耦合支护技术在深井煤矿巷道支护中的应用探析

2022-09-12

引言

从当前我国煤炭资源开采情况来看，虽然正在经受转型升级的阵痛，但是大中型的煤炭集团仍旧处于相对较好的运营状态，且当前呈现出每年向下延伸8-12m/s的速度，这给深部巷道支护提出了较高的支护要求，且从深部巷道支护实践来看，刚性支护在很多情况下已经不能较好控制巷道稳定性，耦合支护技术已经成为了深部巷道支护的重要发展方向。因此，对耦合支护技术在深井煤矿巷道支护中的应用进行分析有着较为重要的意义。

1. 当前深井煤矿巷道支护中面临的主要难题

(1)支护理念已经过时明显

从当前深部巷道支护来看，很多煤矿并没有充分认识到深部巷道支护相对于浅部巷道支护在具体实践中存在的问题，仍旧采用传统的通过增强支护强度的方式来进行支护，表现出一味的增加巷道支护的强度，导致巷道支护成本明显增加，但是并不能取得较好的支护效果。

(2)深部巷道应力环境非常复杂

随着巷道埋深的增加，巷道围岩所处的原岩应力已经表现出明显的静水压力特征，在这种极高的地应力状态与三向等压状态下，巷道围岩塑性区的范围非常大，特别是其中伴随着较为突出的大规模、大量级动力失稳的问题，很多地段的巷道也已经进入到超临界、临界及接近临界的深度。根据大量深部巷道开采的实践表明，深部巷道面临的整体地应力非常大，很多地段的深部巷道的最大水平应力已经大于40MPa，测压系数相对较高，水平应力已经成为主应力的方向。

(3)深部巷道围岩变形破坏特征较为特殊

在高应力状态下，深部巷道围岩整体的变形破坏特征相对于浅部围岩出现了较大的变化，在高应力甚至超高应力状态下，很多巷道围岩进入到了非常复杂的应力条件下，原本在浅部巷道中表现出坚硬岩石特征的岩石，开始展现出软岩的特征，这种岩石被称作“工程软岩”，这类岩石表现出大变形的特点，且有着明显的蠕变性，这给深部巷道支护难度带来的提升非常明显。同时，根据大量深部巷道支护实践表明，“分区破裂化”已经成为了深部巷道围岩的变形特征之一，所谓分区破裂就是深部巷道围岩表现出破裂相互交替的情况，例如，巷道在开挖后0-1m的范围是破坏区域,1-2.5m的范围是塑性区，2.5-4m的范围是稳定区，在4-5m的范围围岩又成为了破坏区域，在这种情况下，给深部巷道支护难度带来的提升非常明显。此外，通过大量工程实践表明，在深部巷道开挖之后，围岩自我稳定的时间非常短，需要施工技术人员在较短的时间内采取针对性的措施进行围岩稳定性控制。同时，一旦失去了最佳的支护时机，整个巷道稳定性支护的难度将会增加数倍，这就需要在进行巷道开挖之前就需要对巷道围岩的实际特点进行深度了解，从而更好的预测在巷道开挖后，可能形成的巷道围岩变形情况，提前采取针对性的措施对巷道稳定性进行更好控制。

2. 耦合支护技术在深井煤矿巷道支护中的具体应用

(1)工程概况

某煤矿西运输大巷承担着矿井西南部煤炭资源的运输任务，平均埋深780m左右，所穿过的岩层主要以三灰含水层和泥岩软弱层为主，原支护设计采用锚网喷支护，在巷道支护后半个月，巷道整体变形严重，两帮明显收敛，顶板下沉严重，底板鼓起突出，且出现了大量锚杆外漏的情况，这说明原支护中锚杆支护实效，给巷道正常使用带来了严重影响。因此，对西运输大巷变形破坏机理及支护控制措施进行分析非常必要。

(2)深井巷道围岩强度分析

为了深入掌握巷道出现的变形破坏问题，选择使用钻孔触探法对巷道围岩的强度进行了原位测试。本次设计采用在巷道的两帮及顶板的位置布置了一根深度超过十米的钻孔，并选择使用围岩强度测试装置对巷道两帮及顶板等不同层位的岩石进行了抗压测试，得到了本次围岩强度测试结果见图1所示。

分析图1可知，不论在巷道的两帮还是在巷道的顶板，围岩整体的强度均出现了非常大的波动，导致巷道波动较大的原因可以归结为，巷道围岩整体的岩性有着较大的差异，即使处于同一个岩性的围岩其中也有着较为突出的不均质性。同时，围岩中包含有较为明显的软弱夹层，包含的层理、裂隙也相对较多，这些给巷道围岩强度带来的影响也非常大。随着巷道的开挖，巷道表层及深部围岩破坏范围在逐步增加，表层的围岩的强度出现了明显的下降，甚至会出现全部丧失的问题。随着围岩承受外界应力的不断下降，整体巷道围岩性将会出现明显增加的趋势。

(3)巷道围岩变形特征分析

首先，巷道顶板下沉明显。通过现场勘查，轨道顺槽在回采过程中出现了明显的下沉，导致很多液压支柱出现了较大角度的倾斜，锚杆、锚索支护失效的问题非常明显，部分顶板的位置还出现了局部漏顶的情况。见图2所示。其次，两帮收敛严重。从现场勘查情况来看，由于两帮移近量非常大，导致巷道侧墙张裂严重，根据现场测量，在两侧墙收敛值较大后，侧墙出现了内鼓进，引起了纵向张裂，最终导致巷道出现片帮，在围岩与喷层之间出现空腔，最终形成大面积的喷锚挂网扭曲、钢筋网扭曲严重的问题，进一步加剧了巷道两帮变形。

第三，巷道底板鼓起问题非常明显。见图3所示。在现场勘查发现，巷道底板由于在原支护过程中，处于敞开状态，并没有进行任何支护，导致巷道底板成为了整个巷道支护中最为薄弱的环节，导致巷道底板成为了高应力的最大的释放空间，因此，在进行巷道返修时，需要重点给予考虑。

(4)巷道返修支护设计分析

针对巷道出现的严重变形破坏问题，在进行巷道返修时，应当注意各个支护体之间的耦合性，增强各个支护构件之间的协同性，特别是充分发挥出巷道围岩自身的承载能力，这对于降低巷道变形破坏程度非常关键。本次设计采用了“锚网索+深浅两次注浆”的返修支护措施。具体支护方式为：支护设计选择的锚杆长度为2400mm，相对于原支护的1800mm的锚杆增加较多，主要目的是进一步加大的锚杆支护长度，有助于在巷道支护的浅部形成“锚杆+巷道浅部围岩+金属网+喷浆层”所形成的浅部支护结构，在这个具体控制时，对于巷道围岩支护时间进行了严格控制，在巷道开挖之后，在2个小时之内开始进行施工，确保在第一时间对巷道浅层的围岩实现预紧压缩，改善浅部围岩应力状态，将浅部围岩特别是表层围岩从开挖后的单轴应力状态调整为三轴应力状态，较好提升围岩自身的承载能力。实现在巷道返修后，对巷道围岩变形破坏的及时控制，充分发挥浅部围岩的自稳能力。同时，加入了8400mm的长锚索，通过锚索支护，充分发挥出深部稳定围岩对浅部围岩的悬吊作用，将浅部围岩悬吊在深部稳定围岩下，同时，在锚索托盘位置，施加有预应力，更好实现对浅部围岩的预紧压缩，改变浅部围岩的应力状态，从单轴应力转变为三轴应力，更好提升浅部围岩的极限承载能力。同时，选择浅部低压力注浆，实现对浅部张裂裂隙的有效封堵，实现对锚杆+围岩+浅部注浆液体形成浅部整体应力承载结构，在巷道浅部形成一个完整的支护壳体，实现对高应力的有效抵抗。同时，在巷道深部形成锚索+深部稳定围岩+注浆液体组成的深部整体承载结构，实现对深部高地应力的有效抵抗，将应力峰值转移到更为深层的稳定围岩中，实现对浅部支护结构的有效保护，降低浅部围岩所承载的地应力，更好保护巷道支护整体的稳定性。

通过现场返修情况来看，整体取得了非常好的耦合支护效果，不仅降低了巷道支护的成本，也满足了巷道的实际使用需要。

3. 结束语

综上分析，当前支护问题是制约深部巷道开采的关键问题之一，但是从当前深部巷道支护实践来看，其在很多方面还有着较大的提升空间，但是耦合支护技术为深部巷道支护提供了较好的发展方向，取得了较好的支护效果。因此，这就需要煤矿企业在开采的过程中，全面认识到整体支护环境已经出现的变化，结合煤矿企业自身实际，将耦合支护理念融入到支护设计和施工中，更好降低煤矿支护成本，提升煤矿支护的有效性。

摘要：随着浅层煤炭资源的不断开采，浅部煤炭资源数量逐渐减少，进入深部开采已经成为了我国煤炭资源开采的必然趋势，在我国的华北等地区的煤矿已经进入了深部开采，甚至进入了超深井开采。随着开采深度的不断增加，煤矿支护工作相对于先前出了较大的变化，传统的巷道支护理念及方式在很多方面已经不能满足实际工程需求。而根据工程实践表明，将耦合支护技术应用到深部巷道支护中对于提升支护效果有着非常重要的意义。本文从当前深井煤矿巷道支护中面临的主要难题分析入手，重点研究了耦合支护技术在深井煤矿巷道支护中的具体应用。

关键词：耦合支护技术,深井煤矿,巷道支护,应用,探析