论文部分内容阅读
摘要：随着我国经济水平的提高，人民群众对生活水平的要求也在不断提高，煤矿开采行业蓬勃发展，并且煤矿开采技术不断进步，本文以深井开采中巷道围岩控制技术为核心，展开深入分析。
关键词：围岩控制；巷道；煤矿开采
【分类号】：TE357.6
前言
我国是世界产煤大国，也是用煤大国，我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m 和1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。我国人口众多，用煤量大，不可能关闭深部矿井而依靠进口煤炭。
随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，我国矿山相继进入深部开采。目前，我国煤矿开采深度速度不断增加，另一方面，我国已探明煤炭资源埋深在1000m以下的储量为2.95万亿吨，约占煤炭资源总量的53%，因此，现在及未来一段时间内，我国煤矿开采将逐渐转入深部开采。无论从战略高度还是从当前生产实际出发，都迫切需要积极开展深部开采，使矿井深部开采走上安全、高产高效的健康轨道。
一、围岩控制理论
早期围岩控制理论认为，围岩是被维护的对象，支架是承载的结构。巷道开挖后，围岩中产生应力重新分布。在此过程中伴随有围岩变形、破裂及松动的现象的发生，而这种破裂、松动岩体的重量须由支架全部承担。随着人们对巷道围岩受力变形规律的逐步深入，巷道围岩不再被认为是纯粹的施载体。对于围岩支撑压力分布以及围岩变形破坏规律的准确把握、揭示各种因素对其影响的力学机制等是对回采巷道围岩进行合理控制的前提。
二、巷道围岩受力状态与稳定性的控制
1.合理选择工程巷道方向。矿区应力场主要分为原始应力场与二次应力场：原始应力场主要是矿区在地质历史上进过了复杂的地应力变化，地应力场中残余的构造应力随时会对矿区造成影响；二次应力则是因生产开采、井巷道挖掘等施工产生的矿场应力。因此在布置巷道方向时需依据不同应力场的影响，结合工程巷道的设计情况，选择合理的巷道方向。实际应用实践表明：矿井巷道工程的长轴方向与构造线行迹走向保持垂直能够有效的提高巷道的稳定性；避免巷道工程间以及和岩层节理、片理方向形成锐角相交，能够有效降低应力的过度集中；矿区巷道的布置应当避开背斜或是向斜构造影响，并且严禁在轴部位置开设巷道。
2.合理确定巷道断面与形状。根据不同断面大小与形状对巷道影响的不同，并结合矿山的具体情况，需做好以下措施：严格按照生产运输与采矿作业的要求，合理确定巷道规格，在建设中尽量选用多边形、仰拱支护等截面形状；施工时严禁因为超挖而引起巷道截面扩大或者形状发生变化的不合理现象。
三、深部巷道特点
深部综放沿空巷道，具有以下特点：
1.综放沿空巷道布置在靠近采空区的煤体中，巷道围岩结构破碎，在掘进和回采过程中，巷道将发生较大的变形；
2.对于综放沿空巷道而言，由于巷道上方为顶煤，上覆岩层运动波及的范围及影响程度相应地增大，回采过程中的矿压显现将更加剧烈；
3.综放工作面年产量多在100万t左右，开采强度大，机械设备体积较大，且所需风量剧增，这就要求巷道具有较大的断面；
4.深部综放沿空巷道埋深大，地应力相对较大。
四、巷道围岩的控制技术
1.减少水于潮湿对巷道的影响。采矿区中以凝灰岩等软弱岩体为主的围岩暴露面，一旦受到水或潮湿的影响，强度就会迅速降低；因此，对巷道围岩的暴露面给予及时的喷浆封闭，保证围岩的干燥，对于控制围岩的稳定性有着重要意义。
2.选择合理的巷道支护形式。在巷道内埋设WRM-3型收敛计与对点位移测桩，在上盘回风巷、下盘运输到等多个地方对巷道围岩进行实时变形观测，通过变性情况与时间关系的U-T曲线能够了解巷道变性的具体规律，为进行决策与技术保障提供依据；据有关实践研究显示，支护与围岩共同起到保障围岩稳定性的作用，柔刚并举支护形式能够适应巷道围岩应力情况的变化，它在保障巷道围岩的稳定中起着重要作用。
五、巷道围岩控制技术应用实例
1.地质条件概况
实验地点为某矿110工作面距离采取地表680 m，巷道垂直应力计算值为15.79 MPa。工作面直接顶为灰色细砂岩，平均厚度17.99 m，老顶为2.05 m厚的灰色粉砂岩。底板为0.93 m厚的灰色粉砂岩，老底为24.14 m的粉细砂岩互层。区段护巷煤柱宽6 m。
2.巷道支护参数的确定
通过理论计算和數值模拟确定煤柱塑性区的宽度和应力分布规律[2]。针对这种应力不匀称分布特点和该巷道的使用年限和使用特定，采用不对称设计，工作面一侧帮采用玻璃钢锚杆支护。根据巷道使用要求，确定巷道断面为矩形，规格4×2.5 m。
3.支护方案
根据110工作面巷道围岩地质条件，锚索长度取6.2 m；锚索间排距取1.8 m，采用锚网索支护。支护材料型号为：顶板使用L=2.4 m、φ=20 mm螺纹钢锚杆加长锚固和锚索采用SK2550三块加长锚固，工字钢托盘支护，紧贴顶板并敷设10#菱形金属网及W钢带。两帮采用L=1.6 m、φ=20 mm玻璃钢锚杆和双抗网，树脂药卷2管锚固进行支护。顶帮用钢带及金属网、双抗网：W钢带规格为4×0.15 m。金属网采用10#热镀锌低碳钢丝加工制成，双抗网规格为：5×2.5 m。
4.巷道支护效果
设立观测站对留巷和支护效果进行观测，以下所得数据为各个测点掘进期间巷道位移和受力的观测结果。
4.1 巷道表面位移监测
随巷道掘进头的前移，巷道开始变形，主要变形量都产生在巷道掘进前期，约一周范围内，变形量的值和速率都较大。顶板变形主要集中在掘进初期，90%的变量发生在这个阶段。两帮变形大于顶板，变形趋稳周期长，约15天左右。
4.2 围岩深部位移监测
工作面掘进期间，对巷道顶部煤体深部位移进行了监测，以研究分析巷道顶部围岩变形状态。由围岩深布位移曲线可以看出，顶部煤体浅部（锚杆锚固范围内）煤层离层值约总位移量的30%～40%，中部（锚杆锚固端至锚索自由段端部）离层值约占总位移量的40%～50%，而锚索锚固段以上离层位移值约占总位移量的10%～20%。从离层的分布范围看主要的离层总量不大，主要发生在顶板浅部和中部，浅部为锚杆作用区，中部为锚索作用区，
结合存在少量锚杆、锚索断裂的情况，可以看出：锚杆、锚索改善了围岩结构，起到了应有的支护效果。上端发生离层进一步证明了支护方案的有效性，同时也说明锚索在改条件下主要起悬吊作用。
4.3 锚杆（索）轴力监测
使用锚杆（索）测力计对锚杆（索）受力进行检测，根据现场监测结果，锚杆受力与表面位移监测的变化趋势基本一致，都在掘进前期。煤柱宽度较小时，巷道顶板锚索、锚杆受力值大。
从现场支护效果看，有部分锚索、锚杆破断失效现象，失效锚杆主要出现在煤柱侧帮及肩角区域，失效锚杆约占锚杆总数的10%～20%。
从破坏形式来看，锚索为拉破坏，锚索受拉后钢绞线单根破断，后剩余钢绞线逐步受拉破断；顶锚杆破坏主要形式为锚杆杆体受剪破坏；玻璃钢锚杆普遍存在拉断或者螺纹滑脱破坏，说明锚杆受力大于螺纹钢锚杆的强度；煤柱侧帮向内发生了明显位移，尤其是顶板的接触面，位移量达到50 mm，该区域内锚杆以拉剪破坏为主。
结束语
根据现场条件，采用不对称支护，有利于工作面回采和采煤机维护又兼顾支护效果和安全管理。现场观测表明，在6 m煤柱情况下，支护方案可行，取得了较好的支护效果。
参考文献
[1] 奚家米，毛久海，杨更社，等.回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用[J].采矿与安全工程学报，2008（4）：400-403.
[2] 宛志红，孟凡超，都科科.互动构造下巷道围岩变形控制技术研究[J].中州煤炭.2011（7）
[3] 陈超.地质构造带巷道围岩控制技术探讨[J].煤矿支护.2010（4
关键词：围岩控制；巷道；煤矿开采
【分类号】：TE357.6
前言
我国是世界产煤大国，也是用煤大国，我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m 和1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。我国人口众多，用煤量大，不可能关闭深部矿井而依靠进口煤炭。
随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，我国矿山相继进入深部开采。目前，我国煤矿开采深度速度不断增加，另一方面，我国已探明煤炭资源埋深在1000m以下的储量为2.95万亿吨，约占煤炭资源总量的53%，因此，现在及未来一段时间内，我国煤矿开采将逐渐转入深部开采。无论从战略高度还是从当前生产实际出发，都迫切需要积极开展深部开采，使矿井深部开采走上安全、高产高效的健康轨道。
一、围岩控制理论
早期围岩控制理论认为，围岩是被维护的对象，支架是承载的结构。巷道开挖后，围岩中产生应力重新分布。在此过程中伴随有围岩变形、破裂及松动的现象的发生，而这种破裂、松动岩体的重量须由支架全部承担。随着人们对巷道围岩受力变形规律的逐步深入，巷道围岩不再被认为是纯粹的施载体。对于围岩支撑压力分布以及围岩变形破坏规律的准确把握、揭示各种因素对其影响的力学机制等是对回采巷道围岩进行合理控制的前提。
二、巷道围岩受力状态与稳定性的控制
1.合理选择工程巷道方向。矿区应力场主要分为原始应力场与二次应力场：原始应力场主要是矿区在地质历史上进过了复杂的地应力变化，地应力场中残余的构造应力随时会对矿区造成影响；二次应力则是因生产开采、井巷道挖掘等施工产生的矿场应力。因此在布置巷道方向时需依据不同应力场的影响，结合工程巷道的设计情况，选择合理的巷道方向。实际应用实践表明：矿井巷道工程的长轴方向与构造线行迹走向保持垂直能够有效的提高巷道的稳定性；避免巷道工程间以及和岩层节理、片理方向形成锐角相交，能够有效降低应力的过度集中；矿区巷道的布置应当避开背斜或是向斜构造影响，并且严禁在轴部位置开设巷道。
2.合理确定巷道断面与形状。根据不同断面大小与形状对巷道影响的不同，并结合矿山的具体情况，需做好以下措施：严格按照生产运输与采矿作业的要求，合理确定巷道规格，在建设中尽量选用多边形、仰拱支护等截面形状；施工时严禁因为超挖而引起巷道截面扩大或者形状发生变化的不合理现象。
三、深部巷道特点
深部综放沿空巷道，具有以下特点：
1.综放沿空巷道布置在靠近采空区的煤体中，巷道围岩结构破碎，在掘进和回采过程中，巷道将发生较大的变形；
2.对于综放沿空巷道而言，由于巷道上方为顶煤，上覆岩层运动波及的范围及影响程度相应地增大，回采过程中的矿压显现将更加剧烈；
3.综放工作面年产量多在100万t左右，开采强度大，机械设备体积较大，且所需风量剧增，这就要求巷道具有较大的断面；
4.深部综放沿空巷道埋深大，地应力相对较大。
四、巷道围岩的控制技术
1.减少水于潮湿对巷道的影响。采矿区中以凝灰岩等软弱岩体为主的围岩暴露面，一旦受到水或潮湿的影响，强度就会迅速降低；因此，对巷道围岩的暴露面给予及时的喷浆封闭，保证围岩的干燥，对于控制围岩的稳定性有着重要意义。
2.选择合理的巷道支护形式。在巷道内埋设WRM-3型收敛计与对点位移测桩，在上盘回风巷、下盘运输到等多个地方对巷道围岩进行实时变形观测，通过变性情况与时间关系的U-T曲线能够了解巷道变性的具体规律，为进行决策与技术保障提供依据；据有关实践研究显示，支护与围岩共同起到保障围岩稳定性的作用，柔刚并举支护形式能够适应巷道围岩应力情况的变化，它在保障巷道围岩的稳定中起着重要作用。
五、巷道围岩控制技术应用实例
1.地质条件概况
实验地点为某矿110工作面距离采取地表680 m，巷道垂直应力计算值为15.79 MPa。工作面直接顶为灰色细砂岩，平均厚度17.99 m，老顶为2.05 m厚的灰色粉砂岩。底板为0.93 m厚的灰色粉砂岩，老底为24.14 m的粉细砂岩互层。区段护巷煤柱宽6 m。
2.巷道支护参数的确定
通过理论计算和數值模拟确定煤柱塑性区的宽度和应力分布规律[2]。针对这种应力不匀称分布特点和该巷道的使用年限和使用特定，采用不对称设计，工作面一侧帮采用玻璃钢锚杆支护。根据巷道使用要求，确定巷道断面为矩形，规格4×2.5 m。
3.支护方案
根据110工作面巷道围岩地质条件，锚索长度取6.2 m；锚索间排距取1.8 m，采用锚网索支护。支护材料型号为：顶板使用L=2.4 m、φ=20 mm螺纹钢锚杆加长锚固和锚索采用SK2550三块加长锚固，工字钢托盘支护，紧贴顶板并敷设10#菱形金属网及W钢带。两帮采用L=1.6 m、φ=20 mm玻璃钢锚杆和双抗网，树脂药卷2管锚固进行支护。顶帮用钢带及金属网、双抗网：W钢带规格为4×0.15 m。金属网采用10#热镀锌低碳钢丝加工制成，双抗网规格为：5×2.5 m。
4.巷道支护效果
设立观测站对留巷和支护效果进行观测，以下所得数据为各个测点掘进期间巷道位移和受力的观测结果。
4.1 巷道表面位移监测
随巷道掘进头的前移，巷道开始变形，主要变形量都产生在巷道掘进前期，约一周范围内，变形量的值和速率都较大。顶板变形主要集中在掘进初期，90%的变量发生在这个阶段。两帮变形大于顶板，变形趋稳周期长，约15天左右。
4.2 围岩深部位移监测
工作面掘进期间，对巷道顶部煤体深部位移进行了监测，以研究分析巷道顶部围岩变形状态。由围岩深布位移曲线可以看出，顶部煤体浅部（锚杆锚固范围内）煤层离层值约总位移量的30%～40%，中部（锚杆锚固端至锚索自由段端部）离层值约占总位移量的40%～50%，而锚索锚固段以上离层位移值约占总位移量的10%～20%。从离层的分布范围看主要的离层总量不大，主要发生在顶板浅部和中部，浅部为锚杆作用区，中部为锚索作用区，
结合存在少量锚杆、锚索断裂的情况，可以看出：锚杆、锚索改善了围岩结构，起到了应有的支护效果。上端发生离层进一步证明了支护方案的有效性，同时也说明锚索在改条件下主要起悬吊作用。
4.3 锚杆（索）轴力监测
使用锚杆（索）测力计对锚杆（索）受力进行检测，根据现场监测结果，锚杆受力与表面位移监测的变化趋势基本一致，都在掘进前期。煤柱宽度较小时，巷道顶板锚索、锚杆受力值大。
从现场支护效果看，有部分锚索、锚杆破断失效现象，失效锚杆主要出现在煤柱侧帮及肩角区域，失效锚杆约占锚杆总数的10%～20%。
从破坏形式来看，锚索为拉破坏，锚索受拉后钢绞线单根破断，后剩余钢绞线逐步受拉破断；顶锚杆破坏主要形式为锚杆杆体受剪破坏；玻璃钢锚杆普遍存在拉断或者螺纹滑脱破坏，说明锚杆受力大于螺纹钢锚杆的强度；煤柱侧帮向内发生了明显位移，尤其是顶板的接触面，位移量达到50 mm，该区域内锚杆以拉剪破坏为主。
结束语
根据现场条件，采用不对称支护，有利于工作面回采和采煤机维护又兼顾支护效果和安全管理。现场观测表明，在6 m煤柱情况下，支护方案可行，取得了较好的支护效果。
参考文献
[1] 奚家米，毛久海，杨更社，等.回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用[J].采矿与安全工程学报，2008（4）：400-403.
[2] 宛志红，孟凡超，都科科.互动构造下巷道围岩变形控制技术研究[J].中州煤炭.2011（7）
[3] 陈超.地质构造带巷道围岩控制技术探讨[J].煤矿支护.2010（4