采动压力下掘进巷道支护技术探究范文

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摘要：在目前采深和开采强度不断加大的情况下，采动压力给掘进巷道支护带来了更大的技术难度，而上个世纪末期逐渐成熟起来的预应力锚杆联合支护是国内外普遍采用的支护技术。而且随着其应用的普及出现了多种相关的应用理论，可以用于对具体的支护方案进行数据计算与模拟分析，以便优化支护方案的设计参数。本文介绍采动压力对巷道围岩的破坏作用以及巷道支护技术的基本原理，并且分析目前在采动压力影响下掘进巷道支护的几种主要技术方案的应用，探究了在设计具体的支护技术方案时支护参数的选择、计算、模拟分析以及优化方法。

关键词：支护技术；掘进巷道；采动压力；支护理论；支护参数

科学合理的巷道支护方案能够在确保企业生产安全的情况下节约施工成本，并且减少巷道的维护与加固次数，从而让开采作业具有连续性，提高企业的生产效率。而目前由于矿藏的开采条件日益复杂，支护技术方案的设计难度也在不断加大，深层开采和高作业强度导致采动压力、地应力和相应的围岩应力场变化的复杂程度都在不断地提升。因此，对于采动压力影响下的掘进巷道支护技术的研究越发引起了人们的重视。

1采动压力对掘进巷道围岩稳定性与完整性的影响

1.1掘进巷道围岩的主要载荷及其破坏作用机理

掘进巷道围岩在采掘活动开始前主要受到自重影响，应力分部状况处于相对平衡状态，因而不同层面之间以及岩体本身在拉应力、剪切应力与压应力在三个方向的作用下相对位置比较稳定。而当采掘活动开始后，处于地下深处的围岩会因采空区的形成而受到扰动，原本已经达到平衡的内部应力不可避免被破坏，从而引发岩体内部应力场的重新分布。在应力场形成新的平衡的过程中，巷道顶板、底板以及两帮都会因应力作用出现不同程度和循序渐进的弹性变形、塑性变形直至岩层破裂。体现为巷道的两帮向内侧收敛、顶板下沉以及地鼓现象，并且破裂与松散的岩体会出现剥落，造成巷道截面积变小与巷道的不规则变形，对采掘活动的安全形成很大威胁。巷道的围岩变形和破坏程度与围岩的岩性、地应力大小以及巷道的布置有关，一般巷道布置需要避开地质结构不稳定的区域，选择围岩结构稳定、岩性较硬且水文地质环境理想的方案。

1.2采动压力对掘进巷道围岩稳定性与完整性的影响

在巷道开拓或回采的过程中，巷道围岩所受到的三向平衡应力随着工作面的推进而受到扰动，原本与巷道内壁形成稳定应力作用关系的矿层被破坏，从而使围岩内部形成压应力。而由于目前开采深度和开采强度的增加，这种压应力的水平对岩体自身的强度来说越来越大，形成岩体受压破碎、受剪离层和受拉断裂等现象，破坏了围岩的整体性并降低了围岩的强度，引起部分岩体的约束力失效并脱落，使围岩整体结构失去了稳定性。因此，采动压力对围岩结构的稳定性和完整性的影响是企业生产中需要面对的重要课题。

2巷道支护技术的基本原理及其发展概述

2.1巷道支护技术的基本原理与应用

支护技术是确保巷道的围岩结构在生产活动进行过程中的稳定性的手段，根据对巷道地质环境的勘查，了解巷道围岩的地质结构特点、岩性以及水文地质条件后，对于不同功用以及不同设计使用年限的巷道选择科学的支护技术、材料与支护构件以及施工工艺，能够对受到采掘活动扰动和破坏的围岩形成支撑与防护，防止破碎岩体坠落、裂隙扩大和控制围岩变形位移，从而确保应力重新分部的过程中巷道的安全。并且需要在受到扰动的岩体内部应力逐渐达到新的应力平衡的过程中，尽量确保支护构件不会因承受过大的应力作用而破坏和失效。

2.2巷道支护技术的发展简介

近年来，巷道支护技术从原材料的使用到支护构件的结构形式，以及支护技术的理论研究都发生了很大变化。由于新材料、新技术以及新理论的应用，巷道支护技术从过去的对已经被破坏的巷道围岩施加支撑与防护，转变为通过支护体系的设计维护围岩的整体性和稳定性，使其荷载能力在采掘活动开始后始终得以保持，让支护构件与围岩共同形成新的整体承载结构[1]。基于这一支护理念的巷道支护技术，得益于近年来普遍被使用的围岩锚固技术及其理论的日渐完善，解决了过去使用木材、钢材或钢筋混凝土为主要支护材料时面对的材料强度和抗腐蚀性问题的同时，简化了施工工艺，并实现了支护构件与围岩之间的紧密连接。而相关理论的发展则为精确的设计支护构件和支护系统的技术参数提供了分析与计算的依据。因而，目前巷道支护技术方案的设计主要以经济实用的围岩锚固技术为主。

3采动压力影响下常见的支护技术简介

3.1锚杆支护技术及其应用理论概况

锚杆支护是围岩锚固支护技术最常用到的一种支护形式，早期的锚杆支护理念是给遭受破坏的围岩施加被动的支撑，避免其变形和破坏加剧。而随着粘结剂性能、锚杆施工技术以及其应用理论的不断进步，通过粘结剂将打入岩体深部的锚杆与围岩紧密的锚固为一体，已经能够通过预应力对不稳定的岩体结构主动施加压应力，从而让松动和出现破裂的岩体结构重新稳固，并且通过多个锚杆支护作用的叠加，形成一定范围内岩体与支护系统构成的整体承载结构。而锚杆支护的理论研究基于锚杆与岩体之间的紧密连接和形成的承载结构的作用，以其对围岩的悬吊作用、承压作用或新的结构内部围岩各部分之间的相互作用力为主要研究对象，探究其作用的形成机理与规律，给不同岩体性质、不同支护位置和不同岩体结构形式的支护系统设计提供了建立力学模型和进行设计参数分析计算的依据。

3.2锚索支护技术的应用理论

锚索支护技术相对于锚杆支护具有更大的灵活性，并且可以形成更大范围的支护。目前，锚索支护可以分为全长锚固与端部锚固两种形式，前者的锚固剂与打入围岩的锚索杆体形成共同的承载结构，共同控制岩层的错动、离层与压力下的变形，因而其粘结剂与杆体需要共同抗压、抗剪与抗切[2]。而端部锚固的锚索的粘结剂主要提供粘结力。在实际的工程运用中，锚索支护通常与锚杆支护联合应用，利用各自的优点给采动压力影响下复杂的围岩结构提供可靠的支护。尤其是在岩性不理想和应力相对集中区域，可以带来更好的支护效果并保证支护方案的经济性。

3.3联合支护系统的构成与设计原理

通常由于采动压力影响下的巷道全长范围内的围岩构造、岩性差异以及煤层分布等各自因素都非常复杂。在采动压力下，围岩内部应力重新分配的过程中，巷道的顶板、两侧以及底板的变形和破坏形式多种多样，因此需要采取联合支护方案才能够取得理想的支护效果和确保其经济性[3]。一般情况下，除了采用还需要在锚杆与锚索的支护间隙布置钢带或金属网，起到辅助加固和防止岩层破坏脱落事故的发生。

4采动压力影响下的掘进巷道支护技术方案设计

4.1掘进巷道支护方案的初步设计

对受到采动压力影响的掘进巷道进行支护设计，首先需要研究掘进巷道所在位置的围岩岩性、矿层分部、水文地质环境以及既有的支护状况等，根据已有的支护设计经验初步确定支护方案。确认支护所用的锚杆与锚索的种类、数量、具体的安装位置以及辅助支护构件的选择，并且对巷道保护煤柱的预留位置和预留宽度进行规划，尽量利用煤柱的预留形成对巷道顶板的支撑，并减少掘进巷道两侧与底板因采动压力而出现向巷道内侧的位移，降低巷道边帮的支护设计难度和支护强度[4]。而煤柱的预留宽度既要满足支护需要，也要避免宽度参数设计过于保守。

4.2掘进巷道支护系统设计参数的计算及优化

由于锚杆与锚索支护理论研究的进步与计算机技术的应用，让优化采动压力影响下的掘进巷道支护设计，并得到最佳支护效果与经济性成为了可能。首先，依据较为成熟的理论依据和巷道的几何参数对锚杆与锚索的长度、直径和强度等设计参数进行计算和校核，并且根据工程的类比计算所需的支护密度、锚杆与锚索的排距以及间距等[5]。其次，可以运用计算机软件模拟采动压力下巷道不同部位的岩体内部应力场的变化，找到应力随工作面推进的变化和应力分布规律，并且在不同的预留宽度条件下模拟分析煤柱的内部应力情况，从而进一步优化锚杆、锚索以及预留保护煤柱的支护设计参数，合理的布置锚杆与锚索的间距、排距以及精确的选择支护强度。单一支护构件的有效支护范围必须形成一定程度的叠加，从而形成对巷道围岩整体的压缩连接作用。在通过增加预紧力和加强单一支护构件的支护强度能够解决支护需要的前提下，要尽量降低支护密度，达到支护效果与支护系统安装施工的经济性的统一。

4.3掘进巷道支护系统的施工工艺对支护效果的影响

基于主动预防巷道围岩变形和破坏形成的支护系统，其支护效果的形成需要有严格的施工工艺控制来保证。首先，锚杆与锚索的安装需要精确的控制粘结剂的搅拌与固化时间，才能够按照设计形成支护系统与围岩的整体性，达到共同承载采动压力的效果[6]。其次，锚杆与锚索的安装角度、深度以及预紧力的施加也必须控制在一定的误差范围，否则支护系统无法形成预期的有效支护范围。

4.4掘进巷道支护效果的检测与改进

在采动压力影响下的掘进巷道支护系统安装完毕后，应进行必要的检测，测量支护系统的各项应力参数和巷道顶板或两侧的位移等，校核和评估支护系统是否足够稳固和总体支护效果能否达到掘进巷道使用的设计要求，并且在必要的情况下加以改进，直至所有细节满足设计要求。

5结语

在优化采动压力影响下的掘进巷道支护设计参数方面，国内的研究人员还在不断地进行探索，对于应用理论的研究以及模拟分析模型的建立还有很多问题有待解决。相信不久就可以实现对锚杆与锚索联合支护系统进行更加科学和标准化的参数设计，为开采带来更经济和安全的支护解决方案。

参考文献

[1]臧龙.近距离煤层群开采动压影响回采巷道强帮固顶加固技术[J].能源技术与管理,2016,41(s1).

[2]雷建波.深部近距离煤层动压下的锚杆支护[J].煤矿支护,2007(1):21-22.

[3]杨张杰,王庆牛.近距离煤层下采上掘动压影响巷道支护技术研究[J].中国煤炭,2017,43(4):62-64.

[4]樊勇,袁丽俊.近距煤层动压影响下巷道支护技术研究[J].煤矿现代化,2017(3):84-86.

[5]王震,娄芳,金世魁,等.强动压影响下煤层底板大巷支护技术研究[J].能源与环保,2017,39(1):151-155.

[6]郭龙龙.煤矿掘进巷道支护设计分析研究[J].能源技术与管理,2017,42(6):34-35.

作者:杨志勇 单位:神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿