矿山近距离交错巷道硐室结构稳定性控制研究

许 诺，侯殿坤

（内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014000）

我国的矿产资源储量十分丰富。有数据显示我国矿产资源的总储量达到了4 亿吨，位居世界第三位。我国能源开采利用具有悠久的历史，中国早在3000 年前先秦时期，在春秋战国时期，人们发现并利用了它。它是世界上第一个开采和使用矿产资源的国家。汉书《地理志》记载“豫章出石，可燃为薪”。宋代《天工开物》中记载着最早的井下开采方法。近现代我国的发展在各方面有目共睹，矿产资源作为工业的粮食，为国家工业建设提供了强有力的支撑。为保障矿产资源的供给能源的稳定输出，保证开采技术先进和安全生产是一切的基础，但开采过程中大多无法避免矿井巷道矿压显现剧烈影响的发生，而多巷道及交叉巷道布置引起的矿压显现更为剧烈，因此完善近距离空间交错巷道的研究抑制矿山压力显现极为重要。

1 巷道围岩稳定性研究现状

在20 世纪初，很多专家学者认为作用在硐巷围岩上的压力等于上覆岩体的重量。对围岩的了解是在经典压力理论。然后也生产太沙基和普氏松散压力理论，并认识到围岩支撑上的压力远小于上覆岩石的重量，这大约是塌陷松散圆下方的围岩质量。它大致是塌陷的松散圆下方的围岩质量。采动扰动和塌方的高度与巷道的跨度和围岩的岩性有关，但没有系统地给出塌方拱的高度和演化形式[1]。

到1950 年代为止，基于Mohr-Coulomb 准则的围岩稳定性研究经历了弹塑性理论、岩性转换理论和轴向变形理论、围岩疏松带理论、分区破坏理论[2]。目前，对巷道围岩稳定性的研究主要基于圆形等规则巷道的理论研究，对于其它形状的巷道主要通过数值模拟进行相似模拟实验。

2 复杂巷道研究发展

当前多巷道空间布置形式的围岩稳定控制问题已经得到诸多学者密切关注。双巷间及多巷间的近距离扰动长久以来是矿山开采的难题，多巷道布局的干扰比单独巷道更为严重。探索围岩扰动的许多因素以及相邻巷道间距的扰动影响，目前国内外很多学者开展了较多的理论研究及工业试验。

钱鸣高[3]院士使用了双孔物理模型试验，双巷圆形巷间距控制影响理论的实践，得出巷道扰动应力影响区与巷道断面的相关。针对此类问题，陈彦光[4]进行了补充研究，巷道间距控制在6 倍硐径以外扰动叠加影响明显减弱，并根据岩性不同进行巷间距调整；刘泉声[5]通过现场工业测试，可以认识到两个相邻巷道之间的相互干扰程度与巷道的布局有关，得出巷道位置扰动具有时空效应；对于巷道群的布置，阚甲广[6]对围岩强度，水平间距和垂直间距等物理因素进行了研究。研究结果表明增加岩体物理力学强度可增加巷间抗扰动能力； 针对巷间距控制，宋朝阳[7]提出了三种不同间距的应力叠加情况，分析每种情况下的围岩稳定性，发现当巷道达到平台应力时，巷道间的扰动值较小，经济效益较高。对于深度问题，提出间距不同的三种应力叠加情况；针对深度问题，叶洲元[8]建议巷道群的埋深是影响巷道的关键因素。巷道岩石层的岩石物性随深度的增加而增加，抗压强度也随之增加。

孔德森[9]采用有限元数值分析方法,将岩土力学常用的数值分析方法分为连续变形分析方法与非连续变形分析方法对各种方法的研究现状和最新进展进行了评述所得结论对类似的巷道工程具有重要的指导意义；蒋金泉[10]通过研究复杂采动条件下矿山巷道围岩稳定性研究，采用有限元数值模拟软件FLAC3D模拟了不同采动条件下的巷道围岩应力应变情况。华心祝、阚甲广[11]针对岩体强度，巷道间距等影响巷道开挖扰动效果的因素，研究巷道开挖次序扰动的影响，采用数值模拟进行相似研究。揭示其在深部开采多巷道间的矿压显现；聂军委、马百龙以深部岩巷巷道群是研究对象，通过理论分析，数值模拟，全面的研究方法，例如现场工业测试。

当前对复杂空间巷道问题研究取得了良好的研究成果。然而，已经解决了诸如空间错开的巷道的围岩的应力互扰以及巷道之间的围岩的扰动和不稳定性之类的工程问题。研究和理论分析仍然有限，巷道围岩交错排列的围岩应力扰动影响规律，近距离交错巷道承载结构扰动失稳灾变的主要影响因素，对如何判别交错巷道区域围岩承载失效灾变等工程问题迫切需要进一步基础科学研究。

3 复杂巷道支护技术的发展现状

我国学者巷道围岩控制理论发展主要有郑雨天和冯豫[12]联合支护理论提出了软岩巷道围岩的严重变形问题。董方庭提出的围岩松动圈理论以及何满潮[13]提出了关键位置的支撑与支撑理论以及主、次承载圈的支撑理论。于学馥[14]等通过研究硐巷岩石变形与其基本原地应力之间的关系提出了“轴向变形理论”的观点。“应力分布轴比”和“围岩稳定轴比”这几个定律说明了围岩稳定性与巷道轴比之间的关系。

陈卫忠[15]考虑了多个地下巷道之间围岩应力互扰的影响，研究了开挖顺序和巷道群的支护对巷道稳定性的影响。使用数值计算方法，为相关工程案例提供借鉴。乔正[16]研究了矿柱和巷道的稳定性研究提出了道路群变形与破坏的关系：对于水平方向平行排列的道路群，与单独的道路排列相比，垂直应力变化不大且水平应力变化较大，相邻巷道的护巷矿柱安全宽度考虑了巷道群围岩受应力叠加影响，为类似的交错巷道布置提供了技术参考。孙光中[17]等运用应用数值模拟软件研究采动工作面矿柱不同宽度对硐室群稳定性的影响，研究显示：巷道群围岩应力随着矿柱宽度减小，应力集中向深部转移并且波及到巷道群与之应力叠加扰动，巷道群表现出显著的巷间围岩体变形破坏严重。因此控制围岩稳定恢复承载结构十分重要。

卢兴利，刘泉声[18]等相信深埋巷道，尤其是巷道群的围岩稳定性控制已成为亟待解决的技术问题。该研究得出巷道群围岩及支护结构的变形开裂特征及失稳机理，提出了综合控制对策和设计方案，通过现场工业试验证实了方案有效性。马立强[19]通过对巷道群地应力分布特征及巷道群开挖的时空效应研究，发现后期开挖巷道将对第一条巷道的应力场产生影响。相邻巷道内应力场的叠加导致应力集中的出现，提出了主动与被动联合支护控制方案。

卜庆为[20]，针对近距离交错巷道产生的围岩应力集中、巷道围岩变形加剧、巷间岩体丧失承载能力等特征问题，从控制巷间岩体结构破坏、恢复围岩承载结构等方面进行了理论研究，并提出了“高强锚杆+金属网+锚索+注浆”联合支护体系。

如今，鉴于巷道围岩控制技术的日趋成熟，但在技术的应用过程中还需要进行不断改进，可以通过研发不同形式的支护结构、承重方案为后期矿山开挖巷道的支护提供保障，另外针对不同地质形态下的巷道围岩采取不同处理方案，可使用多种支护方式互相配合，帮助加固巷道围岩。在相关理论支持下，充分发挥技术优势，将理论与实际相结合。矿山开挖巷道支护相关理论探讨过程中，发现导致巷道出现不稳定的因素大部分与支护相关。进行数值模拟实验研究后，实验验证了顶板分离机理，巷道承载机理及巷道的承载性。通过全面理论与实验验证后的出的结果为维持巷道稳定性提供了技术支撑，更有利于矿山安全生产。

4 结论

（1）巷道围岩的稳定性主要基于圆形巷道的力学理论研究，并已逐渐成熟。主要通过数值模拟和相似模型的建立来研究其他类型巷道围岩的稳定性。空间交错巷道的研究正在不断完善。

（2）复杂空间巷道问题研究取得了良好的研究成果。然而，已经解决了诸如空间错开的巷道的围岩的应力互扰以及巷道之间的围岩的扰动和不稳定性之类的工程问题，研究和理论分析仍然相对较少。对交错巷道的围岩应力扰动影响规律，近距离交错巷道承载结构扰动失稳灾变的主要影响因素，对如何判别交错巷道区域围岩承载失效灾变等工程问题迫切需要进一步基础科学研究。