千米深井安全开采技术难题探讨

张云祥

鸡西分公司属于老矿区，其下属的东海煤矿1958年建矿，属于较为典型的老矿井，现开采深度达到了1100米，在55年的开采历史中，经历了由浅到深，由围岩控制简单到困难的过程。

在多年井工生产过程中，深井安全开采产生了一系列的技术问题

（一）东海煤矿在55年的开采过程中，逐步总结出原岩应力从浅部到深部的一些变化规律：

浅部原岩体多数处于弹性应力状态，但进入深部以后，在高地应力以及采掘扰动力等的作用下，浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部表现出非线性大变形的特征，而且围岩变形产生了一些软岩特征，即矿井由浅部的硬岩矿井转化为类软岩矿井，提高了井巷工程施工和支护难度。

深井条件下巷道围岩非线性大变形的主要原因是巷道围岩体受深部岩层的强大压力与爆破施工影响，使巷道围岩一定范围内存在破碎裂隙区。巷道爆破施工后岩体应力得到释放，围岩产生新的裂隙，围岩体新、老裂隙相互贯通，使巷道围岩表面产生破碎裂隙区，即由岩层的结构面离层、裂隙张开及新裂纹产生的扩容变形，是岩石力学实验曲线峰值后一段区间，为不连续非线性变形阶段，属于巷道支护的核心部分。然后是岩石的弹塑性变形，是实验曲线峰值前一段区间，属于弹性变形阶段，为连续的变形。

由于围岩破碎裂隙区的存在，使围岩变形时间长，且长时间变形不止。特别是当受采动压力影响时，巷道的破坏是全断面的，不过从总体上看靠采空区一侧巷道的帮部最先破坏。在工作面初采一个月后，不仅巷道上、下顺槽被压坏，而且距工作面停采线或切眼百米外的上（下）山巷道也受压破坏。

为应对这种局面，一般深部巷道采用高强度、长锚杆与全长锚固等支护技术的主要目的就是有效的控制围岩破碎裂隙区，暂缓并进一步防止围岩破碎裂隙区向深部发展。同时也采用带有底拱的巷道断面，控制应力分布，起到应力的平均分布，维持巷道断面完整。

（二）、在深井开采过程中，东海煤矿与黑龙江科技大学合作，在对深井巷道围岩破坏机理进行研究得出成果后，针对这一破坏机理，在巷道围岩支护方面进行了改进。

在巷道围岩出现破坏之前，必须通过锚杆挤压加固作用来提高围岩体的强度，围岩体的完整性必须得到保证，使巷道围岩体与锚杆共同形成一个承载体。围岩收缩变形实际也是压力释放的过程，一部分压力在围岩变形收缩过程中被释放，一部分向围岩深部转移。巷道破坏一般首先从局部开始的，然后逐步扩大破坏范围，最终使巷道失效。

巷道围岩收缩变形的最终目标是巷道围岩的压力达到新的平衡，形成新的支护平衡系统。围岩高应力区加强支护，低应力区减少支护，让高应力区变形小，低应力区变形大，最终使巷道全范围的收缩变形，即耦合协调变形，避免一些巷道围岩因局部应力大而破坏的状态。

要达到这个目的，一是降低围岩应力集中区域的应力，如巷道底角、肩部等区域的应力集中程度；二是加大局部应力集中区域的锚杆和锚索支护强度，使围岩应力靠锚杆和锚索的作用降低其应力集中程度，利用同一断面内不同的支护强度，使巷道围岩承受均匀压力，最终使巷道达到耦合协调变形；三是利用 W型钢带、梯型钢筋梁等使应力转移，靠W型钢带、梯型钢筋梁在支护过程中的微小移动或窜动，把高应力区的压力向低应力区转移，最终达到巷道各个部位围岩应力差减少，围岩受力均匀。

在支护理念上进行了以下改进：

1）以护为主。由于巷道破碎裂隙区的存在，保护巷道围岩破碎裂隙的完整性，使破碎裂隙范围不扩大，不漏顶，是保证巷道的稳定性原则。要保护围岩破碎裂隙范围不扩大，应采取主动支护方式，需要锚杆、网、钢带与喷浆支护等联合支护；

2）支护系统的支护能力保持协调。锚杆、托盘、钢带、网等受力均衡，力学参数一致。支护系统要有一定的柔性，为围岩变形、让压留有空间；

3）巷道整体协调耦合变形。对巷道底角、肩部等关键部位加强支护，使围岩应力协调转移和扩散，围岩整体受力均匀；

4）优化巷道断面。对巷道底角与肩部进行优化设计，减少该处应力状态，降低关键部位应力集中程度；

5）加大巷道断面。在目前支护技术、成本条件下不可能完全控制围岩变形移动，为围岩的内移留有空间，保证巷道断面安全正常生产；

6）可操作性。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进、维修速度的提高；

7）高强度支护。采用高强、长度大的锚杆，降低巷道支护成本与锚杆的间、排距。

（三）改进支护方式后，对巷道围岩受力状态进行对比：

新掘进的巷道断面优化设计如图9所示。

巷道底鼓是深部巷道破坏的主要特征之一。控制巷道底鼓是提高巷道围岩的自稳能力，维持巷道围岩完整的重要因素。控制围岩变形，必须对现有巷道断面形状进行改革，减少因巷道断面形状引起的围岩集中应力。经分析研究采用将直墙拱与全封闭拱相结合的一种半封闭巷道断面形状，此断面形状为拱形顶板、直墙、弧形底角、平底。这种巷道断面形状施工简单，不影响巷道使用效能，最为重要的是能够改善巷道围岩的应力分布状态，减小巷道围岩的破坏范围，提高自身巷道底角留设底弧以后，巷道围岩应力集中程度较常规断面形态有显著变化，最大主应力减小43%，最小主应力减小69%，剪应力减少43%。此外在顶底板变形量方面也有一定变化，其中顶板下沉量减少2%，底鼓量减少42%。

理论分析中这种带有底弧的巷道断面形状明显降低围岩关键部位的受力状态，减少围岩变形量，对巷道稳定性起到了重要作用。

（四）实践验证

分别在东海煤矿二水平五采区回风下山四段新掘巷道、五采区32号与35号煤层联络石门维修巷道中进行实践验证，同时在-450水平大巷进行了注浆加固实践验证。经历了三个回采工作面的动压影响，巷道没有维修，状态良好。

现场测试了以下内容：

（1）巷道表面顶底板和两帮变形及位移量观测。观测点均设置在每个巷道斷面的中部，基点长度要求均为200～300mm。每个断面设4个基点，顶底板和两帮各1个。

（2）深部围岩移动观测。在试验段内设置两个观测断面，每个深部测点设2个位移计，分别为5m和2m。

（3）锚杆锚固力动态监测。在试验巷道内设置锚杆锚固力动态观测点，每个断面设两个测点，分别监测顶板和两帮锚杆及锚索的锚固力。

经过四个月的测试与观查，主要结果如下：

按两种方案施工的巷道对比明显。按原支护方案施工的巷道与新设计施工方案的巷道相比较有如下特点：初期顶底板移进量基本相同，但两帮移近量相差很大。从围岩移近量观测数据上看，试验巷道在掘进四个月后趋于稳定，而按原方案施工巷道变形还在延续。半年后的补充观测数据同样证明，试验巷道在掘进四个月后逐渐稳定。原施工巷道围岩的变形时间长，总的变形量大，破坏严重。因此支护时要对巷道顶板与两帮同时考虑，支护强度要合理匹配，使围岩受力均匀。如果顶板支护强度小，会造成顶板下沉量过大，顶板破坏和冒落；如果两帮支护强度小，则两帮移进量大，最终使巷道整体破坏。

依据顶板离层数据，顶板下沉量主要来自巷道表面围岩体，深部次之。有效地限制巷道表面围岩变形量，才能保证巷道自身的稳定。因此在采用锚杆支护时，要选择高强度锚杆，还要按设计要求施加足够的预紧力，把巷道浅部围岩的变形破坏程度限制在最低范围内。

根据锚杆锚固力动态监测仪数据，巷道施工后，锚杆拉力逐渐加大，在受到采动影响时，顶板锚杆与肩部锚杆拉力同时加速增大，采动影响结束后，锚杆拉力增量同步放缓，顶板与应力高度集中的拱肩处在支护后受力同步发展，基本达到协调变形的目的。endprint