深井煤矿巷道支护中耦合支护技术运用分析

2022-10-17赵辉强

科技视界 2022年20期

赵辉强

（华亭煤业集团有限责任公司，甘肃平凉 744100）

0 引言

单一的支护形式无法满足支护强度的要求，而传统联合支护难以应用的原因在于深井煤矿巷道围岩力学特性与支护体难以耦合，支护体与围岩无法形成良好的耦合作用，而本文阐述的耦合支护技术能够有效在深井煤矿巷道中进行支护，确保深井巷道的安全，在实际支护运用上还有诸多注意事项需要探究。

1 深井煤矿巷道支护面临的问题

1.1 深井巷道环境复杂

深井煤矿巷道位于地下800 m，深井开采具有地压大的特点，此深度原岩应力大、岩体塑性大、矿山压力显现剧烈。而且深矿井开采中地温一般比地面高，而地温决定着井下开采工作面的温度，除了影响施工人员身体健康外，也可能会加快支护部件的老化速度。在此深度内的地应力状态导致具有二类变形特征的岩石会发生频繁的岩爆，并伴随着大规模、大量级的动力失稳问题，很多巷道已经进入临界的深度，沉井巷道面临的整体地应力非常大。

1.2 深井巷道围岩特殊

深井巷道在高应力环境下，周围的围岩的变形破坏特征出现了较大变化，原本在浅井巷道中表现为坚硬特征的岩石，在深井下表现出软岩特征，也就是工程软岩，软岩地质比坚硬围岩更容易变形，并且具有蠕动性，会为巷道支护带来更大的难度。并且从过往深井巷道支护实践经验中得出，分区破裂也是深井巷道围岩的变化特征之一，就是指深井巷道围岩出现破裂相互交替发生的特点。比如在深井巷道0～1 m区域为破坏区域，1～2 m为塑性区域，2～4 m为稳定区域，4～5 m又成为破坏区域，在这种多变的破裂分区中实施支护的难度可想而知。在巷道开挖后，围岩从三向应力转变为二向应力状态，围岩保持稳定的时间相当短，需要在短时间内对围岩采取支护措施，否则待到围岩稳定性变弱，变形幅度较大时支护的难度将成倍增长。

2 深井煤矿巷道支护中耦合支护机制

2.1 耦合支护技术原理

联合支护与复合支护都不考虑围岩应力的作用及释放，只有在围岩应力较弱的浅井中才能发挥效果，而深井巷道围岩应力很大，必须充分释放围岩应力，并有足够的刚度限制围岩不良变形。耦合支护技术原理就是在强度、刚度与结构上全面实现支护体耦合作用，如表1所示，就是耦合支护的基本原理。

表1 耦合支护技术基本原理

在刚度上的耦合支护，要充分考虑围岩与支护体之间的刚度，如果支护体刚度比围岩刚度小很多，在围岩变形发展时就无法形成约束，支护效果自然就不理想。而支护体刚度远大于围岩刚度，则难以释放围岩内部的变形能；在结构上的耦合支护，需要清楚巷道断面不同位置上对支护体的作用力存在差异，采用等强支护体作用会造成围岩应力分布不均的问题，最终可能导致支护结构整体失稳。

2.2 围岩力学性质测定

现场采样后，于实验室内进行力学参数测试，煤矿围岩的力学性质指标包括真密度、泊松比、凝聚力、弹性模量、内摩擦角、坚固性系数h和单轴抗压强度这七项指标。还需测定巷道围岩松动区域，在开挖后巷道围岩的应力从三向受力转变为二向受力，应力变化区域也随之产生，主要包括巷道、松动区、塑性变形区、弹性变形区。通过超声波围岩裂隙探测仪测定各区域范围，例如，松动圈在0～40 cm之间就是稳定围岩，可采取不支护。而超过150 cm就进入软岩类别，刚性支护效果大幅下降，必须采用其他支护方法。

2.3 巷道变形破坏因素

开挖之后，巷道围岩的应力将会迅速变化，重新分布并出现应力集中现象，应力大量集中便会造成围岩变形破坏。而且深井巷道围岩具有的蠕动性特点，使得围岩变形在开挖后的一段时间内剧烈变形，之后逐渐变缓，最后形成稳定变形。在巷道开挖后，及时采取有效的支护技术，可以将围岩变形量控制在30 cm以下。在有效支护状态下造成巷道变形的因素包括围岩性质与结构，这也是决定巷道变形破坏的主要因素，像是岩体中膨胀性或黏土性成分较高，岩体就会呈现软岩特性；围岩状态主要是地应力转移的方向，这需要结合煤矿巷道实际情况进行确定；还有水理作用，岩石遇水后会发生软化现象，使其强度降低，并且浸水时间越长，强度降低越大。以深井马头门为例，作为矿井的咽喉部位，其重要性不言而喻，我国也曾发生过多次马头门破裂情况，比如丰城曲江煤矿-920m，曾出现过马头门上下15m范围内井筒变形破坏，井壁结构多处开裂，罐道无法正常使用的严重问题。研究表明，是由于含水量对沉积岩强度和变形特定影响十分显著的原因，在单轴抗压强度试验测试下，泥岩和石英砂岩在饱和状态下的单轴抗压强度会有将近50%的损失，部分深井巷道渗透压高达7MPa，在高渗透压的作用下，岩石的抗压强度大幅降低。

3 深井煤矿巷道支护中耦合支护技术运用

3.1 巷道支护原则

在运用耦合支护技术时，应当充分考虑到这一要素，将围岩作为平衡应力的承载体，通过耦合支护结构来提高围岩强度和巷道强度。基于此，在深井煤矿巷道开展耦合支护应当遵守三项基本原则。

第一项是提高并维护围岩的残余强度，在开挖后必须要阻止巷道围岩持续变形，围岩受应力影响较大，深井巷道地质条件比较复杂，只有有效发挥围岩的残余强度才能提高支护效果。

第二项是尽快稳定围岩强度，可通过提高支护阻力、用锚杆支护加固围岩或是注浆加固的方式本质上是在巷道开挖后迅速弥补围岩三向应力状态中缺失的一向应力，改善围岩应力状态来保持围岩的稳定。

第三项是充分发挥围岩的承载能力，根据深井巷道的具体情况，可采用全断面支护、可缩性支护、二次支护等多种支护方式，来保持巷道长时间的稳定状态。比如在巷道顶板易产生挠曲变形破坏的状况下，就可以采用全断面支护的形式。

3.2 支护方案设计

深井巷道耦合支护方案需要考虑强度、刚度和结构三方面的设计优化。由于普遍采用锚杆支护的方式应对围岩变形较为困难。因此，采用锚网索的支护形式，减少锚杆自身在支护中的作用效果，增强锚杆群成拱的支护作用，并通过拱状索网控制围岩变形，发挥锚固范围内的围岩承载强度。另外，锚网索本身可以防止锚固范围内岩石的变形问题，能够为巷道表面提供控制作用。

刚度耦合可采用O型棚，特别是在巷道围岩已经出现变形破碎的状态时，锚网索的支护作用只能减缓围岩变形的速率，不能从根本上控制围岩变形问题，而且巷道开挖初期处在围岩剧烈变形阶段，很容易发生较大的变形问题，这将使支护变得更加困难。因此，在锚网索的基础上采用O型棚，通过封闭式金属支架来控制巷道变形问题，O型棚支架结构承载着围岩单向应力，并将此应力状态反馈给其他二向围岩，施加的反作用力可以有效控制围岩的应力状态，防止围岩向巷道内变形。

结构耦合可使用喷射混凝土方法，此方法就是将混凝土喷射进围岩裂缝之中，通过混凝土的黏结力紧密黏合围岩，不仅能够避免水理或风化作用对围岩的进一步侵蚀，而且混凝土本身具有柔性效果，当围岩受到应力作用时，可以帮助围岩释放应力，防止围岩应力分布过度集中，通过产生较大的支护反力，使围岩整体结构趋于稳定。

3.3 承载能力核算

根据耦合支护设计方案的选择需要依据支护与围岩耦合拱承载能力与锚杆耦合支护进行计算，确定相关支护构件参数。支护参数和围岩力学测试应当在实验室计算完毕，其中包括锚杆支护参数、锚索支护参数、O型棚支护参数、金属网规格、喷浆强度等。根据耦合支护技术应用原理，多种支护组合方式的复合围岩支护力学计算进行承载能力核算，最终确定支护设计方案中锚杆、锚索、型钢等构件的选用尺寸与强度，计算结果必须满足巷道围岩支护要求所需的承载能力，才能证明设计支护方案的合理性。

3.4 耦合支护应用

首先要做好光面爆破，最大限度地减少对围岩的破坏，为锚杆支护提供良好的质量基础，严格按照设计要求实施爆破，控制好抵抗层。

其次锚杆的选用要合理匹配，以优质“三径”为核心，这也是锚杆高质量耦合的基础，在施工锚杆孔时，保证钻杆与锚杆等长，钻头与钻杆处在同一位置上，避免出现打孔过度、钻杆刷孔的问题，否则会严重影响支护质量。

再次就是做好耦合支护施工。根据岩石力学理论以及工程实践经验，巷道形成后，围岩变形产生的应力将会快速释放，围岩自身也将形成一定的承载力。在无支护条件下围岩变形速率不断增加，而变形过程中，围岩结构也会发生变化，这将加快围岩变形速率，并降低围岩自身承载力。在理论上的最佳耦合支护时间是围岩变形承载力最大的时候，但在实际施工中很难把握，为了尽可能提高巷道的稳定性，也为了使支护具备最佳的耦合效果，必须找出最佳支护时间点。如图1所示，在实际施工过程中很难把握最佳时间点，就提出了最佳时间段，也就是图中的TS1至TS2时间段，也就相当于围岩变形转化工程力与围岩自承力能够达到最大。