深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究

李劍鋒

【摘 要】 隨著采煤技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，礦井逐步向更深的區(qū)域發(fā)展，井下各種問題便隨之而來，頂部煤層較大下沉，巖石性質(zhì)改變，礦山壓力快速增大，還有大斷面的出現(xiàn)，淺井的支護(hù)方法需要進(jìn)一步改善，必須具有高強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)才能適應(yīng)深部巷道開采，對圍巖應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，維護(hù)費用很高。弄清厚頂煤層巷道的穩(wěn)定原理。圍巖巷道的支護(hù)方式，要根據(jù)巖層的穩(wěn)定性、巷道的服務(wù)年限和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性來選擇。還要對巷道支護(hù)失效進(jìn)行分析，加強(qiáng)頂板支護(hù)，想出進(jìn)一步解決辦法。

【關(guān)鍵詞】 深部巷道；厚頂煤；破壞機(jī)制；礦壓顯現(xiàn)；斜拉錨索梁

前言

我國煤炭儲量大部分埋藏于地下深部，許多煤礦的開采深度已經(jīng)超過了600—800m，回采工作面任務(wù)量巨大，增加了大型的機(jī)械設(shè)備，回采動壓較大，地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力突出，巷道寬度不得不增加，又要滿足回風(fēng)運輸?shù)囊?，圍巖變形嚴(yán)重，巷道掘進(jìn)工作難度極度增大。分析變形破壞機(jī)制，采用理論分析來解決深度煤層圍巖變形控制技術(shù)。

1 深部巷道圍巖變形破壞分析

1.1 深部巷道圍巖難控制原因

隨著開采深度的增加，掘巷后圍巖表面應(yīng)力解除，巷道地應(yīng)力增加，巷道底鼓嚴(yán)重，集中應(yīng)力峰值相對無限外移，迅速向兩幫煤體內(nèi)部移動，降低了兩幫對頂板的支護(hù)，塑性區(qū)向直接頂縱向發(fā)展，發(fā)生高應(yīng)力劈裂現(xiàn)象。深部巷道礦壓特征明顯，例如塑性區(qū)、破碎區(qū)顯著增加，巷道掘進(jìn)中兩幫和底角最容易出現(xiàn)巖石松軟、破損、產(chǎn)生塑性區(qū)域。

1.1.1 頂煤的冒落拱作用機(jī)制

巷道寬度較小時，開采難度小，圍巖壓力弱，裂隙小，直至開采深部煤層，掘巷后圍巖表面應(yīng)力解除，頂煤松動區(qū)域形成松散冒落拱。

1.1.2 層理面剪切作用機(jī)制

煤層在淺部埋藏時，所受法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力較小，深部正常應(yīng)力狀態(tài)下，層理面最容易發(fā)生剪切破壞。淺部煤體迅速破壞導(dǎo)致頂煤下沉量增大。在深部構(gòu)造應(yīng)力與淺部應(yīng)力不同的情況下，剪應(yīng)力逐步加大，頂煤產(chǎn)生水平位移，方向由兩幫向中部發(fā)展。

1.1.3 水平應(yīng)力作用機(jī)制

在沒有支護(hù)的情況下，頂煤表面垂直應(yīng)力臨近為零，而水平應(yīng)力較為增高，后者與前者之比趨于無窮大的狀態(tài)。伴著巷道寬度的不斷增大，撓曲導(dǎo)致頂板中部破壞，頂煤彎曲下沉速度和數(shù)量增大，次生水平應(yīng)力增長。采掘面逐步加深后，兩者比值減小，剪切破壞成了主要的破壞方式。

1.2 深部巷道圍巖穩(wěn)定原理分析

1.2.1 圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)

由于深部厚煤層巷道圍巖伴隨著大斷面的出現(xiàn)，頂板下沉量增加、圍巖塑性區(qū)域延伸、淺煤層頂煤發(fā)生破壞，克服巖石抗拉強(qiáng)度小的弱點，提出高強(qiáng)高預(yù)緊力錨帶網(wǎng)，錨帶網(wǎng)與頂煤形成共同支護(hù)體通過錨入圍巖內(nèi)部的錨桿，充分利用圍巖本身抗壓強(qiáng)度大的特點，在巷道周圍形成一個整體而又穩(wěn)固的巖石支撐帶，憑借韌度大、剛度大、維護(hù)面廣等特點以達(dá)到維護(hù)巷道的目的，達(dá)到支護(hù)體與圍巖共同承載的目的。高阻讓壓錨桿支護(hù)技術(shù)也是一種積極防御性支護(hù)方法。此方法往往超過錨桿的錨固范圍，所以要想出進(jìn)一步的解決辦法，采用錨索加強(qiáng)對頂煤必要的實質(zhì)性控制。

1.2.2 斜拉錨索梁的控制作用

斜拉錨索梁的支護(hù)作用主要表現(xiàn)于：

（1）加固錨索錨固控制區(qū)域內(nèi)的煤層和煤層圍巖。預(yù)應(yīng)力錨索通過錨索的擠壓加固，防止出現(xiàn)松散“冒落拱”，減小其變形和離層，實施控制作用，可以更好地對錨桿錨固范圍內(nèi)的煤巖體進(jìn)行支護(hù)作用，還會起到加固、緊實作用，約束錨桿錨固區(qū)外煤體，防止出現(xiàn)松散“冒落拱”。

（2）控制好頂煤與直接頂巖層間產(chǎn)生的剪切變形，斜拉錨索穿過巷道兩側(cè)通過擠壓增加層理面之間的摩擦力，在一定程度上可阻止“倒梯形”塑性的形成，提高層里面剪切剛度，塑性部分減小。

（3）防止圍巖較松軟破碎，避免出現(xiàn)拱形冒現(xiàn)象，能夠減小水平拉力產(chǎn)生的破壞對松散煤巖體起到兜護(hù)作用，

2 深部巷道圍巖控制原理分析

我們可以從圍巖強(qiáng)度、圍巖應(yīng)力、支護(hù)技術(shù)三個方面來解決深部巷道圍巖控制難的問題，它們是防止圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)域的關(guān)鍵性因素，從而實現(xiàn)深部巷道圍巖穩(wěn)定。

2.1 提高圍巖強(qiáng)度

2.1.1 錨桿支護(hù)強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度

錨桿支護(hù)煤層煤礦巷道， 由于圍巖松軟， 加之埋藏深，受采動、構(gòu)造應(yīng)力的影響， 地應(yīng)力很大圍巖破壞嚴(yán)重， 因而其周圍存在著破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，錨桿支護(hù)煤層的作用在于提高圍巖強(qiáng)度。采用高強(qiáng)錨桿支護(hù)通過實驗室試驗和理論分析， 研究巷道錨桿支護(hù)對錨固范圍巖體峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化作用以及對錨固體峰值強(qiáng)度前后力學(xué)參數(shù)的改善， 隨錨桿支護(hù)強(qiáng)度提高，分析錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化后對巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)的控制程度，這種方法保持了頂煤的自身穩(wěn)定性。

2.1.2 圍巖注漿

運用圍巖注漿的方法把破碎的巖石加固，改善其力學(xué)參數(shù)，起到充填裂隙、封閉水源，隔絕空氣的作用，防止巖石遭受風(fēng)蝕。此方法主要針對于軟弱，破碎圍巖。

2.1.3 加固關(guān)鍵部位

避免出現(xiàn)視頂板、忽視兩幫和底板的思想，兩幫和底板出現(xiàn)變形會導(dǎo)致巖石碎脹變形，采用樹脂藥卷加長錨固，高預(yù)緊力。高強(qiáng)度錨桿支護(hù)兩幫底角破碎區(qū)，塑性區(qū)很大，通過注漿加固的方法，能夠提升兩幫和底角破碎塑性區(qū)的韌度，阻止其更進(jìn)一步地破碎。

2.2 減小巷道圍巖應(yīng)力

整體地且合理地規(guī)劃巷道布置，減少采空區(qū)變形對巷道巖體、巷道形態(tài)的破壞，盡最大努力的減少煤層圍巖受到的壓力。合理設(shè)計煤礦巷道的尺寸、大小，充分發(fā)揮錨索支護(hù)能力，預(yù)算好保護(hù)煤柱的數(shù)量和保護(hù)煤柱的穩(wěn)定性。盡量減小淺部煤層圍巖應(yīng)力，使深部煤炭巷道圍巖變形量減小，維護(hù)良好的深部煤礦巷道支撐力。

2.3 采用合理的錨桿支護(hù)技術(shù)

2.3.1 高強(qiáng)度，大延伸量錨桿支護(hù)

采用樹脂藥卷加長錨固，使用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，阻止深部巷道圍巖變形是不可能實現(xiàn)的，大延伸量錨桿支護(hù)允許圍巖有一定變形，但選擇合理的錨桿支護(hù)可提供較大的支護(hù)阻力，改變塑性區(qū)流變速度，使圍巖變形速度降低，塑性區(qū)域擴(kuò)展速度降低，改善巷道維護(hù)狀況。

2.3.2 增大錨桿預(yù)緊力

錨桿注漿完成，固結(jié)后產(chǎn)生的錨固力。錨桿的抗拉拔力與注漿的材料及其強(qiáng)度、錨桿直徑、錨固長度、孔的大小等因素有關(guān)系。增大錨桿預(yù)緊力能夠給錨桿提供較大的初始支護(hù)阻力，為預(yù)防圍巖松弛、滑動而通過張拉設(shè)備施加的荷載，承載外部圍巖承受的剪應(yīng)力，錨桿又具有較大延伸率可使錨桿固體保持較大的支護(hù)阻力，支撐外部圍巖破碎帶。

2.3.3 改善錨索性能

對巖層施加壓力對不穩(wěn)定巖體進(jìn)行錨固，使用新型材料制造的錨索，避免破斷失效。

3 工程應(yīng)用

深部大斷面厚頂煤巷道圍巖穩(wěn)定原理是我們施工的主旨思想，我們要對厚頂煤回采巷道支護(hù)設(shè)計進(jìn)行多次的試驗，確保試驗的準(zhǔn)確度，用支護(hù)能力較高的高強(qiáng)錨帶網(wǎng)支護(hù)，同時用斜拉錨索梁對頂煤進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)，并鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼帶。計算頂煤使屈服強(qiáng)度，設(shè)計好頂、幫間排距，選好錨索的規(guī)格。

河南平頂山礦務(wù)局為梯形斷面，煤層松軟、強(qiáng)度小、單軸抗壓強(qiáng)低，工作面埋深為870～930m，煤層厚度3.5～4.3m，傾角14度到23度。直接頂為砂紙泥巖，構(gòu)造結(jié)構(gòu)為裂隙發(fā)育，在巷道掘進(jìn)工作中容易出現(xiàn)冒頂和片幫的現(xiàn)象。采用了超前鉆孔應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)、高阻讓壓錨桿支護(hù)技術(shù)，在掘進(jìn)迎頭前方煤層布置鉆孔，采用樹脂藥卷加長錨固，高阻力，大伸長量的抗破斷錨桿實現(xiàn)高阻讓壓支護(hù)，結(jié)合瓦斯抽放，降低塑性區(qū)流遍速度，減少頂板下沉量，對兩幫的圍巖實現(xiàn)高阻讓壓支護(hù)，很大程度的縮短了巷道塑性變形速度又增大了穩(wěn)定時間，有效阻止底鼓，控制兩幫的向中間移動。

3 結(jié)語

深部大斷面厚頂煤巷道的變形破壞特征是“拱形”巷道出現(xiàn)在巷道寬度較小，這時塑性區(qū)出現(xiàn)在頂煤，而“倒梯形”形態(tài)出現(xiàn)在巷道寬度較大時，“矩形”形態(tài)出現(xiàn)在直接頂塑性區(qū)。表現(xiàn)為冒落拱、層理面剪切以及水平應(yīng)力是主要的頂煤變形破壞機(jī)制。

采用高強(qiáng)高預(yù)緊力錨帶網(wǎng)、高阻讓壓錨桿支護(hù)技術(shù)能夠有效地提供煤層圍巖破碎、塑性變形的阻力，起到懸吊、兜護(hù)、加固的作用消除淺部頂煤拉破壞。加固錨索錨固范圍內(nèi)的煤巖體需要用斜拉錨索梁進(jìn)行固定，頂煤中發(fā)生的拉破壞能夠得到有效的控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮朝朝，丁凌霄，毛彥鑫.深井高應(yīng)力復(fù)合頂板巷道圍巖控制技術(shù)[J].煤礦安全，2012（8）：92-93

[2] 張向陽.復(fù)雜條件下松軟散巷道圍巖控制原理與應(yīng)用技術(shù)研究[J].采礦技術(shù)，2012，（4）：78-79

[3] 張農(nóng)，李桂臣，闞甲廣.煤巷頂板軟弱夾層層位對錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響[J].巖土力學(xué)，2011，（9）：124-125