1、专题部分特殊地段的煤巷支护技术摘要巷道布置改革的深化，支护技术的完善，使得煤矿井下巷道中煤巷所占比重日益增加，为高产高效矿井的实现起到推动作用。然而，煤层围岩条件差，地质构造复杂，采动影响，应力分布不均等特殊情况所带来的煤巷支护问题，制约着煤巷的发展。针对特殊地段的煤巷支护问题，分析特殊地段下围岩变形机理、应力分布规律以及巷道支护原理，确定合理的支护方式，进而保证煤巷围岩的稳定，矿井的生产安全。关键词煤巷 特殊地段 支护技术Abstract:with the deepening of roadway layout reform and the improvement of support te
2、chnology, the roadways proportion in the coal mine increases, playing a role in promoting high yield and efficient mines achievement. However, roadway support issues caused by special circumstances such as poor coal rock, complex geological structure, mining influence, the uneven distribution of str
3、ess, restricting the development of roadway. In view of roadway special lots support issues, analysising mechanism of rock deformation, stress distribution and roadway support principle, determining reasonable support patterns, thus ensuring the stability of surrounding rock, production safety of co
4、al mine.Keyword: roadway; special lot; support technology0引言随着采煤技术的推行，巷道布置改革的深化以及支护技术的完善，国内外矿井开拓系统的改进趋势是把大多数巷道布置在煤层中，即多掘煤巷少掘岩巷。在保证安全的情况下，煤巷代替岩巷，加快了施工速度，降低了掘进成本，有利于煤矿的可持续发展。据统计，半煤岩、煤巷掘进量占矿井掘进总量的93%左右。其中，全煤巷掘进量又可占生产矿井掘进总量的80%以上。因此，煤巷是矿井巷道的重要组成部分。煤巷支护方式复杂多样，与传统架棚支护相比，煤巷锚杆支护技术经济效果显著，故而煤巷锚杆支护技术近几年来在我国煤矿中
5、得到长足的发展，成功研发并推广使用了煤巷锚杆支护技术，基本形成了适合我国煤矿具体条件的煤巷锚杆支护配套技术，为我国高产高效矿井建设提供了不可少的技术支撑，成为煤巷的主要支护方式。但在煤矿井下特殊条件下，单纯的锚杆支护并不能够适用。煤巷掘进时，经常会遇到一些特殊巷道，如特殊地质条件下的巷道、特殊地点巷道及特殊用途巷道。不合理的支护手段，使得支护效果大打折扣，甚至完全没有效果。不能保证巷道围岩稳定，无法满足煤矿正常生产和安全要求。例如，当开掘破碎顶板条件下的沿空煤巷时，仅靠锚杆支护并不能维护住破碎的顶板。针对高应力大松动圈软岩工程中存在的支护问题，分析破碎软岩巷道中锚喷网支护、锚注支护以及锚索支护
6、技术原理，决定采用“三锚”支护技术，即锚杆支护技术、锚索加固技术和锚注支护技术，能很好地解决支护难题。大多数巷道开挖后需保存较长时间，在使用期间，不免会受到采动影响，围岩应力等作用。针对煤巷开挖前后的特殊条件，正确选择支护方式，可达到良好的支护效果，从而更好地促进矿井的安全与生产。近年来，随着综采生产技术的发展，百万吨综采工作面大量涌现且千万吨级全自动综采工作面也已出现，年消耗回采巷道量大幅度增加。然而，煤层的赋存条件因成煤环境不同而各异，巷道的围岩条件千差万别，地质构造复杂多变，采动影响下应力分布不均。针对特殊地段的煤层巷道，提供及时有效的支护，成为制约煤矿高效安全集约化生产的技术瓶颈，是煤
7、炭工业急需解决的关键问题。1巷道支护体破坏的力学过程巷道支护体破坏的力学过程工程实践表明，巷道支护体破坏是一个过程，总是从一个或几个部位首先产生变形、损伤、破坏，进而导致整个支护体失稳。因此支护体破坏的根本原因，是巷道支护体的力学特性、围岩力学特性和岩体力学载荷性质的不耦合所造成的。其演变过程如图1所示。故而，分析研究特殊地段下围岩变形机理、应力分布规律以及巷道支护原理，确定合理的支护方式，是保证巷道围岩稳定极为必要的方法。图1巷道支护体破坏的演变过程2常见巷道支护方法2.1锚杆支护2.1.1锚杆支护原理(1)悬吊理论悬吊理论认为：锚杆支护的作用是用锚杆将较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强
8、较软弱岩层的稳定性，如图2-1所示。在软弱围岩中，锚杆的作用是将直接顶板破碎岩石悬吊在其上部的自然平衡拱上。该理论直观简单，在不稳定岩层厚度容易确定的条件下应用较为方便。锚杆长度按2-1式确定。不稳定地层厚度根据地质调查或冒落拱高度确定，当其数值较难确定或厚度过大时，支护参数不易确定，此时悬吊理论的应用遇到困难。 L=KH+L1+L2 (2-1)式中： L锚杆长度; H软弱岩层厚度或冒落顶高度; K安全系数，一般K=2; L1锚杆锚入稳定岩层的深度，一般可按经验取0.3m ; L2锚杆在巷道中外露的长度。层状顶板中，较薄的顶板岩层容易发生离层开裂破坏，锚杆支护的组合梁作用是通过锚杆的锚固力把数
9、层薄的岩层组合起来，增大了岩层间的摩擦力，同时锚杆本身也提供一定的抗剪力，阻止岩层层间的相对移动，从而形成类似锚钉加固的组合梁。图2-1锚杆支护的悬吊作用(2)组合梁理论组合梁中全部锚固层共同变形，提高了顶板岩层整体的抗弯能力，从而大大减少岩层的变形和弯张应力，其工作原理如图2-2和图2-3所示。这种观点形象的阐述了锚杆作用机理，在浅部工程中具有一定的指导意义，只适应于浅部层状顶板。深部工程中，围岩应力及变形量大，顶板岩层连续性遭受破坏，从而失去传递拉应力和弯矩的能力，层状顶板失去“梁”的应力及变形特征，组合梁观点不再适用。图2-2锚杆支护的组合梁原理图 图2-3板梁组合前后的挠曲应力对比(3
10、)压缩拱理论该理论认为，在锚杆锚固力的作用下，每根锚杆周围形成一个两头带圆锥的筒状压缩区。各锚杆所形成的压缩区彼此联成一个有一定厚度的均匀压缩带，该带具有较大的承载能力，如图2-4。如果是拱形或圆形巷道，把锚杆以适当的间距沿拱形系统安装，就会在巷道周围形成连续的均匀压缩带，并起到拱的作用，如图2-5。图2-4锚固体的均匀压缩带 图2-5 锚杆支护的均匀压缩拱锚杆的长度与间距，决定了连续均匀压缩拱能否形成及形成后的厚薄。加固拱的厚度可按式2-2确定。由于均匀压缩拱内的径向及切向均受压，故这部分围岩强度得到了其承载能力也相应增大。 (2-2)式中 加固拱厚度; 锚杆间距1锚杆长度;锚固体与锚杆的夹
11、角，一般取45。(4)围岩强度强化理论锚杆与围岩相互作用，形成锚杆围岩的共同承载结构，改善锚固体力学性能，提高锚固体峰值强度和参与强度，特别是残余强度提高，有效提高围岩的自承能力，控制围岩塑性区、破碎区的发展，促使巷道围岩由不稳定状态向稳定状态转变。国内有些专家在用水泥砂浆试块模拟有、无锚杆和金属网约束的岩体进行试验时，发现锚固体具有“双峰”性质的应力应变特性曲线，如图 2-6所示。图中左侧第一个“峰”是普通岩石所普遍具有的特性，当它已经破裂而且处于残余强度时再加载，则发现无锚杆的岩块发生彻底碎裂破坏，而有锚、网的试块仍能继续承载，出现应力应变第二个“驼峰”。这充分说明锚、网对破碎岩体有强有力
12、的支护作用。图2-6锚固体的应力应变曲线2.1.2 锚杆支护设计方法煤矿井下巷道(特别是回采巷道)突出特点就是承受采动支承压力，围岩破碎、变形量大。煤矿井下巷道锚杆支护设计，首先要对巷道所要经受采动影响过程及影响程度进行准确的评估，对巷道使用要求和设计目标要予以准确定位。工程设计之前，对围岩的地质条件、岩体强度、松动圈、采动影响程度、矿压显现规律等因素要进行深入的调查分析，必要时对原岩应力大小和方向进行测试，为支护设计提供可靠基础数据资料，这是取得良好设计效果的重要保证。目前，我国煤巷锚杆支护参数设计方法，主要有工程类比法和理论计算法。工程类比方法占较大比重。理论计算方法往往用来检验工程类比法
13、的可靠性程度。工程类比法，是在现有理论基础上，参照已有大量工程实践的经验参数，通过工程相似条件下的类比，直接确定新开工程支护参数的一种方法。理论计算方法是在测得岩体和支护材料力学参数前提下，根据围岩力学特征建立数学模型，然后利用相应锚杆支护作用机理和相关支护理论确定锚杆支护参数的方法。工程类比法的应用，核心在十评价新开工程与已往成功工程的相似与差别之处，工程的类似性、体现在以下几个方面：(1)岩层的强度与工程地质条件岩层强度是影响围岩稳定性最主要的因素，它不仅是指岩块的强度，更主要的是包含节理因素的岩体强度、岩石的遇水软化膨胀性等。岩层的地质赋存状况、节理发育程度、水文地质条件等对岩体强度的影
14、响很大，这些指标是否相当，对工程类比的可靠性影响很大。(2)地应力地应力是影响围岩稳定性的两个最重要的因素之一，相似模型试验证明，其影响仅次于岩体强度。大量实测表明，一些矿区水平主应力往往大十垂直主应力，在浅部、中深部硬岩工程中这一现象比较突出，具有一定的普遍性。如果单独根据巷道理论深度作为类比的条件，有时会产生比较大的失误。因此，在工程设计之前应首先对原岩应力特征进行调查评估，对十重要的工程，进行实测原岩应力大小与方向为好。(3)采动影响采动影响事实上是围岩中应力升高的过程，巷道受采动影响的程度与巷道和工作面的空间关系有关，对此要综合评价。(4)巷道特征与使用条件巷道特征包括跨度、断面形状、
15、巷道轴向等。跨度与断面形状的不同，支护结构稳定性、围岩破坏变形规律不同，类比时要加以区分。原岩应力的测试结果表明，水平主应力有最大和最小两个分量，二者数值相差1-2倍。因此，巷道方向的不同，支护效果也会具有明显的方向性差异。巷道使用条件包括服务年限、使用要求、采动影响程度等因素。在相似同类巷道类推，能够消除如断面形状、采动等因素的影响，使支护参数更趋于合理。2.2锚喷支护2.2.1锚喷支护机理锚喷支护是指联合使用锚杆和喷混凝土或喷浆的支护。通过加固围岩强度，提高围岩自撑能力来达到维护的目的。深井巷道锚喷支护能加固围岩，通过加提高围岩强度，减小破裂区厚度。这就是深井巷道锚喷支护机理，它是由深井巷道开挖后围岩普通处于破裂状态、而破裂区的形成要经历较长的时间过程和锚杆的作用决定的。喷射混凝土，是将混凝土的混合料以高速喷射到巷道围岩表面而形成的支架结构。其支护作用主要体现在：(1)加固作用巷道掘进后及时喷上混凝土，封闭围岩暴露面，防止风化;在有张开型裂隙的围岩中，喷射混凝土充填到裂隙中起到粘结用，从而提高了裂隙性围岩的程度
