煤矿深部岩巷围岩稳定与支护的问题分析

【摘要】随着我国煤矿开采深度的增加，地质条件、岩体破碎、涌水量、地应力以及水头压力等问题逐渐凸显，导致了我国煤矿深部岩巷围岩稳定与支护的问题也日益突出，为了解决这一问题，在各个方面都要付出巨大的成本，包括生产成本、技术措施以及安全措施等。煤矿深部岩巷围岩与浅部的主要区别在于两者所处的应力环境不同，所以两者的强度及变形会有较大的差别，随着煤层深度的增加，围岩应力有可能会超过其强度而导致破坏失稳，酿成事故。

【关键词】煤矿；深部岩巷；围岩；稳定；支护；问题；分析

我国是用煤大国，随着煤炭的用量加大，煤矿浅部的煤炭资源已经逐渐的枯竭，所以我国很多的煤矿开始逐渐的由浅部向深部开采，目前我国很多矿井开采或开拓的深度已经达到了七百米之深，有些煤矿甚至已经达到了一千米，例如开滦、淮南、徐州、邯郸、邢台、新汉煤矿等，一般情况下，我国把深度达到七百至一千米的煤矿称为深部开采煤矿。深部煤矿的开采研究是从上世纪八十年代初期开始的，以南非为代表，包括英国、德国、俄罗斯、日本以及印度等国家，而我国是从上世纪八十年代末期才开始研究煤矿深部开采的，笔者根据自己的工作经验，在本文中重点分析了煤矿深部岩巷围岩的稳定及其支护问题。

1 高地应力对煤矿深部岩巷围岩稳定与支护的影响分析

高地应力是影响煤矿深部岩巷围岩稳定和支护的重要因素，即使在自重应力的作用下，处于八百米左右深度围岩的原岩应力也能够达到二十兆帕左右，而在实际的煤系地层中，又存在着褶皱、断裂和破碎带等，这些都是经过地壳强烈的运动之后形成的，所以在深部煤系当中都存在着较高的构造应力。据统计，大部分的构造应力要大于围岩的自重应力，例如，水平地应力的大小通常是垂直地应力的1.25～2.50倍；根据典型矿区的地应力测试结果，水平方向上的原岩应力最高可以达到27.18 MPa，而垂直方向上的原岩应力最高可以到达20.1 MPa。但是我们经过一定方法，例如工程类比法、基于现场变形观测结果的围岩参数反分析计算法以及(基于岩石力学试验结果和修正的H―B准则计算法等对岩体的最高单轴抗压强度进行了综合的分析，得出的结果是其强度只有十五兆帕，远远小于高地应力的大小。在实际的煤矿深部巷道开挖时，巷道自由面一侧的应力会减为零，所以围岩的应力会由开挖前的三向状态变为两向状态，如果此时不能够及时的采取措施，主要是巷道支护措施，则会由于洞周应力的重新分布而导致高地应力集中，使得深部围岩的应力增加4到5倍，并会在深部围岩体内快速形成塑性滑动面，深部围岩体经过损伤扩容一剪切滑移破坏一碎胀大变形的变化，最终导致失稳。经过对我国一些煤矿的调查发现，绝大多数的深部巷道在刚掘进好时，岩巷围岩的完整性比较好，不会产生裂隙或者离层的现象，例如淮南新庄孜矿的8 12 水平、谢桥矿的720水平、谢一矿的780 水平以及潘三矿的8 12 水平等，但是经过一个月之后，这些巷道就开始逐渐的产生裂隙或轻度片帮，一般是从巷道的煤帮开始，并逐渐的向四周扩展最终导致岩巷围岩失稳。如果这些深部岩巷围岩进行修补，一般要两个月要修补一次，但是随着修补次数的增多，修补的频率也会增大，这种现象说明煤矿的深部岩巷围岩在刚掘出来时，其水平应力要高于垂直应力，并且最大主应力方向是与巷道的轴线斜交的。

2 煤矿深部岩巷围岩稳定性的分析

煤矿深部岩巷围岩的稳定性取决于围岩体的力学性质，即其强度和变形性质，同时也与其所受外力的状态有关。其实煤矿深部岩巷的围岩体是由完整的石骨架和结构面组成的，经过了上亿年地质年代的高压作用，使得煤矿深部岩巷围岩的岩石骨架致密而又坚硬。在岩巷围岩的力学性质中，可以分为两种性质，即固有属性和非固有属性，前者是指不受应力状态影响的属性，例如黏结力和内摩擦角等；后者是指受外界应力状态影响的属性，例如拉压强度、变形模量以及泊松比等，所以要控制煤矿岩巷围岩的稳定性就要从改善围岩力学性质和所处的应力状态入手，例如围岩体的非固有属性是受应力状态的影响的，所以可以通过改善围岩应力状态而到达改善围岩非固有属性的目的；另外，我们知道任何围岩在三向应力的状态下其强度都要高于二向应力状态以及单向应力状态，而在围岩处于三向应力状态时，其峰值强度和残余强度会随着侧限压力的增加而提高，并且达到一定程度后，围岩会有脆性向延性转化，那我们可以根据这一特点来改善煤矿岩巷围岩所处的应力状态，从而有效的提高煤矿深部岩巷围岩的稳定性。

3 煤矿深部岩巷围岩支护的设计及理念分析

3.1 煤矿深部岩巷围岩支护的设计分析

目前，世界上各国在煤矿深部岩巷围岩的支护设计中还存在着很多的问题，例如岩巷围岩性质分布以及地应力场分布等因素都还不确定，只能根据煤矿浅部岩巷围岩的性质分布和地应力场分布进行设计，通过实际的实践告诉我们，煤矿浅部岩巷围岩的工程设计方法并不适用于深部岩巷围岩的巷道支护设计。例如在某一矿区地质条件相似的巷道支护设计过程中，进入煤矿深部的初始巷道支护阶段的设计宜采用动态信息法进行设计，动态信息法设计就是先选择具有代表性的试验段进行地质勘查、地应力测试以及围岩体力学性质的测试等，从而掌握该工程设计时所必须的信息数据；再在数值模拟和物理模拟的基础上对巷道的走向、锚杆支护参数以及巷道断面的几何参数等进行优化设计，从而提出初步的设计；最后还要在试验巷道中对岩巷围岩的位移以及锚杆应力的变化进行长期的检测，并根据检测到的数据对设计进行合理的修改和完善，如果该设计取得了良好的效果，则根据工程类比法在全矿区进行推广，并根据工程的实际情况对设计进行修改和完善。

3.2 煤矿深部岩巷围岩支护的理念分析

煤矿深部岩巷围岩的支护要根据巷道的实际情况进行支护，对于煤矿深部岩巷一级围岩，要采用高预应力超强锚杆支护，这可以有效的实现围岩应力状态的恢复、改善以及围岩强度的增强，简而言之就是能够很好的控制围岩的稳定性；对于煤矿深部岩巷二级围岩，不仅要采用高预应力超强锚杆支护，同时还需要采用滞后注浆固结修复破裂损伤区围岩，也就是说要采用应力状态恢复、围岩增强以及破裂损伤修复三种方法对二级围岩进行修复；对于煤矿深度岩巷三级围岩，不仅要采取二级围岩的支护措施，还要对巷道的断面形状进行优化，同时在高预应力超强锚杆的基础上采用预应力锚索，这样可以进一步的增强锚索区围岩的稳定性，并使得巷道表面应力状态得到恢复和改善；而对于煤矿深度岩巷三级以上的围岩，包括四级、五级等，不仅要采用三级围岩的支护措施，还要根据工程的实际情况，采用临时性支护措施，例如在巷道掘进工作面施工之前，采用注浆锚杆对破碎的围岩进行预固结和预增强，或者是采取架棚支护等，临时性支护能够有效的防止巷道在掘进时发生的冒顶片帮事故，可以有效的保障劳动者的安全，同时还可以与锚杆、锚索共同形成围岩应力，从而有效的改善了巷道支护体系，提高了煤矿深度岩巷围岩的稳定性。

4 结语

煤矿深部岩巷围岩稳定与支护问题是当今世界煤炭行业的关注重点，它关系到煤矿工人的生命安全，并决定着煤矿能否正常的生产。随着我国煤矿向更深度的开采与开拓，煤矿深部岩巷围岩的稳定和支护变得越来越困难，但是我们不能退缩，要采用先进的科学技术，并结合数学、物理等方面的知识，制定出有效的方法，从而改善我国煤矿深部岩巷围岩的稳定和支护。

参考文献:

[1]王建峰,张洪亮.煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术[J].科技传播,2011(16).

[2]何满潮,张国锋,齐干,李乾,贾启增,周杰.夹河矿深部煤巷围岩稳定性控制技术研究[J].与安全工程学报,2007(1).