1、深部巷道卸压支护技术摘要：我国国有大中型煤矿开采深度每年约以812 m的速度向深部增加，一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，巷道围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重。本文针对煤炭深部开采产生的巷道压力特点，依据目前煤矿深部开采巷道的矿压显现为出发点，研究分析巷道压力产生的机理，深部巷道的矿压显现，及巷道卸压方法，从而把深部巷道支护的基本原理及其基本理论整理清楚。在简要论述了深部巷道支护技术。关键词：巷道压力；巷道卸压；深部巷道支护1、 概述我国是世界产煤大国，同样也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m和10
2、00 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，巷道围岩变形少则几百毫米，多达1.02.0 m。巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修，特别是它们的两类或三类的复合型，问题更为突出。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。因此，深部巷道卸压支护技术显得尤其重要，本文就煤炭深部巷道压力产生的原理、巷道变形破坏机制及巷道卸压支护技术进行一下阐述。2、深部巷道压力产生的原理在原岩体中开掘
3、巷道之后，岩体应力必产生重新分布。如巷道埋深为H，则圆形巷道周边的岩石沿径向卸载，径向力r0，但沿切向产生集中应力，切向应力t可剧增到原岩应力H的2倍。这时，巷道周边岩体处于双向应力状态，其强度较低，容易破坏。尤其在高应力及松软围岩条件下，集中应力远大于围岩强度P1，深部转移，直至能承受集中应力为止。这时在巷道周边破坏区形成了应力降低区。这种应力降低区是巷道周边岩体的完整结构破坏之后形成的。即在卸压的同时巷道周边的塑性变形区范围及该区内遭破坏岩体的塑性变形、扩形膨胀变形就明显增大。上述塑性变形区的范围及变形量的大小是巷道维护的关键因素。能否既使巷道周边P1塑性区的范围，不产生较大变形，改善巷道
4、的维护状况？图2-1巷道周边卸压后的应力分布研究及实践表明，可以通过不同的卸压方法在围岩深处形成弱化区，为围岩的膨胀变形提供一定的变形补偿空间。使集中应力向围岩深部转移，该处岩体处于三向应力状态，有较高强度，可以承受支承压力的作用而不破坏。于是在应力增高区内形成了一圈“自承岩环”。自承岩环主要承受集中力，充分发挥岩体的自承能力。在自承岩环的支承和保护下，使卸压区内的岩体保持稳定。同时，结构和完整性并未完全遭到破坏卸压区内的巷道围岩，相当于在自承岩环的P1强度和稳定性，从而使巷道围岩的整体稳定性得到提高。如图2-1示。3、深部巷道的矿压显现3.1 受采动影响巷道的围岩变形3.1.1. 巷道围岩变
5、形量的构成巷道围岩变形量包括巷道顶板下沉量、底板鼓起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。巷道顶底板移近量是指巷道中心线高度减少值，两帮移近量是指巷道沿腰线水平的减少值，巷道围岩变形量主要由掘进引起的变形，回采引起的变形以及采掘影响趋向稳定后的围岩流变组成。由于开采深度、围岩力学性质和结构以及支护等巷道边界条件不同，巷道围岩变形量和变形速度有很大差异。3.1.2巷道围岩变形规律回采巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化。以受到相邻区段回采影响的工作面回风巷为例，围岩变形要经历五个阶段如图2-1所示。图3-1 区段平巷围岩变形掘进影响区；掘进
6、影响稳定区；回采影响区；回采影响稳定区；下区段回采影响区1）巷道掘进影响阶段煤体内开掘巷道后，巷道围岩出现应力集中，在形成塑性区的过程中、围岩向巷道中间显著位移。随着巷道掘出时间的延长，围岩变形速度逐渐衰减，趋向缓和。巷道的围岩变形量主要取决于巷道埋藏深度和围岩性质。2）掘进影响稳定阶段掘巷引起的围岩应力重新分布趋于稳定，出于煤岩一般只有流变性，围岩变形还会随时间而缓慢增长，但其变形速度比掘进初期要小得多。巷道的围岩变形速度仍取决埋藏深度和围岩性质。3）采动影响阶段巷道受上区段工作面(A)的回采影响后，在回采引起的超前移动支承压力作用下。巷道围岩应力再次重新分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增
7、长。在工作面(A)后方附近，由巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉和显著运动使得支承压力和巷道围岩变形速度都达到最大值。远离工作而后方，巷道围岩变形速度逐渐衰减。巷道围岩性质、护巷煤柱宽度或巷旁支护方式、工作面顶板岩层结构对该时期围岩变形量影响很大。4）采动影响稳定阶段回采引起的应力重新分布趋向稳定后，巷道围岩变形速度再一次显著降低，但仍然高于掘进影响稳定阶段时变形速度，围岩变形量按流变规律不断缓慢地增长。5）二次采动影响阶段巷道受本区段回来工作面(B)的回采影响时，出于上区段残余支承压力，本区段工作面超前支承压力相互叠加，巷道围岩应力急剧增高，引起围岩应力又一次重新分市，塑性区进步扩大，应力的反
8、复扰动使围岩变形比仅受一次采动影响时更加强烈。每个影响阶段内巷道顶底板移近速度和移近量所占比值的一般规律见表3-1。表3-1 采区平巷不同矿压显现带内顶底板移近规律矿压显现带各带内顶底板移近速度/mmd-1各带移近量所占比值/ % 掘进影响带 无采掘影响带剧烈区每天由几毫米到几十毫米，稳定期一般1多数情况为 0.20.5，有时至1左右采动影响带 前影响区 1 后影响区 2 采动影响稳定带 二次采动影响带由每天几毫米至几十毫米一般2030，少数情况达4060多数情况1，有时达12由每天几十毫米至二十几毫米，可到三十几毫米101550605820253.2受采动影响巷道矿压显现规律3.2.1 巷道
9、位置类型 根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的不同，巷道位置可以分为以下几类： 1）与回采空间在同一层面的巷道称为本煤层巷道，分析本煤层巷道位置时，仅考虑回采空间周围煤体上支承压力的分布规律，可作为平面问题处理。 2）与回采空间不在同一层面、位于其下方的巷道称为底板巷道，分析其位置时。应该考虑回采空间周围底板岩层中应力分布规律，按空间问题处理。当然，位于回采空间所在层面上方的巷道称为顶板巷道，分析顶板巷道位置时，不仅要考虑回采空间周围顶板岩层中应力分布规律，还要考虑下覆岩层移动、破坏规律。 3）厚煤层中、下分层以及相邻煤层中的煤层巷道，有可能同时受到本分层和上分层以及相邻煤层采面的采动影
10、响。分析这类巷道位置时，依据巷道与回采空间位置和采掘时间关系。综合考虑回采空间周围煤体上支承压力和顶、底板岩层中应力的叠加影响。3.2.2 区段巷道的位置和矿压显现规律1）区段巷道的布置方式根据区段回采的准备系统，区段巷道可分成三种布置方式。 图3-2 区段巷道布置方式示意图(a)煤柱护巷 (b)无煤柱护巷a位于未经采动的煤休内，巷道两侧均为煤体、称为煤体煤体巷道(图2-2)，薄煤层、中厚煤层和厚煤层上分层的区段运输巷一般都属于这种布置方式。b巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，如保护煤柱侧的采面已经采完且采动影响已稳定后，掘进的巷道称为煤体煤柱(采动稳定)巷道(图2-2 1)；如与保护煤柱一侧
11、的采面区段巷道同时掘出，或在保护煤柱一侧的采面回采过程中掘进的巷道称为煤体煤柱(正采动)巷道(图2-21)。c巷道一侧为煤体另一侧为采空区，如果采空区侧采动影响已经稳定后，沿采空区边缘掘进的巷道称为煤体无煤柱(沿空掘进)巷道(图3-2 2)；如果通过加强支护或采用其他有效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道，称为煤体无煤柱(沿空保留)巷道(图3-2 2)。2）区段巷道矿压显现规律a煤体煤体巷道服务期间内，围岩的变形将经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。由于巷道在采面后方已经废弃，巷道仅经历采面前方采动影响，围岩变形量比采动影响阶段全过程小得多，一般仅1/3
12、左右。b煤体煤柱或无煤柱(采动稳定)巷道服务期间，围岩的变形同样经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段(工作面前方采动影响)。但是巷道整个服务期间内，始终受相邻区段采空区残余支承压力的影响，三个影响阶段的围岩变形均大于煤体煤体巷道。巷道的围岩变形量除了取决于开采深度、巷道围岩性质、工作面顶板结构和相邻区段采空区采动稳定程度外，与沿空护巷方式及保护煤柱宽度密切相关。c煤体煤柱或无煤柱(正采动)巷道服务期间，围岩的变形将经历全部的五个阶段，(图2-1)。围岩变形量远大干无采动及一侧采动稳定后巷道。这类巷道的围岩变形量除了与开采深度、巷道围岩性质、采动状况有关外，工作面顶板结构、沿空护巷方
13、式和煤柱宽度都起决定性作用。不采用煤柱保护巷道时，为沿空保留巷道。3）厚煤层中下分层区段巷道布置和矿压显现规律图3-3 厚煤层中下分层区段巷道布置方式 （a）在已稳定的采空区下方 （b）在已稳定的采空区下方靠近上分层护巷煤柱（c）在护巷煤柱下部厚煤层中、下分层区段巷道相对本层工作面仍然是煤体煤体、煤体煤柱(采动稳定、正采动）、煤体无煤柱（采动稳定、正采动）三种布置方式。与上部分层主要有以下三种位置关系：布置在已稳定的采空区下方，附近无上分层遗留煤柱（图3-3（a）；布置在已稳定的采空区下方，并在上分层护巷煤柱附近，（图3-3（b）；巷道布置在上分层护巷煤柱下部（图3-3（c）。中、下分层巷道如
14、果位于上分层一侧已采的煤体附近，上分层煤体的支承压力，对下部分层巷道会产生一点影响。他的影响程度与巷道和上分层煤体边缘之间的水平距离有关。一般情况下，水平距离超过2m影响已不明显。中、下分层巷道如果位于上分层两侧均已采空的煤柱附近，由于受到上分层煤柱支承压力叠加的强烈影响，围岩变形显著。为了改善这种巷道的维护，要求巷道与上分层煤柱边缘保持5 10m的水平距离。这种布置方式，增加了中、下分层的煤量损失。厚煤层分层开采时，实行无煤柱开采，既可以减少煤炭损失，又对改善下部分层巷道的维护十分有利。邻近煤层中的区段巷道，如果煤层间距很小，其巷道布置和围岩变形规律与厚煤层中下分层区段巷道类似。3.2.3
15、底板巷道的位置和矿压显现规律1）底板巷道的位置图3-4 底板巷道位置在已稳定的采空区下部；在保护煤柱下部在尚未开采工作面下部，经历上部采面的跨采影响在上部煤层回采活动影响下，底板巷道的受力状况和围岩变形有很多差别。按照巷道与上部煤层回采空间的相对位置和开采时间关系，巷道的位置可归纳为以下三种情况：a布置在已稳定的采空区下部。在上部煤层回采空间形成的底板压力降低区内，见图2-4中，巷道整个服务期间内不受采动影响。b布置在保护煤柱下部。经历保护煤柱两侧回采工作面的超前采动影响，见图2-4中。保护煤柱形成后，一直受保护煤柱支承压力的影响。当保护煤柱足够宽或者巷道与保护煤柱的间距足够大时，巷道可以避开采动影响，处于原岩应力场内。c布置在尚未开采的工作面下部。经历上部采面的跨采影响后，位于已稳定的采空区下部应力降低区内（图2-4中）。2）底板巷道的矿压显现规律底板巷道从开掘到报废，由于上部煤层的采动影响，引起围岩应力反复重新分布，围岩变形速度随之变化。巷道I仅经历在应力降低区内的巷道掘进影响阶段，然后进入掘进影响稳定阶段围岩变形趋向稳定，变形量不大。巷道2围岩变形要经历掘巷期间明显
