1、专 题 部 分浅析深井巷道支护技术摘要：随着煤炭工业的发展,矿井开采正经历着一个由浅到深、由简单到复杂的过程,深部矿井逐渐增多。影响巷道稳定性的因素也随着增加,深部巷道支护问题越来越引起人们的重视。本文通过对深部巷道矿压特点、变形规律、巷道破坏机理、围岩影响因素以及巷道支护技术的理论研究,提出了深井巷道矿压的控制应该着重考虑巷道的优化布置和改善巷道的支护形式,充分发挥以锚杆为主体的新型支护以及锚喷、锚索、锚网等联合支护形式。关键词：深部开采；矿压显现特征； 支护技术0引言 随着煤炭工业的发展,矿井开采正经历着一个由浅到深、由简单到复杂的过程,深部矿井逐渐增多。影响巷道稳定性的因素也随着增加,深
2、部巷道支护问题越来越引起人们的重视,煤矿深部开采中的巷道支护成为重要部分。1绪论1.1国内外煤矿深井开采的现状煤炭资源从浅部开始开采，随着煤炭采出，开采煤层的埋藏深度必然要增加，开采规模扩大和机械化水平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要面临的问题，随着能源需求量大，矿井延深速度加快，一些国有煤矿已开始转向或即将进入深部开采。由于不同的产煤国家在煤层赋存的自然条件、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。因此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，一些采煤国家的学者对深井的界定提出的一些见解和论述。
3、前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作为深井的标准。原西德学者把采深8001200m定为深部开采，把1200m以下称为超深开采。英国与波兰把煤矿深部开采的起点定为750m，日本定为600m。我国的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，各类的深度范围见表1-1。表1-1 中国煤矿开拓系统按开采深度对矿井分类矿井类别浅矿井中深矿井深矿井特深矿井采深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，最深的达1000m。德国煤矿矿井的平均采深为94
4、7m，最深的达1713m。波兰煤矿的平均采深为690m，最深的达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，特别是东部矿区。在采深超过1000m 的矿井中，有沈阳彩屯矿(1199m)、开滦赵各庄矿(1160m)、新汶孙村矿(1055m)、北票冠山矿(1059m)和北京门头沟矿(1008m)。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
5、，开采深度大于700m 的矿井将不断增加。由此可见，深部矿井的开采技术既是当前一些矿井面临的问题，也是我国煤炭工业长远发展需要十分重视和研究解决的问题。1.2 煤矿深井开采存在的问题1.2.1 矿压显现加剧，巷道维护困难随着矿井采深的不断增加,矿井逐渐出现矿压显现强烈，巷道维护困难，地温升高和勘探困难，开采条件恶化，生产技术效果和经济效益下降等问题。一方面,巷道断面必需加大；另一方面,地压增大,在深部高应力作用下，围岩移动更为剧烈,巷道产生变形破坏更为严重。深井巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中的最薄弱环节。1.2.2 煤岩破坏过程强化，冲击地压危险性增加我国发生冲击地压的深度在200100
6、0m,由于开采深度的增加,煤岩体应力升高,有冲击地压危险的煤层数量增加,有冲击地压的矿井逐渐增多。经调查发现,冲击地压发生的次数、强度和危害程度随深度的增加日趋严重。1.2.3 瓦斯压力增高，煤与瓦斯突出危险严重我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一,截止1986年,已发生突出的矿井200多个,突出次数约为 12000 次,约占世界发生总突出次数的 1/3。从国内外开采实践上看，矿井深部开采时瓦斯涌出量一般比较大,煤与瓦斯突出的问题已成为深部开采中不容忽视的重要问题。1.2.4 深热矿井增加，气候条件恶化随着矿井向深部开采,许多国家都遇到了不同程度的热害问题。矿井气温过高严重影响人体健康,引
7、发各种疾病,造成事故率上升,劳动生产率下降,甚至被迫停产。我国深井热害问题相当严重,而我国热害的治理工作由于缺乏技术、资金等问,大部分矿井热害治理仅靠通风降温、洒水降温,部分矿井采用机械制冷降温方法。总的现状是技术落后、效果较差,应引起有关方面的高度重视。1.2.5 矿井生产费用升高，经济效益下降随着采深的增加，勘探强度加大，地压、地温升高，冲击地压及煤与瓦斯突出危险增大，相应的要采取一系列措施，如增加设备，加强支护等。同时，井下需要维修的巷道长度增加，到工作地点的距离和时间增加，提升高度大、时间长，主副井提升系统、排水系统环节增多，通风系统趋于复杂。这些都导致煤炭生产成本增加，吨煤成本生产费
8、用提高，经济效益迅速下降。1.3 主要研究内容和预期达到的目标及研究意义在已有研究成果的基础之上，本文主要研究以下几个问题：（1）深井巷道围岩变形影响因素及其变形规律；（2）深井巷道围岩变形机理；（3）深井巷道围岩变形控制的支护对策及锚杆支护参数设计。采取的研究方法：在广泛阅读收集资料的基础上，采用力学理论分析综合对比等方法，以期得出深部巷道围岩变形的机理及其制约因素，进而得出巷道支护设计参数。随着我国煤矿开采规模的扩大,开采深度的逐渐增加,深部开采已经成为煤矿生产的必然过程。深部开采中遇到的矿压、地热、瓦斯等主要技术问题日益增多,对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严重。因此,如何面对深
9、部开采的复杂地质条件,及时解决深部开采所涉及的技术性问题，从长远看，它将对安全、经济、合理地开发深部煤炭资源有重要的战略意义。2 深井巷道压力特点及变形规律2.1 深井巷道矿压显现的基本特点随开采深度的增加产生岩石温度增加，地压增大，岩石破坏过程强化，巷道围岩变形剧烈，冲击地压强度增大和频度增加等自然现象。它将严重影响着煤矿的安全生产和经济效益。深部煤层开采复杂化的主要影响因素是矿山压力，在高应力作用下，围岩移动更为剧烈，巷道产生变形和破坏也更为严重，巷道围岩变形速度快、变形量大，巷道周边变形范围大；巷道对支架的工作特性要求高，初撑力、工作阻力和可缩量均大，即使开掘在底板岩石中的巷道，用拱形金
10、属支架和各种结构封闭式支护的巷道有时也有巨大变形。巷道从使用期间维护困难已发展到掘进期间维护困难，掘出后废弃的巷道增多，巷道掘好后不久将失稳，围岩收缩变形较大，其巷道稳定性随深度增加而逐渐恶化，使深部巷道的维护费用剧增。2.2 深井巷道围岩变形规律在重力、工程偏应力、地质构造、岩性、动压等诸多因素的影响下，深井岩石巷道围岩具有如下的变形规律:(1) 深井巷道围岩具有软岩流变特性。 (2) 深井巷道围岩变形具有明显的时间效应。(3) 深井动压巷道围岩自稳时间短，收敛变形量大。2.3 深井巷道变形特点2.3.1 巷道变形量大深井巷道矿压显现的显著特点之一是巷道开挖就产生大的收敛变形量。这一特点是由
11、深井巷道围岩处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的破裂范围决定的。图2-1 顶底板移近量与开采深度的关系图2-2 巷道变形量随采深变化的理论前苏联的研究表明，随开采深度加大，巷道变形量呈近似线性关系增大，从600m开始，开采深度每增加100m，巷道顶底板相对移近量平均增加 1011，如图 2-1所示。理论分析表明，深部开采的巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大，如图 2-2 所示，开采深度每增加 100m 的巷道变形增量与岩体强度有关。2.3.2 掘巷初期变形速度大深井巷道矿压显现的另一个显著特点是，巷道刚掘出时的变形速度很大。巷道掘出后，变形速度随时间的延续呈负指数曲线急剧衰减，经过一定时
12、间后趋于稳定，如图2-3所示。巷道收敛变形主要是由于处于残余强度状态的破裂区围岩破裂膨胀变形的结果。因此，深井巷道变形速度的上述规律表明：（1）巷道围岩破裂区的形成经历了一个时间过程(此时间过程的长短与围岩破裂范围即破裂区厚度有关)；（2）深井巷道围岩破裂的发展速度在巷道刚开掘时较快，以后逐渐衰减，直至破裂区完全形成。图2-3 深井巷道变形速度特点2.3.3 变形趋于稳定的时间长和长期蠕变变形趋于稳定要经历一个较长的时间过程是深井巷道矿压显现的又一大特点。从图2-3可见，巷道的变形稳定期(变形趋于稳定经历的时间)约两个月。巷道变形稳定期与围岩破裂范围大小有破裂区厚度越大，巷道变形稳定期越长。虽
13、然深井巷道开掘后要经过较长时间变形才能趋于稳定，但巷道的收敛变形大部分发生在开掘后较短的一段时间内。掘巷引起的巷道围岩变形趋于稳定后，变形速度维持在一个较低水平。此后，巷道围岩保持这一速度不断变形，长时期处于蠕变状态，直至受采动影响。2.3.4 巷道底臌量大底臌量大是深井巷道矿压显现的又一个显著特点。而且，从国内外的有关报道看，深部开采的巷道底臌现象具有普遍性。据前苏联对部分深井资料的统计分析：（1）随开采深度增大，易于产生底臌的巷道比重越来越大；（2）底臌量及其在顶底板相对移近量中所占的比重随开采深度增大而增大。2.3.5 冲击地压发生的频率和强度增大理论研究和生产实践都表明，矿山冲击地压的
14、发生、发生的频率和冲击强度与开采深度有密切的关系。随开采深度增加，煤、岩体因变形而积聚的能量呈二次方关系增加。因此，在深部开采条件下，煤、岩体中积聚了巨大的能量，当采矿活动引起的能量释放速度大于煤、岩体破坏消耗的能量速度时，导致冲击地压的发生。总之，深部开采发生冲击地压的频率大大增加，冲击的强度显著增大。深部开采的冲击地压问题在岩体强度较大的矿山更为突出。2.4 深井动压巷道破坏机理随着开采深度的增加，巷道围岩处于高地应力的作用之下，还要受到采动的影响，在浅部表现为硬岩的岩石会逐渐过渡到软岩范畴，会呈现大地压、难维护局面。此种意义上的围岩变形主要指在重力作用下巷道围岩的变形破坏。这种破坏具有与
15、深度有关而与方向无关（构造应力作用时除外）的特点。刚性支护不能适应围岩的无休止的流变变形。另一方面，巷道在开挖后，围岩应力状态发生了较大的改变，切向应力在巷道壁附近出现局部集中，距巷道壁愈远则愈接近原岩应力状态。这时巷道围岩中任一点其应力状态可用二阶应力张量表示。而此二阶应力张量可分解为两部分，即球应力张量和偏应力张量。球应力张量不引起形变，它是一种三向均压状态。偏应力张量引起巷道围岩的变形破坏，因此工程开挖引起的偏应力局部集中是深井巷道围岩变形破坏的另一主要原因。巷道在掘进工程中，不可避免的要遇到地质构造，如断层破碎带、背斜、向斜轴、褶皱带等，由于煤层群的开采，巷道围岩还要受到重复采动的动压
16、影响，虽然有煤柱保护，但实践证明，由于开采方法的不合理，巷道多数遭到破坏。研究表明，深井动压巷道，特别是围岩强度相对较弱的巷道，围岩的主要破坏形式和变形机理为挤压流动变形，其特点是巷道的围岩为己经遭受过变形破坏的软弱破碎岩体，在受采动影响或随时间流变时，这些软弱破碎围岩的再变形破坏过程中的体积碎胀导致巷道发生大的变形。2.5 深井巷道围岩破坏范围的影响因素围岩普遍处于破裂状态是深井巷道矿压的主要持点之一。巷道围岩破裂范围破裂区厚度是围岩应力与围岩强度共同作用的结果，可以作为评价深并巷道稳定性和支护难易程度的指标。并且，围岩破裂是深井巷道变形量大的根本原因，破裂区厚度是巷道变形量的主要决定因素。显然，巷道围岩破裂范围破裂区厚度是深井巷道矿压控制的一个重
