1、浅析深井巷道锚杆支护技术摘要：目前随着煤炭工业的发展，煤炭浅部资源逐步枯竭，我国矿井逐渐进入深部开采，地应力与垂直地压都随深度增大而不断增大，加剧了巷道破坏程度和巷道稳定维护的难度。深井复杂条件下巷道围岩支护已成为当前和今后长期影响煤矿安全生产和效益的重大技术难题，并随着矿井采深的持续增加而越发突出和严重。本文通过对深部巷道矿压特点、变形规律、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。关键词：深部开采；矿压显现；围岩应力； 锚杆支护技术0引言我国是世界产煤大国，同样也是用煤大国。我国
2、煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m和1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。而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，巷道变形越来越严重。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，严重威胁矿井的安全生产。这不但造成巷道支护成本高，而且造成煤炭资源开采的极端困难，严重威胁着矿井的安全生产。总之随着开采深度的增加，影响巷道稳定性的因素也逐渐增加,深部巷道支护问题越来越引起人们的重视,深井复杂条件下巷道围岩支护已成为当前和今后长期影响煤矿安全生产和效益的重大技术难题，并随着矿井采深的持续增加而越发突出和严重。1绪论
3、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。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
4、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947m，最深的达1713m。波兰煤矿的平均采深为690m，最深的达1300m。俄罗
5、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，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
6、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，围岩应力不断增加，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2001000m,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
7、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
8、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
9、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
10、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 深部开采深度与巷道围岩的变形关系2.1 变形关系的理论研究2.1.1中国的研究开采深度对巷道围岩的影响十分复杂，除与巷道的围岩性质密切相关外，如受采动影响的巷道，则与护巷方式和周围采动状况等也有密切关系。根据我国的研究成果，可得开采深度与巷道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基本原因。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）巷道的围岩变形量或维护费用随采深的增加近似的呈线性关系关系增长。（3）巷道围岩变形和维护费用随开采深度
11、的增长的幅度，与巷道围岩性质有密切关系，围岩愈松软，巷道变形随采深增长愈快，反之，围岩愈稳定，巷道变形随采深增长愈慢。（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护巷方式有关，开采深度对卸压内的巷道影响最小，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。2.1.2德国的研究（1）德国提出掘巷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：掘巷引起的围岩变形量占巷道原始高度的百分率，%； 岩层压力，MPa； 地板岩层的单轴抗压强度，MPa。利用该式计算结果如图2-1所示，由此可见，掘巷引起的围岩变形随开采深度的增加而增长，其增长率与巷
12、道围岩性质有关。开采深度每增加100 m，在煤层（=14 MPa）中掘进，围岩移近量增加8.9%；在软岩（=28 MPa）中增加6.3%；在页岩（=45 MPa）中增加5%；在砂岩（=97 MPa）增加3.4%。同时取=0，可以知道在掘巷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的高度的百分率与开采深度关系式为： 既开采深度每增加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
13、300 m增加到800 m时，移近量要增加1000余mm，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2-1 巷道围岩移近量与岩石压力p（深度H）和底板岩层强度的关系1-砂岩（=97MPa）；2-页岩（45MPa）；3-软岩（28MPa）；4-煤（14MPa）2.1.3前苏联的研究前苏联对矿井开采深度与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掘巷引起的围岩变形，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，提出了深部巷道掘
14、进初期围岩移近量的计算公式为：式中：、顶板、两帮在掘进后t时间内的位移量，cm； 时间，d； 、顶板、两帮作用在支架上的压力，kN/m2； 岩石容重，kN/m3； 巷道所处的深度，m； 岩石单轴抗压强度，kPa； 寻求常数时引入的单轴抗压强度，3000kPa； 巷道所处的深度，cm； 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0.3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。2.2 深部回采巷道围岩稳定的
15、关键理论2.2.1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，如右图所示（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。2.2.2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
