影響煤礦井巷穩(wěn)定性的因素分析與支護方式

王吉民

【摘 要】煤礦井巷壓力包括水平巷道地壓、垂直巷道地壓和傾斜巷道地壓。影響井巷穩(wěn)定性的因素主要有：圍巖性質、井巷位置、巷道軸線方向，斷面尺寸，破巖方法等。支護方式主要有棚式支護、砌碹支護、錨噴支護等。

【關鍵詞】井巷；穩(wěn)定性；影響因素；支護方式

煤礦井巷穩(wěn)定性的決定因素是圍巖應力與圍巖強度。當圍巖應力超過圍巖強度時，井巷處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當困巖應力恰等于圍巖強度時，井巷才能算是穩(wěn)定。井巷維護方法很多，應抓住圍巖應力與圍巖強度二者之間的關系。

1.井巷壓力

1.1地壓的性質

地殼中的巖體，包括原巖和巷道周圍的圍巖之間相互機械作用，以壓力的形式表現(xiàn)出來，稱為地壓。沒有經掘進或回采工作面破壞的巖層，其中任何一處的巖體都受上下、左右、前后三向六面壓力的擠壓，這種壓力相互均勢，稱為自然相對平衡狀態(tài)或原始應力相對平衡狀態(tài)。在巖層或煤層中開掘巷道后，巖體由原來的三向壓力變?yōu)殡p向壓力，這就破壞了自然壓力相對平衡狀態(tài)，因此圍巖壓力要重新分布。

1.2水平巷道地壓

巷道頂壓：巷道開掘后，頂板巖石就暴露出來，除特別堅硬的巖石外，一般“巖梁”受力后都向下彎曲。當彎曲和受拉力達到一定限度，即超過巖石本身的抗拉強度時，巖梁產生裂縫。隨著裂縫的不斷增多和加大，巖石就開始向下冒落，并從周邊向巖體深度擴展。隨著頂板巖石的冒落，頂板壓力逐漸降低，而作用到兩幫巖石上和支架上的壓力就逐漸加大，這就是頂板壓力。

巷道側壓：隨著頂板巖石的冒落，平衡拱的形成，所有向下的作用力都傳到兩幫巖石上。如果兩幫巖石所受的力沒有超過本身的強度，兩幫巖石就不遭受破壞。當兩幫巖石松軟，強度低而承受不住上面?zhèn)鱽淼膲毫r，兩幫巖石就遭受到破壞而垮落，巷道寬度隨之增大，直到形成新的自然平衡拱為止。這時支柱將承受巖幫垮落所產生的水平推力，這就是巷道側壓。

巷道底壓。巷道產生側壓，得到新的平衡之后，新的自然拱仍然把壓力傳給兩幫，再傳給底板。當?shù)装鍘r石松軟而受到上面的壓力之后，底板就會從巷道兩側向中間方向運動，從而使底板鼓起來。另外，如果巷道巖石具有遇水膨脹的特性（如粘土質巖石），當巷道有積水時，就會由于巖石的膨脹而產生底壓。

1.3垂直巷道的地壓

在巖層中開掘立井后，巖層的原始應力平衡狀態(tài)同樣受到破壞。立井周圍的巖石所受的力超過自身強度之時，井筒周圍就要形成破壞區(qū)，破壞區(qū)內的巖石便向立井內倒落。當有支架時，它對支架就產生擠壓力。

1.4傾斜巷道的地壓

在傾斜巷道中作用于支架卜的地壓的大小，應根據巷道的傾角而采用不同的計算。但由于傾角的影響，在自然平衡拱內的巖石重力可分解為法線分力和切線分力。

2.影響井巷穩(wěn)定性的主要因素

2.1圍巖性質

煤系地層中煤的普氏堅固系數(shù)為0.5～1.5。硬砂巖與石灰?guī)r的普氏堅固系數(shù)為8～10，若將巷道從煤中移到硬巖中，它的穩(wěn)定性立即提高8～10倍以上，其它任何因素影響絕沒有這樣大，所以巖性是最重要的影響因素。

2.2井巷位置

調整巖性，提高或降低圍巖強度；調整與相鄰巷道或采面的距離，以降低相鄰巷道或采面影響造成的應力；調整和采空區(qū)的相對關系，可免受支承壓力影響，減少巷道圍巖壓力。

2.3巷道軸線方向

巷道軸線方向與原巖應力最大應力的方向一致時，穩(wěn)定性較好。兩者相垂直時，穩(wěn)定性較差。

2.4斷面尺寸

原則上應在滿足使用面積要求，并考慮變形裕量以后，力爭其斷面積最小，以減少破裂范圍。在最不利條件下，可以考慮將雙軌巷道或其它大斷面巷道一分為二。

2.5掘進破巖方法

從維護角度來看，人力破巖最好，其次為掘進機和風鎬破巖，再次為光面爆破和控制爆破，最差為不加控制的普通爆破。

2.6掘進時間與沿空護巷

主要指采區(qū)下階段風巷的掘進時間，一般應安排在動壓穩(wěn)定以后開始掘進，為了解決跟不上回采需要的問題，廣泛采用沿空留巷，沿空護巷，無煤柱護巷。

2.7掘進方案

主要指薄煤層中半煤巖巷的寬面掘進施工方案，采用寬面掘進方案的好處，可以多出煤，少出矸，而且可將上覆巖層重力轉嫁給較遠的實體媒體上，使巷道易于維護。為了維護巷道的穩(wěn)定性，防止巷道圍巖變形與跨落，巷道掘出后，一般都要進行適宜的支護，以維護安全的工作空間。巷道維護形式雖多，按其結構可分為棚式支護、拱殖支護、錨噴支護等，下面著重介紹這三類支護形式：

3.支護方式

3.1棚式支護

按材料分為木支架、金屬支架、鋼筋混凝土支架。按形式分為梯形、拱形、馬蹄形。按性能分為剛性支架，可縮性支架。

木支架：由于強度有限，不防火，易腐爛，故多用于地壓不大，斷面小，服務年限短的采區(qū)巷道，適用于維修和巷道掘進時作臨時支護。

金屬支架：它在回采巷道、準備巷道可使用。在斷面較大，地壓嚴重的巷道均可使用。特別是可縮性支架更適宜，但在有酸性水的情況下應避免使用金屬支架。

鋼筋混凝土支架：用于不要有動壓的采區(qū)巷道內，在地壓穩(wěn)定，服務年限較長以及斷面小于12m2的巷道效果較好。

3.2砌碹支護

這種支護具有堅固、耐久、防火、阻水、通風阻力小、材料來源廣闊等優(yōu)點。缺點是成本高、施工復雜，主要用于服務年限長的開拓巷道，但在地壓大，地質條件差的巷道和其它支護材料缺的情況下，服務年限不長（8-10a）的巷道，用石材支護也是較為適宜的。

3.3錨噴支護

錨噴支護是錨桿支護和噴漿或噴射混凝土支護的一種聯(lián)合支護形式，也是將剛性支護化為軟性支護的一種形式。下面分析不同圍巖條件下錨噴支護的作用原理。

在整體硬巖中，由于這類圍巖強度高，在中等深度開采條件下，只要巷道選型合理并采用光面爆破，通常自身即可穩(wěn)定而不需要支護。有時為了防止風化和消除因尖角狀巖塊所引起的應力集中，也對開掘在這類巖層中的主要大巷主要峒室進行支護。

在塊狀巖體中，這類圍巖較堅硬，但整體性能差，巖塊之間往往的鑲嵌、咬合，鎖在一起，錨噴支護能及時地防止“個別”危石掉落，并能有效地保證圍巖整體的穩(wěn)定性。

在層狀巖層中，錨桿作用比較顯著，對于巖層可能產生順層面滑動，可借助錨桿提供的抗剪、抗拉以及由于錨桿壓緊層面增加的摩擦力，將要產生滑動的巖塊得以穩(wěn)定。對于離層與彎張可能出現(xiàn)的破壞，則要靠一組與層面相垂直的錨桿把各巖層組合在一起，形成“組合梁”，增加抗彎剛度。

在軟巖中，軟巖強度低，變形能力大，不能承受拉應力，易造成圍巖過大的變形、松動及破壞。所以，應充分利用錨噴支護的技術及時進行支護。

【參考文獻】

[1]張先塵等.中國采煤學[M].煤炭工業(yè)出版社，2003.5.

[2]鮑仲慶等.煤礦開采與掘進[M].煤炭工業(yè)出版社，1993.5.