浅析大断面回采巷道围岩破坏机理及控制

摘 要：回采巷道的稳定对煤矿正常生产起关键作用。通过分析大断面回采巷道围岩的变形破坏机理，分别得到了回采巷道顶板、两帮和底板的有效控制措施，此项工作对回采巷道的维护具有重要意义。

关键词：回采巷道 围岩 破坏机理

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（b）-0064-02

早在20世纪，国外学者就针对工作面回采巷道稳定性提出了相应的控制措施并提出了相关理论。但近年来伴随着大采高大断面工作面的发展，大断面回采巷道也得到快速发展，加上煤矿开采的地质条件越来越复杂，比如煤层松软，断层、裂隙、节理、褶曲等现象，结合生产实践发现：由于煤层松软、围岩条件差导致工作面推进速度较慢，巷道底板和巷帮鼓出严重，导致回采期间不断起底开帮，给井下工作人员的安全带来了一系列消极的影响，严重的影响了矿井的经济效益。

因此，研究大断面回采巷道围岩破坏机理及控制研究，不仅能科学合理地指导相近地质条件下的煤矿开采，同时还能够丰富和完善巷道围岩破坏支护理论。

1 回采巷道破坏特征

目前针对特厚煤层，普遍采用大采高工作面开采。由于巷道高度大。断面大、围岩强度低、节理发育、较破碎，且受到断层、破碎带的影响，在其掘进和工作面回采过程中变形严重。对其破坏特征进行分析，发现巷道破坏形式主要有冒顶、顶板下沉、帮臌、底臌等，其中底臌和帮臌现象尤为明显。

大量实测资料表明，工作面回采巷道顶板在及时支护的情况下，整体表现较好，但在遇到地址构造带以及回采工作面附近容易发生冒顶和较大的下沉。煤壁片帮是巷道常见破坏形式，由于巷道断面较大，其两帮的破坏受回采工作面的推近影响较大。主要表现为顶角及底角臌出、中部臌出、中底部臌出等三种形式。通过现场实测发现，工作面回采巷道底臌多发生在工作面超前支承压力范围内，且距工作面煤壁越近，底臌量越大。

2 巷道围岩变形破坏机理

2.1 两帮破坏机理

两帮变形的特征主要为两帮煤体向巷道中心挤出，部分地段有片帮现象。一般根据松动圈理论认为，两帮变形是由巷道煤体弹塑性变形和松动变形共同作用的结果。回采巷道两帮煤体变形过程中，往往受到煤体内软弱夹层的影响具有了塑性，由塑性引起的变形往往又称为弹塑性变形。研究发现，一般弹塑性变形量较小，工程实践中一般不予考虑。松动变形是指两帮煤体在松动区范围内变成破碎的煤块产生相对运动而引起的变形。现场发现，两帮煤体松动变形量比较大，是引起工作面回采巷道收缩、帮锚、锚索失效的主要原因。

煤体由于巷道的开挖出现的二向受力情况，煤体的受力改变后，其积聚的内部能量向外部空间释放，引起两帮煤体臌出。但是这一部分变形量不大，一般经过简单支护后可以控制。受工作面回采的影响，回采巷道两帮煤体松动范围进一步变大，大量煤体膨胀、破碎向巷道中心移动。底板发生底臌时，对巷道两帮下部的约束力减弱，则巷道两帮煤体容易在巷道两帮中下部发生臌出。

2.2 顶板破坏机理

由于回采巷道要受到工作面超前支承压力的影响，因此回采巷道顶板的下沉是必然现象，另外，巷道冒顶主要有地质条件和现场管理两个因素：（1）回采巷道顶板受地质构造的影响，顶板部分岩体破碎成无自承能力的岩块。此外，构造带附近易形成导水裂隙，水体沿此裂隙不断侵蚀裂隙附近顶板岩层，使岩层强度降低、软化、崩解、破碎，也易形成冒顶。（2）巷道支护不合理也是冒顶的重要因素，特别顶板比较破碎，岩层节理裂隙发育，支护不合理更易造成冒顶现象。当回采巷道顶板中存在层理弱面时，巷道在开挖后在自身重力和工程扰动应力共同作用下，会使顶板在该层理弱面处产生剪切作用，产生弯曲离层，随着弯曲离层的进一步发展，最终顶板产生离层弯曲型冒顶。

2.3 底板破坏机理

巷道底板破坏一巷道底臌为主，而巷道底臌的表现形式多种多样，归根结底，巷道底臌的产生原因均是由巷道底板岩层作用的结果。从时间方面考虑，底臌变形过程主要可以分为巷道掘进阶段、巷道稳定阶段和回采阶段等三个时间段。

巷道的开挖过程也可以看做是底板岩层应力变化的过程。由于巷道的开挖破坏了巷道的围岩压力的分布，当底板承受的应力超过其极限时，底板发生破坏。研究发现，巷道在掘进期结束后一段时间进入相对稳定阶段。但是，该阶段底板变形和破坏仍在进行之中，底臌量仍在不断变大，只是变形量和变形速度均不明显。整体看来，在这一阶段，回采巷道底板岩层基本处于稳定状态。由上覆岩层结构模型分析可知，在工作面回采过程中，基本顶发生断裂使煤壁前方产生支承压力，此压力可通过巷道煤壁和煤柱传递给底板引起底板岩层产生拉应变和压应变。底板岩层一般为泥岩、砂质泥岩等软岩，在超前支承压力下引起的拉应力和压应力作用下容易产生离层，降低了底板岩层的整体抗弯能力，容易发生底臌。同时，两帮下部在超前支承压力作用下逐渐嵌入巷道底板增加了底板岩层所受的水平应力，进一步加大了巷道底臌发生率。

3 控制回采巷道稳定的有效措施

3.1 两帮稳定性控制方法

由回采巷道两帮变形机理分析可知，巷道两帮变形包括弹塑性变形部分和松动变形部分，受采动影响较大，巷帮变形具有一定的流变特征。因此，可以据此理论分析来采取措施控制回采巷道两帮变形程度。

随着工作面的回采，回采巷道两帮煤体因受才动影响其松动范围变大。为了防治巷帮煤体的变形，目前采用的控制手段一般为“锚网索”联合支护法、注浆锚杆/锚索加固法等。

“锚网索”联合支护：锚杆支护和锚索支护两帮煤体是通过锁具的挤压给两帮煤体提供较高预应力来防止煤体松动、垮落，保持其整体性，提高煤体的自承载能力。同时，给予煤体的预紧力有能增加煤体节理裂裂隙的摩擦力，减小煤体产生相对滑动，促使支护范围内的煤体处于三向应力平衡状态，进一步提高了两帮煤体的整体强度。金属网主要是提高“锚网索”系统的护表能力，利用其较强承载力防止煤体片帮和碎煤块的掉落。注浆锚杆/锚索加固法：在大采深或矿压显现剧烈的回采巷道特殊地段，采用锚固法对巷帮煤体进行加固后，对巷帮进行喷浆处理。主要是利用浆液胶结特性把回采巷道两帮煤体的节理弱面与周围煤体胶结成一个整体，提高两帮煤体的整体强度。联合法：顾名思义，联合法便是在具体条件下“锚网索”联合支护法、注浆锚索加固法、架棚支护法的联合使用，利用其各自优点，保证巷道的稳定性。

3.2 顶板稳定性控制方法

目前对回采巷道顶板围岩控制一般采用“锚网索钢带”联合支护法，在超前支承影响范围内或距工作面煤壁较近时往往补加单体柱和π型梁。对于回采巷道局部冒顶，要及时进行封顶，控制冒落区范围的增加。一般情况下，对回采巷道局部冒顶可采用锚喷支护。

锚杆和锚索主要通过其预紧力和张力将锚固范围内的顶板岩层压紧，增大岩石层间摩擦力，使各层岩石组成具有较强抗弯、抗剪能力的组合梁。同时，锚索还可利用其锚固深、承载能力强、预应力高的特点，将下部松软、破碎岩层悬吊在上部坚硬稳定的岩层中，使下部岩层和上部稳定岩层形成新的组合梁结构。顶板护网一般采用具有高承载力、不易腐蚀的金属菱形网，主要是起到顶板护表作用，与锚杆、锚索共同承载顶板岩石，防止破碎岩块的破碎、冒落。

3.3 底臌控制方法

由工作面回采巷道底臌机理可知，底臌与巷道底板岩层所受的水平应力、工作面超前支承压力有直接关系。巷道越宽，越容易发生底臌；煤柱越窄，受采动影响越明显，越易发生底臌；巷道越高，受超前支承压力越大，越易发生底臌。此外，有学者指出软煤层巷道发生底臌程度远远高于在中硬及硬煤层中的巷道。因此，应结合巷道断面尺寸、高度、煤体强度等方面治理回采巷道底臌。

由于底臌具有普遍性和特定性，其普遍性是指在回采巷道中底臌是普遍存在的，无法进行人为的消除底臌，只能尽量减小底臌；其特定性是指底臌在不同的地质条件下表现不同，需要采取的措施也多种多样。因此，国内外专家学者一直致力于底臌治理方面的研究。随着对底臌机理的认识不断加深，目前一般采用加固法、卸压法、巷帮充填法和巷帮、角加固法治理底臌。

4 结论

回采巷道是煤炭、材料运输的必经通道，回采巷道的稳定对煤矿的安全正常生产具有重要意义。根据巷道的破坏特征，其破坏形式主要有冒顶、顶板下沉、帮臌、底臌等，其中底臌和片帮现象尤为明显。目前对回采巷道顶板围岩控制一般采用“锚网索钢带”联合支护法，而对两帮采用的控制手段一般为“锚网索”联合支护法、注浆锚杆/锚索加固法等，底臌一般采用加固法、卸压法、巷帮充填法和巷帮、角加固法进行治理。

参考文献

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