張雙樓煤礦 3.0Mta 新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖.zip,張雙樓煤礦,3.0Mta,新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖,張雙樓,煤礦,3.0,Mta,設(shè)計(jì),CAD 深部巷道變形機(jī)理及支護(hù)技術(shù)淺析 摘要 隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦井開采正經(jīng)歷著一個由淺到深、由簡單到復(fù)雜的過程，深部 礦井逐漸增多。影響巷道穩(wěn)定性的因素也隨著增加，深部巷道支護(hù)問題越來越引起人們的 重視，煤礦深部開采中礦壓的變化規(guī)律和控制措施的研究也就成了礦壓領(lǐng)域的一個重要部 分。本文通過對深部巷道礦壓特點(diǎn)、變形規(guī)律、巷道破壞機(jī)理、圍巖影響因素以及巷道支 護(hù)技術(shù)的理論研究，闡述了煤礦深部開采過程中巷道變形量大，掘巷初期變形速度大，巷 道變形趨于穩(wěn)定的時間長，巷道的底鼓量大，沖擊地壓發(fā)生的頻率和強(qiáng)度增大，工作面頂 板的初次來壓和周期來壓的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)；通過分析在不同條件下巷道支護(hù)的特點(diǎn)，得出 了深部巷道支護(hù)的有效方法，提出了深井巷道礦壓的控制應(yīng)該著重考慮巷道的優(yōu)化布置和 改善巷道的支護(hù)形式，充分發(fā)揮以錨桿為主體的新型支護(hù)以及錨噴、錨索、錨網(wǎng)等聯(lián)合支 護(hù)形式。 關(guān)鍵詞：深部開采深井礦壓支護(hù)技術(shù) ABSTRACT With the development of coal industry，mine exploitation undergoes the course from the shallow to the deep，and from the simple to the complex，deep mines gets more and more．The stability factor of deep gateway also increase，People also pay more attention to the support of deep gateways，The research of underground pressure changing rules and control measures in deep mines become important component of the field to the range of rock pressure． In this thesis．a(chǎn)ccording to the theory investigation of deep mine underground pressure characteristics，the deformation rules、the destroy mechanism of getaways，the factors of the rocks around gateways and support of coal road technology，it is explained that getaways deformation amount is heavy．Digging gatways initial stage is out of shape and heavy speed，the time to be stability out of shape on coal road is long．The gateways distension is serous，the frequencies and intensity ofrock burst is increasing and the characteristics of roof first pressure and cycling pressure in working face；Based on the different conditions of the gateways support characteristics，draws the availability methods of deep gateway support，It puts forward that optimizing layout of gateways should be considered and the support style of gateway should be improved，which develops the combined supporting style based on anchor jack，rock bolting， anchor rope，bolting with wire mesh and so on． Keywords：deep mining；deep mine underground pressure；Supporttechnology 1 緒論 1.1 國內(nèi)外煤礦深井開采的現(xiàn)狀 煤炭資源從淺部開始開采，隨著煤炭采出，開采煤層的埋藏深度必然要增加，開采規(guī) 模擴(kuò)大和機(jī)械化水平提高加速了生產(chǎn)礦井向深部發(fā)展。煤礦深井開采是世界上大多數(shù)主要 采煤國家目前和將來要面臨的問題，隨著能源需求量大，礦井延深速度加快，一些國有煤 礦已開始轉(zhuǎn)向或即將進(jìn)入深部開采。由于不同的產(chǎn)煤國家在煤層賦存的自然條件、技術(shù)裝 備水平和開采技術(shù)上的差異、以及在深部開采中出現(xiàn)問題的程度不同。因此國際上尚無統(tǒng) 一和公認(rèn)的根據(jù)采深劃分深井的定量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)本國國情，一些采煤國家的學(xué)者對深井的 界定提出的一些見解和論述。前蘇聯(lián)的一部分學(xué)者將采深超過 600m 的礦井歸于深井，而 另一部分學(xué)者把采深 800m 作為統(tǒng)計(jì)深井的標(biāo)準(zhǔn)。原西德學(xué)者把采深 800～1200m 定為深 部開采，把 1200m 以下稱為超深開采。英國與波蘭把煤礦深部開采的起點(diǎn)定為 750m，日 本定為 600m。 在世界主要采煤國家中，德國、英國、波蘭、俄羅斯、日本等都有深部開采礦井。英 國煤礦的平均采深為 700m，最深的達(dá) 1000m。德國煤礦礦井的平均采深為 947m，最深的 達(dá) 1713m。波蘭煤礦的平均采深為 690m，最深的達(dá) 1300m。俄羅斯已經(jīng)有許多礦井采深 達(dá)到 1200～1400m。我國國有煤礦生產(chǎn)礦井中，采深大于 700m 的有 50 處，占總數(shù)的 8．35％， 采深已超過 800m 的礦井有 25 處，分布在開灤、北京、雞西、沈陽、撫順、新汶和徐州等 開采歷史較長的老礦區(qū)，特別是東部礦區(qū)。在采深超過 1000m 的礦井中，有沈陽彩屯礦 (1199m)、開灤趙各莊礦(1160m)、新汶孫村礦(1055m)、北票冠山礦(1059m)和北京門頭溝 礦(1008m)。開灤唐山礦、馬家溝礦和林西礦、北票臺吉礦，新汶華豐礦和阜新王家營礦等 礦井的開采深度接近 1000m。預(yù)計(jì) 10～20 年后，開采深度大于 700m 的礦井將不斷增加。 由此可見，深部礦井的開采技術(shù)既是當(dāng)前一些礦井面臨的問題，也是我國煤炭工業(yè)長 遠(yuǎn)發(fā)展需要十分重視和研究解決的問題。 1.2 深井巷道國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 進(jìn)入深部開采以后。由于巖層壓力大，巷道因巖石變形量顯著增大。支架損壞嚴(yán)重， 巷道翻修量劇增，巷道維護(hù)變得異常困難。深井巷道的礦區(qū)控制已經(jīng)成為深部開采能否順 利進(jìn)行的制約因素之一。為此，進(jìn)入深部開采的世界各采煤國都做了大量研究，取得了可 喜的成果。 1.2.1 國外的研究 原西德、前蘇聯(lián)、波蘭、英國、比利時、荷蘭和日本等國都時深部開采的巷道礦壓及 其控制措施進(jìn)行了大量研究。而尤以較早進(jìn)入深部開采的原西德和前蘇聯(lián)的研究最為突出。 同時，前者也是側(cè)重深井巷道礦壓控制實(shí)用技術(shù)研究的代表，而后者是側(cè)重深井巷道礦壓 控制理論研究的代表。早在 60 年代．原西德就已經(jīng)開始研究 800~1200 m 的，深部開采問 題。70 年代開始研究 1200~1500 m、80 年代開始研究 1600 m 的深部開采問題(原西德將開 采深度超過 1200m 稱為超深開采或大深度開采)，并且建立起了集現(xiàn)場實(shí)測、模型實(shí)驗(yàn)和 理論計(jì)算于一體的“巖層控制系統(tǒng)”。前蘇聯(lián)緊腔其后，己著手研究 1000~1400m 的深部開 采問題。 從總體上看，國外的研究一方面是將已有的巖石力學(xué)與礦山壓力成果應(yīng)用于深部開采， 但同時還結(jié)合深部開采的特殊性和本國國情對深井巷道礦壓控制進(jìn)行了專門研究。通過現(xiàn) 場觀測、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算和理論分析等多種手段對深部開采應(yīng)力、 巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和深井巷道礦壓控制技術(shù)等進(jìn)行了大量研究。 1.2.2 國內(nèi)的研究 與深部開采的歷史和現(xiàn)狀相適應(yīng)，由于我國煤礦進(jìn)入深部開采較晚，因此，與前蘇聯(lián) 和德國等相比，我國在深井巷道礦壓控制的理論研究和實(shí)踐方面部有較大差距，還沒有一 套較為系統(tǒng)、完善的深并巷道礦壓控制體系。目前，國內(nèi)雖然在深井巷道礦壓控制方面做 了一些工作，但大多沿用中、淺部開采的經(jīng)驗(yàn)，很大程度上具有盲目性。例如，至今有的 深部開采的礦井仍然期望用(兩層甚至多層)料石碹“抵抗”深井壓力、依然采用留煤柱“維 護(hù)”巷道，等等。可喜的是，雖然我國對于深井巷道礦壓控制的研究起步較晚，但這個問 題已經(jīng)引起了越來越多人的重視。近幾年發(fā)展較快。已有不少成果公開發(fā)表。主要成果如 下： ①我國進(jìn)入深部開采的礦井如開灤趙各莊礦、淮南九龍崗礦、撫順龍風(fēng)礦和阜新王家 營礦等都建立了適合本礦條件的深井巷道圍巖穩(wěn)定性評價(分類)方案。如中國礦業(yè)大學(xué)與 開灤礦務(wù)局合作，以“松動圈”為指標(biāo)，對趙各莊礦深部巷道進(jìn)行了分類；淮南九龍崗礦 以巷道掘出后 10d 時兩幫相對移近的平均速度 v10 作為判斷巷道穩(wěn)定性的指標(biāo)，并將深井 巷道圍巖分為四類。 ②各礦都根據(jù)本礦的實(shí)際確定了合理的巷道位置，并逐步尋求深井巷道的合理支護(hù)方 式和支護(hù)參數(shù)，已經(jīng)取得了較好的效果。 ③對松動爆破卸壓、開槽(縫)卸壓和導(dǎo)硐卸壓等進(jìn)行了理論分析、數(shù)值計(jì)算、相似材 料模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，取得了預(yù)期的卸壓效果。 ④對深井巷道圍巖穩(wěn)定性、深井巷道礦壓顯現(xiàn)與支護(hù)和深井巷道錨網(wǎng)支護(hù)機(jī)理等進(jìn)行 了理論探討、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)踐。 1.3 煤礦深井開采的主要特征 1、巷道變形量大 國 內(nèi) 外 深 部 開 采 的 實(shí) 踐 表 明 ， 開 采 深 度 為 800~1000m 時 ， 巷 道 變 形 量 可 達(dá) 1000~1500mm 甚至更大，與開采深度和巖石力學(xué)性質(zhì)(破裂區(qū)厚度)等因素有關(guān)。 2、掘巷初期變形速度大 深井巷道礦壓顯現(xiàn)的另一個顯著持點(diǎn)是，巷道剛掘出時的變形速度很大。 ①巷道圍巖破裂區(qū)的形成經(jīng)歷了一個時間過程(此時間過程的長短與圍巖破裂范圍即 破裂區(qū)厚度有關(guān))； ②深井巷道圍巖破裂的發(fā)展速度在巷道剛開掘時較快，以后逐漸衰減，直至破裂區(qū)完 全形成。原因是巷道剛開掘(爆破或機(jī)械切削)時．由于應(yīng)力平衡狀態(tài)被突然打破，原來由 巷道掘進(jìn)斷面輪廓內(nèi)巖石支撐的上覆巖層重量轉(zhuǎn)加給巷道圍巖，在巷道圍巖中形成支撐壓 力。深部開采的巨大支承壓力與巷道周邊處于單向應(yīng)力狀態(tài)的巷道圍巖強(qiáng)度之間的極大反 差很快使巷道周邊的圍巖遭到破壞，應(yīng)力繼續(xù)向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移。遠(yuǎn)離巷道周邊，應(yīng)力 狀態(tài)逐漸改善，圍巖強(qiáng)度不斷提高，同時，支護(hù)也將由于巷道圍巖產(chǎn)生的大的變形而逐漸 起作用，因此，巷道圍巖破裂的發(fā)展速度逐漸減小，最后完全停止，達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀 態(tài)。 3、地壓大 原巖應(yīng)力、巖石塑性大，礦壓顯現(xiàn)明顯，沖擊地壓發(fā)生頻度高，沖擊能量大。在深井 中開采時，巖體受力大，存在脆性巖石時更易發(fā)生沖擊礦壓。 4、變形趨于穩(wěn)定的時間長和長期蠕變 變形趨于穩(wěn)定要經(jīng)歷一個較長的時間過程是深井巷道礦壓顯現(xiàn)的又一大持點(diǎn) 5、巷道底鼓量大 底鼓量大是深井巷道礦壓顯現(xiàn)的又一個顯著特點(diǎn)。而且，從國內(nèi)外的有關(guān)報(bào)道看，深 部開采的巷道底鼓現(xiàn)象具有普遍性。據(jù)前蘇聯(lián)對部分深井資料的統(tǒng)計(jì)分析： ①隨開采深度增大，易于產(chǎn)生底鼓的巷道比重越來越大； ②底鼓量及其在頂?shù)装逑鄬σ平恐兴嫉谋戎仉S開采深度增大而增大。 6、地溫高 地溫是指井下巖層的溫度。一般情況下，地溫隨深度增加而呈線性增加，其增高率用 溫度梯度(℃/hm，hm=100m)表示。地溫決定著井下采掘工作面的環(huán)境溫度，即礦井溫度。 在深礦井開采中，礦井溫度一般都比較高，會影響人體健康，有時甚至?xí)h(yuǎn)高于人體所能 承受的最高溫度。 7、礦井瓦斯大 1）礦井瓦斯（絕對）涌出量大礦井瓦斯（絕對）涌出量隨開采深度增加而增大，其 原因是：①一般情況下，煤層埋藏深，煤層瓦斯含量大。②煤炭開采強(qiáng)度隨采深增加而增 大。 2）瓦斯突出（煤與瓦斯突出）頻度大。突出的量大影響瓦斯突出的因素有：瓦斯賦 存量和壓力；煤(巖)的物理力學(xué)性質(zhì)和所受地壓；地質(zhì)條件等。這些因素隨開采深度增加 而增大。因此，一般情況下，瓦斯突出的頻度和突出物量也隨采深增加而增大。 1.4 煤礦深井開采存在的問題 隨著采深的加大，煤礦開采存在的主要問題有：礦壓顯現(xiàn)加劇，巷道維護(hù)困難；煤巖 破壞過程強(qiáng)化，沖擊地壓危險(xiǎn)性增加；瓦斯壓力增加，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)加大；深熱礦井 增加，氣候條件惡化；礦井生產(chǎn)費(fèi)用增高，經(jīng)濟(jì)效益下降。 1.5 主要研究內(nèi)容和預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)及研究意義 在已有研究成果的基礎(chǔ)之上。本文主要研究以下幾個問題：（1）深并巷道圍巖變形 影響因素及其變形規(guī)律；（2）深井巷道圍巖變形機(jī)理；（3）深井巷道圍巖變形控制的 支護(hù)對策及錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。 我國是世界第一產(chǎn)煤大國，據(jù)煤炭資源開發(fā)和資源保護(hù)研究指出，在我國預(yù)測總儲量 中 73.2％埋深在 1000m 以下，淺部儲量較少。隨著我國煤礦開采規(guī)模的擴(kuò)大，開采深度的 逐漸增加，深部開采已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)的必然過程。深部開采中遇到的礦壓、地?zé)帷⑼咚?等主要技術(shù)問題日益增多，對當(dāng)前的煤礦生產(chǎn)和今后礦井建設(shè)的影響日趨嚴(yán)重。因此，如 何面對深部開采的復(fù)雜地質(zhì)條件，及時解決深部開采所涉及的技術(shù)性問題，從長遠(yuǎn)看，它 將對安全、經(jīng)濟(jì)，合理地開發(fā)深部煤炭資源有重要的戰(zhàn)略意義。 2 深井巷道壓力特點(diǎn)及變形規(guī)律 2.1 深井巷道礦壓顯現(xiàn)的基本特點(diǎn) 開采深度的增加是礦井生產(chǎn)的自然規(guī)律，隨之而產(chǎn)生巖石溫度增加，地壓增大，巖石 破壞過程強(qiáng)化，巷道圍巖變形劇烈，沖擊地壓強(qiáng)度增大和頻度增加等自然現(xiàn)象。它將嚴(yán)重 影響著煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。 深部煤層開采復(fù)雜化的主要影響因素是礦山壓力，在高應(yīng)力作用下，圍巖移動更為劇 烈，巷道產(chǎn)生變形和破壞也更為嚴(yán)重，巷道圍巖變形速度快、變形量大，巷道周邊變形范 圍大；巷道對支架的工作特性要求高，初撐力、工作阻力和可縮量均大，即使開掘在底板 巖石中的巷道，用拱形金屬支架和各種結(jié)構(gòu)封閉式支護(hù)的巷道有時也遭巨大變形。巷道從 使用期間維護(hù)困難已發(fā)展到掘進(jìn)期間維護(hù)困難，掘出后廢棄的巷道增多，巷道掘好后不久 將失穩(wěn)。圍巖收縮變形較大，其巷道穩(wěn)定性隨深度增加而逐漸惡化，使深部巷道的維護(hù)費(fèi) 用劇增。 2.2 深井巷道圍巖變形規(guī)律 在重力、工程偏應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、動壓等諸多因素的影響下，深井巖石巷道圍 巖具有如下的變形規(guī)律： （1）深井巷道圍巖具有軟巖流變特性。巷道圍巖變形區(qū)分為松動帶和塑變帶，區(qū)別 在于易控帶和不易控帶。圍巖表層的松動帶是易控帶，而塑變帶是不易控帶。因?yàn)樗茏儙?是上覆巖層地壓和采動集中壓力造成的。對于深部地下開采而言，特別是有采動影響時， 支護(hù)體無法抗衡集中壓力，防止圍巖產(chǎn)生塑性變形，而只能使支護(hù)性能適應(yīng)塑變帶的巖移， 且支護(hù)體要有相應(yīng)的可縮性。對松動帶來說，支護(hù)體要控制其移近量，保持其相對完整性， 使移近量控制在支護(hù)結(jié)構(gòu)所能承受的范圍內(nèi)，保持松動帶的相對穩(wěn)定，不使其解體坍塌。 （2）深井巷道圍巖變形具有明顯的時間效應(yīng)。深井巷道掘出后，圍巖變形速度隨掘 出時間的變化而變化的性質(zhì)稱為時間效應(yīng)。具體表現(xiàn)為巷道掘出后圍巖變形速度較大，隨 時間增加，變形速度遞減。但圍巖仍以較大速度變形，且持續(xù)時間較長。遇到動壓影響， 此現(xiàn)象還會加劇。如不采取有效的支護(hù)措施，當(dāng)變形量超過支護(hù)結(jié)構(gòu)的允許變形量時，支 護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力下降，圍巖變形速度加劇，最終導(dǎo)致巷道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。 （3）深井動壓巷道圍巖自穩(wěn)時間短，收斂變形量大。圍巖從暴露到冒落的時間，取 決于圍巖暴露面的形狀和面積、巖體強(qiáng)度和原巖應(yīng)力。深井巷道在高應(yīng)力作用下，圍巖出 現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。在巷道掘出后。圍巖變形速度較大，變形量劇增，當(dāng)變形量超過圍巖允 許變形量時，圍巖開始松動、塌落。圍巖自穩(wěn)時間短，一般僅幾十分鐘到十幾小時。巷道 圍巖收斂變形具體表現(xiàn)為頂?shù)装逡平?、兩幫?nèi)移。其中鉛直方向頂?shù)装逡平恳缘坠臑橹鳎?頂板下沉量僅占很小比例。這種現(xiàn)象在高佐煤礦表現(xiàn)尤為突出。 2.3 深井巷道破壞機(jī)理及流變分析 2.3.1 深并動壓巷道破壞機(jī)理 隨著開采深度的增加，巷道圍巖處于高地應(yīng)力的作用之下，還要受到采動的影響，在 淺部表現(xiàn)為硬巖的巖石會逐漸過渡到軟巖范疇，會呈現(xiàn)大地壓、難維護(hù)局面。此種意義上 的圍巖變形主要指在重力作用下巷道圍巖的變形破壞。而且，這種破壞具有與深度有關(guān)而 與方向無關(guān)（構(gòu)造應(yīng)力作用時除外）的特點(diǎn)。即在開挖淺部巷道時，按常規(guī)的支護(hù)方式巷 道變形不明顯，隨著深度的增加，在開挖時選用直墻半圓拱斷面，部分地段全斷面架設(shè)槽 鋼棚、部分地段兩幫澆注混凝土、半圓拱砌碹支護(hù)。按理說支護(hù)強(qiáng)度已經(jīng)很高，但是從開 采至今破壞嚴(yán)重。雖然經(jīng)過多次翻修，仍不能滿足使用斷面，只能報(bào)廢，這充分說明剛性 支護(hù)不能適應(yīng)圍巖的無休止的流變變形。另一方面，巷道在開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了 較大的改變，切向應(yīng)力在巷道壁附近出現(xiàn)局部集中，距巷道壁愈遠(yuǎn)則愈接近原巖應(yīng)力狀態(tài)。 這時巷道圍巖中任一點(diǎn)其應(yīng)力狀態(tài)可用二階應(yīng)力張量表示，而此二階應(yīng)力張量為 ζij ，可分 解為兩部分，球應(yīng)力張量和偏應(yīng)力張量即： éζxx ηxy ηxz ù éζxx - ζc ηxy ηxz ù éζc 0 0 ù ê ú ê ú ê ú ê ηyx ζyy ηyz ú = ê ηyx ζyy - ζc ηyz ú + ê 0 ζc 0 ú （2.1） ê ηzx ηzy ζzz ú ê ηzx ηzy ζzz - ζc ú ê? 0 0 ζc ú? ? ? ? ? 球應(yīng)力張量不引起形變，它是一種三向均壓狀態(tài)。偏應(yīng)力張量引起巷道圍巖的變形破 壞，因此工程開挖引起的偏應(yīng)力局部集中是深井巷道圍巖變形破壞的另一主要原因。一巷 道在掘進(jìn)工程中，不可避免的要遇到地質(zhì)構(gòu)造，如斷層破碎帶、背斜、向斜軸、褶皺帶等．由 于煤層群的開采，巷道圍巖還要受到重復(fù)采動的動壓影響，雖然有煤柱保護(hù)，但實(shí)踐證明， 由于開采方法的不合理，巷道多數(shù)遭到破壞。研究表明，深井動壓巷道，特別是圍巖強(qiáng)度 相對較弱的巷道，圍巖的主要破壞形式和變形機(jī)理為擠壓流動變形，其特點(diǎn)是巷道的圍巖 是己經(jīng)遭受過變形破壞的軟弱破碎巖體，在受采動影響或隨時間流變時，這些軟弱破碎圍 巖的再變形破壞過程中的體積碎脹導(dǎo)致巷道發(fā)生大的變形。 2.3.2 流變分析 流變性包括彈性后效、流動、結(jié)構(gòu)面的閉合和滑移變形。彈性后效是一種延遲發(fā)生的 彈性變形和彈性恢復(fù)，外力卸除后最終不留下永久變形。流動又可分為粘性流動和塑性流 動。它是一種隨時間延續(xù)而發(fā)生的永久變形，其中粘性流動是指在微小外力作用下發(fā)生的 永久變形，塑性流動是指外力達(dá)到極限值后才開始發(fā)生的塑性變形。閉合和滑移是巖體中 結(jié)構(gòu)面的壓縮變形和結(jié)構(gòu)面的錯動。 對地下硐室而言，由錨桿和所支護(hù)部分的巖體組成承載拱，其本身強(qiáng)度和剛度特性都 比較好，故具有約束圍巖變形、保持硐室穩(wěn)定的功能。錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用的長期實(shí)踐已經(jīng) 揭示出軟巖巷道由于巖性差或高應(yīng)力的作用，巷道圍巖較大范圍的巖體發(fā)生破壞導(dǎo)致巷道 變形，此時支護(hù)系統(tǒng)必須有足夠的承載能力才能夠控制圍巖變形，保持巷道的形狀及其正 常使用，錨桿支護(hù)作為一種主動支護(hù)方法，可以鎖緊破碎巖體，使之強(qiáng)度提高，將錨固體 變?yōu)槌休d結(jié)構(gòu)，以抵抗大范圍的圍巖應(yīng)力，從而保持巷道的穩(wěn)定性。此時，可以把錨固體 看成是一種新型的等效材料。在實(shí)際工程中，當(dāng)錨桿間排距比地下建筑物的臨界尺寸小得 多時，可以把錨桿的作用分布到巖體的一定體積上，從而用等效材料的方法研究加固圍巖 的力學(xué)動態(tài)。 2.4 深井巷道圍巖破壞范圍的影響因素 圍巖普遍處于破裂狀態(tài)是深井巷道礦壓的主要持點(diǎn)之一。巷道圍巖破裂范圍——破裂 區(qū)厚度是圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度共同作用的結(jié)果。可以作為評價深井巷道穩(wěn)定性和支護(hù)難易 程度的指標(biāo)。并且，圍巖破裂是深井巷道變形量大的根本原因，破裂區(qū)厚度是巷道變形量 的主要決定因素。顯然．巷道圍巖破裂范圍——破裂區(qū)厚度是深井巷道礦壓控制的一個重 要的基礎(chǔ)參數(shù)。 目前，確定巷道圍巖破裂范圍主要有兩種方法，即現(xiàn)場實(shí)測和理論計(jì)算方法?，F(xiàn)場實(shí) 測有多種方法，比較常用的是聲波法和多點(diǎn)位移計(jì)法?，F(xiàn)場實(shí)測對于解決具體地下工程的 支護(hù)問題無疑是有效的，盡管實(shí)測中還有一些影響實(shí)測結(jié)果的問題需要迸一步解決。然而， 實(shí)測數(shù)據(jù)只能綜合反映圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度相互作用的結(jié)果，不能建立起測試結(jié)果與二者 之間的確切關(guān)系。而這種關(guān)系對于指導(dǎo)深井巷道礦壓控制實(shí)踐，如確定巷道礦壓控制原則 和確定合理的巷道位置等都是必須的。 建立在某種數(shù)學(xué)力學(xué)模型基礎(chǔ)上的理論計(jì)算方法由于對實(shí)際問題進(jìn)行了適當(dāng)簡化，而 且具有巖石力學(xué)參數(shù)和原巖應(yīng)力等難以準(zhǔn)確確定的缺陷。因而計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有一定 距離。然而，理論計(jì)算法的主要貢獻(xiàn)在于，它建立起了巷道圍巖破裂區(qū)厚度與盡可能多的 影響因素之間的關(guān)系，從而有可能采取相應(yīng)的技術(shù)措施減小甚至完全消除某些因素對圍巖 破裂范圍的影響。即使是用今天的觀點(diǎn)看來與實(shí)際相去甚遠(yuǎn)的圍巖破裂范圍(塑性區(qū)半徑) 的 Fenner 解答仍然不失有對實(shí)踐的指導(dǎo)意義，大量實(shí)踐已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。由于兩種方法 都有其局限性，因此，最好是兩種方法同時使用。 剛性試驗(yàn)機(jī)的問世使人們有可能全面了解和認(rèn)識巖石變形破壞的全過程．從而揭示了 巖石不同于金屬材料的重要持性，這就是巖石的應(yīng)變軟化和體積破裂膨脹性。即巖石破裂 （應(yīng)力超過強(qiáng)度極限）后，強(qiáng)度隨應(yīng)變增大而衰減直至殘余強(qiáng)度，同時伴隨體積的塑性膨 脹（體積應(yīng)變不等于零）。與巖石的破裂膨脹性相比，巖石擴(kuò)容引起的巷道收斂變形在深 部開采巷道圍巖破裂范圍較大的情況下只是一個小量。研究表明，巖石的應(yīng)變軟化性對圍 巖破裂范圍影響較大，而此兩個特性對巷道變形都有顯著影響。 2.4.1 影響巷道圍巖破裂范圍——破裂區(qū)厚度的因素 ①巖石應(yīng)力，包括開采深度 H 和采動影響等； ②巖石力學(xué)性質(zhì)，主要有巖體單向抗壓極限強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化程度(系數(shù))； ③支護(hù)方面的因家，包括支護(hù)阻力和巷道掘進(jìn)半徑。 2.5 深井巷道的礦壓控制 2.5.1 優(yōu)化巷道布置 采準(zhǔn)巷道的布置應(yīng)避開煤柱集中應(yīng)力、構(gòu)造集中應(yīng)力、采動應(yīng)力的影響，選擇在巖性 較為穩(wěn)定的巖石中。深部采區(qū)主要準(zhǔn)備巷道應(yīng)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(jìn)后煤體塑性區(qū)增加，致使區(qū)段煤柱留設(shè)寬度隨之增加，為保證采 區(qū)回收率，減少巷道維護(hù)，工作面回風(fēng)（運(yùn)輸）平巷宜采用無煤柱護(hù)巷的形式。巷道施工 在遇到以壓應(yīng)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(yīng)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(dá)到減小礦壓 顯現(xiàn)的目的。回采巷道布置的方位應(yīng)使工作面離開斷層推進(jìn)，使采區(qū)一翼內(nèi)工作面同向推 進(jìn)。避免巷道相向掘進(jìn)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(yīng)力集中，減少發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性。 2.5.2 改革巷道支護(hù)形式 對國內(nèi)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(yán)重 （特別是受采動影響后），當(dāng)采深在 800～1000m 以上時，在中硬及中硬以上巖層內(nèi)布置的 巷道，若采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式，巷道維護(hù)仍然很困難。因此，深井中，除要求合理布置巷 道位置外，還應(yīng)根據(jù)深井礦壓特點(diǎn)，巷道支護(hù)必須滿足既能加固圍巖又能提供較大的支護(hù) 力、具有較大的可縮性和一定的初撐力等要求，根據(jù)圍巖狀況和巷道條件。采用不同的支 護(hù)形式。目前，深井巷道應(yīng)采用的主要支護(hù)及控制措施有以下幾方面嗍。 （1）在采準(zhǔn)巷道中發(fā)展多種形式的 u 鋼可縮性支架，是解決圍巖高應(yīng)力、大變形的 有效支護(hù)形式。提高支架架設(shè)質(zhì)量，加強(qiáng)壁后充填，改善支架受力狀況。 （2）發(fā)展以錨桿為主體的新型支護(hù)，即錨噴支護(hù)、錨梁網(wǎng)組合支護(hù)、錨桿與可縮性 支架聯(lián)合支護(hù)以及可縮性錨桿等。合理選擇支護(hù)形式和參數(shù)，加強(qiáng)質(zhì)量管理，完善檢測手 段等是錨桿支護(hù)應(yīng)用的重要問題。 （3）針對采準(zhǔn)巷道不同時期，采動影響引起的不同圍巖移動特征，采用改變巷道支 護(hù)方式、調(diào)節(jié)巷道支護(hù)強(qiáng)度的非等強(qiáng)多次支護(hù)工藝，對改善深井巷道的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益有重 要意義。 （4）錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)在服務(wù)年限長，圍巖較穩(wěn)定的深井巷道中廣泛應(yīng)用，這一支護(hù) 形式能充分發(fā)揮圍巖自承能力，防止水及空氣對圍巖的風(fēng)化作用。 2.6 深井回采工作面的礦壓控制 2.6.1 深井回采工作面礦壓控制的特點(diǎn) 深部采場礦壓控制特點(diǎn)由深部采煤工作面頂板巖性變化特點(diǎn)和可能發(fā)生的冒頂事故 類型決定。經(jīng)調(diào)查，深礦井開采煤層的頂板巖性變化隨著采深增加，頂板巖層有逐漸變碎 和強(qiáng)度降低的趨勢；隨采深增加，斷層、裂隙、層理和節(jié)理逐漸發(fā)育，同一層位的巖層分 層厚度逐漸變薄，弱面增多，采場頂板懸頂長度逐漸減小，由不容易垮落變得容易垮落； 在頂板巖層變碎和強(qiáng)度有所降低的情況下，深井采場出現(xiàn)漏垮型冒頂事故的可能性加大。 2.6.2 深井回采工作面礦壓的控制措施 （1）對工作面前方已產(chǎn)生裂隙的煤、巖體，超前工作面注漿，注入樹脂類粘結(jié)劑， 使其固化，提高煤巖體自身強(qiáng)度，保證其穩(wěn)定性，也可采用深孔樹脂錨桿加固頂板和煤壁。 （2）盡量縮小端面空頂距，減小無支護(hù)面積。若液壓支架前探梁有伸縮功能，更有 利于新暴露頂板的及時維護(hù)，特別有利于片幫后裸露頂板的管理。 （3）提高前梁支撐力，及早地使支撐力與頂板壓力取得平衡，減小新暴露頂板的離 層、撓曲機(jī)率。加強(qiáng)移架工序的管理，盡力減少破碎頂板的活動程度。 （4）對單體支柱工作面，頂梁上盡量鋪笆或金屬網(wǎng)，若有漏頂，應(yīng)及時構(gòu)頂填實(shí)， 以防頂板失控，導(dǎo)致支架的失穩(wěn)。 （5）要有合理的開采順序和回采方向，避免應(yīng)力疊加造成煤壁壓酥，頂板破壞。 （6）工作面上、下出口及上、下順槽超前支承壓力的應(yīng)力疊加帶，應(yīng)優(yōu)先選用穩(wěn)定 性較好的十字鉸接頂梁支護(hù)系統(tǒng)。 （7）要踏實(shí)地做好測壓工作，掌握初次垮落、初次來壓、周期來壓步距、超前支承 壓力的有害影響范圍、支柱載荷及巷道圍巖變形規(guī)律，以便針對性地做好量化管理。 3 深部巷道支護(hù)技術(shù)研究 3.1 深部開采支護(hù)技術(shù) 圍巖狀態(tài)是巷道礦壓控制的基礎(chǔ)。由于開采深度大，深井巷道圍巖普遍處于破裂狀態(tài)， 這與中淺部開采有所不同。并且，現(xiàn)有支護(hù)不可能改變深井巷道圍巖的破裂狀態(tài)．因此， 深部開采巷道礦壓控制原則的確定和控制措施的采用都應(yīng)建立在圍巖破裂狀態(tài)的基礎(chǔ)上。 支護(hù)不能改變深井巷道圍巖破裂狀態(tài)的含義是支護(hù)不能控制圍巖破裂的發(fā)生，這有理 論和實(shí)踐兩方面的原因。 開采深度越大，巖體強(qiáng)度越小，欲控制圍巖不破裂從理論上應(yīng)提供的支護(hù)阻力就越大， 即使支架能提供 1MPa 的支護(hù)阻力（通常達(dá)不到），支架從理論上控制圍巖不破裂的可能性 對于泥巖在開采深度超過 260m 時已不存在，砂頁巖只在開采深度小于 490m、砂巖只在開 采深度小于約 900m 時存在這種可能性。支護(hù)阻力越小、巷道圍巖強(qiáng)度越低，支架從理論 上能控制圍巖不破裂的開采深度就越小。 在實(shí)踐上，由于支護(hù)不及時以及支護(hù)時支架通常不能與圍巖密切接觸，只有在巷道產(chǎn) 生較大變形后支護(hù)才起作用。而此時圍巖無疑已經(jīng)破裂。事實(shí)上，深井巷道一開掘時圍巖 就處于破裂狀態(tài)，產(chǎn)生了破裂區(qū)?？梢?，與中淺部開采不完全相同，深部開采面對的必然 是開巷后圍巖處于破裂（殘余強(qiáng)度）狀態(tài)。這就是深井巷道礦壓控制的基礎(chǔ)。 3.1.1 深井巷道控制的原則 巷道圍巖破裂范圍（破裂區(qū)厚度）是深井巷道圍巖穩(wěn)定性、變形量大小和支護(hù)難易程 度的決定因索。雖然深井巷道圍巖的破裂狀態(tài)不能改變，但采取包括支護(hù)在內(nèi)的一切礦壓 控制措施，控制圍巖破裂的發(fā)展、減小圍巖破裂范圍是可能的。 礦山壓力的任何控制措施都是建立在礦山壓力的影響因素基礎(chǔ)上的，影響圍巖破裂范 圍的主要因素也就是影響深井巷道礦壓的主要因累。這些因素包括： ①巷道所處應(yīng)力場。包括開采深度和采動影響等； ②巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)．主要有巖體的極限強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化程度，此外， 巖體彈性模量對巷道變形有較大的影響； ③巷道支護(hù)與維護(hù)方式等。 通常，開采深度是不可選擇的，只要人類繼續(xù)有對礦產(chǎn)資源的需求，開采就必然向深 部發(fā)展，或遲或早。而其它因素的影響都可以通過采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档偷揭欢ǔ潭?，有?則完全可以消除它們的影響。例如：采用前進(jìn)式采煤法可以避免超前支承壓力的影響．而 掘前預(yù)采則可以完全消除采動的影響。 1、深并巷道礦壓控制的總體原則 深井巷道礦壓控制總的原則是：采取一切可能的措施，減小巷道圍巖的破裂范圍。這 是由深井巷道圍巖狀態(tài)的特點(diǎn)決定的。減小巷道圍巖破裂范圍可以采取多方面的技術(shù)措施， 如圖 3.1 所示。這些技術(shù)措施歸根結(jié)底是通過降低應(yīng)力和保證巷道圍巖有較高的強(qiáng)度或提 高巖體強(qiáng)度，從而達(dá)到減小巷道圍巖破裂范圍、提高巷道穩(wěn)定性的目的。 選擇適當(dāng)?shù)南锏牢恢煤拖锏辣Ｗo(hù)方法是深井巷道礦壓控制的基本要求和原則，合理的 巷道支護(hù)是深井巷道礦壓控制的根本保證。通常，巖層卸壓和單純的巖層（支護(hù)如錨噴支 護(hù)、錨注支護(hù)等也具有加固圍巖的作用）作為深并巷道礦壓控制的輔助措施。然而，在圍 巖條件相當(dāng)差的情況下，巖層加固是必須的。在巖層壓力（開采深度）很大的情況下，巖 層卸壓是必須的；有時，巖層卸壓和巖層加固都是必要的。 圖 3.1 巷道保護(hù)方式 深井巷道礦壓控制的難點(diǎn)依然是采準(zhǔn)巷道，特別是不得不布置在煤層中的回采巷道， 在深部開采條件下當(dāng)受到數(shù)倍于原巖應(yīng)力的支承壓力作用時將變得很難維護(hù)。改善煤層平 巷的維護(hù)條件應(yīng)采取多方面的措施，最根本的措施是改變開采體系。即改后退式回采為前 進(jìn)式回采。 目前，我國普通采用后退式采煤法，在深部開采中也不例外。由于區(qū)段平巷在工作面 回采前一次掘出，在深部開采條件下掘巷時就會產(chǎn)生較大變形，受采煤工作面超前支承壓 力的影響，巷道維護(hù)狀況將進(jìn)一步惡化，產(chǎn)生嚴(yán)重變形甚至破壞，結(jié)果不得不翻修。 采用前進(jìn)式采煤體系時，區(qū)段平巷隨采隨掘，不僅維護(hù)時間短，而且不受工作面前方 移動支承壓力的影響，對深部開采的煤層平巷維護(hù)比較有利。原西德的研究表明，前進(jìn)式 采煤法的巷道變形量比后退式采煤法小得多。在開采深度為 1600m 的情況下，提前掘進(jìn)（后 退式采煤法）的工作面巷道受一側(cè)采動影響后，其頂?shù)装逑鄬σ平扛哌_(dá)巷道原始高度的 89％．而隨工作面開采同時掘進(jìn)（前進(jìn)式采煤法）的巷道項(xiàng)底板相對移近量僅 46％。若用 建筑材料充填則可以降低到 35％。開采深度越大，前進(jìn)式采煤體系的優(yōu)點(diǎn)越突出。 目前，不少采煤國采用前進(jìn)式采煤法的比重都比較大，如英國達(dá) 80％，德國為 60％， 波蘭占 40％，法國為 50％。從深部開采的煤層巷道維護(hù)問題出發(fā)，我國也應(yīng)推行前進(jìn)式 采煤體系。國外的實(shí)踐表明，通過采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，前進(jìn)式采煤法的通風(fēng)安全問題是 可以解決的。 然而，需要指出的是，由于前進(jìn)式采煤法必然要與沿空留巷相結(jié)合，而在厚煤層中沿 空留巷通常比較困難，特別是在深部開采的條件下，因此前進(jìn)式采煤法應(yīng)首先在薄煤層和 厚度較小的中厚煤層中推廣應(yīng)用。 2、深井巷道布置原則 同中淺部開采一樣．深部開采的巷道也應(yīng)布置在：①開采形成的應(yīng)力降低區(qū)；②強(qiáng)度 高、整體性好的穩(wěn)定巖層中。就巷道位置而言，不外乎巷道的埋藏深度、巷道與采場（采 空區(qū)）或其它巷道的相對位置以及巷道所處的巖層層位。開采深度是不可選擇的，因而從 這種意義上說，巷道埋藏深度也不可選擇。然而，巷道與采空區(qū)的相對位置和巷道的巖層 層位通常有較大的選擇余地。 巖石力學(xué)性質(zhì)是影響深井巷道礦山壓力的一個主要方面。好的圍巖條件能在一定程度 上甚至大大削弱開采深度和采動對深井巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，因?yàn)橄锏绹鷰r穩(wěn)定性取決 于圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度相互作用的結(jié)果，即圍巖狀態(tài)或圍巖破裂范圍。國外不少金屬礦山 的開采深度達(dá) 2000—3000m，世界上開采深度最大的南非金礦達(dá) 4000m，但巷道支護(hù)問題 并不突出，而煤礦的開采深度達(dá)到 800—1000 m 后巷道支護(hù)問題通常變得很困難，原因就 在于金屬礦床特別是內(nèi)生礦床的圍巖強(qiáng)度比煤礦床的圍巖強(qiáng)度高得多。 煤礦開采的實(shí)踐也表明，若巷道圍巖為厚層砂巖或整體性好的石灰?guī)r，即使開采深度 超過 1000m，巷道變形量也很小，用一般支護(hù)方法也能成功地維護(hù)。相反，若巷道圍巖為 節(jié)理裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低的松散軟弱巖層，即使開采深度僅 300~400 m，巷道變形量也很大， 常規(guī)支護(hù)方法已很難維護(hù)。因此，可以認(rèn)為，在深部開采條件下，巖性對巷道圍巖穩(wěn)定性 的影響比中、淺部開采突出。 此外，由于以下多方面的原因，使得深部開采的巷道底區(qū)問題比較突出。這些原因主 要是： ①深部開采壓力大； ②巷道形狀及對底板無支護(hù)不利于控制底鼓； ③水對底板巖層的軟化作用（如欲用錨桿控制底臌．而在施工過程中將水導(dǎo)入底板巖 層，結(jié)果適得其反）； ④施工過程中底板巖層遭到破壞（如底板超挖、履帶式裝載機(jī)反復(fù)碾壓底板等）。 然而，造成底鼓的根本原因是底板巖層的強(qiáng)度低（破裂膨脹）、或底板巖層遇水膨脹。 因此，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)巷道底板巖層的力學(xué)性質(zhì)。 巷道布置在開采形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，不僅可以免受采動的影響，而且，由于應(yīng)力降 低區(qū)內(nèi)的應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，因此還可以在一定程度上減小開采深度的影響。 眾所周知，開采將在采場（采空區(qū)）四周形成支承壓力，并向底板巖層中傳播。在煤 層（煤柱下方的）底板巖層中形成應(yīng)力升高區(qū)。通常，開采形成的支承壓力是原巖應(yīng)力的 數(shù)倍。甚至十倍以上，與采動狀況（一側(cè)采動還是兩側(cè)采動）、距離煤壁（煤柱）邊緣的 距離和與采空區(qū)的相對位置等因素有關(guān)。顯然，開采的影響等價于開采深度的成倍增加， 從而使巷道所處的應(yīng)力成倍增大。在很大程度上可以說，采動對深井巷道維護(hù)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過開采深度的影響。不過，開采深度不能選擇，而通過適當(dāng)?shù)卮_定巷道位置?？梢员苊?或減小開采形成的支承壓力的影響。這就是將巷道布置在開采形成的應(yīng)力降低區(qū)。 3、無煤柱護(hù)巷原則 留煤柱和不留煤柱（無煤柱）是巷道保護(hù)的兩種基本方式。在深部開采條件下，由于 支承壓力峰值處距煤壁邊緣的距離和支承壓力的影響范圍增大，因此，為了避免支承壓力 的影響，留煤柱護(hù)巷勢必大大增大護(hù)巷煤柱寬度（圖 3.1 中第 3 種巷道布置方案）。然而理 論分析和現(xiàn)場實(shí)踐都表明，要完全避免支承壓力的影響，在深井條件下煤柱寬度將達(dá) 100 —150m 以上。開采深度越大，煤體強(qiáng)度越低，不受支承壓力影響需要留的護(hù)巷煤柱寬度 越大。毫無疑問，通過加大煤柱尺寸來改善深井巷道的維護(hù)條件效果并不理想，并且會造 成煤炭資源的極大損失。留煤柱護(hù)巷在實(shí)踐中較普遍的是留寬度較小的煤柱，這對深井巷 道的維護(hù)極為不利。在深部開采條件下，若護(hù)巷煤柱的寬度為 10—20m，巷道將位于支承 壓力峰值附近，甚至恰恰位于支承壓力峰值處（圖 3.1 中巷道位置 2）。由于煤柱上作用的 支承壓力向底板巖層中傳播，在煤柱下方的底板巖層中形成應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力成倍增大， 因此，留煤柱對底板巖巷或下部煤層巷道的維護(hù)極為不利。例如，國內(nèi)某礦在進(jìn)入深部開 采后仍然采用留煤柱的方式“保護(hù)”采區(qū)石門，結(jié)果受上部煤層開采在煤柱上形成的支承 壓力的影響、在其服務(wù)期間不得不多次翻修。這說明，留煤柱對巷道維護(hù)的消極作用在一 部分現(xiàn)場還沒有被充分地認(rèn)識到。 無煤柱護(hù)巷的實(shí)質(zhì)是將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)或使巷道處于低應(yīng)力區(qū)，避免開采形成 的數(shù)倍于原巖應(yīng)力的支承壓力的影響，這對深井巷道維護(hù)較為有利。因此，無煤柱護(hù)巷應(yīng) 作為深井巷道礦壓控制的一條基本原則。這是由深部開采巖層壓力大，因而應(yīng)把降低巷道 所處的應(yīng)力放在首位的特殊要求決定的。 4、巷道圍巖破裂區(qū)原則 它的內(nèi)涵是，在深部開采條件下，支護(hù)不可能改變巷道國巖的破裂狀態(tài)，因此應(yīng)允許 圍巖出現(xiàn)破裂區(qū)，即應(yīng)允許支架工作在巷道圍巖特性曲線的破裂點(diǎn)之后。這是由深井巷道 的圍巖狀態(tài)持點(diǎn)決定的。 在深部開采條件下：①現(xiàn)有支護(hù)不可能提供足以阻止巷道圍巖破裂的支護(hù)阻力；②支 護(hù)無法在巷道圍巖破裂前施加影響，因?yàn)榫蛳?炮掘爆破)時圍巖已開始破裂。因此，與中、 淺部開采不同，對于煤系地層、深部開采的巷道圍巖破裂是必然的，應(yīng)該并且只能允許圍 巖破裂。 圖 3.2 圍巖與支架相互作用關(guān)系 按照現(xiàn)有的巷道支護(hù)理論（圖 3.2），巷道支架的工作點(diǎn)應(yīng)在圍巖破裂點(diǎn)之前（這在開 采深度不大且圍巖強(qiáng)度不是太低時是可能的）。并且認(rèn)為，當(dāng)支架工作點(diǎn)位于圍巖破裂點(diǎn) 之后時，支架將承受較大的壓力。有必要指出，這只是一種推測，所以曲線后半段在有關(guān) 文獻(xiàn)中常常以虛線的形式出現(xiàn)。支架受力大小是支架與巷道圍巖相互作用的結(jié)果，固然與 圍巖狀態(tài)有關(guān)，但它決定予巷道將產(chǎn)生多大的變形、支護(hù)前巷道已經(jīng)產(chǎn)生的變形量大小和 支架的力學(xué)性能（增阻特性）。圍巖破裂后支架是否受到比圍巖破裂壓力（A 曲線上 c 點(diǎn)對 應(yīng)的壓力）更大的載荷作用，取決于由于破裂增加的巷道變形量作用于巷道支架產(chǎn)生多大 的變形壓力。此外，圍巖破裂將使變形能得以釋放，在破裂范圍不大（在巖體彈性模量不 太小的情況下破裂區(qū)厚度 1.5—2m）的條件下釋放的壓力有可能大于由于圍巖破裂而增加 的變形壓力，結(jié)果使支架承受比圍巖破裂壓力更小的載荷作用。 計(jì)算與分析表明，在深部開采條件下，只有在巖體極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度較大，而應(yīng)變 軟化系數(shù)較小，從而破裂壓力較小而支護(hù)剛度較大的情況下，圍巖破裂才有可能使支架承 受比破裂壓力更大的載荷作用。通常，在破裂范圍不是很大(破裂區(qū)厚度小于 1.5—2m)的情 況下，圍巖破裂有利于減小支架的載荷。特別是在開采深度較大或圍巖強(qiáng)度較低的條件下。 然而，必須強(qiáng)調(diào)指出，允許圍巖出現(xiàn)破裂區(qū)并不意味著允許圍巖無限制的破裂，相反，應(yīng) 將圍巖破裂控制在一定范圍內(nèi)。從圖 3.3 可見，圍巖破裂范圍過大將導(dǎo)致支架承受巨大的 載荷，結(jié)果將使支架變形和破壞。 圍巖破裂將使巷道圍巖穩(wěn)定性降低，破裂范圍越大，巷道圍巖穩(wěn)定性越差，但破裂并 不意味著圍巖失穩(wěn)。圍巖破裂意味著圍巖處于殘余強(qiáng)度狀態(tài)，但仍然具有一定承載能力。 側(cè)壓力越大，殘余強(qiáng)度越大。破裂圍巖的承載能力也越大。因此，遠(yuǎn)離巷道周邊，在破裂 區(qū)與塑性區(qū)交界處。破裂圍巖可以達(dá)到很高的承載能力。而圍巖失穩(wěn)（如冒頂）屬于力的 平衡問題。它取決于巖層重力與周圍巖體的摩檫力和支架阻力等是否處于平衡狀態(tài)。 綜上所述，應(yīng)允許深井巷道圍巖破裂，但必須將破裂控制在一定范圍內(nèi)。允許圍巖破 裂有利于充分利用圍巖的自承能力，減小支架載荷。 5、先柔后剛，二次支護(hù) 這一原則是由深井巷道的變形特點(diǎn)決定的。 深井巷道剛掘進(jìn)時，圍巖破裂發(fā)展很快，巷道變形速度大，壓力大，來壓快；以后變 形速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，保持較低的變形速度而處于長期蠕變狀態(tài)，直至受到采動影 響。為了適應(yīng)深井巷道的上述變形特點(diǎn)，應(yīng)采用先柔后剛的二次支護(hù)方式。 一次支護(hù)應(yīng)允許巷道圍巖變形。具有一定“柔性”，以釋放大的變形壓力。充分利用 圍巖的自承能力。但僅僅具有“柔性”還并不是理想的一次支護(hù)方式，因?yàn)椴焕杩刂茋?巖破裂的擴(kuò)展。理想的一次支護(hù)方式應(yīng)是既能適應(yīng)掘巷初期巷道變形速度大的特點(diǎn)，又能 加固巷道圍巖，盡早控制圍巖破裂的擴(kuò)展。從這種意義上說，以加固圍巖為主的錨噴（網(wǎng)） 支護(hù)是比以被動支護(hù)為持征的（可縮性）支架更理想的一次支護(hù)方式。 二次支護(hù)應(yīng)能適應(yīng)圍巖破裂區(qū)形成后巷道長期緩慢變形的特點(diǎn)，具有較大的剛性、以 保證破裂區(qū)圍巖的穩(wěn)定性。此外，無論是從深井巷道變形量大、還是變形速度大出發(fā)，都 要求支架（護(hù)）必須具有足夠大的可縮量。因此，不僅普通料石碹、木支架、混凝土支架 和普通金屬支架等剛性支架。而且可縮量小的可縮性金屬支架也不適應(yīng)深并巷道變形量大 的持點(diǎn)。我國有的深部開采的礦井曾試圖用雙層甚至多層料石碹“抵抗”深井巷道的變形 壓力，其結(jié)果是不言而喻的。 3.1.2 巷道支護(hù)的主要形式 可縮性金屬支架；錨桿支護(hù)；錨索支護(hù)；錨桿噴射混凝土支護(hù)（簡稱錨噴支護(hù)）；錨 桿、金屬網(wǎng)支護(hù)（簡稱錨網(wǎng)支護(hù)）；錨桿、金屬網(wǎng)、噴射混凝土支護(hù)（簡稱錨噴網(wǎng)支護(hù)）； 錨桿、金屬網(wǎng)、鋼架、噴射混凝土支護(hù)（簡稱錨網(wǎng)噴架支護(hù)）；錨桿、噴射混凝土和錨索 聯(lián)合支護(hù)（簡稱錨噴索支護(hù)）；錨桿、金屬網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護(hù)（簡稱錨網(wǎng)索支護(hù)）：錨桿、 梁、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)（簡稱錨梁網(wǎng)支護(hù)）；錨桿、金屬網(wǎng)和可錨性金屬支架聯(lián)合支護(hù)（簡 稱錨網(wǎng)架支護(hù)）；錨桿、金屬網(wǎng)和桁架支護(hù)（簡稱錨網(wǎng)桁支護(hù)）；錨、梁、網(wǎng)、噴、注漿聯(lián) 合支護(hù)；錨、網(wǎng)、噴、碹聯(lián)合支護(hù)等。 3.1.3 開拓巷道支護(hù) 礦井的斜井、大巷、硐室、石門等工程，多屬永久性工程，服務(wù)年限長。又稱為開拓 巷道，因此對此巷道的支護(hù)要首先考慮以下 3 個主要因素：①巷道布置層位；②回采時動 壓作用影響；③支護(hù)形式。 （1）對于巷道的開拓布置，避開人為的巷道破壞是非常重要的。巷道的布置選在穩(wěn) 定和較穩(wěn)定的巖層中。 （2）在開采過程中，為巷道免受圍巖二次變形的破壞，最好在巷道掘進(jìn)之前或掘進(jìn) 后就應(yīng)該先采出位于巷道之上的一個煤層或一個亞階段，使巷道在卸壓區(qū)域中開掘和使用， 其后開采其它區(qū)段對它不再有較大的影響，周圍的巖層也相應(yīng)的保持了穩(wěn)定。 （3）巷道支護(hù)形式，在穩(wěn)定或較穩(wěn)定的圍巖中，以錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)形式支護(hù)最為理想。 （4）在不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定的巖層中，單靠一種支護(hù)形式難以取得滿意效果，因此可 因地制宜的采取不同形式進(jìn)行加固或聯(lián)合支護(hù)。 3.1.4 采區(qū)巷道支護(hù) 采區(qū)上山（下山）巷道多數(shù)采用煤、半煤巖掘進(jìn)，一部分也可布置在煤層的底板，但 其影響支護(hù)的關(guān)鍵是無煤柱開采，多回收煤柱而帶來的動壓破壞變形，這種情況在近距離 煤層開采中尤為突出。因此，作為上山（下山）在巷道斷面與支護(hù)上，考慮首先要采用拱 形斷面為宜，并留有一定的可縮系數(shù)，以保證巷道的使用斷面，支護(hù)上采用錨、網(wǎng)、噴支 護(hù)，在上部回采工作跨采之前對上山（下山）巷道采用錨梁、u 型棚可縮支架、錨索等強(qiáng) 全螺紋全錨錨桿進(jìn)行加固。當(dāng)矩形斷面跨度超過 3m 時，在錨、背、網(wǎng)的基礎(chǔ)上，則必須 再加外部支架進(jìn)行支護(hù)，特別是上山（下山）片口更應(yīng)如此，防止巖梁受拉斷裂冒頂。通 過上述支護(hù)措施，便可達(dá)到巷道維護(hù)，不丟失煤柱資源和安全使用的目的。 3.1.5 采區(qū)工作面支護(hù) 采區(qū)工作面受回采工作面采動壓力作用破壞變形最為嚴(yán)重，它的支護(hù)好壞直接影響著 生產(chǎn)和安全。解決這一問題，煤柱護(hù)巷已不能從根本上解決深部開采條件下的支護(hù)問題， 軌運(yùn)合一，采后留巷，也很難對采空區(qū)邊緣的巷道支護(hù)好。因此，以沿空擦邊送巷，取消 保護(hù)煤柱，將對巷道支護(hù)起到巨大作用。在支護(hù)上采用組合式錨桿支護(hù)，即巷道以金屬網(wǎng)、 w 鋼帶背實(shí)，沿巷道兩肩窩和底角配備加長錨桿和異形托盤進(jìn)行錨固，頂板再每隔一排錨 桿間距打二排錨索加固。對于厚煤層開采的中下分層支護(hù)，因頂板處于假頂狀態(tài)，故兩幫 除錨、背、網(wǎng)外，還需要另增設(shè)框式可縮性支架。 3.1.6 回采工作面切眼支護(hù) 回采工作面除綜采切眼外，斷面較小，而且停放時間短，比較容易控制，一般的支護(hù) 采用錨，背、網(wǎng)與增設(shè)單體支柱掛頂梁聯(lián)合支護(hù)即可。但在綜采工作面切跟支護(hù)上難度較 大，它受斷面大，且支護(hù)的支架受安裝綜采支架的影響，以及原支護(hù)支架的回收因素。因 此，如沒有援應(yīng)對策，將難以保證安全。所以，對綜采切眼的支護(hù)應(yīng)按照下列方法進(jìn)行支 護(hù)：（1）采用“錨、帶、網(wǎng)、支聯(lián)合支護(hù)，一次成巷，避免分次支護(hù)，刷大時造成冒頂事 故，特別是對復(fù)合頂板，給二次擴(kuò)幫支設(shè)支架帶來不安全因素。（2）使用錨桿、金屬網(wǎng)、 w 鋼帶要緊跟掘進(jìn)工作面，避免復(fù)合項(xiàng)板離層現(xiàn)象，尤其是安裝綜采設(shè)備回收框式支架后， 錨、帶、網(wǎng)將給安裝工作帶來安全保證。（3）框式支架的兩根立柱，必須具備可縮性和初 撐力，安裝時先支后回來調(diào)整兩立柱之間的距離，便于綜采支架安裝。 總之，降低應(yīng)力，加固圍巖和在此基礎(chǔ)上采用符合圍巖變形規(guī)律的支護(hù)形式是深井巷 道維護(hù)的基本方法。 3.2 可縮性金屬支架 3.2.1 U 型鋼拱形可縮性支架 U 型鋼拱形可縮性支架，結(jié)構(gòu)比較簡單，承載能力大，可縮性較好，是 U 型鋼可縮性 支架中使用最廣泛的一種。分為（1）半圓拱可縮性支架；（2）三心拱直腿可縮性支架；（3） 三心拱曲腿可縮性支架。 拱形 U 型鋼可縮性支架的優(yōu)點(diǎn)是：（1）支架受力均勻，特別是對非均勻載荷，不穩(wěn)定 圍巖和動壓巷道有良好的適應(yīng)性；（2）由于支架鉸接處彎矩較小，從而使支架承載能力提 高了 2～3 倍；（3）支架的可縮性較好，支護(hù)效果好。 拱形 U 型鋼可縮性支架的缺點(diǎn)是：（1）在煤層開采厚度較小的情況下掘進(jìn)巷道時，不 利于保持巷道項(xiàng)板的完整性和穩(wěn)定性，在工作面與巷道連接處比較難以安裝；（2）在非機(jī) 械化掘進(jìn)的條件下，拱形巷道斷面施工也比較困難。 3.2.2 U 型鋼環(huán)形可縮性支架 環(huán)形可縮性支架又稱封閉形可縮性支架，支架各節(jié)連接形成一個環(huán)形。封閉形支架與 拱形、梯形支架的不同之處在于其底部是封閉的，其優(yōu)點(diǎn)是：由于支架本身是一個閉合體， 其承載能力較拱形、梯形支架有較大的提高，支架變形損壞??；由于支架底部封閉，對巷 道底鼓有良好的控制作用，對巷道兩幫也有較強(qiáng)的控制能力。環(huán)形可縮性支架缺點(diǎn)是：結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、鋼材消耗多、成本高。通常只在圍巖松軟、采深大，壓力大、底鼓嚴(yán)重、兩幫移 近量很大的巷道才使用這種支架。 環(huán)形可縮性支架的主要類型有馬蹄形、圓形、方環(huán)形、長環(huán)形等。 3.2.3 梯形可縮性支架 梯形可縮性金屬支架一般采用礦用工字鋼制作的，它是一梁二柱結(jié)構(gòu)。項(xiàng)梁用礦用工 字鋼制造，與剛性梯形支架的項(xiàng)梁一樣不能收縮讓壓。柱腿由帶可縮性柱頭的兩節(jié) U 型鋼 組成。該支架只對頂壓有可縮性，梁柱接口長度 150m，柱腿扎角為 80°（或自行調(diào)整）。 梯形可縮性支架在我國巷道金屬支架系列中采用兩種礦用工字鋼（11 號、12 號）和兩 種 U 型鋼（25U、29U）。礦用工字鋼可縮性支架的力學(xué)性能是它垂直可縮，其承載能力小。 它適用于圍巖較穩(wěn)定，頂壓較大，側(cè)壓較小，多用于巷道斷面小于 18m2 的炮采工作面的 兩巷及綜采工作面回風(fēng)平巷。梯形可縮性金屬支架的特點(diǎn)：掘進(jìn)施工簡便，斷面利用率高， 有利于保持頂板完整性，巷道與工作面連接處支護(hù)作業(yè)簡單，但支架承載能力較小。因此 梯形支架通常適用于開采深度不大、斷面較小、壓力不太大的巷道，也可用在圍巖變形較 大的巷道中。 3.2.4 可縮性金屬支架的選擇 拱形支架在我國使用廣泛，特別是在巷道圍巖變形量和壓力較大的情況下，使用拱形 支架更有其優(yōu)越性。環(huán)形可縮性金屬支架的承載能力大，能有效地控制巷道底鼓和兩幫移 近，適宜在圍巖壓力大，特別是兩幫壓力大、底鼓嚴(yán)重的巷道中使用。當(dāng)側(cè)壓和底鼓不甚 嚴(yán)重、巷道壓力和圍巖變形亦不太大（一般頂?shù)?、兩幫移近量小?600～800mm），并且巷 道斷面積小于 10m2 時，可使用梯形可縮性金屬支架。 U 型鋼可縮性金屬支架，我國煤礦已有許多架型，但在理論上比較成熟，現(xiàn)場使用效 果較好的主要有 8 種，它們是：梯形可縮性支架、半圓拱可縮性支架、三心拱直腿可縮性 支架、三心拱曲腿可縮性支架、多鉸摩擦可縮性支架、馬蹄形可縮性支架、圓形可縮性支 架、方（長）環(huán)形可縮性支架，現(xiàn)將它們的力學(xué)特性及其適用條件列于表 3.1 中。 表 3.1 U 型鋼可縮性金屬支架力學(xué)特性及其適用條件 支架架型 主要力學(xué)特性 適用條件 梯形可縮性支 架 垂直、側(cè)向均可縮，承載能 力較小 圍巖較穩(wěn)定，頂壓較大，側(cè)壓較小，變形量中等