摘要：随着深部煤炭资源的不断开发以及深部矿井的建设,高地应力问题的出现成为危及井巷工程围岩体安全的主导因素, 为了研究矿井深部巷道支护技术问题,综合分析了深井巷道支护现状,采用连续介质力学的方法对深部巷道稳定性进行了分析,计算出巷道围岩弹性位移和塑性位移,结合工程实际,采取联合支护措施,实现了深部回采巷道的安全、高效运行,为深井巷道支护提供有益参考。
关键词:深井巷道;围岩控制;联合支护;连续介质力学
一、深部开采存在的支护问题
随着矿井开采深度的不断增加,巷道断面不断增大。据统计,近10年间采深平均增加100m,岩石巷道断面平均增加8.1%,煤、半煤岩巷平均增加32%。同时随着深度的增加,地应力迅速增大,巷道围岩变形剧烈,巷道变形严重,在超过700m的深井中,巷道矿压问题更为普遍,巷道产生严重的底鼓现象,尤其表现在采准巷道中,失修和严重失修巷道比例增加。据统计,井深1000m处的巷道失修率约是同条件下500～600m埋深巷道失修率的3～15倍,部分矿井巷道失修和严重失修率达20%以上。且常常出现前掘后修、重复返修的现象。深井巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中的主要环节之一。
二、巷道围岩稳定性分析
连续介质力学方法认为支护结构与围岩的相互作用,组成一个共同承载体系,其中围岩是主要的承载结构,支护结构是镶嵌在无限或半无限介质孔洞上的加劲环。它的特点能反映出地下工程开挖后围岩的应力状态。对于围岩的连续介质力学模型,目前较为成熟的求解方法有解析计算法,所谓解析计算法指的是采用数学力学的计算得到闭合解的方法,通过对解析方法及其结果的分析可以得到一些规律性的认识,连续介质力学模型如图1所示。
在采用数学力学方法求解巷道问题时,必须要用到反映岩体基本力学性质的本构方程。因此,在选择使用解析法时,需要特别注意的是采用的物理关系式必须和围岩所处的物理状态相匹配,这样才能反映深埋巷道真实的力学行为。当围岩能够自稳时,围岩状态一般处于全应力-应变曲线的峰前段,这时的岩体属于变形体范畴,故通常采用变形体力学的方法研究;当岩体的应力处于弹性范围时,应当采用弹性力学方法;当岩体部分进入塑性状态后,宜采用弹塑性力学或损伤力学的方法研究。一旦岩体的应力应变超过峰值应力,围岩进入全应力应变曲线的峰后段,围岩就会发生刚体滑移或是处于张裂状态,这时就不能采用变形体力学的方法,必须采用块体力学或是一些初等力学的方法。
为了便于讨论,假定巷道为圆形且周围荷载呈轴对称分布。在此基础上,由于巷道掘进引起的塑性区范围亦为圆形且周围不会出现拉应力区,因此,塑性区满足的平衡方程为:
任何围岩都有一个极限变形量ua,超过这个极限值,岩体的c和φ值将急剧下降,造成岩体的松弛和塌落。此处,与ua对应的是硐室围岩所需提供的最小支护阻力pa。
三、深井巷道矿压显现特征及围岩控制原理
1.矿压显现特征
深部巷道地应力增加,导致围岩岩性恶化,围岩塑性区和破坏区范围增大,尤其煤巷两帮的煤层强度小,在采动支承压力作用下,塑性区和破坏区更大,两帮相对移近剧烈,降低了两帮对顶板的支护,高地应力通过两帮传递到底板,造成深部巷道严重底鼓。深井巷道矿压显现主要表现在:
①巷道发生流变特征,随着时间延续,深部巷道变形持续;
②巷道围岩变形速度快,变形量大;
③深井巷道失效率高,易造成采掘失调;
④巷道对支架特性要求加大,形成高吨位支护体系。
2.深井巷道围岩控制原理
①优化巷道布置,减小巷道围岩应力 合理布置采准巷道,从时间、空间上减少采动支承压力对巷道作用的强度和次数,减小围岩应力,合理设计煤柱尺寸,既要保持煤柱稳定,又要使巷道受到的集中应力尽可能小,尽量将巷道布置在应力降低区内。对于深部巷道来说,采取应力转移、减小浅部围岩应力有利于减小巷道围岩变形量,保持巷道良好维护状态。
②实施正确的巷道支护形式 相关研究表明,将巷道布置在中硬以下岩层中的巷道变形破坏严重,这种严重性尤其表现在采动影响后,当采深在800～1000m以下时,在中硬及中硬以上岩层内布置的巷道,若采用传统的支护方式,巷道维护困难,因此,应积极采取新型支护和联合支护。
③提高围岩强度 采用锚杆支护提高破坏区围岩强度,随着支护强度增大,锚固体极限强度、残余强度增大。加强巷道两帮及底板控制,通过对两帮及底板加强支护、注浆加固,可以提高两帮及底角破碎区围岩的残余强度和锚固力,有效阻止破碎区围岩的碎胀变形。
四、工程应用
1.工程地质条件
以矿工作面回采巷道为背景。该工作面埋深632.2～709.6m,煤层为稳定煤层,平均煤层厚度为3.9m,煤层倾角0～8°,煤层顶板无伪顶,直接顶、基本顶为中细砂岩,平均厚度22.28m,直接底为粉砂岩,平均厚度为2.86m,老底为细砂岩,平均厚度7.35m,巷道断面为矩形,净宽×净高=4.2m×3.0m,净断面积为12.6m2。
2.巷道支护措施
回采巷道支护形式采用联合支护形式,即:锚网+钢筋梯+锚索联合支护。顶部锚杆为φ22mm,l=2200mm;帮部锚杆为φ20mm,l=1800mm。顶、帮部锚杆均为螺纹钢树脂锚杆。锚杆间排距均为800mm。锚索单排居巷中布置,排距2.4m,锚索为15.24mm,锚固深度6.3m。辅顺超前支护采用3排1m一字铰接顶梁配合3排液压单体支柱支护,超前工作面支护距离不小于30m;胶顺超前支护采用单体液压支柱配合2.6m一字顶梁铰接800mm×900mm十字铰接顶梁支护,超前支护距离不小于20m。
3.支护效果分析
采用锚网+钢筋梯+锚索联合支护形式能够有效减小回采巷道变形量和减缓变形速率,巷道两帮移近量均小于300mm,巷道底鼓量显著降低,有效保证了工作面的正常回采。
结论：
①采用连续介质力学的方法对深部巷道稳定性进行分析,可以计算出弹性区和塑性区位移ur0,为实现对深部巷道的有效支护提供参考。
②针对深部巷道的流变性和高失效性,易采用锚网+锚索联合支护方式,能够有效控制顶板和减小两帮移近量。
③通过围岩注浆加固,能够提高围岩极限强度和残余强度,提高锚杆锚固力,有效控制破坏区围岩产生更大的碎胀变形。