鞠文君，付玉凱

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 北京開采研究院，北京 100013；

3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

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我國煤礦巷道支護的難題與對策

鞠文君1，2，3，付玉凱1，2，3

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 北京開采研究院，北京 100013；

3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

[摘要]隨著我國煤炭資源開發(fā)逐步向深部發(fā)展，巷道地質力學環(huán)境日趨復雜，給巷道支護提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。針對我國目前巷道支護中存在的主要支護難題，分別論述了高應力巷道、軟巖大變形巷道、沖擊地壓巷道的圍巖變形破壞特征，提出了相應的支護對策，并對每種類型的難支護巷道給出了近期研發(fā)的典型支護新技術。

[關鍵詞]巷道支護；深部開采；高應力；軟巖；沖擊地壓；錨桿，錨索

[引用格式]鞠文君，付玉凱.我國煤礦巷道支護的難題與對策[J].煤礦開采，2015，20(6)：1-5.

煤炭資源開采由淺部向深部發(fā)展是一個必然趨勢，進入深部開采階段，遇到的問題之一就是地應力水平升高引起的巷道維護困難，巷道圍巖在高應力的作用下表現出大變形、沖擊破壞等特征。同時，在某些斷層、褶曲等地質構造區(qū)域，構造應力與自重應力疊加，加劇了對巷道的破壞。近十年來，煤炭開采裝備水平大幅提高，大采高綜采、大采高綜放等高效開采技術將開采強度提高到了空前水平[1]，致使采動應力更加強烈，加之為適應綜采、綜放開采，需加大巷道斷面及跨度，也增加了巷道支護的難度。另外，隨著我國煤炭開發(fā)的主戰(zhàn)場向蒙陜地區(qū)轉移，遇到了更多中生代侏羅紀、白堊紀地層，這類地層泥質含量較高,膠結差，遇水軟化且具有高膨脹性，呈現非線性大變形，巷道支護相當困難?？偠灾?，我國目前存在的巷道支護難題主要有高應力巷道、軟巖大變形巷道、沖擊地壓巷道、破損修復巷道等幾類，給巷道快速掘進和維護造成了巨大困難，進而影響到煤炭開采的經濟效益和安全。

近年來我國煤巷錨桿支護技術快速發(fā)展，巷道維護的能力和水平都大大提高，但對以上四類困難巷道的支護問題還遠未解決。

1高應力巷道

巷道的破壞是圍巖應力與圍巖(包括支護)強度這對矛盾相互作用的結果，當圍巖應力達到或超過圍巖強度時，巷道就會失穩(wěn)破壞。因此，高應力是致使巷道變形破壞的重要方面。

1.1高應力巷道的幾種類型

高應力巷道主要有深埋高應力、地質構造高應力和采動附加高應力幾種情況，它們既有共同之處，也有各自特點。

(1)深埋高應力巷道我國煤礦開采深度以8~12m/a的速度增加[2-4]。國有大中型煤礦平均開采深度已超過400m，開采深度超過600m的有100多處煤礦，有幾十處煤礦開采深度超過1000m，新汶孫村煤礦采深已達到1500m[5-6]。地應力隨埋深增加呈線性增長，煤礦采掘工程進入深部開采以后，僅巷道上方的煤巖體自重應力就可以達到巷道圍巖的抗壓強度(800m埋深的巷道自重應力約20MPa)，再由于巷道開挖導致圍巖應力集中水平遠高于原巖應力，這就使得巷道圍巖所受應力遠大于圍巖抗壓強度，導致巷道的變形破壞。

(2)構造高應力巷道在煤系地層中，由于遠古地層構造運動作用，通常賦存了很高的構造應力，其通常表現為水平主應力明顯大于垂直方向主應力，水平主應力可以達到垂向主應力的1.25~2.50倍[4]。根據世界范圍內地應力測試數據，隨著埋深的增加，垂直應力基本呈現線性增大，而水平應力相對垂直應力有減小的趨勢，但即使埋深達到1000m時，在地質構造區(qū)，最大水平應力仍然大于垂直應力。

(3)采動高應力巷道煤巖體不但要承受原巖應力作用，還要承受工作面回采所形成的采動附加應力的影響。采動附加應力主要有：回采工作面超前支承壓力、煤柱集中應力、采空區(qū)邊緣集中應力、近距離煤層開采傳遞應力、堅硬頂板大面積來壓等。巷道所受的采動附加應力有時達到原巖應力的2~5倍[4]。

1.2高應力巷道變形破壞特征分析

在高地應力環(huán)境下，煤巖體的變形特性發(fā)生了根本變化，主要表現[7-9]在：

(1)在高地應力作用下，巷道圍巖的變形特性由脆性向塑性轉化，從而使得堅硬的圍巖在深部卻表現出軟巖變形破壞特征。

(2)圍巖表現出較強的時間效應，具有明顯的流變特征，圍巖變形在時間和空間上都不易收斂。

(3)圍巖表現出大變形特征。高應力巷道圍巖長時間處于流變狀態(tài)，累積變形量非常大，持續(xù)的大變形給圍巖控制帶來了極大的困難。

(4)對于某些強度高、脆性大、具有沖擊傾向性的圍巖，在高應力的作用下，表現出明顯的動力沖擊破壞特性：巷道破壞突然，伴有巨大聲響和震動，圍巖及支護被瞬間摧毀。

1.3高應力巷道支護對策

高應力巷道圍巖控制途徑主要有3種：一是降低圍巖的應力，主要是通過合理布置巷道位置和采取合理的人工卸壓方法，使巷道處于最有利狀態(tài)或應力降低區(qū)內，從而保持巷道圍巖的穩(wěn)定；二是巷道內支護，利用直接作用在巷道圍巖表面的支護體，如U型鋼、工字鋼、鋼管混凝土[10]、鋼筋混凝土砌碹等支護方式，抵抗圍巖向巷內的變形收斂；三是加固圍巖，主要是采用錨桿、錨索、注漿等對圍巖進行加固和支護，從而提高圍巖自身的自承載能力，有效控制圍巖的變形破壞。

1.4典型高應力巷道維護技術

1.4.1應力控制法

應力控制法的實質在于避免或降低圍巖高應力。在巷道布置階段，盡可能避開礦區(qū)的大型地質構造，結合地應力分布特征、巖性及采動影響等因素，合理布置巷道方向、層位和位置，精心安排采掘排序，以避開應力集中區(qū)和強烈采動影響區(qū)，選擇合適的巷道斷面形狀和尺寸，這些都可以改善巷道圍巖的應力狀態(tài)。

對于已處于高應力狀態(tài)下的巷道，可以采用局部弱化的方法來降低巷道圍巖的集中應力，如鉆孔卸壓、爆破卸壓、切縫卸壓、掘巷卸壓等，通過上述手段，可以有效轉移巷道周圍的高應力[11]。

應力控制法應該與巷道支護法結合起來運用， “卸壓”與“支護”相協(xié)調才能取得良好效果。

1.4.2高預應力強力錨桿支護

針對煤礦深部及復雜困難巷道條件,煤炭科學研究總院北京開采研究院研發(fā)了高預應力強力錨桿組合支護系統(tǒng)[12]，其構成為：采用最新研發(fā)的高強度錨桿(屈服強度500MPa以上)、大噸位新型錨索(19芯鋼絞線，破斷力大于60T)，匹配等強托板、鋼帶和金屬網等構件組成的高剛度護表結構，施加高預應力(達到桿體屈服強度的50%以上)，大幅度提高支護系統(tǒng)的初期支護剛度與強度。高預應力強力錨桿支護系統(tǒng)在新汶協(xié)莊煤礦千米深井巷道支護中應用取得良好效果,與原有普通錨桿支護相比巷道變形量降低70% 左右,成功控制了深部高應力巷道的大變形。

2軟巖巷道

隨著我國西部煤炭資源開發(fā)力度的加大，軟巖巷道的數量大大增加，軟巖巷道圍巖變形速度快、變形量大、持續(xù)時間長，給巷道支護帶來極大困難。

2.1軟巖巷道類型

對于軟巖，多位學者給出不同的定義[13-14]，中國礦業(yè)大學(北京)何滿朝院士提出了工程軟巖的概念[15]，即軟巖是指在工程力的作用下，能夠產生顯著塑性變形的工程巖體。一般說來，軟巖具有軟弱性、可塑性、膨脹性、崩解性、流變性以及工程擾動性等工程特性。軟巖巷道大體上可分為4大類：低強度軟巖、膨脹性軟巖、破碎軟巖、高應力軟巖。

低強度軟巖強度低，通常由軟弱煤層、砂質泥巖、泥巖等構成，膠結程度低，整體性差，易崩解、易風化，承載能力低。

膨脹性軟巖中往往富含膨脹性黏土礦物，水理作用后產生膨脹和變形，膨脹變形致使圍巖強度降低并生成新的裂隙，導致支護體受損抗變形能力減弱，這將加重軟巖的吸水膨脹，致使力學特性進一步降低，最終出現顯著的非收斂變形。

破碎軟巖巷道所處的煤層或巖層通常松軟、破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，整體性差，承載力低。其往往處于地質構造區(qū)，如陷落柱、斷層破碎帶、采空區(qū)等。還有一種情況是由于巷道布置或支護不合理，造成一定范圍的巷道圍巖松動破壞，需要擴斷面后重新支護，也就是破損巷道的修復問題。

高應力軟巖是指某些巖層強度并不低，完整性也比較好，在淺部開采時不難維護，但是開采到了深部以后，卻表現出軟巖大變形、強流變的特點。

2.2軟巖巷道變形破壞特征

軟巖巷道圍巖變形特征主要表現在以下4個方面[16]：一是圍巖來壓快，變形速率高。圍巖從揭露到變形時間間隔短，巷道開挖后，有時還未來得及進行支護，圍巖已出現顯著變形，斷面明顯減小；二是巷道變形大，變形持續(xù)時間長。圍巖受擾動范圍大，流變性顯著，變形難收斂；三是某些軟巖具有明顯的膨脹特征，極易發(fā)生底鼓變形；四是對水、風、壓力、震動等外界因素反應敏感。

2.3軟巖巷道圍巖控制對策

(1) 優(yōu)化巷道位置，選擇合理的支護斷面在軟巖地層中布置巷道，盡可能選擇巖性較好的巖層，盡可能避開高應力區(qū)。盡量選擇拱形、馬蹄形、圓形、橢圓形斷面，預留一定的變形空間。

(2) 提高圍巖的整體強度低強度是軟巖的一個基本特征，也是軟巖支護困難的主要原因，因此提高圍巖強度是解決軟巖支護的根本途徑。錨桿支護和注漿加固是提高圍巖強度的兩種主要方式，錨桿支護可以提高圍巖強度和變形特性，阻止圍巖的塑性流動；注漿可改變圍巖的工程特性，增強其強度和整體性。

(3)及時封閉和支護圍巖基于軟巖的變形特點，需要及時采取工程措施對圍巖進行保護，如及早切斷水源、及時排水、噴漿封閉頂幫、水泥硬化底板等，以隔絕水、風等對圍巖的軟化作用。尤其對于含有黏土類礦物的膨脹型軟巖來說，隔水最為重要。同時要及時支護圍巖，第一時間將控制圍巖變形的手段用上去。

(4)科學設計支護結構軟巖巷道具有大變形和明顯的流變性特點，其支護結構應必須與圍巖變形相協(xié)調。支護以提高圍巖自承能力為目的，宜采取讓壓與加固及支護相結合的支護結構。支護結構既要有足夠的支護強度和剛度，又要有足夠的適應變形能力，其工作特性還需與軟巖的變形特性相匹配。

(5)巷道支護一次完成按照康紅普院士提出的困難巷道一次支護理論[17]，對于軟巖巷道，應采用高強度、高剛度支護結構，一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免巷道破壞后再行維修。

2.4典型軟巖巷道圍巖支護形式

多年來經過不斷探索，發(fā)展了多種軟巖支護形式，主要有以下4種：錨桿支護、注漿加固、可縮性金屬支架、鋼筋混凝土圈體，以及幾種支護形式的聯合。近年來錨桿支護技術迅猛發(fā)展，為解決軟巖巷道支護難題提供了條件。

(1)高預應力錨固與注漿聯合加固技術對于松散、破碎軟巖的加固，煤炭科學研究總院北京開采研究院開發(fā)了深孔高壓注漿與強力錨桿、錨索聯合加固技術[16-19]：在巷道表面先噴漿，然后向圍巖注入漿液，注漿后打入高預應力錨桿、錨索。噴漿可封閉圍巖，注漿將裂隙充填，將松散、破碎軟巖粘結成整體結構，增加圍巖的可錨性，有利于錨桿、錨索預應力及工作阻力有效擴散到圍巖中。強力錨桿、錨索支護可在圍巖中形成穩(wěn)定的預應力承載結構，以控制錨固區(qū)圍巖變形破壞。這項技術在潞安屯留煤礦井底車場硐室群軟巖加固工程中取得良好效果。

(2)橫阻大變形錨桿和錨索軟巖支護技術何滿潮院士團隊開發(fā)的恒阻大變形錨桿[20]，恒阻范圍內累計變形量最大值可達1000 mm，有足夠的變形能力來適應軟巖巷道的大變形，從而實現“以柔克剛”的圍巖控制理念。該技術在沈陽礦區(qū)清水礦第三系軟巖礦井回采巷道、新疆沙吉海礦中生代軟巖礦井永久巷道和龍口北皂礦海下開采返修巷道進行了應用。

(3)錨噴與混凝土整體圈復合支護系統(tǒng)對于含有伊利石、蒙脫石、高嶺石等礦物的膨脹性的軟巖巷道，需要從封閉圍巖和加強支護兩方面入手來控制圍巖變形破壞。煤炭科學研究總院北京開采研究院設計了錨噴支護與混凝土整體圈復合支護系統(tǒng)[21]：內層支護為全斷面錨桿、錨索、金屬網、水泥噴漿聯合支護，目的在于加固圍巖和提高其整體強度，并能及時封閉圍巖，防止吸潮和風化；外層支護為全斷面澆筑鋼筋混凝土圈，用來補強和防水，兩層支護體之間灌注水泥漿。該技術在甘肅華亭煤礦二水平開拓大巷底鼓治理工程中應用成功，3條嚴重底鼓破壞的大巷修復后長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3沖擊地壓巷道

隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，開采強度不斷加大，沖擊地壓事故呈上升趨勢。沖擊地壓發(fā)生機理復雜，影響因素眾多，危害性大[22-23]。

3.1沖擊地壓巷道來壓特征

沖擊地壓是一種復雜的礦山動力現象，通常具有如下特征[24-25]：

(1)來壓劇烈，動力特征明顯通常是幾十米的巷道頃刻被毀，幾噸到幾百噸的煤巖體被拋出，斷面嚴重收縮甚至完全堵塞。

(2)發(fā)生突然，來壓前沒有明顯征兆突然發(fā)作，如同爆炸一般，巷道圍巖的破壞過程在幾秒到幾十秒內就完成了。

(3)破壞性巨大沖擊地壓發(fā)生時伴隨著大量沖擊能量的釋放，造成巷道閉合、設備損毀、人員傷亡等。

(4)破壞非均勻性沖擊地壓巷道的破壞形式是多樣的，與煤層及其頂底板的結構和物理力學特性、圍巖應力場的分布、巷道支護等多種因素有關，通常表現為四面來壓，頂、底、兩幫都可能會產生破壞，但突破口往往來自巷道圍巖最薄弱的環(huán)節(jié)，比如在底板巖層強度低又沒有支護的情況下，容易發(fā)生激烈的底鼓，進而引發(fā)全斷面失穩(wěn)。

3.2沖擊地壓巷道支護對策

巷道沖擊地壓的發(fā)生主要與高應力、沖擊載荷、圍巖力學性質及支護不合理等因素有關，因此，沖擊地壓巷道圍巖控制也應從這4方面入手：一是巷道布置避開高應力區(qū)；二是采用有效方法卸壓，降低圍巖應力；三是對圍巖改性，提高圍巖的完整性，降低其沖擊傾向性；四是加強支護，采用合理的巷道支護形式與參數。

針對沖擊地壓巷道的來壓特點，沖擊地壓巷道支護應遵循“高強度、強讓壓、整體性”的設計理念[24-25]。秉承這一理念，沖擊地壓巷道的支護應堅持以下原則[26-27]：

(1)高承載能力原則沖擊地壓巷道來壓猛烈，巷道支護必須具備更高的支護強度和剛度。

(2)柔性支護原則針對沖擊地壓巷道變形大的特征，對支護的柔性提出特別要求，支護材料必須具備良好的沖擊韌性，支護結構必須具備足夠的可縮量，以增強其吸收沖擊能的能力，并與圍巖的大變形相匹配。

(3)穩(wěn)定性原則沖擊地壓發(fā)生時會產生強烈的動力沖擊，圍巖在沖擊力作用下相互擠壓、挫動、甚至被拋出。在巷道圍巖激烈變形過程中，要求支護結構自穩(wěn)性好，不易失穩(wěn)。

(4)整體性原則沖擊地壓巷道支護必須采用全斷面等強支護，支護構件之間、支護體之間、支護體與圍巖之間要相互耦合，形成一個統(tǒng)一的支護整體。

3.3典型沖擊地壓巷道支護技術

3.3.1沖擊地壓巷道高沖擊韌性錨、網、索組合支護技術

針對沖擊地壓巷道錨桿受力及破斷特點，煤炭科學研究總院北京開采研究院提出了錨桿沖擊韌性的概念[28]，研發(fā)了高沖擊韌性錨桿，最高屈服強度達到600MPa，延伸率為18%，沖擊吸收功167J。

基于高沖擊韌性錨桿的高預應力強力錨、網、索支護技術，在典型沖擊地壓礦井河南義馬常村煤礦得以應用，大幅度提高了支護結構的剛度、強度及沖擊韌性，可以有效吸收沖擊地壓產生的高沖擊動能，支護結構在經歷多次大能量沖擊事件后，仍保持完整性。

3.3.2沖擊地壓巷道剛-柔耦合支架支護技術

遼寧工程技術大學潘一山教授[29]的基于沖擊地壓作用下的巷道圍巖與支護響應的動力學模型，提出“提高支護剛度和快速吸能讓位支護”的沖擊地壓巷道支護設計新思路，并據此研發(fā)了一種防沖吸能巷道液壓支架。防沖吸能巷道液壓支架“提高支護剛度”主要通過加大巷道支架的梁體剛度，提高巷道支架液壓支柱的工作阻力來實現，以此增加支護體系的整體剛度；“快速吸能讓位支護”則是在巷道支架液壓支柱下增加吸能裝置，利用其優(yōu)異的吸能特性使支護體系能夠在圍巖沖擊下快速吸收沖擊能并穩(wěn)定地變形讓位，吸能裝置采用多孔泡沫金屬材料或吸能構件來增大支護中的阻尼系數。

3.3.3沖擊地壓巷道負泊松比錨索支護技術

針對沖擊地壓巷道沖擊能量突然釋放的特點，何滿潮院士團隊開發(fā)了負泊松比錨索[30-31]。該錨索具有兩個重要的性能：一是可以持續(xù)為圍巖提供恒定的支護阻力；二是當圍巖突然受載變形時，橫阻大變形錨索還可以吸收圍巖的瞬間大變形。在沈陽紅陽三礦1213回風聯絡巷進行了抗爆破試驗研究，試驗表明負泊松比錨索在爆炸沖擊力作用下可以產生瞬間滑移變形，負泊松比錨索的橫阻值達到375kN，最大變形量可以達到0.486m。

4結束語

深部高地應力巷道、軟巖大變形巷道、沖擊地壓巷道是煤礦難支護巷道的幾種類型，也是國內外相關學者關注的重點。近年來錨桿支護技術的長足發(fā)展為解決這些難題提供了有力條件，錨桿支護應該是困難巷道支護的主體，高強度、高剛度、大延伸率、耐沖擊是其基本發(fā)展方向。我國現階段對難支護巷道的研究還不夠系統(tǒng)深入，需要在搞清機理的前提下，針對不同類型的難支護巷道研發(fā)適合的系列支護材料，并配以適當的施工工藝和裝備，逐步形成系統(tǒng)的成套技術。

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[責任編輯：施紅霞]

·綜述·

Problem of Roadway Support in Chinese Coal Mines and Adaptive Strategy

JU Wen-jun1，2，3，FU Yu-kai1，2，3

(1.Coal mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013,China;

2.Beijing Mining Research Institute,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;

3.State Key Laboratory of Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization (China Coal Research Institute),Beijing 100013,China)

Abstract：When coal mining in China gradually extended to the great depth under the surface,the geo-mechanical conditions of roadways were more complicated than ever,and posed severe challenges for roadway support.This paper addressed the typical problems of roadway support in China.The characteristics of rock deformation in roadways with high stress,seriously deformed roadways due to soft rocks and roadways with frequent bumping accidents were analyzed,the adaptive strategies were proposed,and the newly developed support techniques for each typical problem in roadway support were suggested.

Key words:roadway support；mining at great depth；high stress；soft rock；bump；rockbolt；cablebolt

[作者簡介]鞠文君(1965-)，男，內蒙古赤峰人，博士，研究員，博士生導師，天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部副總經理，主要從事巷道支護技術及工程監(jiān)測技術研究。

[基金項目]國家自然科學基金項目(U1261211)；國家科技支撐計劃課題(2012BAB13B02)；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金面上項目(2014MS037)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.001

[收稿日期]2015-11-30

[中圖分類號]TD353

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0001-05