采動壓力影響下掘進巷道支護技術(shù)研究

楊志勇

（神華寧夏煤業(yè)集團羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750000）

科學(xué)合理的巷道支護方案能夠在確保企業(yè)生產(chǎn)安全的情況下節(jié)約施工成本，并且減少巷道的維護與加固次數(shù)，從而讓開采作業(yè)具有連續(xù)性，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。而目前由于礦藏的開采條件日益復(fù)雜，支護技術(shù)方案的設(shè)計難度也在不斷加大，深層開采和高作業(yè)強度導(dǎo)致采動壓力、地應(yīng)力和相應(yīng)的圍巖應(yīng)力場變化的復(fù)雜程度都在不斷地提升。因此，對于采動壓力影響下的掘進巷道支護技術(shù)的研究越發(fā)引起了人們的重視。

1 采動壓力對掘進巷道圍巖穩(wěn)定性與完整性的影響

1.1 掘進巷道圍巖的主要載荷及其破壞作用機理

掘進巷道圍巖在采掘活動開始前主要受到自重影響，應(yīng)力分部狀況處于相對平衡狀態(tài)，因而不同層面之間以及巖體本身在拉應(yīng)力、剪切應(yīng)力與壓應(yīng)力在三個方向的作用下相對位置比較穩(wěn)定。

而當(dāng)采掘活動開始后，處于地下深處的圍巖會因采空區(qū)的形成而受到擾動，原本已經(jīng)達到平衡的內(nèi)部應(yīng)力不可避免被破壞，從而引發(fā)巖體內(nèi)部應(yīng)力場的重新分布。在應(yīng)力場形成新的平衡的過程中，巷道頂板、底板以及兩幫都會因應(yīng)力作用出現(xiàn)不同程度和循序漸進的彈性變形、塑性變形直至巖層破裂。體現(xiàn)為巷道的兩幫向內(nèi)側(cè)收斂、頂板下沉以及地鼓現(xiàn)象，并且破裂與松散的巖體會出現(xiàn)剝落，造成巷道截面積變小與巷道的不規(guī)則變形，對采掘活動的安全形成很大威脅。

巷道的圍巖變形和破壞程度與圍巖的巖性、地應(yīng)力大小以及巷道的布置有關(guān)，一般巷道布置需要避開地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的區(qū)域，選擇圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、巖性較硬且水文地質(zhì)環(huán)境理想的方案。

1.2 采動壓力對掘進巷道圍巖穩(wěn)定性與完整性的影響

在巷道開拓或回采的過程中，巷道圍巖所受到的三向平衡應(yīng)力隨著工作面的推進而受到擾動，原本與巷道內(nèi)壁形成穩(wěn)定應(yīng)力作用關(guān)系的礦層被破壞，從而使圍巖內(nèi)部形成壓應(yīng)力。

而由于目前開采深度和開采強度的增加，這種壓應(yīng)力的水平對巖體自身的強度來說越來越大，形成巖體受壓破碎、受剪離層和受拉斷裂等現(xiàn)象，破壞了圍巖的整體性并降低了圍巖的強度，引起部分巖體的約束力失效并脫落，使圍巖整體結(jié)構(gòu)失去了穩(wěn)定性。

因此，采動壓力對圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性的影響是企業(yè)生產(chǎn)中需要面對的重要課題。

2 巷道支護技術(shù)的基本原理及其發(fā)展概述

2.1 巷道支護技術(shù)的基本原理與應(yīng)用

支護技術(shù)是確保巷道的圍巖結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)活動進行過程中的穩(wěn)定性的手段，根據(jù)對巷道地質(zhì)環(huán)境的勘查，了解巷道圍巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點、巖性以及水文地質(zhì)條件后，對于不同功用以及不同設(shè)計使用年限的巷道選擇科學(xué)的支護技術(shù)、材料與支護構(gòu)件以及施工工藝，能夠?qū)κ艿讲删蚧顒訑_動和破壞的圍巖形成支撐與防護，防止破碎巖體墜落、裂隙擴大和控制圍巖變形位移，從而確保應(yīng)力重新分部的過程中巷道的安全。

并且需要在受到擾動的巖體內(nèi)部應(yīng)力逐漸達到新的應(yīng)力平衡的過程中，盡量確保支護構(gòu)件不會因承受過大的應(yīng)力作用而破壞和失效。

2.2 巷道支護技術(shù)的發(fā)展簡介

近年來，巷道支護技術(shù)從原材料的使用到支護構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，以及支護技術(shù)的理論研究都發(fā)生了很大變化。由于新材料、新技術(shù)以及新理論的應(yīng)用，巷道支護技術(shù)從過去的對已經(jīng)被破壞的巷道圍巖施加支撐與防護，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^支護體系的設(shè)計維護圍巖的整體性和穩(wěn)定性，使其荷載能力在采掘活動開始后始終得以保持，讓支護構(gòu)件與圍巖共同形成新的整體承載結(jié)構(gòu)[1]。

基于這一支護理念的巷道支護技術(shù)，得益于近年來普遍被使用的圍巖錨固技術(shù)及其理論的日漸完善，解決了過去使用木材、鋼材或鋼筋混凝土為主要支護材料時面對的材料強度和抗腐蝕性問題的同時，簡化了施工工藝，并實現(xiàn)了支護構(gòu)件與圍巖之間的緊密連接。而相關(guān)理論的發(fā)展則為精確的設(shè)計支護構(gòu)件和支護系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)提供了分析與計算的依據(jù)。

因而，目前巷道支護技術(shù)方案的設(shè)計主要以經(jīng)濟實用的圍巖錨固技術(shù)為主。

3 采動壓力影響下常見的支護技術(shù)簡介

3.1 錨桿支護技術(shù)及其應(yīng)用理論概況

錨桿支護是圍巖錨固支護技術(shù)最常用到的一種支護形式，早期的錨桿支護理念是給遭受破壞的圍巖施加被動的支撐，避免其變形和破壞加劇。

溢洪道后凍土膨脹對壩肩的低溫壓力如圖2所示。可以看出溫度應(yīng)力在凍結(jié)期結(jié)束時急劇增加，見圖2(a)，在y的深度大約等于0.3 MPa，見圖2(b)，與實際觀測結(jié)果一致。

而隨著粘結(jié)劑性能、錨桿施工技術(shù)以及其應(yīng)用理論的不斷進步，通過粘結(jié)劑將打入巖體深部的錨桿與圍巖緊密的錨固為一體，已經(jīng)能夠通過預(yù)應(yīng)力對不穩(wěn)定的巖體結(jié)構(gòu)主動施加壓應(yīng)力，從而讓松動和出現(xiàn)破裂的巖體結(jié)構(gòu)重新穩(wěn)固，并且通過多個錨桿支護作用的疊加，形成一定范圍內(nèi)巖體與支護系統(tǒng)構(gòu)成的整體承載結(jié)構(gòu)。而錨桿支護的理論研究基于錨桿與巖體之間的緊密連接和形成的承載結(jié)構(gòu)的作用，以其對圍巖的懸吊作用、承壓作用或新的結(jié)構(gòu)內(nèi)部圍巖各部分之間的相互作用力為主要研究對象，探究其作用的形成機理與規(guī)律，給不同巖體性質(zhì)、不同支護位置和不同巖體結(jié)構(gòu)形式的支護系統(tǒng)設(shè)計提供了建立力學(xué)模型和進行設(shè)計參數(shù)分析計算的依據(jù)。

3.2 錨索支護技術(shù)的應(yīng)用理論

錨索支護技術(shù)相對于錨桿支護具有更大的靈活性，并且可以形成更大范圍的支護。目前，錨索支護可以分為全長錨固與端部錨固兩種形式，前者的錨固劑與打入圍巖的錨索桿體形成共同的承載結(jié)構(gòu)，共同控制巖層的錯動、離層與壓力下的變形，因而其粘結(jié)劑與桿體需要共同抗壓、抗剪與抗切[2]。

而端部錨固的錨索的粘結(jié)劑主要提供粘結(jié)力。在實際的工程運用中，錨索支護通常與錨桿支護聯(lián)合應(yīng)用，利用各自的優(yōu)點給采動壓力影響下復(fù)雜的圍巖結(jié)構(gòu)提供可靠的支護。尤其是在巖性不理想和應(yīng)力相對集中區(qū)域，可以帶來更好的支護效果并保證支護方案的經(jīng)濟性。

3.3 聯(lián)合支護系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計原理

通常由于采動壓力影響下的巷道全長范圍內(nèi)的圍巖構(gòu)造、巖性差異以及煤層分布等各自因素都非常復(fù)雜。在采動壓力下，圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分配的過程中，巷道的頂板、兩側(cè)以及底板的變形和破壞形式多種多樣，因此需要采取聯(lián)合支護方案才能夠取得理想的支護效果和確保其經(jīng)濟性[3]。一般情況下，除了采用還需要在錨桿與錨索的支護間隙布置鋼帶或金屬網(wǎng)，起到輔助加固和防止巖層破壞脫落事故的發(fā)生。

4 采動壓力影響下的掘進巷道支護技術(shù)方案設(shè)計

4.1 掘進巷道支護方案的初步設(shè)計

對受到采動壓力影響的掘進巷道進行支護設(shè)計，首先需要研究掘進巷道所在位置的圍巖巖性、礦層分部、水文地質(zhì)環(huán)境以及既有的支護狀況等，根據(jù)已有的支護設(shè)計經(jīng)驗初步確定支護方案。

確認支護所用的錨桿與錨索的種類、數(shù)量、具體的安裝位置以及輔助支護構(gòu)件的選擇，并且對巷道保護煤柱的預(yù)留位置和預(yù)留寬度進行規(guī)劃，盡量利用煤柱的預(yù)留形成對巷道頂板的支撐，并減少掘進巷道兩側(cè)與底板因采動壓力而出現(xiàn)向巷道內(nèi)側(cè)的位移，降低巷道邊幫的支護設(shè)計難度和支護強度[4]。

而煤柱的預(yù)留寬度既要滿足支護需要，也要避免寬度參數(shù)設(shè)計過于保守。

4.2 掘進巷道支護系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的計算及優(yōu)化

由于錨桿與錨索支護理論研究的進步與計算機技術(shù)的應(yīng)用，讓優(yōu)化采動壓力影響下的掘進巷道支護設(shè)計，并得到最佳支護效果與經(jīng)濟性成為了可能。

首先，依據(jù)較為成熟的理論依據(jù)和巷道的幾何參數(shù)對錨桿與錨索的長度、直徑和強度等設(shè)計參數(shù)進行計算和校核，并且根據(jù)工程的類比計算所需的支護密度、錨桿與錨索的排距以及間距等[5]。

其次，可以運用計算機軟件模擬采動壓力下巷道不同部位的巖體內(nèi)部應(yīng)力場的變化，找到應(yīng)力隨工作面推進的變化和應(yīng)力分布規(guī)律，并且在不同的預(yù)留寬度條件下模擬分析煤柱的內(nèi)部應(yīng)力情況，從而進一步優(yōu)化錨桿、錨索以及預(yù)留保護煤柱的支護設(shè)計參數(shù)，合理的布置錨桿與錨索的間距、排距以及精確的選擇支護強度。

單一支護構(gòu)件的有效支護范圍必須形成一定程度的疊加，從而形成對巷道圍巖整體的壓縮連接作用。在通過增加預(yù)緊力和加強單一支護構(gòu)件的支護強度能夠解決支護需要的前提下，要盡量降低支護密度，達到支護效果與支護系統(tǒng)安裝施工的經(jīng)濟性的統(tǒng)一。

4.3 掘進巷道支護系統(tǒng)的施工工藝對支護效果的影響

基于主動預(yù)防巷道圍巖變形和破壞形成的支護系統(tǒng)，其支護效果的形成需要有嚴格的施工工藝控制來保證。

首先，錨桿與錨索的安裝需要精確的控制粘結(jié)劑的攪拌與固化時間，才能夠按照設(shè)計形成支護系統(tǒng)與圍巖的整體性，達到共同承載采動壓力的效果[6]。

其次，錨桿與錨索的安裝角度、深度以及預(yù)緊力的施加也必須控制在一定的誤差范圍，否則支護系統(tǒng)無法形成預(yù)期的有效支護范圍。

4.4 掘進巷道支護效果的檢測與改進

在采動壓力影響下的掘進巷道支護系統(tǒng)安裝完畢后，應(yīng)進行必要的檢測，測量支護系統(tǒng)的各項應(yīng)力參數(shù)和巷道頂板或兩側(cè)的位移等，校核和評估支護系統(tǒng)是否足夠穩(wěn)固和總體支護效果能否達到掘進巷道使用的設(shè)計要求，并且在必要的情況下加以改進，直至所有細節(jié)滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

在優(yōu)化采動壓力影響下的掘進巷道支護設(shè)計參數(shù)方面，國內(nèi)的研究人員還在不斷地進行探索，對于應(yīng)用理論的研究以及模擬分析模型的建立還有很多問題有待解決。相信不久就可以實現(xiàn)對錨桿與錨索聯(lián)合支護系統(tǒng)進行更加科學(xué)和標準化的參數(shù)設(shè)計，為開采帶來更經(jīng)濟和安全的支護解決方案。