矿井深部巷道支护技术的探索与研究
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[摘 要]地下岩层由于受四周围岩、地质应力等多种因素的影响，围岩存在弹性变形、塑性变形等应力状态，由于四周围岩应力共同作用，围岩处于应力平衡状态。巷道开掘后，这种应力平衡会遭到破坏，造成围岩变形，尤其随着矿井开采深度的增加，煤层埋深较大，采出后围岩塑性变形严重，地质应力复杂，对矿井支护提出了新的要求，如何合理的选取支护形式，有效控制巷道变形，成为煤矿支护的重要课题之一。
[关键词]应力状态；支护形式；巷道变形
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0039-01
1 矿井概况
翟镇井田处在新汶向斜中段轴部，四周断层环绕，内部断层与褶曲并存。现有井田为一背一盒一鞍部一平缓组成的复式较宽缓的褶皱构造，即羊村背斜，大港向斜，李家庄鞍部构造，羊村以东平缓地带，本井田共发现大、中型断层20条，地质复杂程度为Ⅱ类。
翟镇煤矿巷道全长67547米，失修750米，失修率1.11%；大部分开拓、准备巷道采用锚网喷二次支护，半圆拱型，采用重打锚网或U型棚进行修复支护；在已结束的一采区、二采区、四采区、五采上部采区的部分巷道仍为整个矿井服务，均受到不同程度的破坏；矿井巷道埋深在500-919米之间，在生产中经常遇到断层等地质构造和压力集中带等综合应力影响，给巷道掘进与支护带来较大困难，特别是煤巷围岩岩性变化大，松软破碎，二、四层煤顶板为含薄煤或软弱夹层的复合顶板，赋存1～2层上分层，复合顶板厚度3.0～6.0米，厚度大，极易与老顶砂岩产生离层冒落。采用传统的基本支护方式难以满足支护要求，近年来一直制约掘进单进的提高，造成掘进队伍及人数不断增加，矿井采面接续愈加紧张的不利局面。
2 巷道变形原因
影响翟镇煤矿巷道变形的主要原因是复合顶板巷道受采后动压的影响，翟镇煤矿二、四层煤为典型的复合顶板，煤4直接顶板为灰黑色粉砂岩0.8～1.5米，泥质胶结，较破碎，F=3，间夹一层煤4上分层，上分层距煤41.2～1.5米，构成复合顶板，其上为灰色粉砂岩，层壮结构，厚1.0～1.8米，老顶为厚层中-细纱岩，F=5；煤4底板岩性依次为深灰色粉砂岩1.0～3.0米，F=3；深灰粉砂岩夹薄层细砂岩0.6～1.3米，较坚硬，F=4；细砂岩夹薄层粉砂岩2.5～3.3米。
2.1 复合顶板呈明显地层状分布，各分层胶结程度低，力学性能差，是天然的力学弱面，传统的锚带网支护，全螺纹等强锚杆预应力低，当两岩层接触面上的剪应力大于上覆岩层对它的黏结力时，两岩层就会产生离层，离层的产生减小了巷道厚度，增加了基本顶的下沉量和下沉速度，即而形成网兜，其破坏区往往超过了常规锚杆锚固范围，造成锚杆失效。
2.2 巷道开挖后，顶板垂直方向的约束被解除，岩层的受力状态由双轴应力变为单轴压应力，由于岩石的单轴抗压强度低，而周边围岩又承受比开挖前还高的集中应力，致使顶板岩层产生塑性压缩破坏；岩层受压破坏的结果产生较大侧向（垂直方向）的变形和碎胀扩容，引起岩层弯曲下沉。破坏区域大，顶板离层、弯曲变形越大。
2.3 与一般顶板不同，复合顶板破坏后，其破坏区为矩形，而不是拱形。因此，容易出现大范围的冒顶和切顶。
2.4 由于复合顶板中煤层的存在，一旦顶板岩层产生破坏，破坏松动区迅速扩展。因此，顶板逐渐下沉破坏的过程较短，容易发生突变性冒顶。
对于矿井深部巷道及软岩巷道的支护，还没有形成一套行之有效的指导理论。传统的锚喷支护由于塑性变形量小，且对于围岩压力释放适应性差，不能很好的达到控制深部巷道及软岩巷道变形的目的；砌碹支护由于施工复杂、成本高、变形量小，且适应性差，现就出现的几种控制软岩及深部巷道开采的支护形式进行比较。
3.1 架棚支护方式日益暴露出其不足，主要表现在以下几个方面：被动承载方式，支架的支护阻力需待围岩产生一定量的变形后才能实现，不能及时有效支护顶板，巷道掘进时，顶板已受到一定程度的破坏，不安全因素多，影响工作面快速推进。
3.2 U型钢支架的结构和形式过于单一，难以适应复杂多变的软岩巷道压力；U型钢抗压强度及屈服强度偏低，U形棚卡缆的结构和性能差，且安装工艺要求较高。且改制护形式适应性差，只能形成拱形断面，造成巷道断面较大，目前应用较少。
3.3 锚注加固是一种理想的改善软弱围岩承载性能的措施。锚注加固巷道围岩是利用空心锚杆兼作注浆管（简称注浆锚杆），注浆锚杆前段是带若干个射浆孔的注浆段，后段是锚固段。松动和裂隙发育的围岩经过锚杆注浆加固后围岩强度等力学性能得到提高和改善，使破裂结构的围岩胶结成拱形连续体加固圈，同时注浆锚杆又起到悬吊、挤压、楔固组合拱等作用，防止围岩松动范围进一步扩展，从而使巷道径向应力减小到仅用较小支护阻力就能使围岩长期处于稳定状态。因此，锚注支护采用锚杆与注浆相结合的双重作用达到加固围岩、控制围岩变形的效果，它可以大大地提高软岩巷道支护效果和围岩稳定性。
3.4 对于目前正在逐步推广并成为煤矿掘进巷道支护主流的锚杆支护，灵活机动，良好的支护效果已经得到认可。但在软岩巷道支护中，由于杆体参数、施工等限制，支护效果不理想。在支护时可以通过加密锚杆之间的间距、改善金属网之间的搭接方式及其变形能力等，增强锚杆的变形能力、增大金属网的覆盖面积或增加网丝的直径、采用锚索+锚杆及锚索+锚喷等复合叠加支护等形式来达到有效控制巷道变形的目的。
3.5 全巷锚固技术。目前锚杆支护中重点突出顶板及两帮支护，使巷道围岩形成一个承载拱向下传递，但着造成了巷道底板应力集中，由于巷道开掘后自由面的存在，使底板易发生底板折断，对巷道形成冲击，易发生冒顶、片帮、底鼓等事件。见图（1）：
目前在部分地点试验应用了巷道围岩全锚固的方式，该支护方式如图（2）所示：
该支护方式将巷道从底板两帮及底板着手，将巷道围岩锁定成一个圆形拱，并实现了底部锚杆对底板岩梁进行补强，有效提高了巷道围岩的整体性，使围岩形成一个整体的加固拱，提高了巷道支护效果。该工艺在部分矿井已经试验应用，在防治冲击地压，减少巷道变形方面起到了积极的作用。
4 结论
煤矿生产主要是地下作业，但由于煤层赋存条件的差异，多数煤层埋深较深，且巷道围岩三软围岩大量存在。采用锚注、叠加支护、及全巷支护工艺方式有效提高了支护效果，起到了有效控制该类巷道变形的目的。