曹剑锋 CAO Jian-feng
（黑龙江科技大学研究生学院，哈尔滨 150022）
（Postgraduate School，Heilongjiang University of science and Technology，Harbin 150022，China）
摘要：地下岩体在开采之前，由于自重和构造所引起的应力是处于平衡状态的，当掘巷道或者进行回采工作时，就破坏了原来应力的平衡状态，使岩体内部应力重新分布，具体表现在巷体周围的煤、岩体产生移动、变形，直到煤和岩体内部形成新的应力平衡状态为止。在煤的开掘过程中，由于采掘活动引起巷道围岩应力集中和重新分配，为了防止围岩变形遭到破坏，需要对围岩进行支护和加固。本文就大断面煤层沿空巷内支护加固技术进行研究，以便为煤矿在开采过程中积累一些技术和经验。
Abstract： Before underground rock mining， because the stress caused by the weight and structure are in equilibrium， when excavating the roadway or carrying out mining， the balance of the original stress will be destroyed and the internal stress of rock will be redistributed， whose specific performance is that the movement and deformation of the coal and rock around the roadway happens until the new stress equilibrium of coal and rock shaped. In the process of digging coal， due to the concentration and redistribution of roadway surrounding rock caused by extractive activities， in order to prevent the destruction and deformation of surrounding rock， the support and reinforcement of surrounding rock is necessary. In this paper， the large coal section gob gateway support reinforcement technique is studied to accumulate the technology and experience in the coal mining process.
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关键词 ：大断面煤层；巷内支护；支护加固
Key words： large coal section；support in mine gateway；support reinforcement
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0155-03
作者简介：曹剑锋（1992-），男，山东临沂人，黑龙江科技大学在读研究生，研究方向为采矿工程。
0 引言
在大断面原煤开采过程中，由于各种应力在不断的发生变化，给原煤的掘进工作带来很大的难度，因此在原煤开采过程，首先要对开采过程中各个阶段出现的应力进行认真分析，及时发现那种用力在起着关键的作用，之后针对各种应力的性质，及时采取支架进行加固，使原煤在掘进工作顺利、安全地进行。本文就大断面煤层沿空巷内的各种应力进行分析，针对各种应力及时的采用支架进行科学加固，保证采矿生产的高产、稳产。
1 巷道岩应力的状态
地下原岩体处于复杂的受力状态，它不仅受到上部岩层引起的自重应力，还可能受到地壳中的地质结构应力、膨胀应力以及温度应力的多种应力作用，但主要受到上覆岩层的自重力和结构运动作用力。
1.1 自重力 岩石体内的原始应力是岩石的自重引起的，从岩石某一点的应力状态，先把岩体看成是一个半无限体，即：上部以地面为界（如图1）。如果假定在地表以下的深度为z，任意取一小立方体岩块，从图中我们进行分析，这一小块立方体受到三向受力状态，它在上覆岩层重力作用下，作用在这个单位立方体上所受到的应力有垂直应力δz和水平应力δx、δy。通过计算得出地壳岩体的自重应力，一般其垂直应力总是大于水平应力，即：原岩体中任何地方的水平应力均等于垂直应力的25-43%。
1.2 结构应力 煤矿井下的岩煤中经常会出现断层、向斜和背斜等地质结构，这些地方的岩体均有裂缝，采动时易造成其破碎。这都是由于岩体内部地质作用的结果。显然这些地质构造区都曾经有过压缩和拉伸的剧烈的应力变化。例如：岩体受到地质作用，而形成的应力超过该处岩层的强度，则岩层可能产生错动。仅有断裂而不会发生错动，则岩体中形成结构裂缝。
构造应力的特点：①地壳运动以水平为主，因此结构应力也以水平应力为主，总的来讲，地壳运动以挤压运动为主，所以水平应力以压应力占绝对优势。②构造应力分布很不均匀，在地质构造变化比较剧烈的矿区，最大主应力的大小方向往往有很大的变化。③岩体中的结构应力具有明显的方向性，通常两个方向的水平应力值是不相等的。④水平构造应力可能比自重造成的水平应力大几倍或者几十倍，而且往往浅部的倍数比深部大，因此在浅部开采时，构造应力比自重应力更加重要。⑤构造应力在坚硬的岩层中出现一般比较普遍，在软岩层中储存构造应力很少。
有时利用巷道在原岩应力场作用下的变形特点，通过井下巷道进行大量的观察和调查，也可以初步判断岩体中原岩应力的特点，以及有无构造应力的影响，简单判断如下：
①静水应力场与非静水应力场的判断。对于单一水平巷道，在排除岩石中裂缝性影响后，如果顶板和两帮的破坏程度相同，而且破坏的剧烈程度与平巷在平面中方位无关，则可认为岩体中的应力基本接近于静水应力状态。反之如果方位不同单一水平巷道的周边上，岩石破坏程度不同，而且破坏主要发生巷道顶板或者巷道两帮，这种情况说明岩体中的应力呈非静水应力状态分布。
②最大构造应力作用方向的判断。如果已经确定应力呈非静水状态分布，则进一步确定应力作用在接近垂直的方向。为此对未支护的巷道，如暗井、溜煤眼等进行调查和研究，如整个周边岩石稳定性相同，则最大主压应力方向可能是垂直的，否则最大主压应力是水平的。
2 大断面煤层沿空巷内支护加固设计原则
2.1 空巷道内支护设计方法
在采矿工作中，支护的设计是一项最重要的环节，对充分发挥支护体的最大能力和巷道的安全具有很重要的意义，主要分成以下几方面。
2.1.1 比拟法 此种方法就是在以前工程设计的基础上，通过运行后对出现的问题进行技术完善，经过积累的生产过程中的实际经验，设计者重新对工程进行设计。其优点是比较实际、简单，应用的范围比较广。但是定性设计，不能把支护结构、支护的一些参数和安全性很具体地体现出来。
2.1.2 理论计算法 通过各种应力的特点，进行大量理论计算，以及模拟实验，得到了大量的理论数据，根据这些理论数据进行设计。采用此种方法的缺点是由于影响参数的因素很多，很难计算准确，因此此种方法只能作为参考。
2.1.3 持续改进设计法 此方法是借鉴国外煤矿的一些先进的设计特点，结合我国煤矿设计的实际总结出的设计方法，此设计方法的意义在于对空巷道内支护设计不是一次就结束的，而是一个不断持续改进的设计过程，对已经设计完成的工程要不断对过程信息进行收集、分析、反馈，从而对原设计的合理性进行重新研究分析，对不合理的部分进行科学的变更，使设计不断完善。
2.2 沿空巷道支护的原则
2.2.1 要充分掌握巷道岩应力状态，正确判断各种应力作用的方向，将围岩的变形、移位和裂缝等控制在有效的范围内，保证巷道围岩的完好性。
2.2.2 要对提高大断面利用率有利。在设计过程中既要有效控制巷道围岩的变形和裂缝，又能够极少占用巷道空间使巷道断面的利用率得到极大的提高。
2.2.3 要对安全生产有利。要按照巷道岩石力学进行科学设计，同时在开采过程中要对巷道围岩的应力情况时时进行观察和分析，防止巷道围岩产生早期破坏的现象，保障巷道围岩的支护的安全，确保生产人员、设备的运输通畅，有利于安全、稳定的进行生产。
2.2.4 低成本、高效率。对于巷道围岩支护设计，在实际应用过程中需要的成本很高，因此设计人员在设计时，一方面要科学、安全、适用，又要减少不必要的浪费，尽量降低开采的固定资产的投入。
2.2.5 对巷道的快速掘进有利。巷道的快速掘进是当前各煤矿开采作业的一大特点，使得原煤开采作业的连续性更加强，因此巷道支护设计要尽量简单、适用，尽量不在支护环节耽误生产。
2.3 大断面煤层沿空巷内支护设计原则
对大断面煤层沿空巷内支护设计原则是两个方面，一方面要及时加固锚杆预紧力，时时增加支护体间结合力，减少煤围岩沿锚杆方向的移动和变形，要有超前意识；另一方面，要对支护面积适当加密，减少危险巷道围岩的变形和移动，具体体现在以下几方面。
2.3.1 在设计时，要对采矿的地质结构进行详细的调查和研究，要根据具体结果准确设计支护方案，做到一次性支护成功，否则巷道围岩一旦出现变形和移动再做补充支护，支护效果就要受到一定的影响。
2.3.2 对大断面煤层沿空巷内的支护设计，在设计时就要进行高强度设计，以保证在生产期间安全使用，有效防止在期间发生变形和移动现象。
2.3.3 在巷道开挖时，要及时的进行支护，达到支护和围岩间的应力平衡，否则就会产生巷道失稳的现象，造成支护失败。
2.3.4 根据高预应力和预应力的扩散原理对大断面煤层沿空巷进行支护设计。锚杆支护的重要指标是预应力，是区别分主动支护和被动支护的关键参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正主动支护，才能真正发挥支护的作用，因此在设计时，要尽可能地加大锚杆支护的预应力，以防止巷道围岩的早期变形，同时还要通过其它构件的作用如：托板、带钢、锚网等真正实现锚杆的预应力扩散，扩大预应力的控制面积，使锚杆支护整体钢性更强，达到联合支护的作用。
2.3.5 对已变形的巷道采用非对称控制原理进行设计。在对变形的巷道采用非对称支护或者支护结构非对称的力学理论进行有效的支护，将巷道的变形控制在可控的范围内。
2.3.6 大断面煤层沿空巷支护要采用可缩性原理进行设计。由于大断面煤层沿空巷的初始应力较大，开采后产生的松动圈比较大，同时，围岩的变形量也较大，所以支护时的设计结构要有一定的可缩性，以适应大断面变形大的特点，防止设计的支护结构在围岩应力平衡前遭到破坏，导致支护的失败。
3 主要支护件的作用
最常用的支护件有以下几种：锚杆、锚索、钢带及金属网。
3.1 锚杆：大断面煤层沿空巷道在掘进或者在掘进稳定后，两个帮的移动量一般控制在100-500毫米，受本工作层超前支撑压力的影响，巷道围岩变形剧烈，在这个掘进阶段，围岩变形主要以破裂煤岩体裂缝等弱面产生错动变形为主。锚杆支护以其抗拉及抗剪作用阻止破裂煤岩体岩弱面错动，提高锚固体力学的作用。
3.2 锚索：锚索支护的作用就是为顶板提供一个固定的支点，以减少巷道顶板跨度的作用。
3.3 钢带的作用。钢带是锚杆之间联系的纽带，对保证围岩的完整性、提高巷道围岩的整体支护效果起到最关键的作用。
3.4 金属网：主要是防止巷道局部遭到破坏使整个巷道失稳。
4 结论
①由于大断面巷道的断面比较大，因此不能只依赖支护结构进行支护，要将巷道围岩组合在一起，形成整体结构，形成较稳定的承载结构，发挥围岩的承载能力，使大断面煤层沿空巷均匀受力变形。②大断面煤层沿空巷与围岩在变形过程中，最强烈的是两帮，而维持两帮的稳定的是小煤柱。如果小煤柱的承载能力小，强度低，在掘进过程中一旦发生变形，所有的应力都转移到两帮，使两帮所受力急剧增加，变形增大，巷道围岩支护难以维持，使巷道支护失败，因此小煤柱的强度和承载力很关键。③在实际开采过程中，大断面煤层沿空巷在各种应力及回采时超前支撑力的共同作用下，会发生一定的变形，在正常的情况下巷道围岩是允许发生一定限度的变形，大断面煤层沿空巷道在采用高强度锚支护的同时，具有一定的变形能力，使巷道围岩的应力得到一定的释放，能够更好地防止支护结构在高支承压力作用下遭到破坏，使巷道围岩失稳。
5 结束语
大断面煤层沿空巷内支护加固工作是原煤掘进过程中最为重要的环节，因此在设计过程中要根据具体的地质结构、应力变化等进行科学设计，在施工过程中，要熟练作业，加强掘进连续性，做到高产、稳产，同时在作业中，技术人员还要不断的总结经验，深入基层认真分析巷道围岩的各种应力情况，及时对巷道围岩进行科学支护，使原煤的掘进工作顺利、安全的进行。
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