1、专题部分跨采大巷的矿压显现规律及其支护技术摘要：跨煤层底板大巷回采不仅是回收资源的一种有效途径，更能使被跨采巷道长期处于开采形成的底板低应力区内，显著减轻巷道围岩变形，有利于改善巷道维护状态，使巷道保持长期稳定。但被跨采巷道要依次经历跨采所引起的前支承压力影响区、前支承压力显现区、卸压区、后支撑压力区和压力重新稳定区，其对巷道的围岩整体性具有严重的破坏作用，对跨采期间巷道的支护提出新的更高要求。本文总结了前人对跨采巷道矿压显现规律、跨采巷道围岩变形预测、跨采巷道围岩稳定性分析及锚注支护在跨采巷道维护中的应用等问题所做的研究工作，对跨采大巷的矿压显现规律及其支护技术形成了系统的认识。关键词：纵跨
2、；横跨；矿压显现规律；围岩变形；围岩稳定性；锚注支护1 绪论1.1问题的提出和研究意义最新公布的我国煤炭工业“十二五”发展规划1中提出：“煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占70%左右。在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。”纵观当今世界风云，局部地区的武装冲突越来越多的集中于能源问题，可以预测，在不远的未来，国与国之间的竞争会更多地聚焦于能源的竞争与抢夺。能源作为一个国家经济发展的动力之源，好比一列高速行驶列车的车头，能源不足必然会受制于能源供应国的制约，也就不可能成为真正意义上的大国、强国。改革开放以来，特别是进入21世
3、纪以来，国民经济的飞速发展对能源的需求量亦与日俱增，增量之大，远远超过生态环境所能承受之水平。据统计，2003年我国原煤产量16.67亿t，2004年产量达到了19.56亿t，2005年产量达到了21.1亿t，2006年产量已达到了23.8亿t，2010年原煤产量更高达32.4亿吨，同时净进口煤炭1.46亿吨。与此同时，我国煤炭生产与消费布局间的矛盾日益加剧。东部地区作为经济发展的“火车头”，同时也是煤炭资源的主要消费地区，而东部煤炭资源却日渐枯竭，产量萎缩；中部受资源与环境约束的矛盾加剧，煤炭净调入省增加；资源开发加速向生态环境脆弱的西部转移，不得不过早动用战略后备资源。北煤南运、西煤东调的
4、压力增大，煤炭生产和运输成本上升。在这样的大背景下，东部矿井由于长期开采，浅部资源日益枯竭，必须转入深部开采。20世纪50年代，我国的立井深度平均不到200m，而90年代平均深度已达600m，相当于平均每年以812m的速度向深部延伸。而东部矿井的向下延伸速度更快，平均每年达1025m。据统计，截止2010年，开采深度超过1000米的矿井数已达39对之多。在国外主要采煤国家中，德国、英国、波兰、独联体等都有深部开采矿井。德国煤矿矿井的平均采深约为947m，最深达1713m；英国煤矿的平均采深为700m，最深达1000m；波兰煤矿的平均采深为690m，最深的达到1300m；独联体己有许多矿井采深达
5、12001400m。另外，“对先前技术经济上开采不合理的资源块段，通过科学技术的进步予以回收，最大限度的延长矿井服务年限，提高资源采出率”同样受到学术界越来越多的关注。对水平开拓大巷上部的保护煤柱进行跨巷回采，不仅是回收资源的一种有效途径，更能使被跨采巷道处于开采形成的应力降低区内，显著减轻巷道围岩变形，有利于改善巷道维护状态，使巷道保持长期稳定。但是，煤层底板跨采巷道要依次经历前支承压力影响区、前支承压力显现区、卸压区、后支撑压力区和压力重新稳定区，其对巷道围岩整体性的破坏十分严重，以致在一般的支护条件下，底板大巷经历工作面跨采后，巷道变形程度已严重制约井下的安全生产，要对大巷进行跨采前加固
6、、跨采后二次支护。总为言之，跨大巷开采的应用对底板巷道的支护提出了新的更高要求，相配套的支护技术必须适应跨采巷道的围岩应力特征。根据围岩松动圈支护理论2，松动圈Lp1.5m的各类巷道围岩统称为软岩，它是各类支护难度较大的巷道围岩的总称，可分为三大类：遇水膨胀型、碎胀型及复合型软岩。跨采巷道围岩通常属于碎胀型软岩范畴。这样跨采巷道的支护问题可归纳为软岩巷道的支护问题中。目前我国煤炭行业每年巷道掘进量约6000km，软岩巷道约600km，其中相当部分巷道需要返修。特别是在一些老矿区，由于开采深度相对较大，深部软岩巷道维护问题更为突出，成为制约煤炭开采，影响矿井经济效益的一大难题，同时也成为许多专家
7、学者致力研究的领域。1.2国内外研究现状关于采场围岩控制控制的研究3，自上世纪50年代矿山压力与岩层控制课程建立以来，理论研究与工程实践两方面都取得了长足的进展。其发展主要概括为以下几个部分：采场上覆岩层“砌体梁”结构力学模型及“关键层理论”；“砌体梁”平衡的关键块研究及“SR”稳定；采场支架围岩关系研究及整体力学模型的建立；采场矿山压力与支护质量检测。关于巷道围岩的控制理论，本世纪初，古典压力理论4认为作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量H，如海姆、郎金和金尼克理论。这些理论的不同之处在于对侧压系数的计算。但是随着开挖深度的增加，古典压力理论暴露了许多缺陷。此时产生了塌落拱理论，其代表有
8、太沙基和普氏。塌落拱理论认为塌落拱的高度与地下工程跨度及围岩性质有关，认为巷道围岩具有自承能力。上世纪50年代以来人们开始用弹性力学来解决巷道支护问题，其中最著名的有芬那公式和卡斯特纳公式。上世纪60年代，奥地利工程师LVRbacevvncz在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道施工方法，被称为新奥地利隧道施工方法，简称新奥法（NATM）。1980年奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：“在岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法。”新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑物共同形成
9、为坚固的支承环。其他理论还有日本山地宏和樱井春夫提出的围岩支护的应变控制理论和萨拉蒙等人提出的能量支护理论。我国软岩巷道支护系统研究工作始于1958年。目前在我国软岩巷道支护领域具有代表性的有轴变论、开挖系统控制论、联合支护技术、锚喷一弧板支护理论、松动圈理论，二次支护理论等。此外尚有许多相应的软岩支护技术出现。同时，随着计算机的普及，数值计算方法也得以广泛应用，如有限元法、边界元法、离散元法等。以上述方法为基础的计算软件大量涌现，如ADNIA、NOLM、SAP、UDEC、FLAC、FINAL、2D一和3D一等。这些软件在工程模拟和计算中发挥着极大的作用。跨大巷开采的核心问题在于掌握跨采引起的
10、巷道围岩应力重新分布特点，并在此基础上预测围岩变形规律，采取科学的支护对策，保障大巷的安全使用。目前，国内外对深部巷道围岩变形量的预测，都是建立在实测的基础上，根据巷道围岩变形机理，总结出巷道围岩变形量与围岩应力、围岩岩性，以及支护反力之间的经验公式，为现场生产服务。德国研究表明，巷道顶底板移近率K是巷道围岩应力增量P和底板围岩强度的函数，即K=13.3/0.5。俄罗斯研究证明，顿巴斯深部静压巷道围岩变形与巷道埋深H、巷道宽度b、巷道高度h、围岩强度以及支架对围岩的反力（包括支架对顶板反力q顶和对两帮的反力q帮）有关14。国内蒋金泉6-7学者以南屯煤矿实际生产中所积累的经验为基础，提出了跨采巷
11、道有利于围岩控制的合理布置参数，并对跨采巷道的围岩稳定性进行亚分类，实现跨采巷道锚杆支护的科学化、系统化、定量化。但其支护参数与今天的支护设备间存在严重的脱节。同时，锚注支护作为跨采巷道支护的一种新途径，不断地在各大矿井中得以应用，并取得了出色的效果。可以预料，随着深部矿井的日益增多，深部软岩支护必将持续吸引更多的专家学者进入研究。1.3研究内容（1）跨采巷道卸压机理；（2）跨采巷道矿压显现规律、围岩变形规律、围岩应力分布特征；（3）跨采巷道围岩变形预测；（4）跨采巷道围岩结构稳定性及其分类，相应加固方案的科学化、系统化、定量化；（5）锚注支护在跨采巷道支护中的应用。1.4研究方法（1）现场观
12、测。在现场观测数据基础上，对深部巷道围岩的表面位移、应力状态、锚杆受力、采动条件、支护方式等进行分析，为理论分析及数值计算提供依据。（2）数值模拟。用FLAC3D数值分析软件，对深部巷道围岩的多元应力作用效应、结构效应和变形破坏规律等进行模拟分析，为深部巷道加固和跨采奠定基础。（3）理论分析。在上述研究的基础上，对跨采巷道的矿压显现规律、围岩的变形演化规律、结构效应和破坏机理等进行理论分析，给出科学合理的开采方法及支护设计方法。2 利用跨采进行巷道卸压的机理2.1沿工作面推进方向围岩应力变化规律在采用单一长壁垮落采煤法的采煤工作面8，沿工作面推进方向，工作面煤壁前方及采空区两侧的煤体或煤柱内，
13、将出现应力增高区。工作面后方将出现一定范围的应力降低区。采空区周围的煤体（柱）在高应力作用下，边缘会出现一定宽度的破碎带和塑性变形区。塑性区靠采空区一侧，应力下降，低于原岩应力H，形成应力降低区；塑性区靠煤体一侧应力按指数曲线增长到KH（K为应力增高系数）。K值在回采工作面附近较大，若为一侧采动煤体，K的最大值一般为2.53.0；若为两侧均受采动影响的煤柱，宽度又不太大时（3040m以内），则煤柱上的应力应趋于均匀分布，在回采工作面附近的K值一般为45。在采空区后方，随着与回采工作面的距离不断增加，煤柱上的支承应力及其影响范围将逐渐减小，大约在回采工作面后方100m以外，煤柱上的应力趋于稳定。
14、这时，煤体一侧采动时的K值为1.5左右，两侧采动时为3左右。煤体（柱）边缘应力降低区的宽度随着开采深度H、煤层采高M和应力增高系数K的增大而增加，当H、M和K值一定时，则随着煤体内摩擦角与粘聚力c的降低而增大。在实际生产中，应力降低区宽度的变化范围为27m，一般为35m。应力降低区宽度的变化对选择煤柱宽度、巷道布置及维护有很大影响。如果巷道位于采煤工作面附近煤体中的应力增高区内，将因承受很高的支承应力而难以维护；若巷道位于煤体边缘的应力降低区内或位于采煤工作面后方较远处的应力稳定区内，因受到的压力较小比较容易维护。2.2沿工作面倾斜方向围岩应力变化规律在沿工作面倾斜方向8，采空区周围的应力分布
15、如图1所示。煤层开采后在煤层底板中亦形成一定范围的应力增高区和应力降低区。应力增高区的边界从煤体（柱）边缘向采空区方向呈一定角度延伸；而在采空区下方角以外的岩层中则形成低于原岩应力的应力降低区。而且愈靠近采空区边缘的底板处，应力值愈小。图1沿工作面倾斜方向的围岩应力分布示意图底板中应力增高区和应力降低区的形状和边界，受许多因素影响。例如底板岩层的结构、构造和物理力学性质，煤体（柱）的变形特征，煤柱的宽度，岩层的倾角，载荷分布强度和不对称性等等。位于煤层底板中的巷道，若处于应力增高区内，将承受较大的集中应力而遭到破坏；若巷道处于应力降低区内，则易于维护。2.3跨采大巷的合理位置关系根据采空区下方
16、底板岩层中应力分布的特征8，为了有利于煤层底板中巷道的维护，可在巷道上方的煤层中布置采煤工作面进行跨采，或者在掘巷前进行预采，然后待采空区内岩层跨落稳定后再在底板的应力降低区内掘进巷道。被跨采巷道的维护状况主要取决于它与上方跨采工作面煤体（柱）边缘的相对位置，即取决于图1中参数z、x和角等值的大小。z为被跨采巷道与上部回层间的法线距离，x为被跨采巷道与上部回采煤层煤柱边缘的水平间距，为底板岩石应力升高区的扩展影响角。z值的确定主要取决于跨采工作面前支承压力的大小及底板围岩的性质，x值（或值）的确定主要取决于侧向支撑压力的大小及其在底板岩石中的扩展影响。根据我国一些矿区的实践经验及实验结果，对于一般的煤系岩层，最小的z值通常选为812m，围岩较松软时为1520m。值根据煤层倾
