深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术韩孝广
发表时间：2019-01-09T14:22:32.410Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第31期作者：韩孝广王涛[导读] 本文分析了深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术。
山东省滕州曹庄煤炭有限责任公司山东滕州 277519
摘要：近年来，矿井开采深度逐年增加，巷道周边的地应力也相对提高。
本文分析了深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术。
关键词：深部煤矿；应力分布特征；巷道围岩
前言
深部煤炭开采的最大特点是煤炭资源开采前煤岩体处于高原岩应力状态，而进行采掘活动后，裸露采掘空间表面垂直方向的应力迅速降到大气压。
这种变化引起围岩应力的调整，出现很高的集中应力，在围岩中形成很大的应力梯度。
围岩应力分布不是一成不变的，而是随着采掘活动的进行不断变化。
当煤岩体不能承受这种应力变化时，就会出现各种灾害，这对深部煤矿的安全、高效开采带来巨大威胁。
1 深部煤矿应力分布特征
1.1 深部煤矿地应力测量与分析
目前，许多矿区对深部煤矿的地应力特征缺乏理性认识。
当前直接用于地应力场的研究数据较为缺乏，许多煤矿对支护问题、冲击地压等，与地应力场联系较少。
矿井深度的增加导致地应力值增加，破坏巷道能力加强。
当前的地应力测量主要以空心包体法为主，某些条件下也可采用水压致裂法。
研究地应力学者通过整理600～1500m的深部矿区数据，剔除特殊地质环境测量数据后，总结出地应力测量的方法主要有：水压致裂法（用于一般地质条件）、结合应力解除法。
1.2 深部煤矿地区的地应力方向特征
经过对我国深部煤矿地区的地应力测量研究，发现我国深部矿区地应力方向存在一些特征：岩层中的水平应力方向特征较为显著；最大水平应力角度下量值较垂直应力大。
2 深部巷道围岩控制技术
巷道围岩控制技术按原理可分为3大类：①支护法。
它是作用在巷道围岩表面的支护方式，如各种类型的支架、砌碹支护，为了改善支架受力状况，提高支护阻力，还可实施壁后充填和喷浆等。
②加固法。
其是插入或灌入煤岩体内部起加固作用，使煤岩体自稳的方法，如各种锚杆与锚索、注浆加固，锚杆、锚索分为插入煤岩体内的部分（杆体、锚固剂），以及设置在巷道表面的构件（托板、钢带及金属网），因此，“锚杆支护”确切意义上应称为“锚杆加固”或“锚杆加固与支护”。
③应力控制法。
它是改善巷道围岩应力状态，从而使巷道处于应力降低区的方法，包括巷道布置优化及各种人工卸压法。
2.1 巷道布置优化及应力控制法
针对深部巷道围岩应力高、变形大，甚至会出现冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害，进行采掘优化、巷道布置优化，改善巷道受力状态是首先应考虑的方法。
将巷道布置在应力降低区，如沿已稳定的采空区边缘掘进巷道（沿空掘巷），将巷道布置在采空区下方（掘前预采、上行开采等），均可明显降低巷道受力，改善围岩应力状态。
在深部开采中，有些煤矿水平应力大于垂直应力，而且水平应力具有明显的方向性，最大水平主应力明显高于最小水平主应力。
在这种条件下，当巷道轴线与最大水平主应力平行，巷道受水平应力的影响最小，有利于顶底板稳定。
根据地应力实测数据优化巷道布置方向，对巷道稳定性会起到事半功倍的作用。
此外，巷道布置应尽量避开大型地质构造（断层、褶曲、陷落柱等）。
根据深部煤矿地应力场分布特征，对巷道断面形状与尺寸进行优化，可改善巷道周边附近围岩应力分布，有利于围岩稳定。
人工卸压法，包括切缝、爆破、钻孔及掘卸压巷等，可转移巷道周边附近的高应力，改善围岩应力状态，在适宜的条件下可作为一种辅助的围岩控制手段。
2.2 深部巷道支护与加固法
目前，深部巷道支护与加固形式主要有：锚杆、锚喷支护，U型钢可缩性支架，注浆加固，复合支护（采用2种或2种以上的支护加固方式联合支护巷道，如锚喷+注浆加固，锚喷+U型钢可缩性支架，U型钢支架+注浆加固，以及锚喷+注浆+U型钢支架等型式）。
经过多年研究与实践，我国煤矿已形成了基于煤岩体地质力学测试、以预应力锚固与注浆为核心的巷道支护成套技术。
对于深部巷道，锚固与注浆技术也是经济有效的围岩控制技术。
1）预应力锚固技术。
在深部巷道采用的预应力锚杆、锚索支护技术，其支护原理是大幅提高支护系统的初始刚度与强度，形成高支护应力场，降低采动应力场梯度，主动控制围岩扩容变形，保持其完整性。
同时，支护系统应具有高延伸率，允许围岩有较大连续变形，通过预留变形量，使巷道发生可控变形后仍能满足使用要求。
不同巷道条件应有不同的锚杆支护形式：预应力锚杆支护适用于围岩比较完整的岩石巷道、岩石顶板煤巷等；预应力锚杆与锚索支护可应用于煤顶巷道、无煤柱护巷、软岩巷道、高应力巷道、动压巷道及大断面巷道等多种比较困难的条件；全预应力锚索支护，顶板、两帮，甚至底板全部采用预应力锚索支护，适用于深部高应力巷道、强烈动压巷道等非常困难的条件。
2）注浆加固技术。
在松软破碎煤岩体中开掘巷道，围岩自稳时间短、破碎范围大，在这种条件下，注浆加固是围岩控制的有效途径。
注浆加固利用浆液充填围岩内的裂隙，将破碎煤岩体固结起来，提高围岩整体强度，增加围岩自身承载能力。
我国煤矿目前采用的注浆材料主要分为2大类：一类是水泥基材料，是注浆加固应用最广的材料；另一类是高分子材料，如聚氨酯、脲醛树脂等。
此外，还开发出多种复合材料，以改善注浆材料的性能，降低注浆材料的成本。
在井下应用时，可根据巷道具体地质与生产条件进行选择。
3）预应力锚固与注浆联合加固技术。
当巷道围岩松软破碎，锚杆与锚索锚固力不能保证时，预应力锚杆、锚索与注浆联合是一种有效的加固技术。
注浆可将松软破碎围岩粘结，提高围岩整体强度，同时为锚杆与锚索提供可锚的基础，保证锚杆与锚索预应力与工作阻力能有效扩散到围岩中。
注浆后采用预应力锚杆与锚索支护，可有效控制围岩扩容变形，保持围岩长期稳定。
此外，还开发了多种注浆锚杆、注浆锚索及钻锚注一体化锚杆，适用于不同条件的巷道加固。
3 巷道围岩控制技术研究尚需解决的问题
由于我国不同地域的地质条件迥异，这对围岩控制研究提出了较高要求。
因此，围岩控制理论体系和技术的发展前景广阔，任务艰巨。
3.1 对巷道围岩应力场演化规律尚不清楚
较为深部煤层巷道与一般巷道相比，围岩条件、应力环境较为复杂。
经矿山压力及巷道变形观测的实验数据表明，高应力煤巷的巷道围岩初始变形速度大、围岩变形持续时间长、巷道开挖时围岩经常出现类似冲击地压的现象等，造成上述现象的理由及机理尚不清楚。
3.2 对围岩承载区的系统研究不足
研究人员已充分认识到，保证深部煤层巷道支护效果的关键是围岩自身的承载能力，并据此划分了巷道围岩的承载区。
但对围岩承载区的界定往往从单一角度出发，如应力大小、变形量、破碎程度等，没有充分考虑彼此间的联系，因此未全面反映围岩承载机理。
4 煤层巷道围岩控制技术研究的方向
4.1 进一步建立参数关系
需建立完善的、科学的煤层巷道整体力学模型，在研究直接顶板稳定性的基础上建立各项技术参数及之间的相互关系，为监控技术提供可靠的监控指标，建立“预测-监控”体系。
4.2 深入理论研究
深入研究围岩控制中的关键层理论，对围岩层内的离层区分布给出科学精确的定量描述，为离层区充填技术和地面及井下的抽放瓦斯技术奠定基础，对关键层理论中的研究重点放在坚硬岩层破断的组合效益、关键层破断形态与表土层变形的祸合关系上。
结语
随着煤炭开采技术的发展，巷道作为煤矿井下运输的通道，一直担负着至关重要的角色。
我国煤矿巷道事故频发，已严重制约了煤矿的安全生产和快速发展。
因此，煤巷围岩控制技术已引起广泛重视。
参考文献
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