深部煤巷圍巖控制理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀總結(jié)

陳學(xué)亞

摘要：深部煤巷圍巖普遍具有軟化、擴(kuò)容和流變特征。這是導(dǎo)致巷道變形破壞的根本原因。與廣泛的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐相比現(xiàn)有的理論和技術(shù)研究明顯落后。本文對(duì)現(xiàn)有理論和技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)價(jià)，并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)做了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：深部煤巷 圍巖控制 軟巖支護(hù)

1 深部煤巷圍巖控制理論研究現(xiàn)狀

我國(guó)煤礦正以每年20~30米的速度向深部拓展。開采深度的增大使得圍巖應(yīng)力水平隨之增大。同樣條件下，深部煤巷較巖巷礦壓顯現(xiàn)更為明顯。淺部軟巖巷道支護(hù)理論和煤層巷道支護(hù)理論是深部煤巷圍巖控制的兩個(gè)理論基礎(chǔ)。

1.1 深部圍巖特征分析

在較高水平應(yīng)力的作用下，煤層及頂?shù)装鍑鷰r都表現(xiàn)出明顯的軟化、擴(kuò)容和流變等性質(zhì)。很多學(xué)者認(rèn)為巷道支護(hù)應(yīng)以通過(guò)支護(hù)阻力對(duì)破裂巖體施加第三向應(yīng)力補(bǔ)償圍巖因開挖而失去的三向應(yīng)力狀態(tài)、縮減圍巖開裂的程度為目的。也有學(xué)者認(rèn)為，深部軟巖及煤層巷道的變形破壞由圍巖擴(kuò)容和彈性體積變形共同引起。

1.2 深部巷道圍巖破裂特征分析

高應(yīng)力條件下，巷道開挖后即在周邊圍巖中形成了環(huán)狀分布破裂區(qū)，該破裂區(qū)由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)董方庭教授命名為松動(dòng)圈。松動(dòng)圈的形成、發(fā)展機(jī)理及穩(wěn)定控制技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

深部巷道圍巖普遍存在深度很大的破裂區(qū)。因而巷道支護(hù)的中心任務(wù)成了控制圍巖松動(dòng)圈的進(jìn)一步發(fā)展，并將巷道圍巖松動(dòng)圈的總深度控制在允許的范圍之內(nèi)。在應(yīng)力條件一定的情況下，主動(dòng)及時(shí)地對(duì)圍巖松動(dòng)圈內(nèi)破裂的巖石進(jìn)行加固，使其殘余強(qiáng)度恢復(fù)到一定水平，保證松動(dòng)圈不再繼續(xù)向深部擴(kuò)展，是深部巷道松動(dòng)圈理論的基本觀點(diǎn)。

巷道開挖后，圍巖內(nèi)部形成了環(huán)狀分布的四個(gè)區(qū)域：即塑性流動(dòng)圈、塑性軟化圈、塑性硬化圈和彈性區(qū)。其中具有承載能力的是塑性硬化圈和一部分塑性軟化圈，因而塑性軟化圈和塑性流動(dòng)圈應(yīng)該作為實(shí)施支護(hù)的對(duì)象。軟巖巷道實(shí)施錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)及反底拱圈梁支護(hù)后，圍巖的力學(xué)狀態(tài)由雙向向三向改變，圍巖內(nèi)集中應(yīng)力區(qū)域也隨之向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中水平也隨之下降。

很多軟巖巷道的破壞形式表現(xiàn)為擠壓流動(dòng)變形，巷道圍巖在高應(yīng)力作用下變成了軟弱碎裂巖體。軟弱碎裂圍巖變形破壞過(guò)程中，將產(chǎn)生很大的體積碎脹流動(dòng)，導(dǎo)致巷道發(fā)生很大的位移。圍巖的大變形強(qiáng)流變導(dǎo)致巷道底鼓嚴(yán)重。對(duì)于擠壓流變巷道，可將其底鼓分為擠壓流動(dòng)性底鼓、撓曲褶皺性底鼓、剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓和遇水膨脹性底

鼓。

高應(yīng)力水平作用下，圍巖的蠕變特征明顯。由于蠕變松動(dòng)圈內(nèi)本已穩(wěn)定的破裂圍巖經(jīng)歷長(zhǎng)期變形后很可能二次失穩(wěn)，及蠕變失穩(wěn)，這是是很多巷道長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)變形總量過(guò)大的原因。因此，所采用的支護(hù)手段應(yīng)該有能力避免圍巖的蠕變失穩(wěn)。

1.3 深部煤巷圍巖控制理論研究

在煤層巷道圍巖控制理論研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。

巷道開挖后，圍巖塑性區(qū)首先從強(qiáng)度最低的部位，通常稱為關(guān)鍵部位開始。單一巖層中，巷道支護(hù)的關(guān)鍵部位通常在巷道的兩個(gè)拱腰45°部位、兩個(gè)幫底交界處。煤層巷道頂?shù)装鍘r性千變?nèi)f化，關(guān)鍵部位也變化多端，但大多出現(xiàn)在幫底及幫頂交界處。在非對(duì)稱應(yīng)力的作用下，巷道支護(hù)也應(yīng)隨之改變。

煤層巷道的變形受兩個(gè)主要因素的影響：頂?shù)装寮懊簩颖旧淼膹?qiáng)度、圍巖應(yīng)力大小。如果煤層自身的強(qiáng)度低于頂?shù)装鍙?qiáng)度，則巷道兩幫多發(fā)生楔形或倒楔形破壞，頂板易形成大塊狀垮落體；如果煤層自身強(qiáng)度高于頂?shù)装鍙?qiáng)度，如我國(guó)西部地區(qū)很多礦山，則巷道兩幫多發(fā)生片狀或鼓形破壞，頂板易形成單拋物拱垮落體。如果采用錨桿支護(hù)技術(shù)，幫部錨桿是關(guān)鍵。

2 深部煤巷支護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

與淺部巷道類似，深部煤層巷道圍巖變形破壞的控制途徑也無(wú)外乎兩個(gè)：提高圍巖強(qiáng)度、減小圍巖應(yīng)力，當(dāng)然這兩點(diǎn)都需要選用合理的支護(hù)手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在淺部巷道支護(hù)技術(shù)，特別是淺部軟巖巷道支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上找到了一些適合深部煤巷的支護(hù)技術(shù)，主要包括巷道加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)和應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)。

2.1 支護(hù)技術(shù)

廣義上說(shuō)，支護(hù)技術(shù)包括對(duì)深部圍巖加固提高其承載能力的技術(shù)和對(duì)圍巖表面提供抗力的技術(shù)。由于深部煤巷來(lái)說(shuō)單一的支護(hù)手段，無(wú)論是主動(dòng)支護(hù)還是被動(dòng)支護(hù)，都難以達(dá)到預(yù)期的效果，因而通常采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

近年來(lái)在煤巷較為常用的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)包括：錨梁網(wǎng)支護(hù)、錨網(wǎng)噴索支護(hù)、錨梁網(wǎng)索支護(hù)、錨網(wǎng)架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)等。

2.2 圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)

應(yīng)力轉(zhuǎn)移，指將較高的原始地應(yīng)力、工作面開采等其他作用造成的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到巷道深部圍巖中，使被保護(hù)巷道始終處于應(yīng)力較低區(qū)的區(qū)域。

應(yīng)力轉(zhuǎn)移必須通過(guò)聯(lián)合巷道支護(hù)技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。一方面使巷道圍巖的應(yīng)力水平降低，另一方面通過(guò)支護(hù)使得圍巖的承載能力增強(qiáng)。目前應(yīng)用于深部煤巷的應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)包括上行開采、跨巷開采等，但由于施工條件及經(jīng)濟(jì)成本的限制大多不能廣泛采用。切實(shí)可行的方案是將現(xiàn)有的支護(hù)手段有機(jī)聯(lián)合，使巷道近表出的集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移或者支護(hù)體上轉(zhuǎn)移。

3 研究現(xiàn)狀評(píng)述

在深部煤巷變形破壞機(jī)理、支護(hù)技術(shù)以及破裂圍巖的承載機(jī)理研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然取得了上述較多的成果，但存在的問(wèn)題依然很多：

3.1 制理論中巖石峰后力學(xué)特性基本未考慮

全應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試是今年來(lái)倍受推崇的測(cè)試技術(shù)，因?yàn)閹r石力學(xué)特性既有峰前的力學(xué)特性，也有峰后的力學(xué)特性，而峰后力學(xué)特是破碎圍巖控制直接依據(jù)，對(duì)于深部高地壓作用下的煤巷，峰后力學(xué)特性對(duì)圍巖的穩(wěn)定性控制有著更大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

目前的解析分析和數(shù)值計(jì)算分析中，巖石的峰前的力學(xué)特性被廣泛應(yīng)用，峰后力學(xué)特征少有考慮，因?yàn)闊o(wú)論是解析分析還是數(shù)值計(jì)算都要求應(yīng)力——應(yīng)變函數(shù)單枝對(duì)應(yīng)。因此，目前的研究結(jié)果和實(shí)際的出入較大。相似試驗(yàn)?zāi)芎芎玫膹浹a(bǔ)上述缺憾，但是相似材料與實(shí)際的圍巖材料往往相去甚遠(yuǎn)，模擬結(jié)果也只能是差強(qiáng)人意。

3.2 巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)不夠

與一般巷道比較，深部煤層巷道圍巖條件、應(yīng)力環(huán)境更為復(fù)雜。礦山壓力及巷道變形觀測(cè)表明，深部高應(yīng)力煤巷的礦山壓力顯現(xiàn)有以下特點(diǎn)：①巷道圍巖初始變形速度大；②圍巖變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，短時(shí)間內(nèi)都不會(huì)有收斂的趨勢(shì)，巷道變形總量通常很大；③巷道開挖時(shí)圍巖在高應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)類似沖擊地壓的現(xiàn)象；④具有明顯的分層性的煤巷變形過(guò)程中，一般情況下首先是兩幫煤體被迅速擠出，緊接著是強(qiáng)烈底鼓，最后是頂板也隨之下沉。造成上述現(xiàn)象的原因及機(jī)理尚不清楚。

3.3 圍巖承載區(qū)未進(jìn)行系統(tǒng)研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到圍巖自身承載承載能力是保證深部煤層巷道支護(hù)效果的關(guān)鍵，并據(jù)此劃分了巷道圍巖的承載區(qū)。但對(duì)圍巖承載區(qū)的界定往往從單一角度出發(fā)，如變形量、應(yīng)力大小、破碎程度等，沒(méi)有充分考慮其間的聯(lián)系，因此不能全面反映圍巖承載機(jī)理。

3.4 能夠被施工現(xiàn)場(chǎng)廣泛接受的經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)手段較少

再好的理論也需要切實(shí)可行的支護(hù)技術(shù)來(lái)體現(xiàn)，也需要成功現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)驗(yàn)證。比如，學(xué)者們都在強(qiáng)調(diào)巷道底板加強(qiáng)支護(hù)的重要性，然而目前的底板維護(hù)方法，如金屬反底拱梁、混凝土反底拱等都不能再煤巷中大規(guī)模采用，底板錨桿及錨索受鉆孔機(jī)具限制也很難大規(guī)模實(shí)施。鑒于此，深部煤巷的維護(hù)不僅要在理論上深入研究，更要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，開發(fā)經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)手段。

4 發(fā)展趨勢(shì)

支護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：在深部煤巷的支護(hù)技術(shù)研究方面，無(wú)論是一般煤巷還是沿空巷道，均具有一個(gè)共同的趨勢(shì)將各種支護(hù)手段有機(jī)地結(jié)合，共同作用，以達(dá)到事半功倍的效果。

支護(hù)理論發(fā)展趨勢(shì)：以約束變形為主要目標(biāo)的理論研究向以應(yīng)力與應(yīng)變雙向共同約束為主要目標(biāo)的理論研究轉(zhuǎn)移。