专题-大断面煤巷围岩稳定控制技术.doc

1、专题部分大断面煤巷围岩稳定控制技术摘要：随着现代化矿井高产高效综合机械化开采技术的发展，煤矿的开采强度与规模大幅度增加，为满足矿井通风、运输及大型设备的安装等要求，巷道断面越来越大。巷道断面的增大，给巷道维护带来了巨大的困难，严重影响了煤矿安全高效生产。本专题将针对大断面巷道围岩变形破坏的特征，着重研究大断面煤巷围岩巷道的支护技术关键词：大断面，减垮作用，围岩稳定，破坏特征，围岩控制引言 目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战

2、略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。随着现代化矿井高产高效综合机械化开采技术的发展，煤矿的开采强度与规模大幅度增加，为满足矿井通风、运输及大型设备的安装等要求，巷道断面越来越大。巷道断面的增大，给巷道维护带来了巨大的困难，严重影响了煤矿安全高效生产。大断面巷道的支护技术己成为一个迫切需要解决解决的问题。1巷道支护技术发展历史与现状巷道围岩的稳定是围岩与支护体共同作用的结果，围岩本身就是支护结构或支护结构不可分割的重要组成部分。当围岩有足够的支撑能力，围岩就处于自稳状态，勿须支护亦属于稳定结构;只有围岩自稳能力不足时，才需要提供一定的支护，以补偿围岩自稳能力不足的部分，使之成为稳定的结

3、构。煤矿巷道的支护经历了木棚支护、砌谴支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程。多年来国内外的实践经验表明，锚杆支护是现阶段煤巷支护中最经济、有效的支护形式。与棚式支架支护相比，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强度;更重要的是锚杆支护技术大大简化了采煤工作面断头支护和超前支护工艺，改善了作业环境，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进创造了良好的条件。目前，锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用，是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一。我国煤矿于1956年开始在岩巷中使用锚杆支护，至今己有53年的历史。从锚杆支护形式的发展过程看，我国最早采用的主要是机械锚固锚杆和

4、钢丝绳砂浆锚杆;1974年开始研制和试验树脂锚杆，并于1976年在淮南、鸡西、徐州等矿务局进行了井下试验，取得较好效果;我国还引进和应用了管缝式锚杆、胀管式锚杆等，开发研制了廉价的快硬水泥锚杆;1996又从澳大利亚引进高强度树脂锚杆，并针对我国煤矿的条件进行了大量二次开发和完善提高。可以说，国外使用过的锚杆支护形式国内基本上都使用过，但是国外没有的地质和生产条件国内基本上都有。我国煤矿锚杆支护技术首先在岩巷中应用成功，并在岩巷中大力推广应用了以“三小”为代表的锚喷支护技术。20世纪60年代锚杆支护开始应用于采区巷道，但由于煤层巷道围岩相对比较松软破碎，又受到采动影响，巷道围岩变形大，对支护技术

5、要求高，加之锚杆支护理论、设计方法、支护材料、施工机具、监测仪器等还不成熟，导致煤巷锚杆支护技术发展缓慢。1990年，我国国有重点煤矿煤巷锚杆支护仅占35%，煤巷支护主要以棚式支护为主。在“八五”期间，原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行了攻关，取得了一大批水平较高的科研成果，并应用于新汉、铁法、充州、蜂峰、淮南等多个矿区，基本上解决了一般条件下巷道支护问题。1995年，国有重点煤矿当年新掘的巷道中，锚杆支护所占比重为28.19%，其中岩巷占57.2%，煤巷占15.5%。但是对于困难条件，如复合顶板、破碎顶板、煤层顶板巷道，以及沿空掘巷等，锚杆支护的可行性和适应性还没有得到深入细致的

6、研究，煤巷锚杆支护技术发展的潜力还很大。在“九五”期间，原煤炭部又把煤巷锚杆支护技术作为重点课题，展开深入、细致的研究试验工作。特别是19961997年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局进行了现场演示。同时经过科研院所、大专院校和煤炭企业的联合攻关，使我国煤巷锚杆支护技术有较大提高。全煤巷道、冲击地压巷道、复合顶板、破碎顶板等困难条件下锚杆与锚索联合支护技术逐步得到了应用，并取得了令人满意的支护效果和经济效益。到目前为止，国有重点煤矿新掘进的煤及半煤岩巷，锚杆支护所占的比重达到60%左右，一些矿区煤巷锚杆支护率己超过90%。锚杆支护的大面积推广应用，解决了大量巷道支护难题，取得了巨大

7、的技术经济效益和社会效益。在国外，1911年美国Aberschlesin的Friedens煤矿首先应用了岩石锚杆支护巷道顶板，1918年美国西利西安矿的开采首次采用了锚索支护，以后锚固技术的应用范围开始扩大。1934年阿尔及利亚的Cheurfas大坝的加高工程首次采用10000kN级预应力锚杆作为抗倾覆锚固，这是世界上第一例采用预应力锚杆加固坝体，并获得成功。在以后的时间里，先后有印度的坦沙坝、南非的斯登布拉斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希斯坝也同样采用了预应力锚杆加固。20纪5070年代是锚固技术应用领域迅速扩展的时期，1958年西德在慕尼黑巴伐利亚广播公司深基坑中使用了土锚杆。20世

8、纪60年代，捷克斯洛伐克的Lipno电站主厂房(宽32m)、西德的Walbeck II地下电站主厂房(宽33. 4m)等大型地下洞室采用了高预应力长锚索和低预应力短锚杆相结合的围岩加固方式。近年来，澳大利亚、美国、英国等国家的锚杆支护技术比较先进，大利亚的锚杆支护技术己经形成比较完整的体系，的煤矿巷道几乎全部采用树脂锚固组合锚杆支护，处于国际领先水平。特别是澳澳大利亚尽管其巷道断面比较大，但是支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板，以及巷道交叉点、大断面炯室等难维护的条件，还采用锚索注浆进行补强加固，控制了围岩的强烈变形。美国最先重视高预应力锚杆支护技术，1992年美国A. Wahab Kha

9、ir观测了高水平地应力对巷道顶板产生的离层及剪切破坏，并提出采用预应力析架控制巷道顶板的措施。美国J.Sankus (1994, 1997)和Song Guo(郭颂，1997, 1998)系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是造成巷道顶板离层跨落、底板鼓起的主要原因，并在锚杆支护设计中考虑锚杆预应力的影响，认为预应力是决定锚杆支护效果的关键因素。美国锚杆消耗量大，锚杆种类多，有涨壳式锚杆、树脂锚杆、复合符合锚杆。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。英国的锚杆支护技术是从澳大利亚引进的，在近十年实践的基础上又做了改进和提高。到目前为止，锚杆支护巷道的长度占90%

10、以上。德国是U型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家，自1932年发明U型钢支架以来，发展迅速，支护比重很快达到了90%以上。但是自20世纪80年代以来，随着矿井开采深度的日益增加，维护日益困难，于是寻求成本低、运输和施工简单方便、控制围岩变形效果好的锚杆支护。到20世纪年80代初期，锚杆支护在鲁尔矿区实验成功后获得推广，现己应用到千米的深井巷道中，取得了许多有益的经验。法国煤巷锚杆支护的发展也很迅速，到1986年其比重已达50%。在采区巷道支护中同时发展金属支架、锚杆支护、混凝土支架的俄罗斯，锚杆支护的发展也引人瞩目。他们研制了多种类型的锚杆，在俄罗斯第一大矿区一库兹巴斯矿区巷道支护所占比重

11、己达50%. 随着巷道支护技术的发展，巷道断面发生了一些变化。煤矿生产中广泛应用大断面巷道，满足了煤矿生产的运输和通风的需要，使高产高效的工作面成为现实，给煤炭企业带来了巨大的经济效益。但也存在一些不足，例如:巷道成型和支护比较困难，容易出现冒顶、片帮等维护困难。随着煤巷锚杆支护技术的不断发展，上述困难己有一定的改善。另外，高产高效工作面对大断面煤巷的需求迫切，因此大断面煤巷有很大的发展前景。1.1存在的主要问题巷道断面的增大带来了一系列的问题:(1)巷道断面尺寸增大造成巷道支护维护困难。近年来随着开采强度的大幅度提高，出现了松软破碎围岩、特大断面和受强烈采动影响等复杂困难巷道，传统的巷道支护

12、技术在松软煤层、特大断面等复杂困难巷道中支护效果差，围岩变形大。（2）对大断面巷道支护理论研究不足。巷道断面的增加，现有的巷道支护理论不能满足大断面巷道支护的要求，对巷道的支护设计一般是基于以前的支护经验作为大断面巷道支护设计的支撑，只是相应地增加了支护强度，没有深入的研究大断面巷道的支护理论。(3)大断面巷道的支护人们重视煤帮和顶板的加强支护，而忽视了底板的支护，造成了大断面巷道的底鼓比较严重。(4)采用的支护形式和支护参数不合理。对于大断面巷道的支护缺乏深入的研究，只是变更一下以前巷道支护设计的参数。为了解决大断面煤层巷道支护难题，有必要针对上述存在的问题，开展系统深入的研究，包括支护理论

13、和支护参数设计。2.大断面巷道围岩变形破坏特征分析2.1大断面巷道的基本形式大断面巷道可以分为大跨度大断面、高煤帮大断面、交岔点大断面、开切眼大断面以及铜室大断面等五种基本形式，本文只针对大跨度大断面和高煤帮大断面两种形式作为研究对象，做一些研究探讨。大断面巷道也只是相对的比较而得出的。从采煤方法而言，巷道断面以前炮采工作面顺槽23m22.5m，综采工作面顺槽4m3m，综放工作面顺槽4.55.5m33.5m，大采高工作面顺槽44.5m45.5m，一般认定综放和大采高顺槽巷道就是大断面巷道，巷道变形破坏严重。当然，不同的埋深、不同矿区地质条件，大断面的界定标准也不尽相同。巷道宽度超过5.5m就是

14、大跨度巷道，巷道高度超过3m就是大跨度大断面，断面面积达16.5m2以上。煤层巷道一般都有一个临界高度，超过这个高度，煤帮就容易发生片帮破碎，巷帮支护困难，根据各个矿的地质条件以及煤体的强度，临界高度一般在4m左右，高煤帮巷道也即大采高巷道高度超过4.5m，超过了巷道的临界高度，巷道宽度超过4m就是高煤帮大断面，断面面积达16 m2以上，两种巷道断面面积的临界值基本在16 m2左右。2.2大断面巷道破坏理论分析2.2.1巷道围岩破坏机理巷道开挖前，岩体处于三向受压的应力环境，并处于稳定平衡状态。巷道开挖后，破坏了围岩的应力平衡状态，引起应力重新分布，巷道围岩中的应力状态由原来的三向应力状态转化

15、为二向应力状态，水平应力向顶板岩层转移，垂直应力向两帮煤体转移。顶板下位岩层主要受水平应力的作用，一些强度较低的岩石由于应力达到强度极限值而破坏，产生裂隙或剪切位移，破坏了的岩石在重力作用下大范围坍塌，造成所谓“冒顶”现象，特别是断层、节理、裂隙等软弱结构面发育的岩石更为显著。为了保证围岩的稳定以及地下巷道的安全，通常在巷道中进行必要的支护与衬砌，以约束围岩的破坏和变形的继续发展。巷道围岩中起着决定性影响的是切向应力t。通常，当巷道周边的切向应力大于岩石的单轴抗压强度时，巷道就开始开裂，我们知道切向应力t与初始应力尸口成正比的，而初始应力又随着深度成比例地增大。当深度很大，则P0=Pz也就很大

16、，t也随之增大，而径向应力r变化不大，在巷道周边上为零。当t=r达到某一极限时，围岩就进入塑性平衡状态，产生塑性变形。巷道周边破坏后，该处围岩的应力降低，加之新开裂处的岩体在水和空气影响下加速风化，岩体向巷道内部产生塑性松胀。这种塑性松胀的结果使原来由巷道周边附近岩石承受的应力转移一部分给邻近的岩体，因而邻近的岩体也就产生塑性变形。这样，当应力足够大时，塑性变形的范围是向围岩深部逐渐扩展的。由于这种塑性变形的结果，在巷道周围形成一个圈，这个圈一般称为塑性松动圈。在这个圈内，岩石的变形模量降低，t和r逐渐调整大小。由于塑性区的影响，巷道周边上的t减少很多。理论计算证明，t沿着深度的变化由图中的虚线变为实线的情况。在靠近巷道处，t大大减小了，而在岩体深处出现了一个应力增高区。在应力增高区外，岩石仍处于弹性状态。总的来说，在巷道四周就形成了一个半径为R0的塑性松动区及松动区外的天然应力区，在塑