煤矿深部巷道支护技术探索

煤矿深部巷道支护技术探索
[摘要]深部开采引起高地压、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动影响。

深部矿井重力引起的垂直应力明显增大，构造应力场复杂，地应力高。

针对我国深部高地压巷道围岩条件的特殊性与复杂性，巷道支护存在的问题，分析高地压巷道围岩变形与破坏机理，支护系统控制围岩变形的作用。

最后，介绍u型铁棚支护在鹤岗市兴安煤矿的应用情况，通过分析矿压监测数据，评价支护效果和围岩稳定性。

实践表明，锚索网喷+u型铁棚支护系统是深部巷道支护的发展方向。

[关键词]高压巷道深部开采巷道支护
中图分类号：td353 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）23-0259-02
煤炭资源开发由浅部向深部发展是客观的必然规律，也是世界上许多产煤国家所面临的共同问题。

我国煤矿开采深度以8-12m/年的速度增加。

国有大中型煤矿平均开采深度已达到400m以上，开采深度超过600m的有117处煤矿，有10余处煤矿开采深度超过1000m，最深达到1300m。

随着煤炭科学技术进步，矿山现代化促进了生产的高产高效，进一步加速矿井深度的增加。

浅矿井数目大为减少，中深矿井数目明显增加，深矿井将成倍增加，并将出现更多的特深矿井。

预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000-1500m的开采深度。

高地压巷道支护研究初步成果，还远不能满足高地压巷道围岩控
制的要求。

归纳起来，还存在以下问题：
（1）尽管提出了多种巷道支护理论，但任何一种理论都有缺陷，不能全面解释高地压巷道围岩变形与破坏的机理，还缺乏高应力环境下围岩与支护体相互作用机理全面、系统的研究。

目前，国内大部分高地压巷道采用二次支护理论，即巷道支护分两次进行，一次支护在保持巷道稳定的前提下，允许巷道有一定的变形以释放压力；隔一定时间后实施二次支护，保持巷道的长期稳定。

但是，这种理论目前已遇到了极大的挑战，在深部动压影响区、构造压力带、软岩破碎带等地点，采用二次支护后仍出现变形破坏等问题，甚至需要三次、四次支护，巷道周而复始的发生破坏，围岩变形长期得不到有效控制。

（2）虽然目前有多种巷道支护形式，但各种支护形式都存在不足。

对于高地压巷道，还缺乏有效的支护方法，导致巷道变形与破坏剧烈，需要多次维修与翻修。

不仅支护成本很高，掘进速度低，而且带来很多安全隐患，严重制约采煤工作面的快速推进和矿井产量和效益的提高。

（3）由于锚杆、锚索强度和刚度偏低，导致单位面积上锚杆、锚索数多，间排距小，支护密度大，严重影响巷道掘进速度，造成采掘接续紧张。

综上所述，高地压巷道支护问题，已经成为制约深部煤炭资源安全、高效开采的关键技术瓶颈。

如果支护问题得不到有效解决，大量深部煤炭资源无法开采，矿井的安全状况将会进一步恶化，煤矿
的产量与效益受到严重影响，煤炭工业的可持续发展无法实现。

巷道开挖后，围岩的受力状态发生改变。

巷道不同部位的岩体，由于其受力状态不同，所表现出的强度特性也各不相同（图1）。

当打入锚杆后，由于锚杆与围岩的相互作用，形成了σ3作用面，改变了边界岩体的受力状态，使其由一维应力状态转化为三维受力状态，从而提高了岩体的强度及其承载能力。

传统的组合拱设计观点认为，巷道围岩注入锚杆后所形成的组合拱厚度与锚杆的间排距、锚杆对岩体的控制角α有关，一般α取45°。

然而，研究表明，锚、网与围岩初次支护，在刚度上实现耦合，锚、网支护调动围岩强度超出锚杆端头范围，远远超过传统界限，从而最大限度地发挥刚性锚杆的支护能力。

传统的锚杆支护理论有悬吊、组合梁、加固拱等理论。

本文在井下实测、数值计算等研究成果的基础上，针对深部巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲击性，分析深部巷道锚杆支护的作用：
（1）锚杆可不同程度地提高锚固区煤岩体强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数。

如锚杆对煤岩体凝聚力的影响可用下式表示：
式中：c-有锚杆岩体凝聚力；
c0-无锚杆凝聚力；
n-锚杆数；
σs-锚杆屈服强度；
d-锚杆直径；
s-面积；
φ-内摩擦角。

由上式可知，对于中等强度以上岩石，锚杆对岩石破坏前的强度和变形影响不大；对于强度较低的煤体，锚杆在煤体破坏前对其强度有较明显的影响。

锚杆的主要作用是改善发生塑性变形和破碎煤岩的力学性质，显著提高其屈服后强度，改变屈服后煤岩变形特性。

（2）锚杆对节理、层理、裂隙等不连续面的本质作用在于：通过锚杆提供的轴向力与切向力，提高不连续面的抗剪强度，阻止不连续面产生离层与滑动。

通过提高结构面的强度，提高节理煤岩体的整体强度、完整性与稳定性。

（3）通过锚杆给围岩施加一定的压应力，可以改善围岩应力状态。

对于受拉区域，可抵消部分拉应力，提高围岩抗拉能力；对于受剪区域，通过压应力产生的摩擦力，提高围岩的抗剪能力。

（4）在深部巷道中，锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏，在锚固区内形成次生承载层，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，避免围岩有害变形的出现，提高锚固区围岩的整体强度和稳定性。

（5）在冲击矿压巷道中，锚杆支护可改善锚固区煤岩体的冲击倾向性指标；通过保持锚固区围岩的完整性，提高围岩承载能力，使巷道围岩应力分布趋于均匀化，同时提高了对深部围岩的约束能力。

基于上述作用，锚杆支护对冲击矿压有较好的控制作用，能降低冲击矿压的程度。

（6）锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生承载层与深部围岩相连，充分调动深部围岩的承载能力，使更大范围内的岩体共同承载，提高支护系统的整体稳定性。

设计实例
龙煤集团鹤岗分公司兴安煤矿，矿井设计年生产能力400万t。

11层煤厚8～12m，平均厚10m。

煤层裂隙发育，煤体松软破碎，巷道容易发生冒顶事故。

采用斜井、立井混合开拓方式，主井、副井为立井。

兴安煤矿一开拓区515队施工的四水平北11层f14下盘一段总机道顶板煤层厚度较大，极难维护。

巷道的掘进速度和支护是影响矿井安全高效开采的关键。

巷道净宽4.2m、净高3.0m，沿煤层底板掘进，采用了锚索网喷+u型铁棚联合支护方式。

锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢为杆体，锚杆直径为22mm、长1600mm，杆尾螺纹为m24mm。

间排距为800×800（mm），每排13根。

采用k2335型树脂锚固剂卷，锚固长度为800mm。

金属网网片规格为2000×1000（mm），网孔规格100×100（mm），搭接长度200mm。

喷射混凝土设计标号为c20，其配合比为水泥︰砂子︰石子=1︰2︰2，水灰比为0.4～0.5，速凝剂掺量约为水泥重量的2.5～4.0%。

喷厚为100mm。

锚索为单根钢绞线，其直径为17.8mm、长度最长为11000mm，采用k2335型树脂锚固剂卷加长锚固，锚固长度为1500mm。

每排布置
3根锚索，间排距为1600×1600（mm），配套金属托板规格为300
×300×16（mm）。

矿压监测
监测主要包括以下内容：
（1）顶板离层监测
顶板离层监测是最基本的监测内容，必须对离层监测数据进行记录、绘制曲线图，并分析、总结顶板变化规律，如发现顶板变化异常，必须采取措施。

kgd-1-150型矿用顶板离层传感器与顶板离层报警指示仪交错布置在巷道顶板宽度的中部，间距为30m。

（2）锚杆受力监测
采用cm-1型测力锚杆监测顶板锚杆受力状况，在施工时，将正常安装的锚杆换成测力锚杆。

每隔7m布置1组测力锚杆，每组3根，分别布置在巷道顶板和两帮。

井下监测与支护效果
u型铁棚支护实施于井下后，进行了矿压监测。

如表1，u型铁棚支护+锚索网喷支护巷道顶底板移近量为115mm，两帮移近量为55mm，顶板离层为3mm，分别比原锚索网喷支护巷道降低83.5%、90.6%、96.1%，巷道变形降低幅度非常显著。

可见，u型铁棚支护有效控制了深部巷道围岩变形，实现了深部支护的突破。

结语
（1）深部巷道埋深大、地应力高，构造应力场复杂，围岩强度和变形特征发生明显变化。

围岩变形的流变性、扩容性和冲击性显著，巷道支护困难。

（2）在深部巷道中，u型铁棚支护主要作用在于控制围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏，形成次生承载层，最大限度地保持围岩的完整性，避免围岩有害变形的出现，提高围岩的整体强度和稳定性。

（3）深部巷道应采用u型铁棚支护+锚索网喷支护系统，应尽量一次支护有效控制围岩变形，避免二次支护和巷道维修。

（4）兴安煤矿深部巷道支护实践表明，u型铁棚支护+锚索网喷支护系统是有效控制深部巷道围岩变形和破坏的支护形式。

参考文献
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[7] 石伟，孙德林，邹德蕴，深井软岩巷道围岩二次支护新技术，矿山压力与顶板管理，第20卷，第1期，2003。

作者简介
隋晓新：男，本科，助理工程师，现任龙煤鹤岗分公司兴安煤矿一开拓区技术员。