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1、深部巷道支护技术研究摘要：随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山 都相继进入深部资源开采状态。调查显示，我国煤矿开采深度正以每年 812 m 的速度增 加，未来 10a 我国煤矿深部开采的问题将越来越突出。安徽、山东、河南等煤田将建设一 大批新矿井，这些矿井穿越的不稳定表土层厚达 400700 m，巷道位于地下 6501000 m。 深部煤岩体由于受到高地应力、特别是侧向高应力的作用，.使其具有不同于浅部煤岩体的 特征。深部高应力煤岩体的岩石强度明显增加，岩体处于高压缩变形或破坏极限状态，爆 破对围岩产生的破坏和扰动范围加大，甚至会引起岩爆灾害。本文讨论了埋深
2、大于 800m 的深部矿井巷道及其支护技术存在的主要问题，并对影响巷道稳定的主要因素进行了分 析，提出了深部矿井巷道的支护技术，并结合一些矿井的现场实践结果，对巷道支护技术 进行了总结，对于类似地质条件下巷道支护具有一定的借鉴价值。 关键词：深部巷道支护；锚杆支护；围岩应力应变；0 引言煤炭资源从浅部开始开采，随着煤炭采出，开采煤层的埋深必然要增加，开采规模的 扩大和机械化水平的提高加速了生产矿井向深部发展。煤矿深井开采是世界上大多数主要 采煤国家目前和将来必然要面临的问题，我国东部地区经济发达，能源需求量大，矿井延 伸速度快，一些国有煤矿已经开始转向或即将进入深部开采。由于不同的产煤国家在煤
3、层赋存的自然条件、技术装备水平和开采技术上的差异以及 在深部开采中出现问题的程度不同，国际上尚无统一和公认的根据采深划分深井的定量标 准。根据本国国情和地质条件的实际情况，不同的国家有不同的标准。苏联的一部分学者 将采深超过 600m 的矿井归于深井，而另一部分学者把采深 800m 作为统计井深的标准。 德国学者把采深 8001200m 定为深部开采，把 1200m 以下称为超深开采；英国和波兰把 煤矿深部开采的起点定为 750m，日本定为 600m。我国对深井的界定无明确规定，中国煤矿开拓系统一书提出按开采深度将矿井划 分为 4 类，各类的深度范围如下表。矿井类别浅矿井中深矿井深矿井特深矿井
4、采深 H/m40040080080012001200在世界主要采煤国家中，德国、英国、波兰、俄罗斯、日本等都有深部开采矿井。英 国煤矿的平均采深为 700m，最深达 1000m；德国煤矿矿井的平均采深为 947m，最深达 1713m；波兰煤矿的平均采深为 690m，最深达 1300m；俄罗斯已经有许多矿井采深达到12001400m。我国国有煤矿生产矿井中，采深大于 700m 的有 50 处，占总数的 8.35%，采深已超过 800m 的矿井有 25 处，分布在开滦、北京、鸡西、沈阳、抚顺、新汶和徐州等开采历史较 长的老矿区，特别是在东部地区。在采深超过 1000m 的矿井中，有沈阳彩屯矿、开滦
5、赵各 庄矿、新汶孙村矿、北票冠山矿和北京门头沟矿。开滦唐山矿、马家沟矿和林西矿、北票 台吉矿、新汶华丰矿和阜新王家营矿等矿井的开采深度接近 1000m。预计 1020 年后，开 采深度大于 700m 的矿井将不断增加。在此背景下，随着采深的不断加大，深井所带来的巷道支护问题的特殊性也越来越受到重视。随着开采深度的加大，巷道周边围岩应力呈近似线性关系的增长，巷道围岩变形 少则几百毫米，多达 1.02.0 m。巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修，特别是它们 的两类或三类的复合型，问题更为突出。严重时，在巷道掘进或使用期间将会在巷道中引 发煤与瓦斯突出，甚至岩爆等动力灾害，这不但造成巷道支护困难
6、、成本高，而且造成煤 炭资源开采的极端困难，严重威胁矿井的安全生产。如何解决深井巷道支护的难题，提出 一些实际可行的支护方式对于矿井的建设和安全生产具有重要又迫切的意义。1 开采深度与巷道围岩变形的关系1.1 国内的研究开采深度对巷道围岩的影响十分复杂，除与巷道围岩的性质密切相关外，还于巷道的 支护方式有关，由我国的研究成果可知，开采深度与巷道围岩变形和维护之间的一般关系 如下：（1）岩体的原岩应力即上覆岩层重量，是在岩体内掘巷时巷道围岩出现应力集中 和周边位移的根本原因。因此，随开采深度增加，必然会引起巷道围岩变形和维护费的显 著增长。（2）巷道围岩变形量或维护费用随采深的增加近似呈线性关系
7、增长。（3）巷道围岩变形和维护费用随开采深度的增长幅度，与巷道围岩性质有密切关系， 围岩愈松软，巷道变形随采深增加愈快，反之，围岩愈稳定，巷道变形随采深增加愈慢。（4）巷道围岩变形和维护费用的增长率还与巷道所处位置及巷道支护方式有关，开 采深度对卸压区内的巷道影响最小，对位于煤体内巷道及位于煤体-煤柱内巷道的影响次 之，对两侧均已采空的巷道影响最大。1.2 德国的研究（1）德国提出巷道掘进引起的围岩移近量与开采深度和巷道底板岩层强度之间的关 系为：式中：K巷道掘进引起的围岩变形量占巷道原始高度的百分率。%； P岩层压力，p=，Mpa； Rf底板岩层的单轴抗压强度，Mpa。利用该式计算结果如图
8、1 所示，由此可见，巷道掘进引起的围岩变形随开采深度的 增加而增长，其增长率与巷道围岩性质有关。开采深度每增加 100 m，在煤层（Rf=14 Mpa) 中掘进，围岩移近量增加 8.9%；在软岩（Rf =28 Mpa)中增加 6.3%；在页岩（Rf =45 Mpa) 中增加 5%；在砂岩（Rf =97 Mpa)增加 3.4%。同时取 Rf =0，可以知道在巷道掘进过程中 引起围岩明显变形的临界深度，在煤层中为 512 m，软岩中为 732 m，页岩中为 930 m，砂岩中为 1360 m。（2）德国埃森采矿中心还对 100 条前进式开采的采准巷道进行了系统观测，得出巷 道围岩移近量占巷道原始高
9、度的百分率与开采深度关系式为：K=6.6 H/100即开采深度每增加 100 m，回采巷道围岩移近量占原始高度的百分率增加 6.6%，与上 述统计值相似。矿井开采深度由 300 m 增加到 800 m 时，移近量要增加 1000 余 mm，中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 100 页巷道从较易维护变为难以维护，可见开采深度对巷道矿压显现的影响之大。图 1-1 移近量和岩石压力 p（深度 H）和底板岩层强度的关系图1-砂岩（Rf =97 Mpa)；2-页岩（Rf =45 Mpa)；3-软岩（Rf =28 Mpa)；4-煤（Rf =14 Mpa)1.3 前苏联的研究前苏联对矿井开采深度与
10、巷道稳定性的关系进行过大量研究，认为深部巷道矿压显现 的一个主要特点是在巷道掘进时就呈现围岩强烈变形，且在掘进后围岩长期流变，使巷道 支架承受很大压力。浅部开采时表现不明显的巷道掘进引起的围岩变形，在深部开采时显 现十分强烈。根据在顿巴斯矿区进行的大量巷道矿压观测的结果，提出了深部巷道掘进初 期围岩移近量的计算公式为：Udt = 0.01t eg H -10( R )2 qRdb0-R1RhUct = 0.0056t e0.85g H -15( )2 qcR0-R1式中:Udt 、Uct 顶板、两帮在掘进后 t 时间内的位移量，cm； t时间，d；qc 、 qd 顶板、两帮作用在支架上的压力，
11、kN/ ；岩石容重，kN/m；H巷道所处的深度，m； R岩石单轴抗压强度，kPa； Ro寻求常数时引人的单轴抗压强度，3000kPa； b巷道所处的深度，cm；h巷道高度，cm； 由此可以看出随着开采深度的增加，维护时间的增长，巷道变形将逐渐增加，维护也将越来越困难。前苏联学者舍斯勒夫斯基认为，当 H/R0.3 时，既开采深度相对比较小或 围岩强度相对比较大时，开采深度对巷道围岩变形影响较小，反之，围岩稳定性系数愈大， 开采深度对巷道围岩变形的影响就也愈大。2 深部巷道围岩稳定的关键理论和变形规律2.1 围岩稳定理论围岩的稳定性既取决于围岩的完整性和岩体强度，又取决于其所处的应力状态。根据 岩
12、石力学试验结果，任何岩石在三向应力状态下的强度高于二向应力状态或单向应力状态 下的强度；当围岩处于三向应力状态时，随着侧向压力增大，其峰值强度和残余强度都会 得到提高，并且峰值以后的应力-应变曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡，岩石由脆性向 延性转化，如下图所示（图中显示了大理岩强度及变形特性随围压的变化，该图引自Von Karmon，曲线上的数字是围压，单位为MPa）。因此，要维护巷道的稳定，首先必须在巷道开挖后尽快恢复和改善围岩的应力状态， 将巷道开挖后因二次应力调整形成的二向应力状态恢复到三向应力状态。改善和恢复应力 状态的措施越及时，围岩破裂扩展的程度越轻，围岩的完整性保持得越好，围岩越
13、稳定； 巷道自由面上的压应力恢复得越高，围岩强度越高，自我承载能力越高，围岩越稳定。这 就要求巷道开挖后必须立即支护，而且支护力必须达到足够的量值。图 2-1岩石应力应变曲线图2.2 深部围岩岩爆理论岩爆也叫冲击地压，是世界范围内煤矿及岩石工程遇到的最严重的自然灾害之一，是 目前国际深部采矿工程和岩石工程中迫切需要解决的难题。其详细的发生机理尚没有完全 清楚，按煤岩体的失稳类型，可分为压缩冲击地压， 剪切冲击地压和拉伸冲击地压。它 是一种瞬间发生的岩体脆性破坏，它必须满足一定的应力积累和一定范围内的能量积聚。 在巷道周边围岩和矿柱存在高应力区是岩爆发生的先决条件。通过长期的探索，提出冲击地压的
14、形成机理不下几十种，较有代表性的有：（1）单纯强度理论。早期南非的冲击地压研究者认为冲击地压是局部应力超过了煤 岩强度而发生的。显然，应力超过强度只是其中因素之一。（2）单纯能量理论。由于单一强度理论不能完全反映其机理，在对金矿的冲击地压 研究中发现，在采矿过程中， 能量的增加率超过能量的耗散能力时， 发生了冲击地压。 因此就认为单纯的能量控制了冲击地压的发生，能量理论解释了有关冲击地压现象，但把 煤岩体看成纯的弹性体，这与实际是有区别的。（3）刚度理论。通过实验和井下矿柱的对比，对井下单个矿柱的冲击地压研究发展 了刚度理论，将其发展到研究多个矿柱冲击地压计算。该理论只适用于矿柱问题。（4）倾
15、向性理论。通过试验和调查认为，产生冲击地压是煤岩固有的性质，并把这 种固有的性质称为冲击倾向性。提出了衡量这种倾向性强弱的两个指标： 弹性指数和冲 击能量指数。当这两个指标大于某个值时，就会产生冲击地压。但在实践中发现，冲击倾 向性大的煤岩出现冲击地压的次数并不比倾向性小的煤岩次数多。因此，这一理论存在明 显的不足。2.3 深部软岩非线性大变形理论在深部巷道围岩受地压作用下，除脆性岩体产生岩爆外，另一种表现是围岩体软化， 从而进入大变形软岩状态。在我国地下煤矿中，随着开采深度的加大，绝大部分煤矿都出 现了软岩灾害。深部软岩灾害导致矿井停产、停建屡见不鲜；造成隧道、涵洞无法使用的 情况， 在水电、铁路等方面经常见到。深部软岩巷道围岩的地压表现特征是其在工程应 力的作用下产生显著的塑性大变形。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性，强 度低于工程力水平的则可能表现为深部软岩的力学特性：而对同种岩石，在较低工程力的 作用下表现为硬岩的小变形特性，在较高工程力的作用下则可能表现为深部软岩的大变形 特性
