎裂隙范圍不擴大，不漏頂，是保證巷道的穩定性原則。要保護圍巖破碎裂隙范圍不擴大，應采取主動支護方式，需要錨桿、網、鋼帶與噴漿支護等聯合支護；

2）支護系統的支護能力保持協調。錨桿、托盤、鋼帶、網等受力均衡，力學參數一致。支護系統要有一定的柔性，為圍巖變形、讓壓留有空間；

3）巷道整體協調耦合變形。對巷道底角、肩部等關鍵部位加強支護，使圍巖應力協調轉移和擴散，圍巖整體受力均勻；

4）優化巷道斷面。對巷道底角與肩部進行優化設計，減少該處應力狀態，降低關鍵部位應力集中程度；

5）加大巷道斷面。在目前支護技術、成本條件下不可能完全控制圍巖變形移動，為圍巖的內移留有空間，保證巷道斷面安全正常生產；

6）可操作性。提供的錨桿支護設計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進、維修速度的提高；

7）高強度支護。采用高強、長度大的錨桿，降低巷道支護成本與錨桿的間、排距。

（三）改進支護方式后，對巷道圍巖受力狀態進行對比：

新掘進的巷道斷面優化設計如圖9所示。

巷道底鼓是深部巷道破壞的主要特征之一。控制巷道底鼓是提高巷道圍巖的自穩能力，維持巷道圍巖完整的重要因素。控制圍巖變形，必須對現有巷道斷面形狀進行改革，減少因巷道斷面形狀引起的圍巖集中應力。經分析研究采用將直墻拱與全封閉拱相結合的一種半封閉巷道斷面形狀，此斷面形狀為拱形頂板、直墻、弧形底角、平底。這種巷道斷面形狀施工簡單，不影響巷道使用效能，最為重要的是能夠改善巷道圍巖的應力分布狀態，減小巷道圍巖的破壞范圍，提高自身巷道底角留設底弧以后，巷道圍巖應力集中程度較常規斷面形態有顯著變化，最大主應力減小43%，最小主應力減小69%，剪應力減少43%。此外在頂底板變形量方面也有一定變化，其中頂板下沉量減少2%，底鼓量減少42%。

理論分析中這種帶有底弧的巷道斷面形狀明顯降低圍巖關鍵部位的受力狀態，減少圍巖變形量，對巷道穩定性起到了重要作用。

（四）實踐驗證

分別在東海煤礦二水平五采區回風下山四段新掘巷道、五采區32號與35號煤層聯絡石門維修巷道中進行實踐驗證，同時在-450水平大巷進行了注漿加固實踐驗證。經歷了三個回采工作面的動壓影響，巷道沒有維修，狀態良好。

現場測試了以下內容：

（1）巷道表面頂底板和兩幫變形及位移量觀測。觀測點均設置在每個巷道斷面的中部，基點長度要求均為200～300mm。每個斷面設4個基點，頂底板和兩幫各1個。

（2）深部圍巖移動觀測。在試驗段內設置兩個觀測斷面，每個深部測點設2個位移計，分別為5m和2m。

（3）錨桿錨固力動態監測。在試驗巷道內設置錨桿錨固力動態觀測點，每個斷面設兩個測點，分別監測頂板和兩幫錨桿及錨索的錨固力。

經過四個月的測試與觀查，主要結果如下：

按兩種方案施工的巷道對比明顯。按原支護方案施工的巷道與新設計施工方案的巷道相比較有如下特點：初期頂底板移進量基本相同，但兩幫移近量相差很大。從圍巖移近量觀測數據上看，試驗巷道在掘進四個月后趨于穩定，而按原方案施工巷道變形還在延續。半年后的補充觀測數據同樣證明，試驗巷道在掘進四個月后逐漸穩定。原施工巷道圍巖的變形時間長，總的變形量大，破壞嚴重。因此支護時要對巷道頂板與兩幫同時考慮，支護強度要合理匹配，使圍巖受力均勻。如果頂板支護強度小，會造成頂板下沉量過大，頂板破壞和冒落；如果兩幫支護強度小，則兩幫移進量大，最終使巷道整體破壞。

依據頂板離層數據，頂板下沉量主要來自巷道表面圍巖體，深部次之。有效地限制巷道表面圍巖變形量，才能保證巷道自身的穩定。因此在采用錨桿支護時，要選擇高強度錨桿，還要按設計要求施加足夠的預緊力，把巷道淺部圍巖的變形破壞程度限制在最低范圍內。

根據錨桿錨固力動態監測儀數據，巷道施工后，錨桿拉力逐漸加大，在受到采動影響時，頂板錨桿與肩部錨桿拉力同時加速增大，采動影響結束后，錨桿拉力增量同步放緩，頂板與應力高度集中的拱肩處在支護后受力同步發展，基本達到協調變形的目的。endprint