煤层只采管道围岩控制技术酮夯与发展趋势 安徽省煤田地质局第三勘探队第七工程处王建民 ［摘要］煤层开采巷道围岩控制理论体系已经趋于成熟。国内外矿山围岩巷道支护技术经历了木支架、刚性金属支架、可缩性金属 支架至锚杆支护发展的过程。我国不同地域的地质状况不同，勘查程度差异较大，不同地质学分支学科与围岩控制相互交叉、渗透， 随着社会经济的高速发展，煤层的开采对围岩控制技术提出了更高要求。本文在对煤层开采过程中围岩控制理论与技术的发展历 史和现状进行简略分析的基础上，提出了相应的对策和未来展望。 ［关键词］巷道 围岩控制 现状展望 随着煤炭开采技术的发展，巷道作为煤矿井下运输的通道，一直担 负着至关重要的角色。我国煤矿巷道事故频发，已经严重制约了煤矿 的安全生产和快速发展。因此，煤巷围岩稳定性评价和控制技术已经 引起广泛重视。深部煤巷围岩普遍具有扩容、软化及流变特点，这是导 致巷道变形破坏的根本原因。故而，对巷道围岩控制技术发展现状进 护，均达不到预期效果，所以采用联合支护技术。随着围岩巷道控制理 论的不断发展，围岩控制技术经历了木支架、刚性金属支架、可缩性金 属支架至锚杆支护发展的过程，形成了包括各种混凝土碹、料石碹、喷 射混凝土梁网、桁架锚杆、锚注、锚索、高强度混凝土弧板支架等多种支 护形式。 行总结、对今后的理论和应用技术的突破进行展望和探讨十分必要。 １．煤层巷道围岩控制理论研究概况 巷道的围岩控制技术是煤矿开采领域的重大研究课题。为分析问 题方便，人们通过煤层与直接顶交界面上的应力分布，即支承压力来分 析开采对底板岩层及巷道围岩稳定性的影响。已有的研究成果可以定 性的解释在实际生产过程中煤层底板岩体产生底鼓的原因以及底板巷 道围岩的稳定性问题。 １．１巷道围岩破裂的特点浅析 在较高水平应力作用下，煤层及顶底板围岩均表现出明显的扩容、 软化和流变性质。高应力条件下，巷道开挖后即在周边围岩中形成了 环状分布的破裂区，即松动圈。松动圈的形成和发展机理以及稳定制 约技术已经被国内外学者广泛关注。巷道支护的主要任务是控制围岩 松动圈的进一步发展，并将巷道围岩松动圈的深度限制在允许的范围 内。在应力条件一定的情况下，及时对围岩松动圈内破裂的岩石进行必 要加固以使其残余强度恢复到相应水平，保证松动圈继续向深部扩展。 １．２煤层巷道围岩控制理论研究现状 各国学者对巷道围岩控制理论进行了详细的研究，并取得了丰硕 成果。目前的煤层巷道围岩控制理论包括组合梁理论、联合支护理论、 新奥法支护理论、围岩巷道控制理论及锚杆支护扩容稳定理论等。 １．２．１组合梁理论 组合梁理论是煤巷支护技术研究和应用方面最常用的一种理论。 该理论认为，若在锚杆锚固范围内不存在稳定岩层，且顶板由一组薄分 层构成，则各分层完整性好。在这种情况下，锚杆的主要作用，是将薄 分层锁紧在一起，从而形成一个厚梁结构。该厚梁结构的强度和刚度 远远大于单个薄分层强度之和。对这种顶板条件，锚杆增加了各分层 之间正向应力，同时增加了分层之间的摩擦力，阻止了岩层界面发生水 平滑动。通过张拉力将各个分层紧锁在一起，使其在垂直方向的运动 大体相同，这样就可避免或减少离层的发生。 １．２．２新奥法支护理论 新奥法支护理论是奥地利学者Ｌ．Ｖ．Ｒａｂｃｅｗｉｃｚ教授于１９６３年提出 的，它以隧道工程施工方法和经验为基础，运用现代岩体力学理论对施 工方法进行合理的解释。此理论将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为 主要支护手段，同时采用监测方法控制工程质量。新奥法支护理论实 际上是一种支护理念和施工技术的组合。 １．２．３联合支护理论 联合支护理论主要是针对高地应力和煤矿软岩等复杂条件下巷道 支护困难提出的。该理论认为，对深部软岩巷道应先采用柔性支护再 用刚性支护，先采用让压以使围岩达到自稳后再通过支护体将围岩抵 抗住。柔让适度，稳定支护，稳固巷道。其主要支护型式有锚喷网架技 术、锚喷网技术和锚带喷架等联合支护技术。 １．２．４锚杆支护扩容稳定理论 该理论认为，用高刚度、高强度锚杆组合支护使锚杆锚固区形成承 载结构，继而防止锚固区围岩的滑动、离层、出现裂隙等扩容变形与破 碎，最大限度地稳固围岩同时保持区域内围岩的完整，减少围岩发生变 形，提高锚固区围岩整体强度和稳定性。在进行锚杆支护时应尽量避 免二次支护和巷道维修方式，一次支护后就可实现控制围岩变形和破 坏的目的。该理论在实际应用中的良好效果已得到验证，目前仍在深 入研究。 支护一围岩共同作用是进行巷道围岩控制的基本原理。支护应在 围岩发生松动和破坏以前进行，它起到调节和控制围岩变形的作用，使 支护结构与围岩在相互约束条件下实现共同承载。 ２．支护技术在煤层巷道围岩控制技术中的应用 煤层巷道围岩变形破坏的制约途径无外乎两个：提高围岩强度、减 小围岩应力，这两点都需要选用合理的支护手段。国内外学者在浅部 巷道支护技术的基础上找到了一些适合深部煤巷的支护技术，主要包 括巷道加强支护技术和围岩应力转移技术。 ２．１巷道加强支护技术 支护技术是对围岩加固以提高承载能力和对围岩表面提供抗力的 技术组合。对煤巷采用单一的支护手段，不管是主动支护还是被动支 今后的支护技术还将不断发展，在煤巷的支护技术研究方面，各种 支护手段将有机地结合，共同作用，以达到事半功倍的效果，这是未来 支护技术的发展趋势。 ２．２围岩应力转移技术 围岩应力转移，是指将各种高应力转移到巷道深部围岩，使被保护 巷道始终处于应力较低的区域。应力转移必须在联合巷道支护技术的 支持下才能实现。一方面，使巷道围岩应力水平降低；另一方面，通过 支护技术使围岩的承载能力增强。应力转移技术包括跨巷开采、上行 开采等。施用方案是将现有的各种支护手段有机结合，使巷道的集中 应力向深部转移或者向支护体上转移。 ３．煤层巷道围岩控制技术研究尚需解决的问题 目前，煤层巷道围岩控制理论体系已趋于成熟。然而，我国的不同 地域，地质条件迥异，这就对围岩控制研究提出了更高要求。因此，围 岩控制理论体系和技术的发展前景广阔，任务艰巨。 虽然国内外学者对煤巷变形破坏机理、支护技术和破裂围岩的承 载机理进行了深入的研究，取得了一定成果，但尚有不足之处。 ３．１对巷道围岩应力场演化规律尚不清楚 较为深部煤层巷道与一般巷道相比，围岩条件、应力环境较为复 杂。对矿山压力及巷道变形观测的实验数据表明，高应力煤巷的巷道 围岩初始变形速度大、围岩变形持续时间长、巷道开挖时围岩经常出现 类似冲击地压的现象等。造成上述现象的理由及机理尚不清楚。 ３．２对围岩承载区的系统研究不足 国内外学者已经充分认识到，保证深部煤层巷道支护效果的关键 是围岩自身的承载能力，并据此划分了巷道围岩的承载区。但对围岩 承载区的界定往往从单一角度出发，如应力大小、变形量、破碎程度等， 没有充分考虑彼此间的联系，因此未全面反映围岩承载机理。 ４．煤层巷道围岩控制技术研究的方向 ４．１进一步建立参数关系 需要建立完善的科学的煤层巷道整体力学模型，在研究直接顶板 稳定性的基础上建立各项技术参数及之间的相互关系，为监控技术提 供可靠的监控指标，建立“预测一监控”体系。 ４．２深入理论研究 深入研究围岩控制中的关键层理论，对围岩层内的离层区分布给 出科学精确的定量描述，为离层区充填技术和地面以及井下的抽放瓦 斯技术奠定基础，对关键层理论中的研究重点放在坚硬岩层破断的组 合效益、关键层破断形态与表土层变形的耦合关系上。 ５．结论 对煤层开采巷道围岩控制技术的研究还有很多工作要做，完善采 场围岩控制理论，以科学合理、优化高效的岩层控制技术来确保开采活 动的高效、安全、低成本；认真总结国内外矿山压力研究成果，实现理论 分析、现代数学力学和实测法相结合；在深入研究各种煤层地质及开采 条件的过程中，应用计算机技术，不断完善采场围岩控制技术；由于应 用化学加固技术、高压注水、深孔预裂爆破处理坚硬顶板技术存在工艺 复杂、成本高等问题，因而需要不断研究开发新技术、新工艺、新材料来 解决这些急需解决的问题。 参考文献 ［１］钱呜高，缪协兴．采场围岩控制的回顾与发展煤炭学报，１９９６，２０ （０１）：２５３～２５５ ［２］张世豪．我国厚煤层放顶煤开采的现状及发展方向．山西煤炭， ２００６．３０（０１）：３６～３７ ［３］赵国栋．巨厚复合顸煤大断面煤巷围岩控制技术研究岩石力学 与工程学报，２０１１．２４（６）：５８－６１ ［４］王金城特厚煤层放项煤开采全煤巷锚杆支护分析煤矿开采． ２００６，１０（４）：１６￣１８ ［５］侯朝炯，郭励生，勾攀峰．煤巷锚杆支护．煤炭学报，２００８．１０（６）： ３２￣３５ ［６］李树清，潘长 良．深部巷道围岩承载结构分析煤矿开采，２００６，１１ （３）：２０－－，２１