云南省地方煤矿事业局 云南省 650091
摘要：文章通过对国内外深井开采现状的研究，针对深部开采存在的问题，及深井开采巷道变形的特点，提出了深部巷道变形及控制方法。
关键词：深井开采；巷道变形；控制方法
1绪论
1.1国内外深井开采的现状
随着能源需求量的增加和开采强度的不断加大， 浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入了深部资源开采阶段。在南非、加拿大等矿业发达国家，矿井深度达到800-1000m时称为深井开采。德国将埋深超过800-1000m的矿井称为深井，而将埋深超过1200m的矿井开采称为超深井开采；日本则把深井的“临界深度”界定为600m，而英国和波兰则将其界定为750m。考虑我国当前矿山开采的客观实际，并结合未来的发展趋势，大多数专家认为，我国的深井开采的深度可界定为：煤矿800-1500m，金属矿山l000--2000m。随着开采深度的不断增加，工程灾害日益增多，如矿井冲击地压、矿压显现加剧以及巷道围岩产生大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁[1]；深部“三高一扰动”(即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动)的复杂地质力学环境，使得深部岩体表现出明显的非线性大变形力学特征[2]，从而严重影响了深部资源的安全、高效开采。因此，深部资源开采过程中所产生的岩石力学问题已成为研究的焦点[3]。
1.2深井巷道国内外研究现状
进入深部开采以后．由于岩层压力大，巷道因岩石变形量显著增大。支架损坏严重，巷道翻修量剧增，巷道维护变得异常困难。深井巷道的矿区控制已经成为深部开采能否顺利进行的制约因素之一[4]。为此，进入深部开采的世界各国都做了大量研究，取得了可喜的成果。
1.2.1国外的研究
原西德、前苏联、波兰、英国、比利时、荷兰和日本等国都对深部开采的巷道矿压及其控制措施进行了大量研究。而尤以较早进入深部开采的原西德和前苏联的研究最为突出。同时，前者也是侧重深并巷道矿压控制实用技术研究的代表，而后者是侧重深井巷道矿压控制理论研究的代表。早在60年代．原西德就已经开始研究800—1200 m的，深部开采问题。70年代开始研究1200—1500m、80年代开始研究1600 m的深部开采问题(原西德将开采深度超过1200m称为超深开采或大深度开采)，并且建立起了集现场实测、模型实验和理论计算于一体的“岩层控制系统”。前苏联紧接其后，己着手研究1000--1400m的深部开采问题。
从总体上看，国外的研究一方面是将已有的岩石力学与矿山压力成果应用于深部开采，但同时还结合深部开采的特殊性和本国国情对深井巷道矿压控制迸行了专门研究。通过现场观测、相似材料模拟实验、计算机数值模拟计算和理论分析等多种手段对深部开采地应力、巷道矿压显现规律和深井巷道矿压控制技术等进行了大量研究[5]。
1.2.2国内的研究
与深部开采的历史和现状相适应，由于我国进入深部开采较晚，因此．与前苏联和德国等相比，我国在深井巷道矿压控制的理论研究和实践方面都有较大差距。
目前，国内虽然在深井巷道矿压控制方面做了一些工作，但大多沿用中、浅部开采的经验，很大程度上具有盲目性。
可喜的是，虽然我国对于深井巷道矿压控制的研究起步较晚，但这个问题已经引起了越来越多人的重视。近几年发展较快，已有不少成果公开发表。
2.深部开采存在的问题
随着开采深度的不断增加, 地质条件恶化,破碎岩体增多,地应力增大,涌水量加大,地温升高,带来了深部地压、提升能力、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧增加等一系列问题,抑制了生产能力提高和矿产资源的充分回收[6]。
2.1 深部巷道变形与支护
随着开采深度的增加,地应力随之增大。因此,深部巷道与采场的维护原理与浅部有十分明显的区别,这种区别的根源在于岩石所处的应力环境的区别以及由此导致的岩体力学性质的区别。在浅部十分普通的硬岩,在深部可能表现出软岩的特征, 从而引起巷道和围岩的大变形；浅部的原岩大多处于弹性状态,而深部的原岩处于“潜塑性”状态,由各向不等压的原岩应力场引起的压、剪应力超过岩石强度,造成岩石的潜在破坏状态[7]。
深部高应力环境下的巷道支护,除了必须考虑岩石强度性质和岩体结构外,还应重视巷道所处的应力环境。浅部中、低应力条件下的巷道支护主要考虑业己存在的地质构造等不连续面的影响,而深部高应力岩体中巷道支护必须考虑巷道围岩因掘进造成的断裂破坏带,即新生断裂结构的影响。所以,深部高应力环境下的巷道支护应强调峰后破坏岩体残余强度的利用。应合理控制岩体的峰后变形,并尽量使巷道围岩处于三向应力状态,为此,需采用先柔后刚的能保持和提高岩体强度的加固措施；深部巷道支护设计应更多地建立在能量分析的基础上,而不是简单地以应力和强度作为设计准则[8]。
2.2 深部地压显现与开采动力灾害
随着开采深度增加,构造残余地应力增大,最大主应力达150～200MPa 。从根本上讲,地应力是所有地下工程,包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。在没有开采工程扰动的情况下, 岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖, 打破地层原始平衡状态,导致地应力的释放,从而引起岩体的变形和向自由面的位移,引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏。这就是地压发生的过程和机理。它与岩体的受力状态、岩体结构和质量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。
深部地压主要有两种表现形式,即：变形地压和冲击地压。变形地压是因开挖产生的围岩位移所引起的压力,这是地压的最基本形式。在岩体条件较好的情况下,围岩的位移和变形发展到一定程度就停止了,可能不需要支护,围岩自身就能维持稳定。深部高应力条件下,围岩具有产生大变形的内外部条件,围岩的过量变形将产生微观或宏观破裂、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒顶、断面收缩、支架破坏、采场跨落等等。围岩必须通过支护才能防止过量的变形而引起的破坏。此时,变形地压的显现特征与支护方法和支护结构密切相关。在围岩与支护结合在一体的条件下,围岩与支护构成共同承载体,它们相互依存、相互制约、共同变形。只有及时采取支护措施,并且支护方法得当, 才能有效改善围岩应力分布状态,抑制围岩变形,阻止围岩的失稳和破坏。冲击地压是一种岩石动力学现象,它是围岩内聚集的大量弹性变形能在一定诱因下突然释放而表现出的一种形式。在金属矿山,冲击地压叫岩爆。产生冲击地压和岩爆主要与两方面因素有关。一是岩石的岩体的结构性质,具有在围岩内贮存高应变能的内在条件。一般来讲,坚硬完整岩体容易贮存高应变能。二是有产生高应变能的外部环境,如地应力大、围岩应力集中的地方。随着开采深度的增大,地应力不断增大,因而深部容易出现岩爆和冲击地压。南非因岩层冒落和岩爆造成的死亡率占总死亡率57 % ,伤残率占总伤残率27 %。
2.3 地温升高引起作业环境恶化
地下岩层温度随着深度的增加而增加。据统计,常温带以下,岩层温度以3℃/100m 的梯度增加。千米以上的深井,岩层温度将超过人体温度。如南非西部矿井,在深部3000 米处,岩层温度高达80℃；我国铜陵冬瓜山铜矿在深度1000米处,最高温度达40℃； 印度科拉尔金矿区1200m 深,达49.8 ℃；1800m 深,达54.3 ℃；2000m 深,达61.2 ℃；3000m 深,达69 ℃。深井开采工作面气温的升高导致工作条件的严重恶化。在持续的高温条件下,人员的健康和工作能力将会受到很大的损伤,这影响到采掘工作的正常进行,使劳动生产率大大下降。据统计资料,超过适合人体温度后, 温度每增加1℃, 工人的劳动生产率将降低7%-10%。
3.深井巷道变形特点
3.1巷道变形量大
深井巷道矿压显现的显著特点之一是巷道开挖就产生大的收敛变形量。这一特点是由深井巷道围岩处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的破裂范围决定的[9]。
前苏联的研究表明，随开采深度加大，巷道变形量呈近似线性关系增大，从600米开始，开采深度每增加lOOm，巷道顶底板相对移近量平均增加10％～11％。理论分析表明，深部开采的巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大，开采深度每增加l00m的巷道变形增量与岩体强度有关。国内外深部开采的实践表明，开采深度为800～lOOOm时，巷道变形量可达1000～1500mm甚至更大，与开采深度和岩石力学性质(破裂区厚度)等因素有关。
由于深井巷道变形量大，若支护不合理(如采用刚性支架或支架的可缩量不足)时，巷道变形、破坏更严重。因此，深井巷道的维修工作量大，维护费用高。实践表明，深部开采的巷道翻修率(损坏率)可达40％～80％(部分是由于支护不当造成的)，甚至高达100％，与开采深度、岩石力学性质、支护方式、支架力学性能与参数，特别是可缩量等有关。
浅部巷道周围应力分布
深部巷道-淮南矿区丁集煤矿巷道分区破裂
3.2掘巷初期变形速度大
深井巷道矿压显现的另一个显著特点是，巷道刚掘出时的变形速度很大。巷道围岩破裂的发展速度在巷道刚开掘时较快，以后逐渐衰减，直至破裂区完全形成。
3.3变形趋于稳定的时间长和长期蠕变
变形趋于稳定要经历一个较长的时间过程是深井巷道矿压显现的又一大特点。从巷道变形稳定期与围岩破裂范围大小有关——破裂区厚度越大，巷道变形稳定期越长。虽然深井巷道开掘后要经过较长时间变形才能趋于稳定，但巷道的收敛变形大部分发生在开掘后较短的一段时间内。掘巷引起的巷道围岩变形趋于稳定后，变形速度维持在一个较低水平。此后，巷道围岩保持这一速度不断变形，长时期处于蠕变状态，直至受采动影响。
3.4巷道底鼓量大
底鼓量大是深井巷道矿压显现的又一个显著特点。而且，从国内外的有关报道看，深部开采的巷道底鼓现象具有普遍性。据前苏联对部分深并资料的统计分析：(1)随开采深度增大，易于产生底鼓的巷道比重越来越大：(2)底鼓量及其在顶底板相对移近量中所占的比重随开采深度增大而增大。
3.5冲击地压发生的频率和强度增大
理论研究和生产实践都表明，矿山冲击地压的发生、发生的频率和冲击强度与开采深度有密切的关系。随开采深度增加，岩体因变形而积聚的能量呈二次方关系增加。因此，在深部开采条件下，岩体中积聚了巨大的能量，当采矿活动引起的能量释放速度大于岩体破坏消耗的能量速度时，导致冲击地压的发生。深部开采发生冲击地压的频率大大增加，冲击的强度显著增大。深部开采的冲击地压问题在岩体强度较大的矿山更为突出。
4.深部巷道的变形及控制
4.1优化巷道布置
在生产条件允许下，尽可能选在地质和水文地质条件较好，没有软弱夹层的岩体中；尽量避免回采的影响；主要巷道应布置在崩落带以外，并保持一定距离。巷道施工在遇到以压应力为主的褶曲、逆断层时，巷道方向尽量与褶曲轴或断层走向垂直或斜交：在遇到以拉应力为主的正断层时，巷道方向则与断层走向一致或斜交，从而达到减小矿压显现的目的。回采巷道布置的方位应使工作面离开断层推进，使采区一翼内工作面同向推进。避免巷道相向掘进和巷道近距离平行布置，减少相交巷道(或避开锐角)，从而减小应力集中，减少发生冲击地压的危险性。
4.2改革巷道支护形式
围岩状态是巷道矿压控制的基础。由于开采深度大，深井巷道围岩普遍处于破裂状态，这与中浅部开采有所不同。并且现有支护不可能改变深井巷道围岩的破裂状态[10]。因此，深部开采巷道矿压控制原则的确定和控制措施的采用都应建立在围岩破裂状态的基础上。由于支护不及时以及支护时支架通常不能与围岩密切接触，只有在巷道产生较大变形后支护才起作用。而此时围岩无疑已经破裂。事实上，深井巷道一开掘时围岩就处于破裂状态，产生了破裂区。可见，与中浅部开采不完全相同，深部开采面对的必然是开巷后围岩处于破裂(残余强度)状态。这就是深井巷道矿压控制的基础。
对于以变形地压为主的巷道，应选择可缩性大的柔性支架，如锚杆支护、锚喷支护、锚索支护、可缩性钢支架及在钢性支架的棚梁和棚腿的接触面、砌混凝土巷道的肩部夹入可缩性材料如橡胶等。对于以松动地压为主的巷道，则可选用有足够强度的刚性支架来支撑松动岩石的重量，如石料砌混凝土、钢木支架、钢筋混凝土支架等。
4.2.1 锚杆支护
锚杆的悬吊作用是用锚杆将软弱的危岩、伪顶或直接顶悬挂于上方坚固的稳定岩层之中，该理论直观简单，在不稳定岩层厚度容易确定的条件下应用较为方便。目前，锚杆支护设计方法较多，有经验设计法、理论计算法、监测数据分析法等。实践证明，单独采用任何一种方法都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点。动态信息设计法是经过对试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测和信息反馈、修正初始设计等过程，最终确定合理的支护参数[12]。
针对深部高应力复杂巷道锚杆支护设计的原则主要有：①一次强力支护。巷道掘进时，在巷道围岩揭露后，及时打设高强度锚杆(索)支护材料，做到一次及时有效支护，控制围岩变形，避免巷道服务期间的大面积返修和维修。②及时、主动支护。岩石弹性变形量较小，如果巷道支护不及时，围岩将很快进入塑性变形，破坏范围由浅部迅速向深部围岩发展。③高预应力及支护应力场的有效扩散。预应力是保证巷道支护效果的关键因素，施加合理的预应力水平并实现支护应力的有效扩散，不仅能有效控制巷道初期变形，而且能够提高支护系统抵抗生产过程中动压影响的能力。④在巷道高可靠性的前提下，降低锚杆支护密度。通过采用高强度支护材料、合理支护构件，提高支护系统的整体强度和刚度，可减小单位面积上锚杆的数量，提高掘进速度。⑤支护系统的相互匹配。各支护材料、支护构件物理力学参数应相互匹配，以最大限度发挥锚杆支护系统的整体作用。
4.2.3锚索支护
锚索支护是指在巷道围岩钻孔中安设锚索，并给锚索预加拉力的一种支护方法。预应力锚索，施工简便，可以和多种支护措施相结合，如锚索支护，锚索梁支护，锚索金属网支护，锚索金属网喷浆支护等，其工期短、费用低，尤其对破损巷道加固，比其它方法更安全可靠，简便快捷[13]。近年来锚索支护迅速发展，在隧道施工以及矿山井巷支护已经得到广泛应用。在英国、澳大利亚，锚索支护的应用已十分普遍，我国的矿山井巷工程中，围岩较差的巷道，大硐室、交叉点、开切眼，停采线附近等地方都成功地使用了锚索支护技术，并取得了很好的经济效益。
在顶板岩石比较松软时，单一的锚杆往往不能有效的支护，容易造成锚杆的整体垮落，带来严重的后果。而锚索具有锚固深度大、承载能力高、可施加较大的预紧力等特点，如果在锚杆支护的同时配以少量的锚索，就可以将锚固体悬吊于稳定坚硬的老顶上，避免其离层及出现巷道顶板整体下沉或垮落。因此，在软岩巷道中应用锚索支护，对于确保安全生产具有重大的意义。
4.2.4锚网支护
金属网的主要作用：(1)能够有效控制锚杆之间非锚固岩层的变形，托住挤入巷道的岩石，防止碎裂岩体垮落；(2)将锚杆之间非锚固岩层载荷传递给锚杆；(3)金属网托住已碎裂的岩石，虽然巷道周边围岩已破裂，由于碎石的碎胀作用和传递力的媒介作用，使巷道深部岩仍保持三向应力状态，大大提高岩体的残余强度。总之，锚网支护能及时加固与阻止围岩风化，改善围岩应力状态，提高了喷层的整体性，改善了抗拉性能，有效地阻止围岩位移。
4.2.5锚喷支护
锚喷支护是指联合使用锚杆和喷混凝土或喷浆的支护，在锚注联合加固支护体系中，由于浆液能够与岩体及锚杆全面接触，将杆体内、杆体与钻孔间隙、周围岩体的缝隙全部充填满，从而形成“网络”效应，如同自然界中树木的主根与须根的共同固结作用一样，使锚杆受力传递的可靠性和连续性得以充分保障。并通过浆液结石体“网络”将力传递到围岩之中，全面调动了围岩的自身承载能力，同时使锚杆、锚索自身的加固性能得以充分发挥。这类支护的特点是，通过加固围岩、提高围岩自撑能力来达到维护的目的[11]。深井巷道锚喷支护能加固围岩，提高围岩强度，减小破裂区厚度。这就是深井巷道锚喷支护机理，它是由深井巷道开挖后围岩普通处于破裂状态、而破裂区的形成要经历较长的时间过程和锚杆的作用决定的。喷射混凝土，是将混凝土的混合料以高速喷射到巷道围岩表面而形成的支架结构。其支护作用主要体现在：(1)加固作用巷道掘进后及时喷上混凝土，封闭围岩暴露面。防止风化；在有张开型裂隙的围岩中，喷射混凝土充填到裂隙中起到粘结作用，从而提高了裂隙性围岩的程度。(2)改善围岩应力状态 由于喷射混凝土层与围岩全面紧密接触．缓解了围岩凸凹表面的应力集中程度；围岩与喷层形成协调的力学系统，围岩表面由支护前的双向应力状态，转为三向应力状态，提高了围岩的稳定程度。
4.2.6可缩性金属支架
巷道可缩性金属支架具有高初撑力、支护强度大、安装简易、不易变形等优点，因此作矿井巷道、矿井巷道二次支护等用途。
U 型钢可缩性支架（拱可缩）(300---400kN)， U 型钢型号有U18、U25、U29、U36 （kg/m），
有如下基本结构类型：
可缩性支架的优点是：(1)支架受力均匀，特别是对非均匀载荷，不稳定围岩和动压巷道有良好的适应性。(2)由于支架铰接处弯矩较小，从而使支架承载能力提高了2～3倍。(3)支架的可缩性较好，支护效果好。
可缩性支架的缺点是：(1)在开采厚度较小的情况下掘进巷道时，不利于保持巷道顶板的完整性和稳定性，在工作面与巷道连接处比较难以安装；(2)在非机械化掘进的条件下，拱形巷道断面施工也比较困难。
4.3选择合理的断面形状和尺寸
圆形与椭圆形井巷断面的应力集中程度最低，当巷道面越高，巷道两侧的压力越大，巷道两侧应采用圆弧形断面；巷道断面越宽，巷道顶部的压力越大，巷道顶部应采用圆弧形断面，以减少应力集中。巷道断面的最大尺寸应沿着最大来压方向布置；最大来压方向的巷道周边应尽量选用曲线形状。
4.4确定合理的支护时间
5.改进方向
目前，随着对矿产资源的需求不断增大，资源开采的深度逐渐增加，巷道围岩条件更加复杂，巷道支护越来越困难，本文仅对深部矿井普遍矿压规律进行了初步探讨，今后应在以下几个方面深入研究：
(1)在研究深部岩石物理力学性质的基础上，深入开展深井巷道矿压基础研究。
(2)在广泛收集研究各深部矿井支护的基础上，通过比较，深入的进行深井巷道矿压控制技术研究；
(3)在深部矿压大的条件下，加强对冲击地压的研究。
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论文作者:赵波
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/20
标签：巷道论文; 围岩论文; 深井论文; 应力论文; 深部论文; 地压论文; 支架论文; 《防护工程》2018年第27期论文;