论文部分内容阅读
【摘 要】 随着目前煤矿开采的不断增加，深井巷道支护是我国煤矿建设和生产面临的一个新课题，深部开采带来的高地应力、高水头压力、高温度梯度以及围岩的软弱对井下巷道的支护工作带来了不少困难。由于各煤矿的井下地质条件存在较大的差异，所以必须根据井下巷道的实际所处的围岩情况，运用合适的支护方式与支护参数，确保巷道的质量和安全。
【关键词】 煤矿工程；深井巷道；支护技术
引言：
随着当前煤矿开采深度逐渐增加的实际情况，在进行井下巷道掘进和深度延伸的过程中，无形中增加了煤矿巷道的围岩应力，加大了岩体土层甚至煤层之间的伸塑性，经常会发生围岩破碎变形甚至脱落的情况，增加了安全生产的风险隐患。因此，在选择煤矿巷道支护技术和支护参数的时候，就要充分考虑煤矿巷道深层的围岩特点和煤矿工程的施工情况，科学、合理地采用井下巷道和内部硐室的支护技术手段，尽量选择适合自身煤矿巷道支护需求的加固方式，增加煤矿井下巷道的支护坚固程度、抗压性能、可缩效果，确保巷道支护技术的安全、高效、科学、稳定，避免发生井下作业安全事故，确保煤炭资源的开采、利用向着安全化、节能化、科学化的发展。
1、煤矿开采现状
目前，我国各地的煤炭资源的开采，仍然井工矿井居多且开采深度逐年增加，相当多的煤矿井下作业的巷道深度都达到了700m左右，甚至很多矿井巷道已经超过了1000m，而且，根据有关资料统计，近年来我国有超过80%的井下作业巷道在煤层中挖掘，在我国已探明的煤炭资源中，约占50%的煤炭埋深超过千米。在这样的煤矿巷道中作业，支护技术的安全、高效、科学、合理，不仅能够确保煤矿工程经久耐用和安全可靠，增加使用年限，而且能够有效地杜绝安全生产事故的发生。所以，如何适应井下作业的特点，科学合理地选择煤矿巷道支护技术，确保巷道的安全稳定可靠性能，降低安全隐患的发生率，提高煤矿企业的经济和社会效益，便成为了当前和今后一个时期煤矿生产企业深入研究探讨的一项重要课题。
2、煤矿巷道支护理论
（1）松动圈支护理论
围岩松动圈支护理论认为：巷道开挖后一般会出现松动圈，围岩最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中岩石碎胀变形是支护对象。松动圈越大，碎胀变形越大，围岩变形量越大，巷道支护也越困难。根据松动圈的大小进行了围岩分类，并提出了相应的支护形式。
（2）新奥法支护理论
结合煤炭行业自身特点，对新奥法支护理论进行了较好的完善和发展，形成以下支护原则：采用光面爆破；采用早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护；采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈；实施二次支护；对破碎围岩实施注浆加固；实施动态设计和动态施工等。
（3）围岩强度强化理论
此理论认为，在锚杆支护的作用下，锚固体的力学参数可得到一定提高，从而可使锚岩体的力学性能得到有效改善，并可能使锚固区域岩体的峰值强度、残余强度以及峰后强度都得到较明显的强化，而且还能对围岩的应力状态进行有效改变，此外，通过增加围压，还可促进围岩承载能力的有效提高有的研究者还应用损伤力学、弹塑性力学、大变形力学以及流变力学等理论对巷道围岩的破坏及变形特征进行详细分析，并从多个角度对支护体与围岩之间的相互作用以及巷道矿压规律进行了深入研究。
（4）联合支护理论
联合支护理论认为对于复杂困难巷道，只提高支护体刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。联合支护理论在困难巷道中得到比较广泛的应用，但随着围岩条件越来越差，该理论受到了挑战。有些巷道采用联合支护并不理想，需要多次维修和翻修，围岩变形一直不能稳定。
此外，我国学者采用弹塑性力学、流变力学、损伤力学、大变形力学等理论对巷道围岩变形和破坏特征进行了分析，从不同角度研究了巷道矿压规律及围岩与支护体的相互作用。
3、深井巷道支护技术
2.1、优化巷道布置，避免应力集中
即在应力降低区布置巷道，或通过人工卸压方式使巷道周边的高应力向深部转移，从而对巷道围岩的变形情况进行有效控制。一般而言，在应力降低区对巷道进行布置是首选的方法，通过对巷道布置的断面形状、方向以及尺寸进行优化，可使巷道受力情况得到有效改善。合理布置采准巷道，从时间、空间上减少采动支承压力对巷道作用的强度和次数，减小围岩应力，合理设计煤柱尺寸，既要保持煤柱稳定，又要使巷道受到的集中应力尽可能小，尽量将巷道布置在应力降低区内。对于深部巷道来说，采取应力转移、减小浅部围岩应力有利于减小巷道围岩变形量。人工应力控制措施通常有掘卸压巷、切缝、爆破以及钻卸压孔等形式，在具体作业中，这样的施工比较复杂，且难度也较大，因此，目前还没有进行广泛应用。
2.2、棚式支架
此支护形式曾是煤矿巷道中最主要的支护方式，按照支护材料的不同，可把其分为以下几种形式：钢筋混凝土支架、木支架、金属支架。从某个角度而言，棚式支架是一种被动支护，其通常不会和巷道表面发生紧密接触，因此，难以对围岩早期变形情况进行有效控制，如果巷道的环境比较复杂，那么所需成本就会较高，而支护能力也难以得到有效保证。
2.3、注浆加固
即在破碎煤岩体中对巷道进行维修或开掘，和锚杆支护及棚式支护相比，其可对巷道进行更加有效的支护作用。在巷道中注浆浆液，可对围岩中的裂隙进行有效填充，从而可使破碎岩体发生固结，这样就能使围岩的结构得到一定改善，进而可使围岩自身承载能力得到有效提高。现阶段，比较常用的注浆材料主要是高分子材料和水泥基材料，在实际应用中，要结合生产条件及巷道地质的具体情况选择合适的材料。
2.4、复合支护
此支护方式是一种应用两种或两种以上的联合支护方式对巷道进行支护，使用这样的支护方式时，如果能使每种支护方式的支护作用及优势都能得到最大程度的发挥，将会取得非常有效的支护效果。例如：锚网喷柱、锚注支护、锚杆锚索联合支护以及U型钢支架等，从而使得深矿井开采可以达到安全、高产高效的目的。 4、深井巷道支护的应用
4.1、深井全煤巷道沿空掘巷锚杆支护技术
此技术应用锚固平衡拱原理，通过数值分析来确定初步的支护设计及煤柱的尺寸，然后结合深井高地应力综采放顶煤工作面顺槽的矿压显示特点，应用在具有较强冲击倾向及采深大的放顶煤沿空巷道中。此技术可使掘进时的冒顶现象得到有效避免，从而可使煤柱一帮的整体性得到一定提高，此外，还能使垮帮及片帮现象得到有效消除，进而可在一定程度保证采空区及巷道的安全性。另一方面，把此技术应用在沿空巷道中，还能使支护成本得到有效降低，并可使用回采工作面的单产量得到一定提高。
4.2、全螺纹锚杆支护技术
全螺纹锚杆属于新型锚杆，其使用无纵肋螺旋钢筋制作，钢筋上面的两个横肋为螺旋形，可结合具体需要旋入螺母，和其他类型的锚杆相比，其具有以下特点：杆体采用热轧全长连续螺纹，生产工艺比较简单，所需费用较低；不需对杆体上的螺纹进行二次加工紧固，需保证杆体全长，不能出现薄弱截面，各个部位的强度要相等，可有效避免常规锚杆因受到帮部侧的巨大压力而发生断裂现象；可结合具体需求对截取相应的杆体。
4.3、软岩动压巷道锚注支护技术
此技术的支护机理是：通过浆液对围岩中的裂隙进行封堵，可使空气得到有效隔绝，并可使围岩的风化现象得到一定减轻，从而可有效保证围岩的强度。注浆后，松散破碎的围岩胶就会逐渐结成为整体，从而可使荷载均匀地作用在支架及喷层上；通过注浆方式充填围岩裂隙并配合锚喷支护，可逐渐形成多层强有效的组合拱，而注浆锚杆本身就属于全长锚固，把之与多层组合拱联成一个整体，从而可使整个巷道支护结构的承载能力得到有效提高。
5、结束语
随着煤矿开采的不断增加，深井巷道支护是我国煤矿建设和生产面临的一个新课题，深部开采带来的高地应力、高水头压力、高温度梯度以及软弱围岩，特别是深部巷道地应力增加，导致围岩岩性恶化，围岩塑性区和破坏区范围增大对井下巷道的支护工作带来了不少困难。
首先，针对深部巷道的特点，优化巷道布置，避免应力集中，尽量将巷道布置在应力降低区内是首选。
其次，针对深部巷道的流变性和高失效性，采用锚网+锚索联合支护方式，能够有效控制顶板和减小两帮移近量。提高围岩强度，采用锚杆支护提高破坏区围岩强度，随着支护强度增大，锚固体极限强度、残余强度增大。
最后，通过围岩注浆加固，能够提高围岩极限强度和残余强度。加强巷道两帮及底板控制，通过对两帮及底板加强支护、注浆加固，可以提高两帮及底角破碎区围岩的残余强度和锚固力，有效阻止破碎区围岩的碎胀变形。
参考文献：
[1]康红普，王金华，林健.煤矿巷道支护技术的研究与应用[J].煤炭学报，2010，11：1809-1814.
[2]李本涛.深井软岩巷道支护技术研究[D].中国矿业大学，2008.
[3]冯焕超，董欢庆.高应力软岩巷道支护技术的研究与应用[J].科技风，2014，20：154-155.
【关键词】 煤矿工程；深井巷道；支护技术
引言：
随着当前煤矿开采深度逐渐增加的实际情况，在进行井下巷道掘进和深度延伸的过程中，无形中增加了煤矿巷道的围岩应力，加大了岩体土层甚至煤层之间的伸塑性，经常会发生围岩破碎变形甚至脱落的情况，增加了安全生产的风险隐患。因此，在选择煤矿巷道支护技术和支护参数的时候，就要充分考虑煤矿巷道深层的围岩特点和煤矿工程的施工情况，科学、合理地采用井下巷道和内部硐室的支护技术手段，尽量选择适合自身煤矿巷道支护需求的加固方式，增加煤矿井下巷道的支护坚固程度、抗压性能、可缩效果，确保巷道支护技术的安全、高效、科学、稳定，避免发生井下作业安全事故，确保煤炭资源的开采、利用向着安全化、节能化、科学化的发展。
1、煤矿开采现状
目前，我国各地的煤炭资源的开采，仍然井工矿井居多且开采深度逐年增加，相当多的煤矿井下作业的巷道深度都达到了700m左右，甚至很多矿井巷道已经超过了1000m，而且，根据有关资料统计，近年来我国有超过80%的井下作业巷道在煤层中挖掘，在我国已探明的煤炭资源中，约占50%的煤炭埋深超过千米。在这样的煤矿巷道中作业，支护技术的安全、高效、科学、合理，不仅能够确保煤矿工程经久耐用和安全可靠，增加使用年限，而且能够有效地杜绝安全生产事故的发生。所以，如何适应井下作业的特点，科学合理地选择煤矿巷道支护技术，确保巷道的安全稳定可靠性能，降低安全隐患的发生率，提高煤矿企业的经济和社会效益，便成为了当前和今后一个时期煤矿生产企业深入研究探讨的一项重要课题。
2、煤矿巷道支护理论
（1）松动圈支护理论
围岩松动圈支护理论认为：巷道开挖后一般会出现松动圈，围岩最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中岩石碎胀变形是支护对象。松动圈越大，碎胀变形越大，围岩变形量越大，巷道支护也越困难。根据松动圈的大小进行了围岩分类，并提出了相应的支护形式。
（2）新奥法支护理论
结合煤炭行业自身特点，对新奥法支护理论进行了较好的完善和发展，形成以下支护原则：采用光面爆破；采用早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护；采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈；实施二次支护；对破碎围岩实施注浆加固；实施动态设计和动态施工等。
（3）围岩强度强化理论
此理论认为，在锚杆支护的作用下，锚固体的力学参数可得到一定提高，从而可使锚岩体的力学性能得到有效改善，并可能使锚固区域岩体的峰值强度、残余强度以及峰后强度都得到较明显的强化，而且还能对围岩的应力状态进行有效改变，此外，通过增加围压，还可促进围岩承载能力的有效提高有的研究者还应用损伤力学、弹塑性力学、大变形力学以及流变力学等理论对巷道围岩的破坏及变形特征进行详细分析，并从多个角度对支护体与围岩之间的相互作用以及巷道矿压规律进行了深入研究。
（4）联合支护理论
联合支护理论认为对于复杂困难巷道，只提高支护体刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。联合支护理论在困难巷道中得到比较广泛的应用，但随着围岩条件越来越差，该理论受到了挑战。有些巷道采用联合支护并不理想，需要多次维修和翻修，围岩变形一直不能稳定。
此外，我国学者采用弹塑性力学、流变力学、损伤力学、大变形力学等理论对巷道围岩变形和破坏特征进行了分析，从不同角度研究了巷道矿压规律及围岩与支护体的相互作用。
3、深井巷道支护技术
2.1、优化巷道布置，避免应力集中
即在应力降低区布置巷道，或通过人工卸压方式使巷道周边的高应力向深部转移，从而对巷道围岩的变形情况进行有效控制。一般而言，在应力降低区对巷道进行布置是首选的方法，通过对巷道布置的断面形状、方向以及尺寸进行优化，可使巷道受力情况得到有效改善。合理布置采准巷道，从时间、空间上减少采动支承压力对巷道作用的强度和次数，减小围岩应力，合理设计煤柱尺寸，既要保持煤柱稳定，又要使巷道受到的集中应力尽可能小，尽量将巷道布置在应力降低区内。对于深部巷道来说，采取应力转移、减小浅部围岩应力有利于减小巷道围岩变形量。人工应力控制措施通常有掘卸压巷、切缝、爆破以及钻卸压孔等形式，在具体作业中，这样的施工比较复杂，且难度也较大，因此，目前还没有进行广泛应用。
2.2、棚式支架
此支护形式曾是煤矿巷道中最主要的支护方式，按照支护材料的不同，可把其分为以下几种形式：钢筋混凝土支架、木支架、金属支架。从某个角度而言，棚式支架是一种被动支护，其通常不会和巷道表面发生紧密接触，因此，难以对围岩早期变形情况进行有效控制，如果巷道的环境比较复杂，那么所需成本就会较高，而支护能力也难以得到有效保证。
2.3、注浆加固
即在破碎煤岩体中对巷道进行维修或开掘，和锚杆支护及棚式支护相比，其可对巷道进行更加有效的支护作用。在巷道中注浆浆液，可对围岩中的裂隙进行有效填充，从而可使破碎岩体发生固结，这样就能使围岩的结构得到一定改善，进而可使围岩自身承载能力得到有效提高。现阶段，比较常用的注浆材料主要是高分子材料和水泥基材料，在实际应用中，要结合生产条件及巷道地质的具体情况选择合适的材料。
2.4、复合支护
此支护方式是一种应用两种或两种以上的联合支护方式对巷道进行支护，使用这样的支护方式时，如果能使每种支护方式的支护作用及优势都能得到最大程度的发挥，将会取得非常有效的支护效果。例如：锚网喷柱、锚注支护、锚杆锚索联合支护以及U型钢支架等，从而使得深矿井开采可以达到安全、高产高效的目的。 4、深井巷道支护的应用
4.1、深井全煤巷道沿空掘巷锚杆支护技术
此技术应用锚固平衡拱原理，通过数值分析来确定初步的支护设计及煤柱的尺寸，然后结合深井高地应力综采放顶煤工作面顺槽的矿压显示特点，应用在具有较强冲击倾向及采深大的放顶煤沿空巷道中。此技术可使掘进时的冒顶现象得到有效避免，从而可使煤柱一帮的整体性得到一定提高，此外，还能使垮帮及片帮现象得到有效消除，进而可在一定程度保证采空区及巷道的安全性。另一方面，把此技术应用在沿空巷道中，还能使支护成本得到有效降低，并可使用回采工作面的单产量得到一定提高。
4.2、全螺纹锚杆支护技术
全螺纹锚杆属于新型锚杆，其使用无纵肋螺旋钢筋制作，钢筋上面的两个横肋为螺旋形，可结合具体需要旋入螺母，和其他类型的锚杆相比，其具有以下特点：杆体采用热轧全长连续螺纹，生产工艺比较简单，所需费用较低；不需对杆体上的螺纹进行二次加工紧固，需保证杆体全长，不能出现薄弱截面，各个部位的强度要相等，可有效避免常规锚杆因受到帮部侧的巨大压力而发生断裂现象；可结合具体需求对截取相应的杆体。
4.3、软岩动压巷道锚注支护技术
此技术的支护机理是：通过浆液对围岩中的裂隙进行封堵，可使空气得到有效隔绝，并可使围岩的风化现象得到一定减轻，从而可有效保证围岩的强度。注浆后，松散破碎的围岩胶就会逐渐结成为整体，从而可使荷载均匀地作用在支架及喷层上；通过注浆方式充填围岩裂隙并配合锚喷支护，可逐渐形成多层强有效的组合拱，而注浆锚杆本身就属于全长锚固，把之与多层组合拱联成一个整体，从而可使整个巷道支护结构的承载能力得到有效提高。
5、结束语
随着煤矿开采的不断增加，深井巷道支护是我国煤矿建设和生产面临的一个新课题，深部开采带来的高地应力、高水头压力、高温度梯度以及软弱围岩，特别是深部巷道地应力增加，导致围岩岩性恶化，围岩塑性区和破坏区范围增大对井下巷道的支护工作带来了不少困难。
首先，针对深部巷道的特点，优化巷道布置，避免应力集中，尽量将巷道布置在应力降低区内是首选。
其次，针对深部巷道的流变性和高失效性，采用锚网+锚索联合支护方式，能够有效控制顶板和减小两帮移近量。提高围岩强度，采用锚杆支护提高破坏区围岩强度，随着支护强度增大，锚固体极限强度、残余强度增大。
最后，通过围岩注浆加固，能够提高围岩极限强度和残余强度。加强巷道两帮及底板控制，通过对两帮及底板加强支护、注浆加固，可以提高两帮及底角破碎区围岩的残余强度和锚固力，有效阻止破碎区围岩的碎胀变形。
参考文献：
[1]康红普，王金华，林健.煤矿巷道支护技术的研究与应用[J].煤炭学报，2010，11：1809-1814.
[2]李本涛.深井软岩巷道支护技术研究[D].中国矿业大学，2008.
[3]冯焕超，董欢庆.高应力软岩巷道支护技术的研究与应用[J].科技风，2014，20：154-155.