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摘要：通过矿井巷道的改进以及建设维护，对巷道中支护的技术以及方法进行深入的研究，形成能够确保巷道稳定的支护技术系统，丰富和发展井下巷道支护技术，为整个煤田及同类矿井的巷道建设和维护提供了参考。
关键词：深部矿井；复杂条件；软岩支护；转化,藕合；
中图分类号：C93文献标识码： A
前言：随着矿井开采规模的不断扩大和开采深度的增加，大埋深、构造应力、采用不均匀的叠加应力等，复杂应力对巷道支护的影响十分明显，特别是在深部地区的地压下的煤矿软岩巷道，使用常规支护方式很难保证巷道的稳定，已成为一个摆在所有的工程人员面前的一个世界性的技术难题。
巷道支护不稳定,严重制约着煤炭向深部开采,影响巷道施工速度和施工安全,并直接影响矿井的行人、运输、通风安全,对矿井的安全生产带来极大的危害。据统计,我国煤矿每年约要开拓巷道20000km。其中,我国煤矿每年因向深层、复杂区域开采新增受复杂应力影响的软岩巷道达800km,而且有大量已有的软岩巷道支护因破坏严重需要修复。当前井巷支护所采用的高强锚网喷支护和重型U型钢喷射混凝土复合支护,在施工后不长的时间内,大部分巷道就遭到严重破坏,在施工后,大部分巷道在没有满足服务时间要求的情况下,就遭到严重破坏,部分巷道移变量竟然高达2000mm以上。更为严重的是,经反复修复后巷道支护仍不能保持稳定。基于以上原因,研发和应用新的深部软岩巷道支护技术,解决支护稳定性问题,是煤炭行业实施的一个重大课题。
1国内外研究现状
深部矿井开采带来巷道支护稳定性的问题,是世界巷道支护中普遍存在的难题。20世纪60年代以后,西欧一些国家,如英国、法国、德国等以“新奥法”的理论为基础,采用不同强度不同断面的刚性或钢材支架的一定弹性和可弯曲性,设计可缩性金属支架,来处理困难巷道的支护主动性问题。自80年代后期,西欧国家还开始从美国、澳大利亚引进锚杆析架、锚索等支护技术,但直到今天,俄罗斯、波兰、土耳其等一些产煤大国采用不同类型的金属支架来处理巷道的支护问题。
国内在借鉴国外支护技术的基础上,过去采用大型号U型钢全封闭架棚和架棚后再喷浆的复合支护技术,或采用高强锚杆加锚索、加锚网喷复合支护技术,也曾尝试过大板块和网翘支护技术。近年来,又推出锚网喷加支护和高密度锚索与重型钢联合支护。所有这些支护方式,都属于被动支护,一是不能解决困难巷道支护的长期稳定问题;二是施工复杂、巷道支护成本高,大量使用钢材,而且巷道支护破坏后再修复更为困难。
2技术研究与实施
近几年,开滦集团针对矿井巷道支护受埋深、软岩、采动、构造应力和煤系地层含水丰富的影响而出现的变形大、破坏严重、稳定性差及支护困难等技术难题,开展了预控置换激隙泄压构建均质连续支护体系研究,成功开发了强韧封层、预空置换、激隙泄压、稳压胶结、构建均质同性连续的围岩体、实时监控、动态补强等技术,形成了别具特色的主动、动态、立体的新型支护体系。研究以主动支护理论为指导,改变传统支护方式只能被动承载的局限,从改变巷道围岩性质人手,提高围岩自身强度,把围岩改造成为支护的参与体和依托体,从根本上克服复杂应力对巷道支护体的影响,提高支护稳定性。在岩体内留置预应力、缓释叠加应力,达到封、让、固功能的统一,实现不断提高围岩自身强度,使巷道支护长时间保持稳定的目标。
2.1强韧封层
强韧封层,就是在巷道支护中采用以钢丝绳为径骨、高度密贴岩面的强韧混凝土喷浆层结构强,就是借助喷浆机具,将一定比例的拌和料高速喷射到围岩上,使水泥和集料反复连续撞击、压密,使混凝土喷浆层具有较高的强度和良好的耐久性。韧,就是强调将钢丝绳置于混凝土喷层之中,成为混凝土封层的筋骨,使混凝土封层具有强柔韧性结构特征。密,就是以钢丝绳为筋骨的混凝土喷层,有效地保证和增强支护的屈服性、可塑性和喷层的豁结力,密实粘贴并严密地封闭岩层面。
2.2预空置换
在实施的初始,根据巷道设计断面规格,合理扩大其断面开挖范围,提前留出围岩扩展变形的空间(预空),促使围岩体内复杂叠加应力得到释放。其技术机理是,掘进时,在围岩初步形成二次应力场平衡状态期间,必然会发生大量的收敛变形,按设计断面规格提前预留了一定空间,使围岩压力在实施措施之前就得以释放,这就可为下道工序,即“封层”提供良好的处理基础,从而利于强韧封层的形成。
预空置换的方法如下:
(l)提前置换。根据地质资料提供的围岩状况,提前对巷道断面设计进行调整放大,如巷道通过膨胀岩较明显和在构造带中,断面放大10%一巧%(在安全、效益许可条件下,只能是合理、限量放大),有利于围岩移变后的再次补强。
(2)现场施工过程中的置换。在巷道施工实施过程中,根据围岩揭露状况针对软弱围岩进行有
选择的置换。
(3)定位置换。对底角和弱底的重点置换,如锚喷巷道基本无基础,巷道的失稳往往绝大多数从此开始,对这些关键部位在设计和施工实施过程中进行合理置换。
(4)弛后置换。在一次支护结束后,巷道受构造应力集中区和膨胀应力较强造成围岩移变过大支护变形严重,要对移变过大的部分进行置换。
(5)巷道全过程服务期中的动态置换。由于采用强韧封层,巷道移变而不会出现冒落和突发崩解,巷道全过程服务期中,可以在监测监控的基础上随时对局部影响安全使用的支护进行动态置换。
(l)激隙应力释放,实施“人工造隙”。选择合适的部位,采用人工用风镐掘出一定断面,来达
到自然泄压的目的。通常采用巷道底角人工挖槽进行泄压的方式。
(2)炮震激隙。在底角打眼定量装药,通过爆破产生的爆炸能量,在介质中传递应力波不仅使岩石的自由面产生片落,而且通过岩体原生裂隙激发出新的裂隙,或者促使原生裂隙进一步大,
2.4稳压胶结
稳压胶结,就是以科学遴选注浆及注浆压力参数和稳定注浆压力为手段,使浆液在岩体内的裂隙中扩散、压密、凝结,将所及范围的松散破碎围岩胶结成整体,并在巷道围岩体内留存带压浆液,形成浆液胶结加固拱。实践表明,实行巷道支护稳压胶结新技术,在施工中一定要保证稳压注浆;为确保注浆后岩体内留存的浆液能稳定地饱含设定的压力,在操作上,关闭逆止阀的时间要精细掌握,一般要在6h以上,待浆液初凝之后再拆卸注浆锚杆上的逆止阀。
现有的软岩支护理论分析
目前,国内外软岩支护理论有两大类,一类是用定性的原则表述的支护理论;另一类是用定量的力学模型研究的支护理论。
3、定性的支护理论
3.1定量的软岩支护理论
定量的支护理论研究的历史实质上是围岩力学模型的研究历史。五十年代以前,围岩的力学模型经历了刚性、弹性和弹塑性发展阶段。五十年代开始,流变力学引入到岩石力学,至七十年代,岩石流变及流变地压的研究已非常活跃,目前,考虑流变、软化、损伤、断裂、扩容及膨胀藕合作用的围岩力学模型已在国内外文献中较多地出现。但由于存在以下的两个主要问题使得定量的支护理论难以变成实用的可操作的支护理论。一是考虑了各种因素的本构关系过于复杂,涉及的各种参数甚多,计算本身就已变得非常复杂和困难,而要确定支护力的大小,尚需要强度理论或稳定准则,复杂条件下的强度理论或穩定准则目前研究尚很不充分,所以难以将力学模型用于支护力的大小设计。二是目前建立的模型尚难考虑支护过程和围岩变形过程,如支护设计时首先需考虑需不需要支护,然后再考虑何时支护及用多大的力去支护,而象现有的流变模型只有稳定蠕变和不稳定蠕变两种模型,支护的边界力实质上是作为“已知”力给定的,获得设计与施工所需的支护时间、强度、刚度等方面的有用信息。
结语：目前的支护形式现状以及存在的问题分析，使我们得出了对于矿区巷道支护理论的大变形松动理论，并以此理论分析了关于目前支护失效的主要原因。总结了支护设计、施工、检测等方面目前存在的各中问题，施工要求变高，总体效果明显，但支护难题还未彻底解决，需要继续研究。
参考文献：
（1）刘同有，金铭良中国镍钻矿山现代化开采技术【M].北京:冶金工业出版社，1995.
（2）蒋金泉.巷道围岩结构稳定性与控制设计[M].北京:煤炭工业出版社，1998.
关键词：深部矿井；复杂条件；软岩支护；转化,藕合；
中图分类号：C93文献标识码： A
前言：随着矿井开采规模的不断扩大和开采深度的增加，大埋深、构造应力、采用不均匀的叠加应力等，复杂应力对巷道支护的影响十分明显，特别是在深部地区的地压下的煤矿软岩巷道，使用常规支护方式很难保证巷道的稳定，已成为一个摆在所有的工程人员面前的一个世界性的技术难题。
巷道支护不稳定,严重制约着煤炭向深部开采,影响巷道施工速度和施工安全,并直接影响矿井的行人、运输、通风安全,对矿井的安全生产带来极大的危害。据统计,我国煤矿每年约要开拓巷道20000km。其中,我国煤矿每年因向深层、复杂区域开采新增受复杂应力影响的软岩巷道达800km,而且有大量已有的软岩巷道支护因破坏严重需要修复。当前井巷支护所采用的高强锚网喷支护和重型U型钢喷射混凝土复合支护,在施工后不长的时间内,大部分巷道就遭到严重破坏,在施工后,大部分巷道在没有满足服务时间要求的情况下,就遭到严重破坏,部分巷道移变量竟然高达2000mm以上。更为严重的是,经反复修复后巷道支护仍不能保持稳定。基于以上原因,研发和应用新的深部软岩巷道支护技术,解决支护稳定性问题,是煤炭行业实施的一个重大课题。
1国内外研究现状
深部矿井开采带来巷道支护稳定性的问题,是世界巷道支护中普遍存在的难题。20世纪60年代以后,西欧一些国家,如英国、法国、德国等以“新奥法”的理论为基础,采用不同强度不同断面的刚性或钢材支架的一定弹性和可弯曲性,设计可缩性金属支架,来处理困难巷道的支护主动性问题。自80年代后期,西欧国家还开始从美国、澳大利亚引进锚杆析架、锚索等支护技术,但直到今天,俄罗斯、波兰、土耳其等一些产煤大国采用不同类型的金属支架来处理巷道的支护问题。
国内在借鉴国外支护技术的基础上,过去采用大型号U型钢全封闭架棚和架棚后再喷浆的复合支护技术,或采用高强锚杆加锚索、加锚网喷复合支护技术,也曾尝试过大板块和网翘支护技术。近年来,又推出锚网喷加支护和高密度锚索与重型钢联合支护。所有这些支护方式,都属于被动支护,一是不能解决困难巷道支护的长期稳定问题;二是施工复杂、巷道支护成本高,大量使用钢材,而且巷道支护破坏后再修复更为困难。
2技术研究与实施
近几年,开滦集团针对矿井巷道支护受埋深、软岩、采动、构造应力和煤系地层含水丰富的影响而出现的变形大、破坏严重、稳定性差及支护困难等技术难题,开展了预控置换激隙泄压构建均质连续支护体系研究,成功开发了强韧封层、预空置换、激隙泄压、稳压胶结、构建均质同性连续的围岩体、实时监控、动态补强等技术,形成了别具特色的主动、动态、立体的新型支护体系。研究以主动支护理论为指导,改变传统支护方式只能被动承载的局限,从改变巷道围岩性质人手,提高围岩自身强度,把围岩改造成为支护的参与体和依托体,从根本上克服复杂应力对巷道支护体的影响,提高支护稳定性。在岩体内留置预应力、缓释叠加应力,达到封、让、固功能的统一,实现不断提高围岩自身强度,使巷道支护长时间保持稳定的目标。
2.1强韧封层
强韧封层,就是在巷道支护中采用以钢丝绳为径骨、高度密贴岩面的强韧混凝土喷浆层结构强,就是借助喷浆机具,将一定比例的拌和料高速喷射到围岩上,使水泥和集料反复连续撞击、压密,使混凝土喷浆层具有较高的强度和良好的耐久性。韧,就是强调将钢丝绳置于混凝土喷层之中,成为混凝土封层的筋骨,使混凝土封层具有强柔韧性结构特征。密,就是以钢丝绳为筋骨的混凝土喷层,有效地保证和增强支护的屈服性、可塑性和喷层的豁结力,密实粘贴并严密地封闭岩层面。
2.2预空置换
在实施的初始,根据巷道设计断面规格,合理扩大其断面开挖范围,提前留出围岩扩展变形的空间(预空),促使围岩体内复杂叠加应力得到释放。其技术机理是,掘进时,在围岩初步形成二次应力场平衡状态期间,必然会发生大量的收敛变形,按设计断面规格提前预留了一定空间,使围岩压力在实施措施之前就得以释放,这就可为下道工序,即“封层”提供良好的处理基础,从而利于强韧封层的形成。
预空置换的方法如下:
(l)提前置换。根据地质资料提供的围岩状况,提前对巷道断面设计进行调整放大,如巷道通过膨胀岩较明显和在构造带中,断面放大10%一巧%(在安全、效益许可条件下,只能是合理、限量放大),有利于围岩移变后的再次补强。
(2)现场施工过程中的置换。在巷道施工实施过程中,根据围岩揭露状况针对软弱围岩进行有
选择的置换。
(3)定位置换。对底角和弱底的重点置换,如锚喷巷道基本无基础,巷道的失稳往往绝大多数从此开始,对这些关键部位在设计和施工实施过程中进行合理置换。
(4)弛后置换。在一次支护结束后,巷道受构造应力集中区和膨胀应力较强造成围岩移变过大支护变形严重,要对移变过大的部分进行置换。
(5)巷道全过程服务期中的动态置换。由于采用强韧封层,巷道移变而不会出现冒落和突发崩解,巷道全过程服务期中,可以在监测监控的基础上随时对局部影响安全使用的支护进行动态置换。
(l)激隙应力释放,实施“人工造隙”。选择合适的部位,采用人工用风镐掘出一定断面,来达
到自然泄压的目的。通常采用巷道底角人工挖槽进行泄压的方式。
(2)炮震激隙。在底角打眼定量装药,通过爆破产生的爆炸能量,在介质中传递应力波不仅使岩石的自由面产生片落,而且通过岩体原生裂隙激发出新的裂隙,或者促使原生裂隙进一步大,
2.4稳压胶结
稳压胶结,就是以科学遴选注浆及注浆压力参数和稳定注浆压力为手段,使浆液在岩体内的裂隙中扩散、压密、凝结,将所及范围的松散破碎围岩胶结成整体,并在巷道围岩体内留存带压浆液,形成浆液胶结加固拱。实践表明,实行巷道支护稳压胶结新技术,在施工中一定要保证稳压注浆;为确保注浆后岩体内留存的浆液能稳定地饱含设定的压力,在操作上,关闭逆止阀的时间要精细掌握,一般要在6h以上,待浆液初凝之后再拆卸注浆锚杆上的逆止阀。
现有的软岩支护理论分析
目前,国内外软岩支护理论有两大类,一类是用定性的原则表述的支护理论;另一类是用定量的力学模型研究的支护理论。
3、定性的支护理论
3.1定量的软岩支护理论
定量的支护理论研究的历史实质上是围岩力学模型的研究历史。五十年代以前,围岩的力学模型经历了刚性、弹性和弹塑性发展阶段。五十年代开始,流变力学引入到岩石力学,至七十年代,岩石流变及流变地压的研究已非常活跃,目前,考虑流变、软化、损伤、断裂、扩容及膨胀藕合作用的围岩力学模型已在国内外文献中较多地出现。但由于存在以下的两个主要问题使得定量的支护理论难以变成实用的可操作的支护理论。一是考虑了各种因素的本构关系过于复杂,涉及的各种参数甚多,计算本身就已变得非常复杂和困难,而要确定支护力的大小,尚需要强度理论或稳定准则,复杂条件下的强度理论或穩定准则目前研究尚很不充分,所以难以将力学模型用于支护力的大小设计。二是目前建立的模型尚难考虑支护过程和围岩变形过程,如支护设计时首先需考虑需不需要支护,然后再考虑何时支护及用多大的力去支护,而象现有的流变模型只有稳定蠕变和不稳定蠕变两种模型,支护的边界力实质上是作为“已知”力给定的,获得设计与施工所需的支护时间、强度、刚度等方面的有用信息。
结语：目前的支护形式现状以及存在的问题分析，使我们得出了对于矿区巷道支护理论的大变形松动理论，并以此理论分析了关于目前支护失效的主要原因。总结了支护设计、施工、检测等方面目前存在的各中问题，施工要求变高，总体效果明显，但支护难题还未彻底解决，需要继续研究。
参考文献：
（1）刘同有，金铭良中国镍钻矿山现代化开采技术【M].北京:冶金工业出版社，1995.
（2）蒋金泉.巷道围岩结构稳定性与控制设计[M].北京:煤炭工业出版社，1998.