深井开采矿压显现规律和支护技术
的研究
摘 要: 随着我国煤矿开采规模的扩大，开采深度的逐渐增加，深部开采已经成为煤矿生产的必然过程，对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严重。如何面对深部开采的复杂地质条件，及时解决深部开采所涉及的技术性问题，从长远看，它将对安全、经济、合理地开发深部煤炭资源有特别重要的战略意义。 文章主要介绍煤矿深井开采矿压显现规律和支护技术的研究。深井开采矿压显现规律方面详细地阐述了深井巷道矿压显现的特点、深井开采存在的问题以及煤矿深井回采工作面矿压显现特点；深井开采支护技术的研究方面详细阐述了深部开采巷道支护技术和煤矿深井开采问题处理。并对中国的深井开采技术的发展趋势做出了总结和展望。
关键词:深井开采;巷道;矿压显现;支护技术
Research of Rock Pressure and Support Technology of Deep Mine Exploiting Jiang Dejun
Abstract: With the expansion of coal mining in our country, the increase of mining depth and deep mining has become an inevitable course of coal mine production, the current coal mine production and the impact of future mine construction has become increasingly serious. How to face the complex geological conditions of deep mining, timely solve technical issues on deep mining, in the long run, it will be on the safe, economic and reasonable development of deep coal resources are particularly important strategic paper mainly introduces the coal mine pressure deep well open mining laws and supporting technology research. Deep well mining pressure firstly open aspects in detail elaborated the deep roadway rock pressure manifestation, problems in deep mining, as well as the characteristics of deep well mining of coal mine working face mining pressure manifestation characteristic; Deep well mining of supporting technology research illustrates the deep mining roadway supporting technology and coal mine deep mining processing. And the development trend of deep well drilling technology in China has made the summary and outlook. Keywords: Deep Mine Exploiting;roadway;Mine pressure appear;Support Technology
1概述
问题的提出及研究的意义
煤炭是目前我国国民经济赖以生存和发展的最主要能源。煤炭资源从浅部开始开采，随着煤炭采出，开采煤层的埋藏深度必然要增加，开采规模扩大和机械化水平提高加速了生产矿井向深部发展。我国东部地区经济发达，能源需求量大，矿井延深速度快，一些国有重点煤矿主要矿区已开始转向或即将进入深部开采。预计 10～20 年后，开采深度大于 700m 的矿井将不断增加。由此可见，深部矿井的开采技术既是当前一些矿井面临的问题，也是我国煤炭工业长远发展需要十分重视和研究解决的问题。
巷道围岩变形规律和巷道支护理论是巷道支护选择与设计的基础和关键之一，主要解答不同类型巷道支护(加固)的对象、围岩稳定条件、支护(加固)与围岩相互作用的机制、各种支护(加固)技术优化选择设计方法等根本性问题，其正确以否和完善以否直接关系到井巷工程的经济性、可靠性和安全性。长期以来，巷道围岩变形规律和巷道支护理论一直是巷道支护研究的一个重点。但是，由于巷道岩石经历了漫长地质变化，结构极为复杂，有关巷道围岩变形规律和巷道支护理论研究也是一个难点，一直发展比较缓慢，明显落后于巷道支护技术手段的发展，以致于有人赞叹上天易，入地难。随着开采深度的进一步增加，地压越来越大，巷道支护的难度将进一步增加。因此，面向 21 世纪的我国煤炭工业必须继续重视研究和发展新的巷道支护理论和技术。
巷道开挖之后，破坏了岩体原始的力学平衡，围岩应力重新分布，使巷道围岩处于一种不稳定状态。已有研究表明，围岩应力重新分布是一个渐进的过程，并且围岩的收敛由浅入深，收敛速度逐渐衰减。如何有效地支护与加固巷道围岩、保护巷道围岩的稳定性一直是国内外岩土工程和采矿工程关注的重要课题。井下巷道围岩的稳定性是一个复杂问题，从理论上讲，井下巷道围岩稳定性的基本决定因素是围岩应力与围岩强度，围岩应力超过围岩强度时，井巷将处于一种不稳定状态，反之亦然。但影响井巷稳定性的因素很多，例如，巷道围岩的性质、围岩结构和破坏情况、井巷位置、深度、巷道轴线方向、地下水的作用、巷道的断面尺寸、掘进破岩方法、暴露时间、采动影响、构造应力影响、以及支护类型等等。近年来，随着我国矿井开采深度逐年增加，采深已由浅部向深部发展，巷道的围岩应力亦随矿井开采深度增加而增大，出现了地压显现(巷道围岩应力)十分强烈、巷道变形急剧增大、巷道底鼓及巷道两帮片帮严重、并且在一些岩巷时有岩石突出(岩暴)发生、地温普遍增大等现象，这些都严重地危害了巷道围岩的稳定性和巷道维护，并成为制约深部开采矿井安全生产的主要因素。因此，深部巷
道围岩的稳定性控制是目前深部开采矿井正面临需要解决的问题。开展深部巷道围岩稳定性控制的研究，主要是深部巷道围岩稳定性分析及巷道围岩变形规律的研究和巷道支护及加固技术的研究。正是由于深部矿井开采存在着上述的这些制约因素，深部巷道围岩稳定性分析和巷道支护技术不能简单地照搬现存的巷道围岩稳定性的分析方法和巷道支护技术，必须根据不同的情况和条件，以及影响因素的主要矛盾和次要矛盾进行重点的综合的分析。因此，开展对这一工作的研究是非常必要的，它将达到对深部开采矿井巷道围岩变形机理及其规律的认识，并为深部开采矿井巷道支护技术的改革和支护方式的选择提供科学的依据。
深井开采的界定
由于不同的产煤国家在煤层赋存的自然条件、技术装备水平和开采技术上的差异、以及在深部开采中出现问题的程度不同。因此国际上尚无统一和公认的根据采深划分深井的定量标准。根据本国国情，一些采煤国家的学者对深井的界定提出的一些见解和论述。前苏联的一部分学者将采深超过 600m 的矿井归于深井，而另一部分学者把采深 800m作为统计深井的标准。原西德学者把采深 800～1200m 定为深部开采，把 1200m 以下称为超深开采。英国与波兰把煤矿深部开采的起点定为 750m，日本定为 600m。
我国对深井的界定无明确规定，中国煤矿开拓系统一书提出按开采深度将矿井划分为 4 类，各类的深度范围如表 1-1。
表 1-1 中国煤矿开拓系统按开采深度对矿井分类 矿井类别 采深 /m 浅矿井 ＜400 中深矿井 400~800 深矿井 800~1200 特深矿井 ≥1200
2国内外对深部开采矿井矿压及其控制的研究现状
国内研究现状
我国相关部门对煤矿深部开采相当重视，2001 年末在北京香山召开了以“深部高应力下的资源开采与地下工程”为主题的香山科学会议第 175 次学术讨论会。许多知名学者提出了对深部开采的观点:谢和平教授指出，首先表现在深部开采必然诱发出一系列工程灾害：①巷道变形速度快、巷道围岩变形范围大；巷道持续变形、流变成为深部巷道变形的主要特征；②采场矿压显现剧烈，采场失稳，易发生破坏性的冲击地压；③金属矿和煤矿相关的统计资料表明，随着开采深度的增加，岩爆的发生次数及强度会随之上升，巷道中岩爆危险性增加；④瓦斯高度聚积、诱发严重的安全事故；⑤深部开采条件下，岩层温度将达到摄氏几十度的高温，作业环境恶化；⑥矿山深部开采诱发突水的几率增大，突水事故趋
于严重；⑦井筒破裂加剧；⑧煤自燃发火、矿井火灾及瓦斯爆炸加剧。此外，深部开采对地表环境也往往造成严重损害。
国外研究现状
原西德和前苏联在深井巷道矿压显现及其控制研究方面居国际领先地位。前苏联在深井巷道矿压理论方面研究较多，原西德采用现场实测、模型实验和数值模拟等方法，侧重于深井巷道矿压控制实用技术的研究。
在深井开采的巷道矿压显现及其控制技术方面，前苏联采用????/??或????/??????为指标的两种方法对巷道的稳定性和变形进行评价和预测，γ为岩层的平均体积力；H 为埋深；σ为岩石的单向抗压强度；f 为地质构造持性系数，m 为强度系数(1～，评价方法一和评价方法二分别将巷道分为 3 类和 5 类。
原西德学者认为：当岩石压力超过一定极限值，巷道掘进时就会产生掘进移近量，开始产生掘进移近量的压力值表达式为：P＝σ? ，即γH＝σ?，式中：σ为底板岩层强度。从而推出在不受开采影响的岩体中巷道失稳的极限深度表达式：H＝138σ?，通过变换不同底板岩石强度，可以得出底板岩性不同的巷道失稳的极限深度。
影响巷道掘进过程中移近率 K(移近量与巷道原高度之比)的主要因素有岩石压力、巷道底板岩层强度σ，其经验公式如下:
????
??=?????+????.?? √??另外，原西德注重巷道合理布置，回采巷道实行石膏巷旁支护沿空留巷，一部分工作面采用前进式开采。前苏联、原西德、日本、比利时、英国和荷兰等国对巷道卸压技术和注浆加固技术进行了大量的理论和实验研究，也取得了一定效果。在深井开采的采场矿压显现及其控制方面，原西德学者认为：工作面中冒落高度与采深和支架的支撑力有关，工作面岩层的高压增加了冒落频度，减少顶板难管理的途径是加大支架支撑力和缩小端面距。原西德发展了掩护式支架，为缩短顶梁到煤壁的控顶距离，采取了在支架顶梁前增加滑动梁或可折合前探梁和护帮装置，减少了冒落、冒高及煤壁片帮问题。由德国发展起来的钻屑法、钻孔卸压法在国际上享有盛誉，并且不断完善了一整套防治措施和预测预报方法，在采深不断增加和开采范围不断扩大的情况下，冲击地压次数和危害程度仍大幅度减少。
深井巷道支护理论研究现状
巷道支护理论的核心是关于巷道支护与围岩相互作用本质与规律的系统化理性认识，它一直是岩石工程研究的一个重要的难点。巷道工程与人们常见的地铁等浅层工程比较有如下特点：
深井开采矿压显现规律和支护技术的研究
