深井開采礦壓顯現規律和支護技術的研究深井開采礦壓顯現規律和支護技術的研究摘要:隨著我國煤礦開采規模的擴大，開采深度的逐漸增加，深部開采已經成為煤礦生產的必然過程，對當前的煤礦生產和今后礦井建設的影響日趨嚴重。如何面對深部開采的復雜地質條件，及時解決深部開采所涉及的技術性問題，從長遠看，它將對安全、經濟、合理地開發深部煤炭資源有特別重要的戰略意義。文章主要介紹煤礦深井開采礦壓顯現規律和支護技術的研究。深井開采礦壓顯現規律方面詳細地闡述了深井巷道礦壓顯現的特點、深井開采存在的問題以及煤礦深井回采工作面礦壓顯現特點；深井開采支護技術的研究方面詳細闡述了深部開采巷道支護技術和煤礦深井開采問題處理。并對中國的深井開采技術的發展趨勢做出了總結和展望。關鍵詞:深井開采;巷道;礦壓顯現;支護技術

ResearchofRockPressureandSupportTechnologyofDeepMineExploitingJiangDejunAbstract:Withtheexpansionofcoalmininginourcountry,theincreaseofminingdepthanddeepmininghasbecomeaninevitablecourseofcoalmineproduction,thecurrentcoalmineproductionandtheimpactoffuturemineconstructionhasbecomeincreasinglyserious.Howtofacethecomplexgeologicalconditionsofdeepmining,timelysolvetechnicalissuesondeepmining,inthelongrun,itwillbeonthesafe,economicandreasonabledevelopmentofdeepcoalresourcesareparticularlyimportantstrategicsignificance.Thispapermainlyintroducesthecoalminepressuredeepwellopenmininglawsandsupportingtechnologyresearch.Deepwellminingpressurefirstlyopenaspectsindetailelaboratedthedeeproadwayrockpressuremanifestation,problemsindeepmining,aswellasthecharacteristicsofdeepwellminingofcoalmineworkingfaceminingpressuremanifestationcharacteristic;Deepwellminingofsupportingtechnologyresearchillustratesthedeepminingroadwaysupportingtechnologyandcoalminedeepminingprocessing.AndthedevelopmenttrendofdeepwelldrillingtechnologyinChinahasmadethesummaryandoutlook.Keywords:DeepMineExploiting;roadway;Minepressureappear;SupportTechnology鉆屑法、鉆孔卸壓法在國際上享有盛譽，并且不斷完善了一整套防治措施和預測預報方法，在采深不斷增加和開采范圍不斷擴大的情況下，沖擊地壓次數和危害程度仍大幅度減少。2.3深井巷道支護理論研究現狀巷道支護理論的核心是關于巷道支護與圍巖相互作用本質與規律的系統化理性認識，它一直是巖石工程研究的一個重要的難點。巷道工程與人們常見的地鐵等淺層工程比較有如下特點：(1)巷道埋藏深，地應力大，一般的地鐵等淺層地下工程埋深十余米，大的通常不超過30m。而我國煤礦目前開采深度平均在450m左右，大多數巷道在地表下數百米以下，地應力是淺層地下工程地應力的幾十倍。(2)巷道支護級別低，支護投入少。巷道工程大多是臨時性工程，受經濟條件的限制，相對地不可能像地鐵等永久性民用地下工程那樣高強度投入巷道支護，而巷道圍巖不可避免的要出現一定程度的破壞，巷道維護級別低。(3)巷道支護載荷不確定。淺層地下工程通常是把上覆巖土層全都看成是載荷，支護也有條件擔負起上覆巖土的全部重量。巷道工程則不同，按450m埋深，上覆巖土重量為11MPa以上。在理想壓力分布條件下常用的U型鋼金屬支架一般都小于0.2MPa，巷道支架能夠提供的支護強度經常不到原巖應力的1～2％。(4)巷道允許的變形量大。淺層地下工程通常圍巖變形量只有數毫米到數十毫米，而巷道工程，由于地應力大，支護投入小，又多是臨時性工程，允許的圍巖變形量大，特別是軟巖巷道變形量大的圍巖移近量達到數百毫米，甚至上千毫米，巷道支護經常是不可避免地要經歷和控制圍巖坡壞過程。通常認為一般巷道圍巖明顯位移范圍在巷道寬度的5倍范圍以內，如果以該范圍內巖石平均擴容量衡量圍巖的破壞程度，完整巖石達到峰值強度時擴容量一般只有千分之幾，煤礦巷道寬度多在3m左右，按照直徑為3m的圓形斷面簡化，可以粗約計算出巷道圍巖移近量變化與影響范圍內巖石平均擴容量間的關系，即使考慮5倍巷道寬度圍巖的影響范圍，當圍巖移近量達到300mm左右時，也就是通常所說的中等穩定巷道移近量的下限，平均擴容量就超過0.5％，巷道圍巖一定范圍的破壞是不可避免的。2.4國內外深井巷道支護技術發展現狀國內外煤礦巷道支護技術總的來講經歷了從木支架向鋼性金屬支架、可縮性金屬支架，到錨桿支護的發展過程，其中，U型鋼可縮性支架和錨桿被公認為是井下支護技術上的兩次重大突破，今天已經形成了包括各種料石碹、混凝土碹、噴射混梁網、桁架錨桿、錨索、錨注、高強度混凝土弧板支架等眾多支護形式，不過，不管是受采動影響的采準巷道，還是不受或少受采動影響的開拓巷道，最主要的支護技術還是U型鋼可縮性支架與錨桿支護(包括與塑料網、金屬網、噴射混凝土、W鋼帶、鋼筋梯子梁或桁架的聯合形式)，特別值得一提的是近年國內錨桿支護在采準巷道中的應用正以比較快的速度不斷發展。為了更有效地發揮支護的效果，在選擇井巷各項參數時就應科學地分析和預測各種因素，這些因素的選擇應服從于井巷圍巖穩定和功能的原則。影響巷道圍巖穩定性的因素很多，但井巷一旦開挖就固化了許多因素，如圍巖強度以及井巷的走向、斷面尺寸等，但要控制圍巖的穩定性就必須在支護上認真研究，包括支護材料、支護方法、支護類型等。2.5深礦井開采存在的問題1)礦壓顯現加劇，巷道維護困難。隨著礦井開采向深部發展，礦井逐漸出現礦壓顯現強烈，巷道維護困難，地溫升高和勘探困難，開采條件惡化，生產技術效果和經濟效益下降等問題。一方面，巷道斷面必需加大，據統計，近10年間采深平均增加100ｍ，巖石巷道斷面平均增加8.1%，煤、半煤巖巷平均增加32%；另一方面，地壓增大，在深部高應力作用下，圍巖移動更為劇烈，巷道產生變形破壞更為嚴重。在超過700ｍ的深井中，巷道礦壓問題普遍嚴重，底臌成為常見的地壓現象，特別在采準巷道中尤其嚴重。失修和嚴重失修巷道比例增加，井深1000ｍ時巷道失修率約是同條件下500～600ｍ埋深巷道失修率的3～15倍，部分礦井巷道失修和嚴重失修率達20%以上。且常常出現前掘后修、重復反修的現象。2)煤巖破壞過程強化，沖擊地壓危險性增加。我國發生沖擊地壓的深度在200～1000ｍ，由于開采深度的增加，煤巖體應力升高，有沖擊地壓危險的煤層數量增加，有沖擊地壓的礦井逐漸增多。發生沖擊地壓礦井20世紀50年代為７個，60年代為22個，目前已增加到33個。沖擊地壓發生的次數、強度和危害程度隨深度的增加日趨嚴重。3)瓦斯壓力增高，煤與瓦斯突出危險嚴重。我國是世界上煤與瓦斯突出最嚴重的國家之一，截止1986年，已發生突出的礦井200多個，突出次數約為12000次，約占世界發生總突出次數的1/3。從國內外開采實踐上看，礦井深部開采時瓦斯涌出量一般比較大，煤與瓦斯突出的問題已成為深部開采中不容忽視的重要問題。我國煤礦煤與瓦斯突出均有隨采深增加而瓦斯壓力增高，瓦斯涌出量增大的趨勢。3煤礦深部開采礦壓顯現及其規律3.1深井巷道礦壓顯現特點3.1.1巷道變形量大深井巷道礦壓顯現的顯著特點之一是巷道開挖就產生大的收斂變形量。這一特點是由深井巷道圍巖處于破裂狀態和深井巷道圍巖有較大的破裂范圍決定的。前蘇聯的研究表明，隨開采深度加大，巷道變形量呈近似線性關系增大，從600m開始，開采深度每增加100m，巷道頂底板相對移近量平均增加10%～11%。理論分析表明，深部開采的巷道變形量隨開采深度增大呈近似直線關系增大，開采深度每增加100m的巷道變形增量與巖體強度有關。3.1.2掘巷初期變形速度大深井巷道礦壓顯現的另一個顯著特點是，巷道剛掘出時的變形速度很大。現場觀測表明，深井巷道剛開挖時的變形速度可達50mm/d以上。3.1.3巷道變形趨于穩定的時間長和長期蠕變3.1.4巷道底臌量大底臌量大是深井巷道礦壓顯現的又一個顯著特點。而且，從國內外的有關報道看，深部開采的巷道底臌現象具有普遍性。據前蘇聯對部分深井資料的統計分析：(1)隨開采深度增大，易于產生底臌的巷道比重越來越大。(2)底臌量及其在頂底板相對移近量中所占的比重隨開采深度增大而增大。3.1.5沖擊地壓發生的頻率和強度增大3.1.6沖擊地壓發生的頻率和強度增大理論研究和生產實踐都表明，礦山沖擊地壓的發生、發生的頻率和沖擊強度與開采深度有密切的關系。隨開采深度增加，煤、巖體因變形而積聚的能量呈二次方關系增加。因此，在深部開采條件下，煤、巖體中積聚了巨大的能量，當采礦活動引起的能量釋放速度大于煤、巖體破壞消耗的能量速度時，導致沖擊地壓的發生。實踐表明，深部開采發生沖擊地壓的頻率大大增加，沖擊的強度顯著增大。深部開采的沖擊地壓問題在巖體強度較大的礦山更為突出。3.2煤礦深井回采工作面礦壓顯現特點3.2.1老頂的初次來壓當老頂達到極限跨距而且斷裂時形成三鉸拱式的平衡。以后，隨著工作面繼續推進，將導致新巖塊A的斷裂，如圖2-1所示。此時由于巖塊A的力矩和∑M0≠0，迫使巖塊A發生回轉。老頂的失穩將對工作面帶來嚴重的礦山壓力顯現，甚至危及生產和人身安全。因此，把由于老頂第一次失穩而產生的工作面頂板來壓稱為老頂的初次來壓。當老頂巖塊失穩時，形成了巖塊滑落，對工作面安全造成嚴重威脅。由于老頂破斷巖塊回轉的影響，工作面頂板必然發生下沉。回采工作面煤壁上所承受的支承壓力將隨著老頂跨度的加大而增加。即剛從開切眼推進時為最小，在初次來壓前則達到最大。老頂來壓前，回采工作面的頂板壓力并不大。但煤壁內的支承壓力卻達到了這種情況下的最大值。所以，煤幫的變形與塌落(片幫)，常常是預示工作面頂板來壓的一個重要標志。圖2-1老頂斷裂成巖塊后的轉動老頂初次來壓比較突然。來壓前回采工作空間上方的頂板壓力比較小。初次來壓時，老頂跨距比較大，影響的范圍也比較廣，工作面易出現事故。3.2.2老頂的周期來壓老頂初次來壓后，回采工作面繼續推進，裂隙體梁所形成的結構將發生以下變化。如圖2-5表示了這個變化過程。由圖2-2中a進入b，A巖塊將由穩定狀態進入斷裂狀態。此時，按結構的自由度計算，結構將進入不穩定狀態。隨著回采工作面的推進，在老頂初次來壓以后，裂隙帶巖層形成的結構，將始終經歷“穩定—失穩—再穩定”的變化。這種變化將呈現周而復始的過程。由于結構的失穩導致了工作面頂板的來壓。這種來壓也將隨著工作面的推進而呈周期性出現。因此，由于裂隙帶巖層周期性失穩而引起的頂板來壓現象稱之為工作面頂板的周期來壓。周期來壓的主要表現形式是：頂板下沉速度急劇增加，頂板的下沉量變大；支柱所受的載荷普遍增加；有時還可能引起煤壁片幫、支柱折損、頂板發生臺階下沉等現象。如果支柱參數選擇不合適或者單體支柱穩定性較差，則可能導致局部冒頂、甚至頂板沿工作面切落等事故。圖2-2回采工作面推進過程中巖體結構的變化工程4深部開采巷道支護技術研究4.1深部開采巷道支護技術4.1.1巷道破壞變形的基本因素隨著礦井開采深度的增加，礦山壓力不斷增大，巷道圍巖所受的壓應力、剪應力超過圍巖的強度極限，使圍巖普遍處于破裂狀態，巷道圍巖的大量變形常常使支護難以承受。因此，提高圍巖強度和自承力、降低巖體應力集中是深井巷道支護技術的中心任務。巷道破壞變形的基本因素：(1)隨著礦井開采深度的加大，地壓顯現越加明顯，對巷道的作用力也就越大；(2)巷道處在軟巖、破碎斷層帶等不穩定的巖層和煤層中，維護難度大；(3)上部開采的預留煤柱和殘采煤柱，在巖(煤)層中形成了應力集中。上述情況的存在，都不同程度的影響著巷道的支護狀況。4.1.2巷道支護設計原則從巷道的受力角度考慮，其軸向方向與最大水平主應力的夾角越小越好，但各種巷道的走向往往受煤層賦存狀態所限制。在這種受地質條件約束，主要大巷方向又不能改變的情況下，支護設計就要從巷道布置的位置、巷道斷面形狀及支護方式上進行綜合考慮。比如將巷道布置在較穩定的底板巖層中，若將巷道布置在煤層中，應盡量使巷道圓拱部分處在頂板巖層內且選擇聯合支護形式對巷道進行支護。對于一些地質條件復雜和圍巖不穩定地段的巷道，如頂板錨桿不能錨固在穩定巖層內，錨桿起不到吊掛作用，而巷道頂板巖層又較軟和破碎，組合梁作用較弱，故而可造成巷道頂板破壞或下沉量過大。當巷道穿層掘進時，巷道處于煤巖交界處或完全處于煤層內時，錨桿同樣不能錨固在穩定巖層上，也會造成巷道圍巖位移量加大。在這種情況下，要考慮對巷道進行加強支護，如采用錨桿+錨索加強支護方式。綜上所述，深部開采的開拓和準備巷道錨桿支護初步設計依以下原則進行：(1)為保證錨桿及其它支護材料生產和購買的連續性，設計所選用的錨桿和相關支護材料，以本礦區現用為主。(2)從巷道的服務年限和重要程度上考慮，開拓巷道以支護可靠程度為準則進行設計。(3)以目前礦井內最深的且狀態較好的開拓巷道為類比條件進行加強設計。依以上原則，開拓巷道主要采用以下方式進行支護：對于圍巖較好處的巷道，采用錨桿+金屬網+噴射砼聯合支護方式支護；對于地質條件復雜和圍巖不穩定巷道，采用錨桿+金屬網＋鋼筋網+噴射砼加強支護。5煤礦深井開采問題處理根據對深井開采礦壓顯現規律及其特點的研究，初步得出了相應有效的處理方法和支護技術。5.1深部地層高應力作用機理圍巖狀態是巷道礦壓控制的基礎，巷道圍巖的破壞范圍是深井巷道圍巖穩定性、變形量大小和支護難易程度的決定因素。巷道圍巖的穩定性除了受圍巖自身力學性質影響外，更主要的是受區域應力場所控制，當作用在圍巖上的應力超過其所能承受的應力強度極限時，圍巖就產生失穩性破壞。巷道圍巖以煤層強度為最低，當外部應力作用超過煤層的屈服極限時，煤層進入塑流狀態，導致兩幫內移和底板臌起。隨著變形量加大，使上覆巖層在兩幫煤體內的支點外移，頂板相對出露面積增大，改變了頂板的應力狀態，使頂板下沉、離層。當頂板下沉量超過該巖層的變形極限時，頂板就開始斷裂破壞，直至冒落。5.2優化巷道布置采準巷道的布置應避開煤柱集中應力、構造集中應力、采動應力的影響，選擇在巖性較為穩定的巖石中。深部采區主要準備巷道應以巖巷為主或至少布置一條巖巷。隨著深度的增加，回采工作面推進后煤體塑性區增加，致使區段煤柱留設寬度隨之增加，為保證采區回收率，減少巷道維護，工作面回風(運輸)平巷宜采用無煤柱護巷的形式。巷道施工在遇到以壓應力為主的褶曲、逆斷層時，巷道方向盡量與褶曲軸或斷層走向垂直或斜交；在遇到以拉應力為主的正斷層時，巷道方向則與斷層走向一致或斜交，從而達到減小礦壓顯現的目的。回采巷道布置的方位應使工作面離開斷層推進，使采區一翼內工作面同向推進。避免巷道相向掘進和巷道近距離平行布置，減少相交巷道(或避開銳角)，從而減小應力集中，減少發生沖擊地壓的危險性。5.3改革巷道支護形式對國內外大量深井開采礦井的研究表明，布置在中硬以下巖層中的巷道變形破壞嚴重（特別是受采動影響后），當采深在800～1000m以上時，在中硬及中硬以上巖層內布置的巷道，若采用傳統的支護方式，巷道維護仍很困難。因此，深井中，除要求合理布置巷道位置外，還應根據深井礦壓特點，巷道支護必須滿足既能加固圍巖又能提供較大的支護力、具有較大的可縮性和一定的初撐力等要求，根據圍巖狀況和巷道條件，采