试论深井煤层巷道围岩控制技术

1、深井煤巷的矿山压力显现有以下特点

我国是世界产煤大国，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1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。我国人口众多，用煤量大，不可能关闭深部矿井而依靠进口煤炭。因此，无论从战略高度还是从当前生产实际出发，都迫切需要积极开展深部开采中的基础理论研究，以求在新理论的指导下，使实用技术有新的突破和发展，使矿井深部开采走上安全、高产高效的健康轨道。

深井煤巷的矿山压力显现有以下特点：1）、巷道围岩初始变形速度大，掘进后一周内两帮移近量达几十毫米；2）、围岩变形持续时间长，一般要持续几个月甚至巷道全封闭；3）、在巷道开掘时发生高应力劈裂现象，巷道经常突然来压，造成锚杆破断，两帮和顶板可听到岩体破裂声音；4）、与一般软岩巷道不同，深井煤层巷道围岩变形明显的分层性，一般情况下首先是两帮煤体被迅速挤出，紧接着时强烈底鼓，然后是顶板下沉。

从深井煤巷的矿山压力显现可知，巷道开挖后集中应力峰值迅速向两帮煤体内部移动，由于两帮煤体强度较低，巷道围岩大范围松散破碎，围岩应力场难以在短时间内通过自身的调节达到平衡。而浅部煤巷掘出后，围岩应力也有一个调整过程，应力峰值同样煤体内移动，但应力场很快达到新的平衡。这是深部煤巷和一般煤巷的矿压相比而言显现出的不同特点。

2、深井煤巷围岩控制的内外结构耦合平衡支护原理

长期以来，国内外学者对软岩巷道的围岩控制进行了大量深入的研究，提出了多种支护理论，如新奥法理论、松动圈理论、联合支护理论、锚喷-弧板支护理论等，基本观点为：对于软岩支护、单纯加强支护钢度是难以凑效的，首先先柔后钢，先让后抗，柔让适度，稳定支护。这些理论对软岩支护均起到重要指导作用，然而，由于原岩应力的增加，深部巷道围岩的力学行为与浅部有较大的差别，经常发生因支护失效而导致巷道报废的现象。近年来，深井煤层巷道支护技术一直在积极探索之中，支护形式锚喷、重型U型钢支架以及混凝土弧板等，到目前为止，还没有一种支护方式是十分成功的。实践证明，简单沿用已有的软岩支护理论难以解决深部煤层巷道的支护问题。在理论研究和现场发现试验的基础上，提出了深井煤巷围岩控制的内外结构耦合平衡支护原理。

深井煤层巷道支护原理对于一般的煤层巷道，无论棚式或锚杆支护，支护的对象是巷道四周松动破碎围岩，也就是说巷道外部围岩是稳定的。现有的关于巷道支护的理论是基于这一假设之上的；如悬吊理论认为，锚杆作用是把巷道表面不稳定的岩体锚固在完整岩体上，还有组合梁、组合拱理论也是针对破碎岩体的。支护的目的主要是防止巷道表面附近破碎岩体跨落和蠕变变形。

由于深井煤层巷道围岩在高应力作用下形成较大的破碎区和塑性区，相对而言，其外部围岩是不稳定的，应力峰值相对无限外移，使得巷道围岩持续变形。因此，深井煤巷支护的目的不能只是阻止破碎岩体跨落和蠕变变形，而且还需要限制围岩应力峰值的外移。

3、对深井巷道的围岩控制，引入“内、外承载结构

为此，对深井巷道的围岩控制，引入“内、外承载结构”的概念。“外结构”是指锚固体、注浆体及支架等巷道支护结构；“内结构”指巷道围岩应力峰值点附近，以部分塑性硬化区和软化区煤岩体为主体组成的承载结构，为主承载结构。当巷道围岩应力较低时，巷道掘出后，围岩经过短暂的应力调整，形成稳定的内承载结构。当巷道位于深部时，巷道掘出后，在应力调整过程中，围岩破碎区、塑性区迅速扩大，内结构迅速内移(向围岩内部)，在内结构内移的过程中，若没有外结构来调整应力场并达到新的平衡，则内结构将持续内移，直至巷道破坏形成平衡的应力场为止；但是若外结构过早形成，围岩应力场尚处在初期剧烈的调整阶段，则外结构难以承受围岩应力场的作用而失稳，达不到调整应力场和缩小围岩松动范围、维护巷道稳定的目的。因此，外结构通过围岩应力场影响内结构的形成过程，当外结构在强度、支护时间与内结构的形成实现耦合，内结构就能较早形成，巷道围岩才能稳定。

深井煤层巷道支护失效的原因分析：如果没有外结构或外结构支护阻力小，内结构就远离外结构，两个承载结构之间存在较大范围的破碎煤体，这个区域内煤体的蠕变变形是深井煤巷维护困难的根本原因。从内外结构耦合平衡分析，工字钢、混凝土弧板形组成的外结构，未及时参与围岩应力场调整过程，支架受力前围岩内已形成较大的破碎区和塑性区，在时间上未与外结构的形成实现耦合，支架是在围岩的蠕变压力作用下破坏的。而锚杆支护形成的外结构，及时参与了围岩应力场的调整过程，但在支护强度上未与内结构的形成实现耦合，同样不能有效维护巷道的稳定。

4、结论：

(1)深井煤层巷道由于其围岩分层性明显，其矿压显现不同于一般巷道。在高应力作用下，巷道首先从两帮开始，两帮煤体被迅速挤出，并形成较大范围的破碎区和塑性区。然后开始底鼓和顶板下沉，巷道围岩持续流变。(2)控制深井煤巷围岩的稳定，支护结构即外结构须及时参与围岩应力场的调整过程，才能在较短时间内形成稳定的主承载结构即内结构。(3)棚式支护由于难以及时参与围岩应力场的调整，内结构无限内移，在围岩内形成较大的破碎区和塑性区，巷道的稳定性难以维护。而锚杆加注浆配合锚索支护，可改变破碎围岩的力学参数，提高其承载能力，及时参与围岩应力场调整，能在短时间内在巷道周围形成稳定的内结构，较好地控制深井巷道围岩的稳定