深部巷道围岩控制原理与应用研究

【摘 要】 随着采煤技术的进一步发展，矿井逐步向更深的区域发展，井下各种问题便随之而来，顶部煤层较大下沉，岩石性质改变，矿山压力快速增大，还有大断面的出现，浅井的支护方法需要进一步改善，必须具有高强度的支护结构才能适应深部巷道开采，对围岩应力进行调整，维护费用很高。弄清厚顶煤层巷道的稳定原理。围岩巷道的支护方式，要根据岩层的稳定性、巷道的服务年限和技术经济的合理性来选择。还要对巷道支护失效进行分析，加强顶板支护，想出进一步解决办法。

【关键词】 深部巷道；厚顶煤；破坏机制；矿压显现；斜拉锚索梁

前言

我国煤炭储量大部分埋藏于地下深部，许多煤矿的开采深度已经超过了600―800m，回采工作面任务量巨大，增加了大型的机械设备，回采动压较大，地应力和构造应力突出，巷道宽度不得不增加，又要满足回风运输的要求，围岩变形严重，巷道掘进工作难度极度增大。分析变形破坏机制，采用理论分析来解决深度煤层围岩变形控制技术。

1 深部巷道围岩变形破坏分析

1.1 深部巷道围岩难控制原因

随着开采深度的增加，掘巷后围岩表面应力解除，巷道地应力增加，巷道底鼓严重，集中应力峰值相对无限外移，迅速向两帮煤体内部移动，降低了两帮对顶板的支护，塑性区向直接顶纵向发展，发生高应力劈裂现象。深部巷道矿压特征明显，例如塑性区、破碎区显著增加，巷道掘进中两帮和底角最容易出现岩石松软、破损、产生塑性区域。

1.1.1 顶煤的冒落拱作用机制

巷道宽度较小时，开采难度小，围岩压力弱，裂隙小，直至开采深部煤层，掘巷后围岩表面应力解除，顶煤松动区域形成松散冒落拱。

1.1.2 层理面剪切作用机制

煤层在浅部埋藏时，所受法向应力和剪切应力较小，深部正常应力状态下，层理面最容易发生剪切破坏。浅部煤体迅速破坏导致顶煤下沉量增大。在深部构造应力与浅部应力不同的情况下，剪应力逐步加大，顶煤产生水平位移，方向由两帮向中部发展。

1.1.3 水平应力作用机制

在没有支护的情况下，顶煤表面垂直应力临近为零，而水平应力较为增高，后者与前者之比趋于无穷大的状态。伴着巷道宽度的不断增大，挠曲导致顶板中部破坏，顶煤弯曲下沉速度和数量增大，次生水平应力增长。采掘面逐步加深后，两者比值减小，剪切破坏成了主要的破坏方式。

1.2 深部巷道围岩稳定原理分析

1.2.1 围岩稳定控制技术

由于深部厚煤层巷道围岩伴随着大断面的出现，顶板下沉量增加、围岩塑性区域延伸、浅煤层顶煤发生破坏，克服岩石抗拉强度小的弱点，提出高强高预紧力锚带网，锚带网与顶煤形成共同支护体通过锚入围岩内部的锚杆，充分利用围岩本身抗压强度大的特点，在巷道周围形成一个整体而又稳固的岩石支撑带，凭借韧度大、刚度大、维护面广等特点以达到维护巷道的目的，达到支护体与围岩共同承载的目的。高阻让压锚杆支护技术也是一种积极防御性支护方法。此方法往往超过锚杆的锚固范围，所以要想出进一步的解决办法，采用锚索加强对顶煤必要的实质性控制。

1.2.2 斜拉锚索梁的控制作用

斜拉锚索梁的支护作用主要表现于：

（1）加固锚索锚固控制区域内的煤层和煤层围岩。预应力锚索通过锚索的挤压加固，防止出现松散“冒落拱”，减小其变形和离层，实施控制作用，可以更好地对锚杆锚固范围内的煤岩体进行支护作用，还会起到加固、紧实作用，约束锚杆锚固区外煤体，防止出现松散“冒落拱”。

（2）控制好顶煤与直接顶岩层间产生的剪切变形，斜拉锚索穿过巷道两侧通过挤压增加层理面之间的摩擦力，在一定程度上可阻止“倒梯形”塑性的形成，提高层里面剪切刚度，塑性部分减小。

（3）防止围岩较松软破碎，避免出现拱形冒现象，能够减小水平拉力产生的破坏对松散煤岩体起到兜护作用，

2 深部巷道围岩控制原理分析

我们可以从围岩强度、围岩应力、支护技术三个方面来解决深部巷道围岩控制难的问题，它们是防止围岩出现塑性区域的关键性因素，从而实现深部巷道围岩稳定。

2.1 提高围岩强度

2.1.1 锚杆支护强化围岩强度

锚杆支护煤层煤矿巷道， 由于围岩松软， 加之埋藏深，受采动、构造应力的影响， 地应力很大围岩破坏严重， 因而其周围存在着破碎区、塑性区和弹性区，锚杆支护煤层的作用在于提高围岩强度。采用高强锚杆支护通过实验室试验和理论分析， 研究巷道锚杆支护对锚固范围岩体峰值强度和残余强度的强化作用以及对锚固体峰值强度前后力学参数的改善， 随锚杆支护强度提高，分析锚固体强度强化后对巷道围岩塑性区和破碎区的控制程度，这种方法保持了顶煤的自身稳定性。

2.1.2 围岩注浆

运用围岩注浆的方法把破碎的岩石加固，改善其力学参数，起到充填裂隙、封闭水源，隔绝空气的作用，防止岩石遭受风蚀。此方法主要针对于软弱，破碎围岩。

2.1.3 加固关键部位

避免出现视顶板、忽视两帮和底板的思想，两帮和底板出现变形会导致岩石碎胀变形，采用树脂药卷加长锚固，高预紧力。高强度锚杆支护两帮底角破碎区，塑性区很大，通过注浆加固的方法，能够提升两帮和底角破碎塑性区的韧度，阻止其更进一步地破碎。

2.2 减小巷道围岩应力

整体地且合理地规划巷道布置，减少采空区变形对巷道岩体、巷道形态的破坏，尽最大努力的减少煤层围岩受到的压力。合理设计煤矿巷道的尺寸、大小，充分发挥锚索支护能力，预算好保护煤柱的数量和保护煤柱的稳定性。尽量减小浅部煤层围岩应力，使深部煤炭巷道围岩变形量减小，维护良好的深部煤矿巷道支撑力。

2.3 采用合理的锚杆支护技术

2.3.1 高强度，大延伸量锚杆支护

采用树脂药卷加长锚固，使用高强度锚杆支护，阻止深部巷道围岩变形是不可能实现的，大延伸量锚杆支护允许围岩有一定变形，但选择合理的锚杆支护可提供较大的支护阻力，改变塑性区流变速度，使围岩变形速度降低，塑性区域扩展速度降低，改善巷道维护状况。

2.3.2 增大锚杆预紧力

锚杆注浆完成，固结后产生的锚固力。锚杆的抗拉拔力与注浆的材料及其强度、锚杆直径、锚固长度、孔的大小等因素有关系。增大锚杆预紧力能够给锚杆提供较大的初始支护阻力，为预防围岩松弛、滑动而通过张拉设备施加的荷载，承载外部围岩承受的剪应力，锚杆又具有较大延伸率可使锚杆固体保持较大的支护阻力，支撑外部围岩破碎带。

2.3.3 改善锚索性能

对岩层施加压力对不稳定岩体进行锚固，使用新型材料制造的锚索，避免破断失效。

3 工程应用

深部大断面厚顶煤巷道围岩稳定原理是我们施工的主旨思想，我们要对厚顶煤回采巷道支护设计进行多次的试验，确保试验的准确度，用支护能力较高的高强锚带网支护，同时用斜拉锚索梁对顶煤进行加强防护，并铺设金属网和钢带。计算顶煤使屈服强度，设计好顶、帮间排距，选好锚索的规格。

河南平顶山矿务局为梯形断面，煤层松软、强度小、单轴抗压强低，工作面埋深为870～930m，煤层厚度3.5～4.3m，倾角14度到23度。直接顶为砂纸泥岩，构造结构为裂隙发育，在巷道掘进工作中容易出现冒顶和片帮的现象。采用了超前钻孔应力转移技术、高阻让压锚杆支护技术，在掘进迎头前方煤层布置钻孔，采用树脂药卷加长锚固，高阻力，大伸长量的抗破断锚杆实现高阻让压支护，结合瓦斯抽放，降低塑性区流遍速度，减少顶板下沉量，对两帮的围岩实现高阻让压支护，很大程度的缩短了巷道塑性变形速度又增大了稳定时间，有效阻止底鼓，控制两帮的向中间移动。

3 结语

深部大断面厚顶煤巷道的变形破坏特征是“拱形”巷道出现在巷道宽度较小，这时塑性区出现在顶煤，而“倒梯形”形态出现在巷道宽度较大时，“矩形”形态出现在直接顶塑性区。表现为冒落拱、层理面剪切以及水平应力是主要的顶煤变形破坏机制。

采用高强高预紧力锚带网、高阻让压锚杆支护技术能够有效地提供煤层围岩破碎、塑性变形的阻力，起到悬吊、兜护、加固的作用消除浅部顶煤拉破坏。加固锚索锚固范围内的煤岩体需要用斜拉锚索梁进行固定，顶煤中发生的拉破坏能够得到有效的控制。

参考文献

[1] 冯朝朝，丁凌霄，毛彦鑫.深井高应力复合顶板巷道围岩控制技术[J].煤矿安全，2012（8）：92-93

[2] 张向阳.复杂条件下松软散巷道围岩控制原理与应用技术研究[J].采矿技术，2012，（4）：78-79

[3] 张农，李桂臣，阚甲广.煤巷顶板软弱夹层层位对锚杆支护结构稳定性影响[J].岩土力学，2011，（9）：124-125