影响煤矿井巷稳定性的因素分析与支护方式.docx

影响煤矿井巷稳定性的因素分析与支护方式

王吉民
【摘 要】煤矿井巷压力包括水平巷道地压、垂直巷道地压和倾斜巷道地压。影响井巷稳定性的因素主要有：围岩性质、井巷位置、巷道轴线方向，断面尺寸，破岩方法等。支护方式主要有棚式支护、砌碹支护、锚喷支护等。
【关键词】井巷；稳定性；影响因素；支护方式
煤矿井巷稳定性的决定因素是围岩应力与围岩强度。当围岩应力超过围岩强度时，井巷处于不稳定状态；当困岩应力恰等于围岩强度时，井巷才能算是稳定。井巷维护方法很多，应抓住围岩应力与围岩强度二者之间的关系。
1.井巷压力
1.1地压的性质
地壳中的岩体，包括原岩和巷道周围的围岩之间相互机械作用，以压力的形式表现出来，称为地压。没有经掘进或回采工作面破坏的岩层，其中任何一处的岩体都受上下、左右、前后三向六面压力的挤压，这种压力相互均势，称为自然相对平衡状态或原始应力相对平衡状态。在岩层或煤层中开掘巷道后，岩体由原来的三向压力变为双向压力，这就破坏了自然压力相对平衡状态，因此围岩压力要重新分布。
1.2水平巷道地压
巷道顶压：巷道开掘后，顶板岩石就暴露出来，除特别坚硬的岩石外，一般“岩梁”受力后都向下弯曲。当弯曲和受拉力达到一定限度，即超过岩石本身的抗拉强度时，岩梁产生裂缝。随着裂缝的不断增多和加大，岩石就开始向下冒落，并从周边向岩体深度扩展。随着顶板岩石的冒落，顶板压力逐渐降低，而作用到两帮岩石上和支架上的压力就逐渐加大，这就是顶板压力。
巷道侧压：随着顶板岩石的冒落，平衡拱的形成，所有向下的作用力都传到两帮岩石上。如果两帮岩石所受的力没有超过本身的强度，两帮岩石就不遭受破坏。当两帮岩石松软，强度低而承受不住上面传来的压力时，两帮岩石就遭受到破坏而垮落，巷道宽度随之增大，直到形成新的自然平衡拱为止。这时支柱将承受岩帮垮落所产生的水平推力，这就是巷道侧压。
巷道底压。巷道产生侧压，得到新的平衡之后，新的自然拱仍然把压力传给两帮，再传给底板。当底板岩石松软而受到上面的压力之后，底板就会从巷道两侧向中间方向运动，从而使底板鼓起来。另外，如果巷道岩石具有遇水膨胀的特性（如粘土质岩石），当巷道有积水时，就会由于岩石的膨胀而产生底压。
1.3垂直巷道的地压
在岩层中开掘立井后，岩层的原始应力平衡状态同样受到破坏。立井周围的岩石所受的力超过自身强度之时，井筒周围就要形成破坏区，破坏区内的岩石便向立井内倒落。当有支架时，它对支架就产生挤压力。
1.4倾斜巷道的地压
在倾斜巷道中作用于支架卜的地压的大小，应根据巷道的倾角而采用不同的计算。但由于倾角的影响，在自然平衡拱内的岩石重力可分解为法线分力和切线分力。
2.影响井巷稳定性的主要因素
2.1围岩性质
煤系地层中煤的普氏坚固系数为0.5～1.5。硬砂岩与石灰岩的普氏坚固系数为8～10，若将巷道从煤中移到硬岩中，它的稳定性立即提高8～10倍以上，其它任何因素影响绝没有这样大，所以岩性是最重要的影响因素。
2.2井巷位置
调整岩性，提高或降低围岩强度；调整与相邻巷道或采面的距离，以降低相邻巷道或采面影响造成的应力；调整和采空区的相对关系，可免受支承压力影响，减少巷道围岩压力。
2.3巷道轴线方向
巷道轴线方向与原岩应力最大应力的方向一致时，稳定性较好。两者相垂直时，稳定性较差。
2.4断面尺寸
原则上应在满足使用面积要求，并考虑变形裕量以后，力争其断面积最小，以减少破裂范围。在最不利条件下，可以考虑将双轨巷道或其它大断面巷道一分为二。
2.5掘进破岩方法
从维护角度来看，人力破岩最好，其次为掘进机和风镐破岩，再次为光面爆破和控制爆破，最差为不加控制的普通爆破。
2.6掘进时间与沿空护巷
主要指采区下阶段风巷的掘进时间，一般应安排在动压稳定以后开始掘进，为了解决跟不上回采需要的问题，广泛采用沿空留巷，沿空护巷，无煤柱护巷。
2.7掘进方案
主要指薄煤层中半煤岩巷的宽面掘进施工方案，采用宽面掘进方案的好处，可以多出煤，少出矸，而且可将上覆岩层重力转嫁给较远的实体媒体上，使巷道易于维护。为了维护巷道的稳定性，防止巷道围岩变形与跨落，巷道掘出后，一般都要进行适宜的支护，以维护安全的工作空间。巷道维护形式虽多，按其结构可分为棚式支护、拱殖支护、锚喷支护等，下面着重介绍这三类支护形式：
3.支护方式
3.1棚式支护
按材料分为木支架、金属支架、钢筋混凝土支架。按形式分为梯形、拱形、马蹄形。按性能分为刚性支架，可缩性支架。
木支架：由于强度有限，不防火，易腐烂，故多用于地压不大，断面小，服务年限短的采区巷道，适用于维修和巷道掘进时作临时支护。
金属支架：它在回采巷道、准备巷道可使用。在断面较大，地压严重的巷道均可使用。特别是可缩性支架更适宜，但在有酸性水的情况下应避免使用金属支架。
钢筋混凝土支架：用于不要有动压的采区巷道内，在地压稳定，服务年限较长以及断面小于12m2的巷道效果较好。
3.2砌碹支护
这种支护具有坚固、耐久、防火、阻水、通风阻力小、材料来源广阔等优点。缺点是成本高、施工复杂，主要用于服务年限长的开拓巷道，但在地压大，地质条件差的巷道和其它支护材料缺的情况下，服务年限不长（8-10a）的巷道，用石材支护也是较为适宜的。
3.3锚喷支护
锚喷支护是锚杆支护和喷浆或喷射混凝土支护的一种联合支护形式，也是将刚性支护化为软性支护的一种形式。下面分析不同围岩条件下锚喷支护的作用原理。
在整体硬岩中，由于这类围岩强度高，在中等深度开采条件下，只要巷道选型合理并采用光面爆破，通常自身即可稳定而不需要支护。有时为了防止风化和消除因尖角状岩块所引起的应力集中，也对开掘在这类岩层中的主要大巷主要峒室进行支护。
在块状岩体中，这类围岩较坚硬，但整体性能差，岩块之间往往的镶嵌、咬合，锁在一起，锚喷支护能及时地防止“个别”危石掉落，并能有效地保证围岩整体的稳定性。
在层状岩层中，锚杆作用比较显著，对于岩层可能产生顺层面滑动，可借助锚杆提供的抗剪、抗拉以及由于锚杆压紧层面增加的摩擦力，将要产生滑动的岩块得以稳定。对于离层与弯张可能出现的破坏，则要靠一组与层面相垂直的锚杆把各岩层组合在一起，形成“组合梁”，增加抗弯刚度。
在软岩中，软岩强度低，变形能力大，不能承受拉应力，易造成围岩过大的变形、松动及破坏。所以，应充分利用锚喷支护的技术及时进行支护。
【参考文献】
[1]张先尘等.中国采煤学[M].煤炭工业出版社，2003.5.
[2]鲍仲庆等.煤矿开采与掘进[M].煤炭工业出版社，1993.5.

-全文完-