我国煤矿巷道支护的难题与对策

鞠文君，付玉凯

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 北京开采研究院，北京 100013；

3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)



我国煤矿巷道支护的难题与对策

鞠文君1，2，3，付玉凯1，2，3

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 北京开采研究院，北京 100013；

3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

[摘要]随着我国煤炭资源开发逐步向深部发展，巷道地质力学环境日趋复杂，给巷道支护提出了严峻的挑战。针对我国目前巷道支护中存在的主要支护难题，分别论述了高应力巷道、软岩大变形巷道、冲击地压巷道的围岩变形破坏特征，提出了相应的支护对策，并对每种类型的难支护巷道给出了近期研发的典型支护新技术。

[关键词]巷道支护；深部开采；高应力；软岩；冲击地压；锚杆，锚索

[引用格式]鞠文君，付玉凯.我国煤矿巷道支护的难题与对策[J].煤矿开采，2015，20(6)：1-5.

煤炭资源开采由浅部向深部发展是一个必然趋势，进入深部开采阶段，遇到的问题之一就是地应力水平升高引起的巷道维护困难，巷道围岩在高应力的作用下表现出大变形、冲击破坏等特征。同时，在某些断层、褶曲等地质构造区域，构造应力与自重应力叠加，加剧了对巷道的破坏。近十年来，煤炭开采装备水平大幅提高，大采高综采、大采高综放等高效开采技术将开采强度提高到了空前水平[1]，致使采动应力更加强烈，加之为适应综采、综放开采，需加大巷道断面及跨度，也增加了巷道支护的难度。另外，随着我国煤炭开发的主战场向蒙陕地区转移，遇到了更多中生代侏罗纪、白垩纪地层，这类地层泥质含量较高,胶结差，遇水软化且具有高膨胀性，呈现非线性大变形，巷道支护相当困难。总而言之，我国目前存在的巷道支护难题主要有高应力巷道、软岩大变形巷道、冲击地压巷道、破损修复巷道等几类，给巷道快速掘进和维护造成了巨大困难，进而影响到煤炭开采的经济效益和安全。

近年来我国煤巷锚杆支护技术快速发展，巷道维护的能力和水平都大大提高，但对以上四类困难巷道的支护问题还远未解决。

1高应力巷道

巷道的破坏是围岩应力与围岩(包括支护)强度这对矛盾相互作用的结果，当围岩应力达到或超过围岩强度时，巷道就会失稳破坏。因此，高应力是致使巷道变形破坏的重要方面。

1.1高应力巷道的几种类型

高应力巷道主要有深埋高应力、地质构造高应力和采动附加高应力几种情况，它们既有共同之处，也有各自特点。

(1)深埋高应力巷道我国煤矿开采深度以8~12m/a的速度增加[2-4]。国有大中型煤矿平均开采深度已超过400m，开采深度超过600m的有100多处煤矿，有几十处煤矿开采深度超过1000m，新汶孙村煤矿采深已达到1500m[5-6]。地应力随埋深增加呈线性增长，煤矿采掘工程进入深部开采以后，仅巷道上方的煤岩体自重应力就可以达到巷道围岩的抗压强度(800m埋深的巷道自重应力约20MPa)，再由于巷道开挖导致围岩应力集中水平远高于原岩应力，这就使得巷道围岩所受应力远大于围岩抗压强度，导致巷道的变形破坏。

(2)构造高应力巷道在煤系地层中，由于远古地层构造运动作用，通常赋存了很高的构造应力，其通常表现为水平主应力明显大于垂直方向主应力，水平主应力可以达到垂向主应力的1.25~2.50倍[4]。根据世界范围内地应力测试数据，随着埋深的增加，垂直应力基本呈现线性增大，而水平应力相对垂直应力有减小的趋势，但即使埋深达到1000m时，在地质构造区，最大水平应力仍然大于垂直应力。

(3)采动高应力巷道煤岩体不但要承受原岩应力作用，还要承受工作面回采所形成的采动附加应力的影响。采动附加应力主要有：回采工作面超前支承压力、煤柱集中应力、采空区边缘集中应力、近距离煤层开采传递应力、坚硬顶板大面积来压等。巷道所受的采动附加应力有时达到原岩应力的2~5倍[4]。

1.2高应力巷道变形破坏特征分析

在高地应力环境下，煤岩体的变形特性发生了根本变化，主要表现[7-9]在：

(1)在高地应力作用下，巷道围岩的变形特性由脆性向塑性转化，从而使得坚硬的围岩在深部却表现出软岩变形破坏特征。

(2)围岩表现出较强的时间效应，具有明显的流变特征，围岩变形在时间和空间上都不易收敛。

(3)围岩表现出大变形特征。高应力巷道围岩长时间处于流变状态，累积变形量非常大，持续的大变形给围岩控制带来了极大的困难。

(4)对于某些强度高、脆性大、具有冲击倾向性的围岩，在高应力的作用下，表现出明显的动力冲击破坏特性：巷道破坏突然，伴有巨大声响和震动，围岩及支护被瞬间摧毁。

1.3高应力巷道支护对策

高应力巷道围岩控制途径主要有3种：一是降低围岩的应力，主要是通过合理布置巷道位置和采取合理的人工卸压方法，使巷道处于最有利状态或应力降低区内，从而保持巷道围岩的稳定；二是巷道内支护，利用直接作用在巷道围岩表面的支护体，如U型钢、工字钢、钢管混凝土[10]、钢筋混凝土砌碹等支护方式，抵抗围岩向巷内的变形收敛；三是加固围岩，主要是采用锚杆、锚索、注浆等对围岩进行加固和支护，从而提高围岩自身的自承载能力，有效控制围岩的变形破坏。

1.4典型高应力巷道维护技术

1.4.1应力控制法

应力控制法的实质在于避免或降低围岩高应力。在巷道布置阶段，尽可能避开矿区的大型地质构造，结合地应力分布特征、岩性及采动影响等因素，合理布置巷道方向、层位和位置，精心安排采掘排序，以避开应力集中区和强烈采动影响区，选择合适的巷道断面形状和尺寸，这些都可以改善巷道围岩的应力状态。

对于已处于高应力状态下的巷道，可以采用局部弱化的方法来降低巷道围岩的集中应力，如钻孔卸压、爆破卸压、切缝卸压、掘巷卸压等，通过上述手段，可以有效转移巷道周围的高应力[11]。

应力控制法应该与巷道支护法结合起来运用， “卸压”与“支护”相协调才能取得良好效果。

1.4.2高预应力强力锚杆支护

针对煤矿深部及复杂困难巷道条件,煤炭科学研究总院北京开采研究院研发了高预应力强力锚杆组合支护系统[12]，其构成为：采用最新研发的高强度锚杆(屈服强度500MPa以上)、大吨位新型锚索(19芯钢绞线，破断力大于60T)，匹配等强托板、钢带和金属网等构件组成的高刚度护表结构，施加高预应力(达到杆体屈服强度的50%以上)，大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度。高预应力强力锚杆支护系统在新汶协庄煤矿千米深井巷道支护中应用取得良好效果,与原有普通锚杆支护相比巷道变形量降低70% 左右,成功控制了深部高应力巷道的大变形。

2软岩巷道

随着我国西部煤炭资源开发力度的加大，软岩巷道的数量大大增加，软岩巷道围岩变形速度快、变形量大、持续时间长，给巷道支护带来极大困难。

2.1软岩巷道类型

对于软岩，多位学者给出不同的定义[13-14]，中国矿业大学(北京)何满朝院士提出了工程软岩的概念[15]，即软岩是指在工程力的作用下，能够产生显著塑性变形的工程岩体。一般说来，软岩具有软弱性、可塑性、膨胀性、崩解性、流变性以及工程扰动性等工程特性。软岩巷道大体上可分为4大类：低强度软岩、膨胀性软岩、破碎软岩、高应力软岩。

低强度软岩强度低，通常由软弱煤层、砂质泥岩、泥岩等构成，胶结程度低，整体性差，易崩解、易风化，承载能力低。

膨胀性软岩中往往富含膨胀性黏土矿物，水理作用后产生膨胀和变形，膨胀变形致使围岩强度降低并生成新的裂隙，导致支护体受损抗变形能力减弱，这将加重软岩的吸水膨胀，致使力学特性进一步降低，最终出现显著的非收敛变形。

破碎软岩巷道所处的煤层或岩层通常松软、破碎，节理、裂隙发育，整体性差，承载力低。其往往处于地质构造区，如陷落柱、断层破碎带、采空区等。还有一种情况是由于巷道布置或支护不合理，造成一定范围的巷道围岩松动破坏，需要扩断面后重新支护，也就是破损巷道的修复问题。

高应力软岩是指某些岩层强度并不低，完整性也比较好，在浅部开采时不难维护，但是开采到了深部以后，却表现出软岩大变形、强流变的特点。

2.2软岩巷道变形破坏特征

软岩巷道围岩变形特征主要表现在以下4个方面[16]：一是围岩来压快，变形速率高。围岩从揭露到变形时间间隔短，巷道开挖后，有时还未来得及进行支护，围岩已出现显著变形，断面明显减小；二是巷道变形大，变形持续时间长。围岩受扰动范围大，流变性显著，变形难收敛；三是某些软岩具有明显的膨胀特征，极易发生底鼓变形；四是对水、风、压力、震动等外界因素反应敏感。

2.3软岩巷道围岩控制对策

(1) 优化巷道位置，选择合理的支护断面在软岩地层中布置巷道，尽可能选择岩性较好的岩层，尽可能避开高应力区。尽量选择拱形、马蹄形、圆形、椭圆形断面，预留一定的变形空间。

(2) 提高围岩的整体强度低强度是软岩的一个基本特征，也是软岩支护困难的主要原因，因此提高围岩强度是解决软岩支护的根本途径。锚杆支护和注浆加固是提高围岩强度的两种主要方式，锚杆支护可以提高围岩强度和变形特性，阻止围岩的塑性流动；注浆可改变围岩的工程特性，增强其强度和整体性。

(3)及时封闭和支护围岩基于软岩的变形特点，需要及时采取工程措施对围岩进行保护，如及早切断水源、及时排水、喷浆封闭顶帮、水泥硬化底板等，以隔绝水、风等对围岩的软化作用。尤其对于含有黏土类矿物的膨胀型软岩来说，隔水最为重要。同时要及时支护围岩，第一时间将控制围岩变形的手段用上去。

(4)科学设计支护结构软岩巷道具有大变形和明显的流变性特点，其支护结构应必须与围岩变形相协调。支护以提高围岩自承能力为目的，宜采取让压与加固及支护相结合的支护结构。支护结构既要有足够的支护强度和刚度，又要有足够的适应变形能力，其工作特性还需与软岩的变形特性相匹配。

(5)巷道支护一次完成按照康红普院士提出的困难巷道一次支护理论[17]，对于软岩巷道，应采用高强度、高刚度支护结构，一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免巷道破坏后再行维修。

2.4典型软岩巷道围岩支护形式

多年来经过不断探索，发展了多种软岩支护形式，主要有以下4种：锚杆支护、注浆加固、可缩性金属支架、钢筋混凝土圈体，以及几种支护形式的联合。近年来锚杆支护技术迅猛发展，为解决软岩巷道支护难题提供了条件。

(1)高预应力锚固与注浆联合加固技术对于松散、破碎软岩的加固，煤炭科学研究总院北京开采研究院开发了深孔高压注浆与强力锚杆、锚索联合加固技术[16-19]：在巷道表面先喷浆，然后向围岩注入浆液，注浆后打入高预应力锚杆、锚索。喷浆可封闭围岩，注浆将裂隙充填，将松散、破碎软岩粘结成整体结构，增加围岩的可锚性，有利于锚杆、锚索预应力及工作阻力有效扩散到围岩中。强力锚杆、锚索支护可在围岩中形成稳定的预应力承载结构，以控制锚固区围岩变形破坏。这项技术在潞安屯留煤矿井底车场硐室群软岩加固工程中取得良好效果。

(2)横阻大变形锚杆和锚索软岩支护技术何满潮院士团队开发的恒阻大变形锚杆[20]，恒阻范围内累计变形量最大值可达1000 mm，有足够的变形能力来适应软岩巷道的大变形，从而实现“以柔克刚”的围岩控制理念。该技术在沈阳矿区清水矿第三系软岩矿井回采巷道、新疆沙吉海矿中生代软岩矿井永久巷道和龙口北皂矿海下开采返修巷道进行了应用。

(3)锚喷与混凝土整体圈复合支护系统对于含有伊利石、蒙脱石、高岭石等矿物的膨胀性的软岩巷道，需要从封闭围岩和加强支护两方面入手来控制围岩变形破坏。煤炭科学研究总院北京开采研究院设计了锚喷支护与混凝土整体圈复合支护系统[21]：内层支护为全断面锚杆、锚索、金属网、水泥喷浆联合支护，目的在于加固围岩和提高其整体强度，并能及时封闭围岩，防止吸潮和风化；外层支护为全断面浇筑钢筋混凝土圈，用来补强和防水，两层支护体之间灌注水泥浆。该技术在甘肃华亭煤矿二水平开拓大巷底鼓治理工程中应用成功，3条严重底鼓破坏的大巷修复后长期处于稳定状态。

3冲击地压巷道

随着我国煤矿开采深度的不断增加，开采强度不断加大，冲击地压事故呈上升趋势。冲击地压发生机理复杂，影响因素众多，危害性大[22-23]。

3.1冲击地压巷道来压特征

冲击地压是一种复杂的矿山动力现象，通常具有如下特征[24-25]：

(1)来压剧烈，动力特征明显通常是几十米的巷道顷刻被毁，几吨到几百吨的煤岩体被抛出，断面严重收缩甚至完全堵塞。

(2)发生突然，来压前没有明显征兆突然发作，如同爆炸一般，巷道围岩的破坏过程在几秒到几十秒内就完成了。

(3)破坏性巨大冲击地压发生时伴随着大量冲击能量的释放，造成巷道闭合、设备损毁、人员伤亡等。

(4)破坏非均匀性冲击地压巷道的破坏形式是多样的，与煤层及其顶底板的结构和物理力学特性、围岩应力场的分布、巷道支护等多种因素有关，通常表现为四面来压，顶、底、两帮都可能会产生破坏，但突破口往往来自巷道围岩最薄弱的环节，比如在底板岩层强度低又没有支护的情况下，容易发生激烈的底鼓，进而引发全断面失稳。

3.2冲击地压巷道支护对策

巷道冲击地压的发生主要与高应力、冲击载荷、围岩力学性质及支护不合理等因素有关，因此，冲击地压巷道围岩控制也应从这4方面入手：一是巷道布置避开高应力区；二是采用有效方法卸压，降低围岩应力；三是对围岩改性，提高围岩的完整性，降低其冲击倾向性；四是加强支护，采用合理的巷道支护形式与参数。

针对冲击地压巷道的来压特点，冲击地压巷道支护应遵循“高强度、强让压、整体性”的设计理念[24-25]。秉承这一理念，冲击地压巷道的支护应坚持以下原则[26-27]：

(1)高承载能力原则冲击地压巷道来压猛烈，巷道支护必须具备更高的支护强度和刚度。

(2)柔性支护原则针对冲击地压巷道变形大的特征，对支护的柔性提出特别要求，支护材料必须具备良好的冲击韧性，支护结构必须具备足够的可缩量，以增强其吸收冲击能的能力，并与围岩的大变形相匹配。

(3)稳定性原则冲击地压发生时会产生强烈的动力冲击，围岩在冲击力作用下相互挤压、挫动、甚至被抛出。在巷道围岩激烈变形过程中，要求支护结构自稳性好，不易失稳。

(4)整体性原则冲击地压巷道支护必须采用全断面等强支护，支护构件之间、支护体之间、支护体与围岩之间要相互耦合，形成一个统一的支护整体。

3.3典型冲击地压巷道支护技术

3.3.1冲击地压巷道高冲击韧性锚、网、索组合支护技术

针对冲击地压巷道锚杆受力及破断特点，煤炭科学研究总院北京开采研究院提出了锚杆冲击韧性的概念[28]，研发了高冲击韧性锚杆，最高屈服强度达到600MPa，延伸率为18%，冲击吸收功167J。

基于高冲击韧性锚杆的高预应力强力锚、网、索支护技术，在典型冲击地压矿井河南义马常村煤矿得以应用，大幅度提高了支护结构的刚度、强度及冲击韧性，可以有效吸收冲击地压产生的高冲击动能，支护结构在经历多次大能量冲击事件后，仍保持完整性。

3.3.2冲击地压巷道刚-柔耦合支架支护技术

辽宁工程技术大学潘一山教授[29]的基于冲击地压作用下的巷道围岩与支护响应的动力学模型，提出“提高支护刚度和快速吸能让位支护”的冲击地压巷道支护设计新思路，并据此研发了一种防冲吸能巷道液压支架。防冲吸能巷道液压支架“提高支护刚度”主要通过加大巷道支架的梁体刚度，提高巷道支架液压支柱的工作阻力来实现，以此增加支护体系的整体刚度；“快速吸能让位支护”则是在巷道支架液压支柱下增加吸能装置，利用其优异的吸能特性使支护体系能够在围岩冲击下快速吸收冲击能并稳定地变形让位，吸能装置采用多孔泡沫金属材料或吸能构件来增大支护中的阻尼系数。

3.3.3冲击地压巷道负泊松比锚索支护技术

针对冲击地压巷道冲击能量突然释放的特点，何满潮院士团队开发了负泊松比锚索[30-31]。该锚索具有两个重要的性能：一是可以持续为围岩提供恒定的支护阻力；二是当围岩突然受载变形时，横阻大变形锚索还可以吸收围岩的瞬间大变形。在沈阳红阳三矿1213回风联络巷进行了抗爆破试验研究，试验表明负泊松比锚索在爆炸冲击力作用下可以产生瞬间滑移变形，负泊松比锚索的横阻值达到375kN，最大变形量可以达到0.486m。

4结束语

深部高地应力巷道、软岩大变形巷道、冲击地压巷道是煤矿难支护巷道的几种类型，也是国内外相关学者关注的重点。近年来锚杆支护技术的长足发展为解决这些难题提供了有力条件，锚杆支护应该是困难巷道支护的主体，高强度、高刚度、大延伸率、耐冲击是其基本发展方向。我国现阶段对难支护巷道的研究还不够系统深入，需要在搞清机理的前提下，针对不同类型的难支护巷道研发适合的系列支护材料，并配以适当的施工工艺和装备，逐步形成系统的成套技术。

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[责任编辑：施红霞]

·综述·

Problem of Roadway Support in Chinese Coal Mines and Adaptive Strategy

JU Wen-jun1，2，3，FU Yu-kai1，2，3

(1.Coal mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013,China;

2.Beijing Mining Research Institute,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;

3.State Key Laboratory of Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization (China Coal Research Institute),Beijing 100013,China)

Abstract：When coal mining in China gradually extended to the great depth under the surface,the geo-mechanical conditions of roadways were more complicated than ever,and posed severe challenges for roadway support.This paper addressed the typical problems of roadway support in China.The characteristics of rock deformation in roadways with high stress,seriously deformed roadways due to soft rocks and roadways with frequent bumping accidents were analyzed,the adaptive strategies were proposed,and the newly developed support techniques for each typical problem in roadway support were suggested.

Key words:roadway support；mining at great depth；high stress；soft rock；bump；rockbolt；cablebolt

[作者简介]鞠文君(1965-)，男，内蒙古赤峰人，博士，研究员，博士生导师，天地科技股份有限公司开采设计事业部副总经理，主要从事巷道支护技术及工程监测技术研究。

[基金项目]国家自然科学基金项目(U1261211)；国家科技支撑计划课题(2012BAB13B02)；中国煤炭科工集团科技创新基金面上项目(2014MS037)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.001

[收稿日期]2015-11-30

[中图分类号]TD353

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0001-05