祁東煤礦1.2 Mta新井設計含5張CAD圖.zip,祁東煤礦1.2,Mta新井設計含5張CAD圖,祁東,煤礦,1.2,Mta,設計,CAD 專題部分 煤礦深井巷道礦壓顯現(xiàn)及其控制 李旭光 江蘇徐州，中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，221116 摘要：我國國有大中型煤礦開采深度每年約以8~12 m的速度向深部增加，一些老礦區(qū)和缺煤礦區(qū)相繼進入深部開采階段。開采深度的加大后，巖體應力將急劇增加，地溫升高，巷道圍巖破碎嚴重，塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍很大，蠕變嚴重。采用工字鋼、架棚等被動支護技術已不能有效的控制巷道的變形，采用高強度樹脂錨固以及注漿錨桿錨固力大、錨固及時，能主動地將支撐載荷作用到巷道周邊，對圍巖施加徑向力，改善圍巖結構，加強巷道或硐室周邊圍巖穩(wěn)定性，充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力，取得了良好的支護效果。 關鍵詞：深井巷道；礦壓顯現(xiàn)；圍巖應力；礦壓控制；錨桿 1 引言 巷道變形破壞嚴重，維護困難時煤礦深井開采主要和共同問題之一。巷道礦壓顯現(xiàn)隨采深增加而增加，一般在采深超過600~700m之后軟巖條件下采深在500m左右，井下巷道開始出現(xiàn)深井開采的巷道礦壓顯現(xiàn)特征。隨著開采深度增加，礦壓顯現(xiàn)特征愈加明顯。 我國是世界產煤大國，同樣也是用煤大國。我國煤炭儲量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m和1000 m 的儲量分別占到73.19 % 和53.17 %。而隨著開采深度的加大，巷道周邊圍巖應力呈近似線性關系的增長，巷道圍巖變形少則幾百毫米，多達1.0~2.0 m。巷道在服務期間需要進行不斷的維護與返修，特別是它們的兩類或三類的復合型，問題更為突出。嚴重時，在巷道掘進或使用期間將會在巷道中引發(fā)煤與瓦斯突出，甚至巖爆等動力災害，嚴重威脅礦井的安全生產。這不但造成巷道支護成本高，而且造成煤炭資源開采的極端困難，嚴重威脅著礦井的安全生產。在深部巷道中使用錨桿支護技術，錨桿通過徑向和切向錨固力的作用，對圍巖施加圍壓，將圍巖由單向、雙向受力狀態(tài)轉化為雙向、三向受力狀態(tài)，提高圍巖的穩(wěn)定性。錨桿貫穿圍巖中的弱面，切向錨固力改善了圍巖的力學性質，進而有效地控制巷道變形。 1.1課題的提出及意義 中國是個煤炭大國，在我國的一次能源的生產和消費構成中，煤炭所占的比重約為 2/3，2007 年的全國煤炭產量為 25.5 億噸，由于全國對煤炭的需求量增加迅速特別是電煤，缺口仍有 6000 萬噸左右，新成立的國家能源局局長張國寶表示在 2009 年要增加煤炭的產量，加緊審批一批大型煤礦的建設。我國正處于經濟的快速增長時期，一次能源生產量和消費量均超過世界總量的 10%；其中，煤炭生產量和消費量約占世界的 30%，且我國是個貧油氣富煤的國家，煤炭資源豐富，但我國煤炭總儲量的70%以上埋藏在600m以下，更有29500萬億噸，埋藏在1000m以下，占總儲量的 53%，煤炭資源從淺部開始開采，經過半個世紀的時間，淺部資源日益枯竭，國內外都陸續(xù)進入深部資源的開采，煤礦深井開采是世界上大多數(shù)主要采煤國目前與將來面臨的亟待解決的問題。率先進入深部開采是金屬礦山，早在本世紀初，南非金礦的開采深度就已超過 2000m。據不完全統(tǒng)計，國外開采超過千米的金屬礦山有 80 多座，其中南非就有 40 多座礦井開采深度超過 1000m，其中一半多已達 2000～3000m，如埃蘭茲蘭（Elandsrand）金礦、斯坦總統(tǒng)（President Steyn）金礦和博克斯堡（Boksburg）金礦等開采深度均已超過 3000m，而全世界開采深度最大的地下礦山—卡里頓維爾（Caritonvill）金礦（南非第三大金礦）—的開采深度已超過 4000m。除南非以外，加拿大、美國和印度等國非煤地下礦山的開采深度最大的也達到了 2000～3000m，如美國的加利納（Galena）銀鉛礦、加拿大的克來頓（Creighton）鎳礦和印度的錢皮恩里夫（Champion Reef）金礦和科拉爾（Kolar）金礦等。 建國初期統(tǒng)配煤礦產量中，約有 40%是從深度 200m 以內的礦井中采出，而近80%的煤炭是從深度為 400m 以內的礦井采出。國有重點煤礦的生產的礦井，目前多數(shù)還是淺井和中深井，其百分比分別為 50.08%和 45.74%，而深礦井僅占 4.2%。根據 1997 年初的統(tǒng)計，國有重點煤礦的生產礦井中，目前采深已超過-800m 的礦井中有 25 處，其分布在開灤、北京、雞西、沈陽、撫順、新汶、徐州、淮南和長廣等開采歷史長的老礦區(qū)。據統(tǒng)計[34-36 ]，目前我國許多礦區(qū)的開采深度都己超過了 600m～800m,深度超過千米的礦井就有數(shù)十個，最大的開采深度己接近 1200m。如沈陽礦務局彩屯煤礦（1197m）,開灤趙莊煤礦（1159m），徐州張小樓煤礦（1100m），北票冠山煤礦（1059m），北京門頭溝煤礦（1008m）等。此外，新汶礦區(qū)的大部分煤1礦己進入深部開采，平均開采深度達-900m 以上，如孫莊煤礦（1055m）,華豐煤礦（1070m）?？梢灶A計，隨著對煤炭需求量的不斷增加，我國將有更多煤礦進入 1000m以下深度開采。按采深統(tǒng)計，國有重點煤礦生產礦井多數(shù)是中深礦井，其礦井接近47%，深礦井的比重也增長到近24%，并有5.01%的礦井采深超過1200m。今后的總發(fā)展趨勢是淺井（小于 400m）的數(shù)目將大為減少，中深礦井（400～-800m）的數(shù)目明顯增加，深礦井（800～1200m）的數(shù)目成倍增長，并將出現(xiàn)更多的特深礦井（大于 1200m），礦井的平均開采深度也將進一步增大至 630 m 左右。隨著礦井開采逐漸向深部發(fā)展，在淺部呈現(xiàn)中硬巖變形破壞特征的工程巖體，進入深部后轉化為高應力軟巖，礦壓顯現(xiàn)強烈，巷道位移顯著增大，支架損壞嚴重，巷道返修量劇增，巷道維護變得異常困難，深部采場與巷道圍巖穩(wěn)定性控制已成為煤礦開采面臨的重大課題之一，引起了世界各國采礦界的高度重視。另外深部高地壓導致沖擊地壓危險加大，瓦斯涌出量增加以及地溫升高等一系列新問題，深井開采問題是采礦界面臨的一個重要課題。 礦井進入到深部開拓和生產階段后，由于各種因素的影響，地質條件會變得異常惡化。隨著高地應力、高滲透壓力和高地溫的影響越來越突出，相應的也會給地下工程即圍巖穩(wěn)定與施工安全也會帶來一系列的難題。 深部開采由于地應力的普遍升高，導致深部巷道的圍巖在承壓強度和變形性質上與淺部圍巖相比存在著顯著的差異。處在淺部的圍巖大部分都處在彈性應變的狀態(tài)，不會發(fā)生較大的變形而失穩(wěn)。但是進入到深部開拓以后，圍巖體內的地應力會明顯地升高，這必然會導致圍巖體內所賦存的高地應力和自身低強度之間產生突出矛盾，并且也會使巖體內的應力狀態(tài)由三向變成二向。隨著巷道的開挖，重新形成的二次應力場中的應力將會高度集中，進而導致近表的圍巖受到超過圍巖自身強度的剪切力。巷道圍巖體將會很快地發(fā)生由表及里的破裂碎脹和塑性擴容現(xiàn)象，這樣勢必會出現(xiàn)大變形進而使整體進入到失穩(wěn)狀態(tài)。 隨著礦山開采深度的增加，地下水的滲透壓力也會相應地增大。隨著巷道的開挖，近表圍巖內孔隙水的壓力將會大幅地降低，與此形成鮮明對比的是巷道近場圍巖內的有效應力將會迅速地增大，致使巷道圍巖體內的應力很快超過巖體本身的額定強度，從而加速了巷道表層圍巖的破壞失穩(wěn)現(xiàn)象向巷道深部圍巖蔓延的趨勢?？紤]到我國大部分含煤地層的巖石主要為泥質膠結狀態(tài)，當遇到水體侵蝕后必然會發(fā)生軟化松散，使其物理力學性質更趨于弱化而有些深井巷道圍巖的巖石中含有少量薪土礦物如:蒙脫石，遇水將會發(fā)生迅速地膨脹破裂。以上情況如果處理不好都會對圍巖穩(wěn)定帶來不利的影響。 2 開采深度與巷道圍巖的變形關系 2.1中國的研究 開采深度對巷道圍巖的影響十分復雜，除與巷道的圍巖性質密切相關外，如受采動影響的巷道，則與護巷方式和周圍采動狀況等也有密切關系。根據我國的研究成果，可得開采深度與巷道維護之間的一般關系如下： （1）巖體的原巖應力即上覆巖層重量，是在巖體內掘巷時巷道圍巖出現(xiàn)應力集中和周邊位移的基本原因。因此，隨開采深度增加，必然會引起巷道圍巖變形和維護費的顯著增長。 （2）巷道的圍巖變形量或維護費用隨采深的增加近似的呈線性關系關系增長。 （3）巷道圍巖變形和維護費用隨開采深度的增長的幅度，與巷道圍巖性質有密切關系，圍巖愈松軟，巷道變形隨采深增長愈快，反之，圍巖愈穩(wěn)定，巷道變形隨采深增長愈慢。 （4）巷道圍巖變形和維護費用的增長率還與巷道所處位置及護巷方式有關，開采深度對卸壓內的巷道影響最小，對位于煤體內巷道及位于煤體-煤柱內巷道的影響次之，對兩側均已采空的巷道影響最大。 2.2德國的研究 （1） 德國提出掘巷引起的圍巖移近量與開采深度和巷道底板巖層強度之間的關系為： （2-1） 式中：——掘巷引起的圍巖變形量占巷道原始高度的百分率，%； ——巖層壓力，，Mpa； ——地板巖層的單軸抗壓強度，Mpa。 圖2-1 移近量與巖石壓力p（深度H）和底板巖層強度的關系 1-砂巖（=97 Mpa）；2-頁巖（45 Mpa）；3-軟巖（28 Mpa）；4-煤（14 Mpa） 利用該式計算結果如圖1所示，由此可見，掘巷引起的圍巖變形隨開采深度的增加而增長，其增長率與巷道圍巖性質有關。開采深度每增加100 m，在煤層（=14 Mpa）中掘進，圍巖移近量增加8.9%；在軟巖（=28 Mpa）中增加6.3%；在頁巖（=45 Mpa）中增加5%；在砂巖（=97 Mpa）增加3.4%。同時取=0，可以知道在掘巷過程中引起圍巖明顯變形的臨界深度，在煤層中為512 m，軟巖中為732 m，頁巖中為930 m，砂巖中為1360 m。 （2）德國埃森采礦中心還對100條前進式開采的采準巷道進行了系統(tǒng)觀測，得出巷道圍巖移近量占巷道原始的高度的百分率與開采深度關系式為： （2-2） 既開采深度每增加100 m，回采巷道圍巖移近量占原始高度的百分率增加6.6%，與上述統(tǒng)計值相似。礦井開采深度由300 m增加到800 m時，移近量要增加1000余mm，巷道從較易維護變?yōu)殡y以維護，可見開采深度對巷道礦壓顯現(xiàn)的影響之大。 2.3前蘇聯(lián)的研究 前蘇聯(lián)對礦井開采深度與巷道穩(wěn)定性的關系進行過大量研究，認為深部巷道礦壓顯現(xiàn)的一個主要特點是在巷道掘進時就呈現(xiàn)圍巖強烈變形，且在掘進后圍巖長期流變，使巷道支架承受很大壓力。淺部開采時表現(xiàn)不明顯的掘巷引起的圍巖變形，在深部開采時顯現(xiàn)十分強烈。根據在頓巴斯礦區(qū)進行的大量巷道礦壓觀測，提出了深部巷道掘進初期圍巖移近量的計算公式為： （2-3） （2-4） 式中：、——頂板、兩幫在掘進后t時間內的位移量，cm； ——時間，d； 、——頂板、兩幫作用在支架上的壓力，kN/m2； ——巖石容重，kN/m3； ——巷道所處的深度，m； ——巖石單軸抗壓強度，kPa； ——尋求常數(shù)時引入的單軸抗壓強度，3000kPa； ——巷道所處的深度，cm； ——巷道高度，cm。 由此可以看出隨著開采深度的增加，維護時間的增長，巷道變形將逐漸增加，維護也將越來越困難。前蘇聯(lián)學者舍斯勒夫斯基認為，當<0.3時，既開采深度相對比較小或圍巖強度相對比較大時，開采深度對巷道圍巖變形影響較小，反之，圍巖穩(wěn)定性系數(shù)愈大，開采深度對巷道圍巖變形的影響就也愈大。 3 礦壓顯現(xiàn)特點 隨著地下開采深度的增加，原巖地應力越來越大，原巖應力主要取決于巖層的自重，巷道原巖應力的增加與礦井的開采深度呈線性關系，所以采深越大，原巖應力越大，深部巷道開掘以后，除受到原巖應力的作用外，同時還受到開挖引起的應力集中。深部巷道礦壓顯現(xiàn)的特點主要有： （1）巷道的圍巖應力通常都超過巷道的圍巖強度，尤其是遠高于煤層巷道和軟巖巷道的圍巖強度，所以無論是礦井主要大巷還是采準巷道，以及巷道是否受到來動影響，礦壓顯現(xiàn)都比較強烈； （2）巷道不僅在掘進和回采過程中，因應力擾動而引起圍巖急劇變形，而且在應力重新分布趨向穩(wěn)定后，仍持續(xù)不斷地流變； （3）圍巖性質和結構對巷道礦壓顯現(xiàn)的影響程度隨著采深的增加而增大； （4）深部巷道壓力具有來壓迅猛，圍巖變形和壓力大，且巷道四周同時來壓，以及底板臌起強烈等特點。隨采深加大，巷道底板更易于臌起，而且底臌量在頂?shù)装逡平恐兴嫉谋戎卦絹碓酱蟆? 3.1深部開采圍巖力學特征 淺部巖體多數(shù)處于彈性應力狀態(tài)，但進入深部以后在高地應力以及采掘擾動力等的作用下,淺部表現(xiàn)為普通堅硬的巖石在深部可能出現(xiàn)大變形、難支護的軟巖特征，即多數(shù)深部巖體處于塑性、粘塑性、流變的潛在破壞狀態(tài)下。在深部下巷道一旦被開挖，巖體原有的三向平衡應力狀態(tài)被打破，很快產生碎脹變形破壞，造成巷道周邊破碎巖體增多、巷道支護困難等一系列問題，導致災害事故增多，如大面積來壓、冒頂、大變形且長期處于流變狀態(tài)、沖擊地壓等，明顯不同于淺部巖體表現(xiàn)出來的力學特性。由此說明深部巷道圍巖的物理環(huán)境和力學特性較淺部發(fā)生了較大變化，主要是由于進入深部以后，多數(shù)巷道受“三高”和“一擾動”的作用，使深部巷道圍巖的力學性質發(fā)生了明顯變化，從而表現(xiàn)出其特有的力學特征現(xiàn)象，主要包括以下幾個方面： （1）圍巖應力場具有分區(qū)破裂特征 淺部巷道圍巖狀態(tài)通?？煞譃樗苄云屏褏^(qū)、彈性區(qū)和原巖力區(qū)三個區(qū)域，其本構關系可以采用彈塑性力學理論進行推導求解。然而研究表明，深部巷道圍巖產生膨脹帶和壓縮帶（或稱為破裂區(qū)和未破壞區(qū)）交替出現(xiàn)的情形，而且其寬度按等比數(shù)列遞增，這一現(xiàn)象被稱為分區(qū)（區(qū)域）破裂化現(xiàn)象（據E.L.Shemyakin）。因此，深部巷道圍巖應力場更為復雜。 （2）圍巖的大變形和強流變性特性 研究表明，進入深部后巖體變形具有完全不同的趨勢，一種是巖體表現(xiàn)為持續(xù)的強流變性，即不僅變形量大，而且具有明顯的“時間效應”，如煤礦中有的巷道20余年底膨不止，累計底膨量達數(shù)十米。Malan等通過對南非金礦深部圍巖的流變特性的系統(tǒng)研究得出巷道圍巖最大月位移量達500mm。另一種是巖體已不再具有承載特性，但事實上它仍然具有承載和再次穩(wěn)定的能力，生產中借助這一特性將巷道布置在破碎巖（煤）體中，如沿空掘巷。 （3）動力響應的突變性 淺部巖體破壞通常表現(xiàn)為一個漸進過程，具有明顯的破壞前兆（變形加?。?，而深部巖體的動力響應過程往往是突發(fā)的、無前兆的突變程，具有強烈的沖擊破壞性，宏觀表現(xiàn)為巷道頂板或周邊圍巖的大范圍的突然失穩(wěn)、坍塌。 （4）深部巖體的脆性——延性轉化 實驗研究表明，巖石在不同圍壓條件下表現(xiàn)出不同的峰后力學特性，最終破壞時應變值也不同。在淺部（低圍壓）開采中巖石破壞以脆性為主，通常沒有或僅有少量的永久變形或塑性變形，而進入深部開采以后，由于巖體處于“三高”和“一擾動”的作用環(huán)境之中，表現(xiàn)出的實際是其峰后強度特性。在高圍壓作用下，巖石可能轉化為延性，破壞時其永久變形量通常較大。因此，隨著開采深度的增加巖石已由淺部的脆性力學響應轉化為深部潛在的延性力學響應行為。 正是由于深部采場圍巖的這些特有的力學現(xiàn)象，使其在宏觀上表現(xiàn)出與淺部開采不同的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在以下幾個方面； （1）礦壓顯現(xiàn)劇烈 試驗研究表明，巖塊的強度隨深度的增加而有所提高，但是，進入深部開采以后覆巖的自重應力和地質構造應力隨著開采深度增加的幅度遠大于巖塊強度隨深度的增加值，而且深部工程往往受采掘擾動復雜疊加支承壓力影響，受其影響巷道周邊圍巖應力高達數(shù)倍巖體強度，致使圍巖松軟破碎、變形嚴重，并易發(fā)生破壞性沖擊地壓，給巷道的維護帶來極大困難。 （2）圍巖變形量大、破壞程度嚴重 深部巷道因埋深大，相應的圍巖自重應力大，而且在深部巖層結構、節(jié)理、裂隙較淺部發(fā)育，構造應力十分突出、巷道圍巖壓力大，由此致使巖體破碎、難以支護，而且支護成本不斷增加。國內外開采實踐表明，開采深度為800～1000m時，巷道變形量達1000～1500mm，甚至更大。深部開采巷道的返修率在40%～80%，另據有關資料分析，近十年，巷道支護成本增加了1.4倍，巷道返修量占整個巷道掘進量的40%。 （3）破壞范圍大 淺部巷道圍巖在臨近破壞時往往具有加速變形的前兆，據此可以進行預報并采取相應的控制對策，而且其破壞一般局限于某一局部范圍。與淺部不同的是，深部巷道圍巖的破壞前兆不明顯，具有突發(fā)性，預測預報工作十分困難，而且破壞往往大面積的發(fā)生，具有區(qū)域性，如巷道發(fā)生大面積的冒頂跨落等災害。 3.2圍巖的穩(wěn)定性主要影響因素 深部開采條件下巷道開挖后圍巖變形破壞，圍巖的穩(wěn)定性是與圍巖本身的完整性和強度相關的，也受外部的應力狀態(tài)的影響，所以對于圍巖的穩(wěn)定性控制必須從內因屬性和外部作用入手分析。 圍巖穩(wěn)定性影響因素分析：煤礦進入深部開采后，地質條件惡化，破碎巖體增多、地應力增大、水頭壓力和涌水量加大、地溫升高，導致深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制與支護的難度加大、作業(yè)環(huán)境惡化，生產成本急劇增加，對深部資源開采提出了一系列課題，就影響巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素而言，可概括為以下幾方面： （1）圍巖賦存環(huán)境影響 巷道圍巖穩(wěn)定性與圍巖自身的地質成因及其所處的地質環(huán)境關系密切。巷道圍巖穩(wěn)定是巖石強度、巖體的完整性及結構面狀態(tài)、地下水作用、地溫以及地應力狀態(tài)等共同作用的結果。進入深部開采以后，雖然圍巖強度有所提高，但所賦存的地質條件惡化，礦山壓力增大，在強烈的構造活動地區(qū)，存在較大的殘余構造應力而且?guī)r體工程地質特性較差，對巷道的穩(wěn)定性有著重要的影響，同時由于深度的增加，水頭壓力增大，圍巖體滲透壓力增大，巖體強度降低，給巷道圍巖穩(wěn)定與施工安全控制提出了嚴峻挑戰(zhàn)。 （2）開挖擾動影響 a）巷道掘進開挖影響。在巷道開始掘進時，破壞了原巖應力的平衡狀態(tài)，巷道掘進斷面輪廓內巖石支撐的巖層壓力不斷地施加在巷道圍巖上，巷道周邊徑向應力減小，圍巖產生切向應力集中，深部原巖應力因應力集中產生的巨大應力，與巷道周邊處于單向或近似雙向應力狀態(tài)的巷道圍巖強度之間的極大反差，使巷道周邊的圍巖遭到破壞，應力不斷向巷道深部轉移，遠離巷道周邊的圍巖應力逐漸接近原巖應力狀態(tài)。隨著時間的推移和巷道圍巖應力狀態(tài)的調整，巷道圍巖最終將達到新的應力平衡狀態(tài)。 進入深部開采后，在淺部選取的掘進參數(shù)己不適用于深部，爆破掘進對淺部圍巖造成的影響難以對巷道圍巖穩(wěn)定造成影響，而在深部則對巷道圍巖的影響變得十分敏感，爆破參數(shù)不合理會直接導致巷道圍巖失穩(wěn)破壞。深部巷道圍巖動力現(xiàn)象較淺部明顯增加，煤、瓦斯突出現(xiàn)象增加。這些因素都直接影響巷道圍巖穩(wěn)定。 b）開采擾動影響。礦體開采過程中，會形成應力集中和采動動壓，使礦體一定范圍內的巷道圍巖應力增加，造成巷道在這種高應力或者動壓的影響下大面積破壞和維護困難，進入深部開采后，采礦擾動對巷道圍巖影響變得更加強烈。 c）開挖支護。進入深部開采后，巷道圍巖由淺部的彈性、彈塑性變形向深部的塑性、塑性流變變形發(fā)展，巷道圍巖變形量增大，變形速率加快。如果開挖后支護不及時、不到位、支護體強度低，不能有效地改善和恢復或部分恢復巷道周邊圍巖的應力狀態(tài)，都會造成深部巷道圍巖失穩(wěn)破壞。 深井回采巷道礦壓顯現(xiàn)：運輸平巷和單巷掘進的回風平巷變行分區(qū)，其在服務期間的變形規(guī)律圖3-1顯示： 圖3-1 深井單巷回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 --掘巷引起的附加變形量；--掘巷影響后原巖應力或側向固定支承壓力作用下穩(wěn)定的變行速度； u本—本工作面移動支承壓力作用下的變形量 某礦煤層運輸平巷的變形（兩幫移近量具有相似規(guī)律）如下圖3-2： 圖3-2 煤層平巷的變形規(guī)律 4 深井回采巷道礦壓控制 回采巷道圍巖變形隨采深增加而增加是不可避免的，回采巷道礦壓控制的目的就是在服務期間內變形量較小，在滿足生產和保證安全的前提下減少維修量和維修次數(shù)。 巷道圍巖控制是指控制巷道圍巖的礦山壓力和周邊位移所采取措施的總和。其基本原理是：人們根據巷道圍巖應力、圍巖強度以及它們之間的相互關系，選擇合適的巷道布置和保護劑支護形式。降低圍巖應力，增加圍巖強度，改善圍巖受力條件和賦存條件，有效地控制圍巖的變形和破壞。圍繞降低巷道圍巖應力，增加圍巖強度，改善圍巖賦存條件和賦存環(huán)境，巷道圍巖的控制方法可歸納為巷道布置和巷道保護及支護兩方面的內容。 在理論研究以及工程實踐的基礎上總結出，進行礦壓控制方式基本有： （1）縮短回采巷道的服務時間。盡可能提高掘進、設備安裝和采煤的速度；同一工作面必須使用的巷道同時掘出； （2）改善和加強超前支護。隨著采深的增加，超前支護距離應增大。 （3）適當加大斷面。 （4）基本支護建議。在條件適合的條件下應盡量擴大錨噴、錨網和錨帶的支護范圍，以其達到加強圍巖自重承載能力、改善圍巖自身力學特性、提高掘進速度、加大凈斷面和減輕工人勞動量的目的。在三軟煤層條件下宜使用U型鋼和錨網支護聯(lián)合支護。 （5）通過鉆孔卸壓、切槽卸壓、寬面掘巷卸壓以及在巷旁留專門的卸壓空間等方法，使巷道圍巖受到某種形式的不同程度的卸載，將本該作用于巷道周圍的集中載荷，轉移到離巷道較遠的新支承區(qū)，達到降低圍巖應力的圍巖應力的目的。 （6）采用圍巖鉆孔注漿、錨桿支護、錨索支護、巷道周邊噴漿、支護壁后充填、圍巖疏干封閉等方法，增高圍巖強度，優(yōu)化圍巖受力條件和賦存環(huán)境。 （7）架設支架對圍巖施加徑向力，既支撐松動塌落的巖石，又能加大巷道的圍壓，保持圍巖三向受力狀態(tài)，提高圍巖強度，限制塑性變形區(qū)和破裂區(qū)的發(fā)展。根據巷道不同時期的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，巷道支護可分為巷內基本支架支護、巷內加強支護、巷旁支護、聯(lián)合支護四種形式。 本專題部分著重研究巷道支護的方法進行圍巖控制。 4.1煤礦深部巷道圍巖分級研究及支護參數(shù)的初步確定 4.1.1圍巖分類的理論基礎 現(xiàn)階段所采用的圍巖分類方法有單項指標分類法、多項指標分類法和多種因素綜合單一指標分類法等多種。而圍巖分類方法的科學性及適用性的程度，應該從不同的角度去檢驗，分類理論基礎不同適用的條件也就不同，其中分類方法應用方便的程度也要考慮到。 考慮到圍巖巖體結構的復雜性和物理力學性質的多變性，從近幾年來巷道圍巖支護理論的研究和發(fā)展現(xiàn)狀來看，還很難通過理論分析的計算機數(shù)值模擬方法來定量計算支護時所需的荷載大小。但是通過多年的理論和實踐研究，對影響巷道圍巖穩(wěn)定性的各方面因素己經達成了一定的共識。 所謂科學的巖體分類分級方法，應能夠綜合考慮影響巷道圍巖穩(wěn)定性的多個方面的因素。其中所依據的分類指標是否考慮全面，直接關系到圍巖分類分級的可靠性。目前國內外現(xiàn)有的各種圍巖分類分級方法都能從不同的角度描述影響圍巖體穩(wěn)定的各個因素，但是由于支護理論的差異，在選取分類指標和確定權值時還是會有所不同。例如:普氏圍巖分類法視頂板冒落拱內巖石的重量為支護荷載;工程巖體圍巖分類法則把重點放在關于地質結構特征和巖體強度對圍巖穩(wěn)定性的影響上，把結構面發(fā)育的程度和巖塊的強度作為分類的依據。這些分類法都沒能詳細、全面地考慮原巖應力場對巷道圍巖的作用，因而其適用范圍就只能被限制在原巖應力程度普遍較低的工況條件下。 根據多年的理論和實踐研究，國內外學者對原巖應力是圍巖穩(wěn)定性分類需要考慮的主要因素己經達成共識，但由于現(xiàn)階段技術水平有限，很難對其進行測量，怎樣準確地判斷其對圍巖的影響程度是現(xiàn)有分類分級方法普遍存在的問題?？v觀現(xiàn)有關于原巖應力的分析和處理方法，大多還只能采用定性描述的方法，如低應力區(qū)、高應力區(qū)等，因而在應用到工程實際中時難度往往很大。 4.1.2存在的問題 現(xiàn)在擁有的各種分類分級方法目前雖然分別在相關部門的不同工程情況下取得了一定的應用，但大都存在著兩個方面的問題: （1）對分類指標定性的描述較多，對原始參數(shù)準確定量還是比較困難，如原巖應力的大小、風化的程度，水的影響等; （2）多項指標分類方法中各項因素權值的確定普遍存在很大的不確定性，雖然有定量的指標，但這些定量的指標往往是人為地選取的，經驗數(shù)據較多，需要依靠現(xiàn)有的支護理論對圍巖穩(wěn)定性的影響因素進行科學、客觀的抽象和歸納，從而合理確定多項指標分類方法中各影響因素的權值范圍，尤其是要考慮到煤礦深部巷道圍巖特殊性。 因此，對于我國煤礦深部巷道穩(wěn)定性的評價、支護的設計和施工來說現(xiàn)有的分類方法己經不具有指導實踐的意義。因而，需要有針對性的研究煤礦深部巷道圍巖穩(wěn)定性分類分級的標準體系。 4.2煤礦深部巷道圍巖分級 近些年來，通過對各個典型礦區(qū)的深部巷道進行現(xiàn)場地質調查、原位地應力測試，巷道圍巖的超聲波測試和對各種地質條件下的煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性分析研究，我國學者通過參照國標煤礦錨噴支護圍巖分類方法與行標煤礦錨噴支護的巷道圍巖分類力一法，并在綜合考慮巷道圍巖堅硬完整的程度、結構面及充填物的性質、各個巷道橫斷面上的原巖應力分布規(guī)律及無支護情況下巷道周邊圍巖自穩(wěn)時間等情況的基礎上，進行綜合的分析和評判，進而提出了煤礦深部巷道圍巖分級體系，此分級體系在部分典型礦區(qū)的深部巷道支護施工中已經得到較廣泛的應用和驗證。 實踐己經證明，煤礦深部巷道圍巖分類分級體系對煤礦深部巷道穩(wěn)定性進行判斷，指導深部巷道支護設計與施工具有很好實用價值，是國內外目前唯一專門針對煤礦深部巷道的圍巖分級方法體系。 具體的分級標準見下表4-1。 表4-1 深井巷道圍巖分級 圍巖類別 堅硬性與完整性 構造影響程度、結構面性質 巖體基本質量指標（BQ） 強度應力比 毛洞自穩(wěn)情況 Ⅰ 完整堅硬、較堅硬 地質構造影響輕微；厚層狀結構，遇水不易軟化，層間膠結好，結構面不發(fā)育，無較軟夾層 >450 >2.0 4~5m 跨度毛洞能維持穩(wěn)定數(shù)月，局部出現(xiàn)小塊掉落 Ⅱ 較完整堅硬、較完整較堅硬、完整較軟弱、塊狀堅硬 構造影響較嚴重，主要表現(xiàn)為水平構造應力引起的高地應力的影響；遇水不易軟化，層間膠結較好，結構面以原生與構造節(jié)理為主，閉合不貫通，無軟弱夾層，較完整堅硬巖石，可能有少量小斷層，偶有泥巖充填 450~375 1.5~2.0 4~5m 跨度毛洞維持穩(wěn)定1月左右，主要出現(xiàn)局部掉塊、塌落，有中等程度底臌 Ⅲ 較完整較軟弱、塊狀較堅硬、完整軟弱 構造影響較重；層間膠結較好，偶見軟弱夾層，結構面發(fā)育，節(jié)理面多數(shù)閉合，少有泥巖充填，塊體間牢固咬合 375~300 1.0~1.5 4~5m 跨度毛洞維持穩(wěn)定1~2周，主要失穩(wěn)形式為冒落或片幫，底臌較嚴重，收斂變形速度達30mm/d以上 Ⅳ 塊狀較軟弱、極軟弱、破碎段較堅硬 構造影響嚴重，多數(shù)為斷層影響帶或強風化帶；層間膠結差，易風化剝落或遇水易軟化；結構面發(fā)育，以構造裂隙、卸荷風化為主，貫通性好，多數(shù)張開 300~225 0.5~1.0 4~5m 跨度毛洞維持穩(wěn)定1~3天，主要失穩(wěn)形式為大范圍冒落片幫，底臌嚴重，收斂變形速度達100mm/d以上 Ⅴ 破碎軟弱、極軟弱、松散結構 構造影響嚴重，多數(shù)為破碎帶、全風化帶、斷層充填物；構造及風化節(jié)理密集，節(jié)理面及其組合雜亂，形成大量碎塊，塊體間多數(shù)為泥巖充填，呈石夾土或土夾石狀 <225 <0.5 4~5m跨度毛洞維持穩(wěn)定時間很短，約數(shù)小時 4.3深井巷道圍巖狀態(tài)特點 深井巷道圍巖的特點很多，但是從造成深井巷道支護和維護困難的根本原因上來講，主要的特點是深井巷道的圍巖壓力大。我們所指的圍巖壓力不僅僅指的是由于巷道處于深部圍巖情況下，產生的高地壓所帶來的圍巖壓力，還包括高滲透壓力和通風造成的溫度梯度所產生的一系列問題而帶來的相應的巷道圍巖壓力的升高。 頂?shù)装逡平颗c開采深度的關系 圖4-1 巷道變形量隨采深變化的理論曲線 伴隨著巷道圍巖壓力升高，巷道圍巖變形程度呈近似線性關系增長?；緩?00m開始，1000m開采深度，巷道頂?shù)装逑鄬ζ骄平吭黾?0%一11%（如圖4一1所示）。理論分析表明，深部開采的巷道變形量隨開采深度增大呈近似直線關系增大（如圖4一1所示）。開采深度每增加100m的巷道變形增量與巖體強度有直接關系。 如何才能有效地降低深井巷道的圍巖變形程度呢?現(xiàn)階段可以將運輸大巷等主要開拓巷道布置在底板巖層中。但是考慮到支撐壓力會在底板巖層中傳播并且范圍會越來越大，必將會對深井巷道的布置產生重要影響。 在深部巷道掘進或受采動影響時，巷道周邊圍巖的應力狀態(tài)要重新進行分布，使得圍巖的穩(wěn)定性發(fā)生不可預知的變化。當重新分布后的應力小于圍巖的極限強度時，深部巷道的圍巖將處于彈性狀態(tài)，對巷道的穩(wěn)定性影響不明顯;而當重新分布的應力大于圍巖的極限強度時，巷道近表的圍巖將會處于塑性變形狀態(tài)甚至破裂松動狀態(tài)，并且隨著時間的推移，塑性區(qū)范圍會不斷地擴大。此時巷道圍巖中將形成彈性區(qū)、塑性區(qū)和破裂區(qū)，（如圖3一4所示）。彈性區(qū)的巷道圍巖處于彈性變形狀態(tài)，塑性區(qū)的圍巖處于塑性變形軟化狀態(tài)，容易發(fā)生破裂，而破裂區(qū)的圍巖已經發(fā)生破裂，圍巖內部只有很低的強度，處于殘余強度狀態(tài)。如果不采取有效的圍巖加固措施，極易導致巷道失穩(wěn)的發(fā)生。 處在彈性階段和塑性階段的巷道圍巖比較容易支護，并且維護起來問題不是太大。但是，當巷道圍巖狀態(tài)進入到殘余強度的階段后，部分圍巖將會逐漸失去自身所保持的承載能力。圍巖的穩(wěn)定性變得很差，巷道變形量增大的趨勢明顯，因此巷道圍巖的支護將變得異常困難。圍巖強度越低，破裂的范圍越大，圍巖的穩(wěn)定性越差，支護也就越困難。 圖4-2 深井巷道圍巖狀態(tài)分區(qū) I—破裂區(qū)；II—塑性區(qū)；III—彈性區(qū) 對于同一地層、同一礦井，當其他的條件都相同時，伴隨著開采深度的不斷增加，地應力也會越來越大。井巷的圍巖必然會從彈性階段過渡到塑性階段，導致圍巖裂隙的不斷發(fā)育，接著從塑性階段再進一步過渡到破裂松動階段，也就是殘余強度狀態(tài)。因此可以得出，圍巖的不同狀態(tài)對應著不同的開采深度，并且如果巷道圍巖的強度不同，同一開采深度下，開采特征也會存在不同程度的差異。 4.4關于圍巖穩(wěn)定性控制機理及方法的研究 圍巖的穩(wěn)定性取決于圍巖的強度和變形性質，即圍巖的力學性質，又取決于其所受的應力狀態(tài)。圍巖體由完整巖石骨架和結構組成，由于煤礦深部圍巖經受了 2—3 億年長期地質年代的高壓作用，巖石骨架致密且堅硬，巖體的強度和變形性質主要受結構面控制，在圍巖力學性質中，某些不受應力狀態(tài)影響，如粘結力、內摩擦角等，為固有屬性；而另一些力學性質則受應力狀態(tài)的影響，如拉壓強度、變形模量、泊松比等，為非固有屬性?？刂茋鷰r的穩(wěn)定性應從改善圍巖力學性質和應力狀態(tài)兩方面入手，由于圍巖的非固有屬性受應力狀態(tài)影響，通過改善圍巖應力狀態(tài)能夠達到改善圍巖非固有屬性的目的。 4.4.1巷道支護與圍巖的相互作用原理 從當前各國的研究和發(fā)展狀況來看，該理論的主要內容可以概括為以下四個方面: （1）在巷道支護過程中，隨著開挖的不斷進行，巷道才能逐步的進行支護。通常條件下要等到巷道表層的圍巖產生一定程度的變形破壞，對巷道采取的支護措施才能起到應有的承載作用。因此，初期的巷道支護措施具有一定的延后性，巷道有一定變形是在所難免的。 （2）圍巖與巷道支護之間的相互作用主要體現(xiàn)在，用于支護巷道圍巖的材料提供足夠大的支護阻力才能阻止圍巖塑性區(qū)的擴大和圍巖體的進一步變形，進而保持圍巖在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下與支架形成承載結構。 （3）當支架的剛度越小或支護措施越滯后時，巷道支架所能承受的載荷，即支護阻力也就越小，對應的巷道圍巖就會產生更大的變形量，不利于巷道圍巖與支護結構形成穩(wěn)定的承載狀態(tài)，反之亦然?？紤]到軟巖巷道的特殊性，其圍巖壓力普遍較大，用于支護的支架一般都不能阻止圍巖壓力的持續(xù)增大。因而，需要支護材料具有一定的允許變形量或者可壓縮量，已達到用較小的支護阻力承受較大的圍巖變形的目的。 （4）要根據巷道圍巖的具體巖性選擇所需支護材料，強度不能太低，而過長的滯后支護時間也是不允許的。當然，滯后時間過短對巷道的維護也是不利的。在保證巷道圍巖較少產生松動破裂區(qū)的前提下，適當降低支護的最小支護阻力。 彈塑性力學雖然能很好的侄釋上述原理，但還需要進一步的研究，并對其加以認證。而其他有關支護系統(tǒng)與巷道圍巖相互作用機理的研究都可以在前面總結的四點內找到依據。 4.4.2懸吊理論、組合梁理論和組合拱理論 在目前的巷道錨桿支護設計理論中，懸吊理論、組合梁理論和組合拱理論是最為優(yōu)秀的支護理論，并且以這些理論為基礎產生了不少實用的支護技術。 懸吊理論是通過錨桿把巷道近表破裂松軟的巖石固定在巷道深部穩(wěn)定巖石上，并使其與深部穩(wěn)定巖石構成統(tǒng)一的受力巖體，達到具有一定的承載能力的目的。目前己發(fā)展成為一項錨桿支護理論即在可能發(fā)生巖體冒落的地段中使用懸吊理論對頂板錨桿支護參數(shù)進行計算的方法。 組合梁巷道錨桿支護理論是通過錨桿把巷道近表的薄巖層組合成一體，例如:三合板的結構，使得整體結構具有更強的抗變形破壞能力的支護理論。從目前支護技術的發(fā)展水平來看，組合梁巷道錨桿支護設計方法與相關步驟正趨于成熟，有關數(shù)值計算優(yōu)化梁的設計準則己經得到廣泛應用。 組合拱巷道錨桿支護理論是經過無數(shù)次的工程實踐，在新奧法的基礎上提出來的關于錨噴支護設計的方法，是利用錨桿等桿體結構在圍巖內形成圍巖擠壓帶來控制可能產生的巷道兩幫剪切滑移的理論。 4.5深井巷道支護理論研究現(xiàn)狀 礦井的采深和開采規(guī)模都在逐年增加，相應的受到疊加應力（受大埋深、采動不平均、構造應力等因素影響所產生的）作用的深井巷道也在不斷地增多。還沿用以前的支護方式己經不能保證深部巷道圍巖的穩(wěn)定。深部圍巖由于受到高地應力的影響，在巖性的某些方面已經和軟巖極為相似。因此可以得出，關于深井巷道支護所面臨的難題可以參考國內外在軟巖巷道支護上所取得的成果。但并不是說，所有的深井巷道支護都能參考軟巖巷道進行支護，要根據具體的巖石性質，做出可靠地分析。例如:某些礦山的深井巷道圍巖強度，不僅不會隨著深度的增加而表現(xiàn)部分軟巖的性質，反而會不斷地增大，呈現(xiàn)堅硬巖石的某些特性，巖性比較脆，容易發(fā)生巖爆現(xiàn)象。積極研究和發(fā)展新技術已經迫在眉睫。 4.5.1國外深井支護理論研究現(xiàn)狀： （1）新奧法 新奧法是奧地利人在總結了前人工程實踐的基礎上，提出的一種地下工程設計和施工的方法，己經在世界范圍內得到了廣泛的應用。它的理念為:巷道支護不僅需要支護材料的承載作用，還需要巷道圍巖自身發(fā)揮一定的承載能力即支護結構對圍巖的承載作用在巷道支護中只是起到輔助性的作用，只有充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，才能使巷道結構保持長久的穩(wěn)定。 新奧法指出巷道軟巖的支護要及時采取二次支護，并且二次支護時間的確定要根據一次支護后巷道圍巖的變形收斂情況，實時對圍巖進行監(jiān)測。 （2）能量支護的理論 國外的薩拉蒙（M.D.Salalnon）等人提出了關于能量支護的理論，認為:在很長一段時間內，巷道周邊圍巖可以看做是一個統(tǒng)一的整體，這個整體的能量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，因此圍巖也處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。當巷道開挖后巷道及周邊巖石的整個系統(tǒng)的能量不斷地增加，在巷道開挖一段時間后，系統(tǒng)的能量要保持平衡，必然會發(fā)生能量的轉移，即必然會對某一特定的物體做功，以保持整個系統(tǒng)能量的初始狀態(tài)。 （3）圍巖應變控制理論 日本櫻井春輔和山地宏提出了深井圍巖支護的應變控制理論。該理論指出:支護結構的增加在一定程度上減少了了巷道圍巖的應變量，但是從另一個角度看隨著巷道支護結構的不斷增加，巷道圍巖能夠允許的應變也在持續(xù)增加。因此，要想把圍巖的應變控制在可容許的范圍內，就需要適當?shù)脑黾又ёo結構。而支護結構的確定則是與感應系數(shù)有關。而感應系數(shù)是由工程量測的。 4.5.2國內深井支護理論研究現(xiàn)狀 我國于20世紀50年代開始對深部巷道支護系統(tǒng)進行研究。從20世紀80年代開始，已經召開了二十余次高地應力工程有關的全國性會議，從而把其理論研究推到了一個更新的階段。目前以下六種理論最具代表性。 （1）軸變論和開挖系統(tǒng)控制論 巷道在變形破裂或者垮落以后，經過一段時間的圍巖應力釋放，可以達到自穩(wěn)的狀態(tài);從而利用彈性理論得出一些結論:產生圍巖體變形破壞的應力大于巖體自身的固有強度，塌落使得巷道圍巖應力得到重新的分配，高應力區(qū)應力降低，低應力區(qū)應力升高，這一變化過程將導致應力均勻分布向周邊發(fā)展。當應力達到均勻分布時即巷道的軸比最穩(wěn)定時，為橢圓形狀。 （2）聯(lián)合支護技術 本技術是從新奧法發(fā)展過來的，它的支護理念為:處理普通的巷道支護問題，要先讓后抗，先柔后剛，柔讓適度，穩(wěn)定支護，不要僅是強調支護剛度。 （3）圍巖松動圈理論 董方庭教授提出:雖然巷道圍巖的彈塑性變形依然存在，但是處于裸體巷道中的圍巖松動圈都接近于零，因此不需要進行支護。如果考慮到松動圈范圍將會不斷擴大，進而產生越來越大的收斂變形，就需要加強巷道支護。但是總的來說，主要是為了解決隨著松動圈的擴大，把不利的圍巖變形控制在最低的限度內。 （4）錨噴一弧板巷道支護理論 對于軟巖巷道來說，不能光是片面強調放壓的重要性，放壓以后要及時進行支護，也可以理解為先柔后剛的支護措施，防止巷道各部分的圍巖處于離散狀態(tài)。綜上可知，該理論在一定程度上是對聯(lián)合支護理論的延伸。 （5）圍巖動態(tài)工程的分類理論 通過了解具體巷道圍巖體的結構組合，根據不同應力環(huán)境下巷道圍巖的破壞形式和特點，分析巷道圍巖變形破壞的演化規(guī)律，從而提出關于對不同巷道部位的有針對性的定量支護體系。 （6）巷道關鍵部位的藕合組合支護理論 該理論是何滿朝教授中國礦業(yè)大學（北京校區(qū)）提出的，認為地下巖體工程的變形破壞機理為支護體在支護圍巖時，可能發(fā)生不藕合的現(xiàn)象，即圍巖體在其力學性能上與其支護材料存在一定的分離。因此，需要分析巖體的變形破壞的力學機制，具體情況具體分析。建議復雜巷道支護可以分兩步走，（重點為藕合支護）:一次支護為允許有變形的柔性支護，二次支護時對重點部位進行禍合支護。 此外，還有灰色系統(tǒng)決策理論、高強度弧板支護理論、軟巖工程地質力學理論、位移反分析理論、極限跨度及平衡理論、優(yōu)化理論等。 通過比較分析得出，新奧法（新奧地利隧道施工法）是影響最大的巷道支護理論。近觀我國目前軟巖巷道的支護施工，都是按照新奧法的理念實施的。隨著近年來巷道埋深的不斷增加，采用新奧法對深部軟巖巷道支護也產生了一些問題，主要有:（1）新奧法提議初次支護穩(wěn)定后在進行第二次支護。而在深部巷道中，隨著支護的穩(wěn)定大部分巷道圍巖也逐漸進入到塑性破裂階段;（2）巷道圍巖的荷載分布是不均勻，但二次支護屬于全斷面等強支護，不能夠做到重點突出即加強薄弱部位的支護，致使圍巖破壞失穩(wěn);（3）新奧法一次支護的時間的確定需要大量的現(xiàn)場實測和理論分析。因而，工序較繁瑣，不利于現(xiàn)場施工的高效進行。盡管如此新奧法作為巷道支護的重要指導思想，其意義是不可抹殺的。 5 深井巷道圍巖穩(wěn)定性控制理論 5.1控制理論的力學基礎 巷道圍巖的穩(wěn)定性主要取決于圍巖體的強度和變形性質（統(tǒng)稱力學性質），又取決于其所受的應力狀態(tài)等。圍巖體是由完整巖石骨架和結構面組成的，由于煤礦深部地層的圍巖經受了2億一3億年長期地質年代的高壓作用，導致巖石的骨架致密而堅硬，巖體的強度和變形性質主要受結構面影響和控制。在圍巖的主要力學性質中，某些性質不受應力狀態(tài)的影響，如內聚力、內摩擦角等，被稱為圍巖的固有屬性;而另外一些力學性質則會受到應力狀態(tài)的影響，如拉壓強度、變形模量、泊松比等，被稱為圍巖的非固有屬性。 要控制巷道圍巖的穩(wěn)定性應從改善圍巖力學性質和應力狀態(tài)兩個方面入手，通過改善圍巖的應力狀態(tài)能夠達到改善圍巖非固有屬性的目的，因而如何有效地控制和改善圍巖的應力狀態(tài)至關重要。根據巖石力學試驗的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，任何巖石在三向應力狀態(tài)下的強度都要高于兩向應力狀態(tài)或單向應力狀態(tài)下的強度;當巖石處于三向應力狀態(tài)下時，隨著側限壓力（圍壓）的增大，其峰值強度和殘余強度都會得到顯著提高，并且峰值以后的應力一應變曲線由應變軟化逐漸向應變硬化過渡，巖石由脆性向延性轉化， （如圖5一1所示）。巖體的強度與變形性質與應力狀態(tài)之間也有著類似的聯(lián)系。 圖5-1 巖石強度及變形特性隨圍壓的規(guī)律 在深部巷道開挖以后，圍巖體由長期穩(wěn)定的狀態(tài)轉向非穩(wěn)定的狀態(tài)正是由于圍巖所受的應力狀態(tài)發(fā)生顯著改變的結果。巷道開挖前，雖然圍巖受到很高的地應力作用，但處于高圍壓應力平衡狀態(tài)，因而抗壓強度很高，遠大于最大偏應力，所以圍巖處于彈性狀態(tài)。開挖卸荷導致一定范圍內的圍巖側壓降低，近表圍巖的側壓則降為零;同時，圍巖應力向巷道周向轉移調整，引起應力相對集中，使得周向應力升高2~3倍。 對于深部巷道而言，近表圍巖的圍巖壓力卸荷的幅度一般可達到20MPa以上，巷道周邊方向的應力將會增加40一60MPa，因而使得最大剪切應力達到60一80Mpa。與此同時，二次應力場形成過程中產生如此大的偏應力，這在淺部巷道的開挖施工中是難以想象的。這兩個方向的應力一升一降將會產生圍巖內部高應力與低強度之間的突出矛盾，這必然會導致巷道圍巖開挖后的快速變形破壞，裂隙由表及里快速傳播與擴展，會導致圍巖在一定范圍內變形失穩(wěn)進入峰后或殘余強度階段，并且超出圍巖強度的那一部分應力將會向圍巖深部轉移（如圖5一2所示），導致巷道開挖擾動引起的二次應力影響區(qū)和圍巖破裂損傷區(qū)的范圍遠遠超過淺部巷道。 圖5-2 巷道開挖后圍巖應力峰值向深部轉移過程 圖5-3 開挖支護先后圍巖應力狀態(tài)與強度的改變 巷道圍巖在開挖前后對其應力狀態(tài)的影響，如圖5一3所示。在巷道在未開挖時，近表圍巖所受的周向應力 與所受的法向應力 之間相差不大，從圖中可以看出在巷道開挖前，莫爾圓的直徑即法向應力與周向應力之差很小。并且可以發(fā)現(xiàn)此階段的莫爾圓所處的范圍要遠小于巷道圍巖在支護前的強度包絡線，可以得出此時的巷道圍巖由于沒有開挖處在非常穩(wěn)定的狀態(tài)。 巷道在開挖以后，圍巖的應力狀態(tài)由三向轉為兩向即法向應力 降到最低為0。此時的圍巖周向應力司要遠遠大于巷道在開挖前的周向應力 ，莫爾圓的直徑達到最大。巷道圍巖在支護前的強度包絡線己經不能覆蓋莫爾圓的范圍，可以得出巷道圍巖己經破裂失穩(wěn)。 因此，要確保巷道圍巖的穩(wěn)定，首先要做的就是在巷道開挖以后盡快恢復和改善巷道周邊圍巖的應力狀態(tài)，使得圍巖的應力狀態(tài)盡快由兩向轉為三向。在巷道開挖未支護時法向應力降為0，通過一定支護措施，可以使其稍微提高到一定強度 。并且從圖中可以看出，改善和恢復應力狀態(tài)的措施越及時，巷道莫爾圓增大的幅度越小，圍巖破裂擴展的程度越輕，從而使巷道圍巖的穩(wěn)定性保持得越高。 由圖還能看出在巷道開挖以后，對巷道近表圍巖施加的法向應力越大，圍巖的莫爾圓擴散的范圍越小，巷道的變形程度也就越低。及時對開挖巷道進行支護，并且對近表圍巖施加的應力越大越好。以目前的技術水平并考慮經濟因素來看，只靠提高巷道近表的應力是不夠的。還需要采取相應的技術措施對巷道深部的圍巖進行加固，保證深部破裂區(qū)的范圍不會逐漸地增大。對圍巖進行加固主要是提高其摩擦角和內聚力的大小，通過提高這兩個固有屬性，可以使得圍巖的強度包絡線傾角增大并且向上移動，超出支護后莫爾圓的范圍，因此圍巖能都達到穩(wěn)定狀態(tài)。 5.2國內外巷道支護技術發(fā)展現(xiàn)狀 總的來講，國內外巷道支護技術的發(fā)展主要經歷了從木支架到鋼性支架、可縮性支架到錨桿支護。在最近的幾十年中，國內外巷道支護技術更是取得了突飛猛進的發(fā)展。其中以U型鋼可縮性支架和錨桿的應用最具代表性。從今天的發(fā)展狀況來看，己經形成了以錨桿和U型鋼支架為主體的多種支護形式，如：棍凝土暄、析架錨桿、錨索、各種料石譴、噴射混梁網、高強度混凝土弧板支架，并且可以與包括塑料網、噴射混凝土、金屬網、鋼筋梯子梁、W鋼帶或析架在內的支護材料組成聯(lián)合支護。因此可以這樣說，只要是巷道都可以采用錨桿支護，不論是受開采動壓影響的采準巷道，還是受開采動壓影響的開拓巷道。其適用范圍之廣，己經得到了各國的普遍認可。 目前，我國巷道錨桿支護技術的應用正在迅速的發(fā)展。巷道錨桿支護技術已經作為一項主要的支護措施在各大礦區(qū)實施。如何才能有效的發(fā)揮錨桿的支護作用，提高巷道的支護效果，還是需要深入的研究。需要考慮很多影響圍巖穩(wěn)定的因素，可是隨著井下巷道的開挖某些因素就被固化了，如:圍巖強度以及井巷的走向、斷面尺寸等，但要控制圍巖的穩(wěn)定性就必須在支護上認真研究，包括支護材料、支護方法、支護類型等。 從近年來世界上大部分深井礦山的巷道支護技術水平和情形來看，可以從以下兩個方面對深部巷道的支護技術措施進行概括：一是通過增大巷道的斷面積，并對其進行支護，一般大斷面巷道的斷面積都在20 一29之間；二是采用組合或聯(lián)合支護技術。 采用大斷面巷道支護技術措施的主要原因是： （1）由于深井巷道的地壓普遍較高，巷道在開挖后本身的變形量也相對較大，在嚴重時斷面的收縮率可以達到30%一40%?？紤]到可能會發(fā)生這種情況，因而要減少巷道的維修量和維修成本。在相同的支護條件下，只有通過增加巷道的斷面面積，以預留較大的變形量，才能保證巷道內運輸和行人的正常。 （2）深井巷道對風量的要求較高。由于礦井深部地溫普遍較高，瓦斯等有害氣體的含量隨著深度的增加也會相應的增大，加之對高產高效礦井的安全和產量的要求，需要通過加大風量來降低井下的溫度，并且要及時沖淡有毒氣體的含量等，相應的較大的。 （3）一條巷道有多種用途。輔助運輸別且又有回風用途的巷道、機軌合一的巷道等都要求斷面的面積要適當加大，以確保巷道內各個生產系統(tǒng)之間的運作有條不紊的進行。 （4）通過工程實踐表明，配套的掘進機組在斷面比較大的巷道中更能靈活使用，有利于提高掘進速度。并且在大斷面巷道中，可以使大型設備的運輸更為方便。在組合或聯(lián)合支護技術方面，大部分礦山一般采用錨網噴支護作為巷道的初次支護，待巷道的變形量基本趨于穩(wěn)定時，通過采用U型鋼拱架壁后充填支護技術作為補充。這主要考慮到以下因素:深部巷道地壓大，采用重型鋼材料一進行支護，其支護強度大，并且支架彎曲與扭曲變形很小，不易損壞，回收復用率較高。 5.3深井巷道圍巖控制的關鍵技術 5.3.1高預應力讓壓錨桿 我們所說的此類錨桿指的是錨桿桿體材料的抗拉強度要達到 200MPa。錨桿的長度是由鑿巖機鑿巖的效率與錨桿鉆孔成孔的時間決定的，錨桿的長度取2.2一2.8m比較合適，錨桿的直徑與鑿巖機鉆孔的直徑有關，鑿巖機鉆孔的直徑太大會降低鉆孔的效率，而直徑太小又不能滿足錨桿與巖體支護強度的要求。根據實踐得出，鑿巖機鉆頭的直徑取28mm比較好。鉆孔壁和錨桿桿體之間的間隙的確定，一般去3一5mm為宜，錨桿與孔壁間隙太小，錨固劑的勃結層就會太薄，降低了錨桿與巖體之間的內聚力，而錨桿與孔壁間距太大，錨固劑在凝固以后容易發(fā)生干縮的現(xiàn)象，同樣會降低結構間的內聚力。錨桿外露端頭的主要結構（圖5-4），能夠起到讓壓作用的讓壓環(huán)和拱形托盤，可旋轉方向的墊圈螺母，這種結構能夠起到強抗微讓的作用，能夠有效地阻止錨固區(qū)域與原巖范圍的巖體之間產生明顯的裂隙破壞。 圖5-4 高預應力錨桿結構示意圖 5.3.2高強預應力灌漿錨索 要根據巷道圍巖的變形破壞程度合理的選用高強預應力的錨索，依據巷道斷面的大小可布置2一6根，并且應該在巷道兩肩的關鍵破壞部位設置預應力錨索，一般間排距取1600一2400mm。如果能夠配合U型鋼、工字鋼一起使用，錨梁結構加固的效果會更好。錨索在安裝以后