高应力软岩条件下煤矿巷道支护研究与实践

刘争放

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.24.057

摘 要：我国的煤炭资源经过多年开发，储量不断减少，因此现在煤矿深度也在不断增加，而更深处的应力就会增加，对煤矿的巷道支护提出了更加严峻的挑战，特别是一些煤矿的地质条件比较特殊，地下岩层情况复杂，对巷道支护的要求就更高，现在煤矿安全采掘的研究重点就是寻找更加科学合理的支护方式。该文简要介绍了高应力软岩，并介绍了巷道支护原理，以实例探讨最佳支护方式。

关键词：高应力软岩 巷道支护 研究实践

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（c）-0057-02

到目前为止，我国的能源结构还是以煤矿为主要能源，因此近些年的煤矿消耗量巨大，煤炭的储量也在逐年下降，煤矿层的深度也在逐年增加。我国的煤矿开采深度逐年增加，巷道支护难度逐年增大。现在煤矿安全采掘的研究重点就是寻找更加科学合理的支护方式，该文以某煤矿的巷道为例，试验了3种支护方式，确定了其中的最优。

1 高应力软岩概述

在岩石力学和工程界有关软岩并没有形成统一的认识，很多研究者都持有自己的观点。刘高等人认为，高应力地区有一种岩石可以被称为软岩。这类岩石具有非常特殊的特点：这类岩石在应力比较小或者处在地表浅部时候岩体十分坚硬；而在高应力、低围压的条件下，岩体的强度和弹性模量都较高；而在高应力、高围压条件下就会表现出软岩的性质。

（1）通常情况下满足饱和抗压强度大于或等于25 MPa的比较坚硬的岩石才会形成高应力软岩。

（2）能形成软岩的岩石岩体颗粒通常都比较小，岩体比较容易破碎，弹性模量比较小，比较容易形成流体。开挖前的岩体具有较高强度和弹性模量；而开挖以后岩体的围压较低，导致结构面张开，强度和弹性模量大大降低。

（3）能形成软岩的岩石通常都埋在地底很深的位置，水平应力很大，远远大于自重应力。目前我国大多数煤矿的开采深度的岩石的自重应力都达不到高应力标准，只有埋藏在地下很深的地方的岩石的水平应力远远大于自重应力，才能满足高应力的条件。

2 高应力下巷道变形

煤矿巷道在高应力条件下会出现明显的变形，主要有以下特征：（1）巷道围岩会发生明显变形，高应力下软岩的变形情况取决于软岩自身特征，因为水平应力要远大于自重应力，因此巷道的水平收敛量也要大于拱顶下沉量，通常会出现尖顶、底部鼓起和两侧向内偏移等；（2）巷道在初始变形速率高。因为水平应力远大于自重应力，因此挖掘巷道时卸载速度快，产生压力大，造成早期的变形速率高；（3）巷道围岩的流变性能明显，因此巷道变形的时效性很强。岩体流变造成围岩产生过大的变形，巷道支护体不能满足需要，围岩会产生更加明显的变形。

3 高应力下巷道支护工作原理

已经有很多学者研究过巷道支护的工作原理，掌握了一些软岩力学属性和变形力学机制，但是软岩巷道在高应力条件下变形量大、受压大、支护困难。何满潮等人认为单一的变形力学机制不能解释软岩巷道的围岩变形，而应该采用多种变形力学机制结合来解释。并且软岩巷道和硬岩巷道的本构关系存在明显差异，因此它们的支护原理也大不相同。硬岩巷道在支护时严禁出现塑性状态，因为硬岩在塑性状态下不具有承载能力。而软岩巷道开挖后需通过某种手段释放其强大塑性能，并且软岩在塑性状态下承载能力依然存在。

巷道开挖后围岩会受到各种力的作用，这些力促使围岩向临空区运动，假设这些力的合力是PT，那么巷道支护的原理可以描述为：巷道开挖后使围岩向临空区运动的合力PT等于变形形式转化的工程力PD、围岩自撑力PR和工程支护力PS之和。也就是说巷道开挖后促使围岩向临空区运动的力并不全是工程支护力PS，而是由PD、PR和PS共同作用。软岩巷道支护时软岩必然会进入塑性状态，因此必须在设计时留下足够的释放时间和空间保证软岩的强大塑性能释放。

4 某煤矿巷道支护实例

4.1 某煤矿情况简介

该煤矿井田高度差较大，最深处有1 081 m，最低处是443 m，巷道围岩由多种岩石组成，主要有灰岩、细砂岩和泥岩等。该煤矿的瓦斯和煤储量丰富，矿井内的应力很高，水平应力大约为竖直的自重应力的2倍左右，水平应力相当大。巷道的围岩破碎严重，矿井之前采用锚网喷加料石进行支护，但是巷道依然会受到不同程度的变形破坏，因此在矿区内进行多种巷道支护方式试验，以便获得高应力条件下的最佳支护方式。

4.2 3种高应力软岩巷道支护方式

经过研究，进行如下3种支护方式试验：锚梁网联合支护、锚梁网和锚索联合支护及锚梁网和拱形支架联合支护，每种支护方式都是80 m。

（1）锚梁网联合支护：首先采用光面爆破技术挖掘巷道，在爆破以后初喷，并迅速打好锚孔，然后在锚孔中安装锚杆，同时把钢丝网和钢梁挂好作为第一次支护，最后喷射混凝土进行第二次支护。

（2）锚梁网和锚索联合支护：首先使用光面爆破技术挖掘巷道，在爆破之后进行初喷并打好锚孔，然后在锚孔中安装锚杆，同时把钢丝网和钢梁挂好作为第一次支护，然后喷射混凝土进行第二次支护，最后在巷道靠近顶部两侧打上锚索加强支护。

（3）锚梁网和拱形支架联合支护：在爆破以后初喷，并迅速打好锚孔，然后在锚孔中安装锚杆，同时把钢丝网和钢梁挂好，然后装上拱形支架作为第一次支护，最后喷射混凝土作为第二次支护。

4.3 试验结果分析

观测锚梁网联合支护巷道76 d，拱顶下沉40.69 mm，两帮收敛80.25 mm，拱顶下沉速度为0.54 mm/d，两帮收敛速度为 0.85 mm/d；观测锚梁网和锚索联合支护巷道70 d，拱顶下沉 24.45 mm，两帮收敛142.13 mm，拱顶下沉速度为0.35 mm/d，两帮收敛速度为2.03 mm/d；观测锚梁网和拱形支架联合支护的巷道67 d，拱顶下沉3.81 mm，两帮收敛13.94 mm，拱顶下沉速度为0.06 mm/d，两帮收敛速度为0.21 mm/d。

从以上试验结果可以看出，采用锚梁网和拱形支架联合支护的巷道在拱顶下沉和两帮收敛方面都具有最好的效果，因为它可以让围岩应力通过一定方式释放，因此围岩有一定的变形也不会影响巷道的稳定。

5 结语

综上所述，现在我国的煤矿深度不断增加，巷道支护困难越来越大，巷道支护已经成为煤矿发展的主要阻碍，巷道支护方式已经成为近些年煤矿研究的热点。通过某煤矿的试验分析可知，锚梁网和拱形支架联合支护在高应力软岩条件下是一种十分有效的巷道支护方式，可以极大地降低巷道拱顶下沉量和两帮收敛量，具有重要的应用价值，各煤矿可以加深该种支护方式研究，广泛应用，安全采掘煤炭资源。

参考文献

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