急傾斜軟巖煤層巷道合理支護技術研究現狀

經濟的快速發展伴隨的是能源需求的持續增加。煤炭作為我國主要的能源式仍然在一次性能源消費結構中占據主要地位。在淺部易采資源日益枯竭的今天，礦山的規模和礦井的深度也在逐漸加大。因此，礦山深部開采過程中所產生的巖石力學問題已引起了國內外專家學者的高度重視，是目前地下工程中的主要技術難題之一。

在我國，急傾斜煤層一般指煤層傾角大于55°的煤層。急傾斜煤層總的儲量和歷年產量雖然在我國僅占5%左右，但礦井數量眾多。據不完全統計，全國重點礦區有20多處100多個礦井進行急傾斜煤層的開采，急傾斜煤層的礦井數約占全國重點礦井數的六分之一。其中急傾斜煤層賦存比重較大的有烏魯木齊、北京、淮南、六枝、開灤、北票、南票、徐州、遼源、窯街、包頭、通化、南桐等礦區。我國大部分礦區急傾斜煤層煤質優良，具有很高的開采價值。隨著國家經濟發展對煤炭資源需求的快速增長，急傾斜煤層在我國煤礦開采中所占的比重將逐年增加。伴隨著開采強度和范圍的不斷擴大，部分礦區己經出現資源儲備不足的現象，許多礦井不得不由條件相對優越的煤層開采轉向復雜的急傾斜煤層開采。

作為國際公認的難采煤層之一，急傾斜煤層巷道的支護也是煤礦支護技術和工程難題。急傾斜煤層巷道的頂板、兩幫和底板各自巖性不同，且巖層易沿層面滑移，所以巷道的圍巖應力分布、礦壓顯現和支護體的承載狀況都要比其他煤層復雜，其主要特點為：

（1）    巷道圍巖變形和破壞具有非對稱性；

（2）    因煤層傾角大，重力沿層理方向的作用力增大，受回采影響后，很易引起巖體沿層面滑移；

（3）    急傾斜煤層巷道底板多為煤層，其強度一般都低于頂底板巖層，尤其是急傾斜煤層的頂底板與煤層的強度相差懸殊時，巷道底臌現象嚴重。

由上所述可見，急傾斜煤層巷道的礦壓顯現較劇烈，支護體的受載狀況具有非對稱性，而現用支護體又都單一地仿照緩傾斜煤層巷道用的以承受頂壓為主的對稱性支護體，導致支護體因受局部應力集中而損壞，巷道往往經過多次維修與翻修后仍不能滿足礦井安全生產的需求，巷道維修費用大大超過成巷費用，大量的巷道因維護不當而報廢。

早在十九世紀末期，人們對緩傾斜煤層的研究就已經上升到理論水平，人們已經能利用一些理論知識來解釋礦山壓力顯現，提出一些假說。如1916年由德國學者施托克(K.Stoke)提出的懸梁假說，德國人哈克(W.Hack)和吉里策爾(G.Gillitzer)于1928年提出的壓力拱假說等。到二十世紀三十年代，人們開始把連續介質理論引進礦山壓力領域，同時在實驗手段上也獲得了進展，如光彈模擬、相似材料模擬等。

國內的研究主要集中于近水平及緩傾斜煤層巷道的支護技術研究，對于大傾角和急傾斜的煤層巷道支護則起步較晚，從近十年來開始興起。

1985年贛州有色冶金研究所徐顯坤、丁嘉榆、鄧左民和江西冶金學院葉黔元應用邊界元法研究了急傾斜脈狀礦床開采中不同夾墻厚度條件下的應力與位移分布基本規律，指出盤巖的應力分布主要受與其相鄰的最上盤或最下盤礦塊開采的影響，并給出了不同采場傾角條件下巖體的應力與位移分布規律。

1987年開灤礦務局科研所李萬鐘、郭東升和譚民志通過對部分急傾斜煤層巷道進行礦壓觀測，得出了巷道拱形支架的載荷及分布規律，圍巖變形及支架變形和破壞狀況，并綜合多條巷道觀測數據指出，圍巖變形速度與時間具有雙曲線函數關系。還指出急傾斜煤層巷道支護方向在于加大巷道掘進斷面和對急傾斜地壓大的巷道采用封閉式支架。

重慶大學任德慧、聶宗權和劉雙關通過實驗室相似材料模擬試驗及有限元數值分析，分別對開采后頂、底板圍巖移動，采場兩側壓力分布的基本規律，對探討鄰近層開采影響下，巷道合理位置的選擇和確定開采解放層的解放范圍提供了依據。

1989年曲仁礦務局基建處姜大波在分析了曲仁花坪礦-300m水平集中運輸巷的圍巖特征及原有的支護情況，根據礦用工字鋼梯形支架的受力狀況和棚腿的彎曲撓度對側壓力進行了計算。由于側壓力大，剛性支護及梯形金屬支架均難承受，拱形可伸縮金屬支架雖然可以承受但混凝土背板會出現裂縫而難以繼續使用。證明了在急傾斜順層軟巖中光爆錨噴支護由于上述幾種方法。對頂板來壓和圍巖脫落的及時控制，有效提高工作面的安全程度，經濟可靠。

重慶大學金立平、鮮學福通過試驗建立了巖石材料的應力應變關系考慮了破壞后的軟化特性。根據其通過有限元計算獲得了巷道圍巖的應力和應變。建立了以應變表述的強度準則。在此基礎上提出了表示材料變形程度或破壞程度的應變比例系數Ks，用這個指標來衡量巖石材料破壞與否及其破壞程度，是對巖石材料破壞依據的一種新的探索。

中國礦業大學郭國珍、呂家立等人通過對柳新煤礦251材料道的現場觀測結果進行分析，通過分析急傾斜松軟圍巖巷道的變形機理指出急傾斜松軟圍巖巷道的礦壓顯現特征是變形量大，掘進影響階段時間長速度快，底臌現象突出，兩幫變形和壓力大。因此兩幫及底板是治理的主要對象，巖層擠壓剪切破壞是底臌的主要原因，并提出支護的對策和建議。

雖然我國在大傾角煤層的開采技術水平取得了一定的成功，但巖層控制理論和技術仍不成熟，因此我國煤礦科研工作者于90年代初開始集中著力于急傾斜煤層控制理論的研究。

煤炭科學研究總院北京建井所段振西、李澤農和南票礦務局解修定在南票葦子溝煤礦進行了塑料網錨桿支護改革的實驗，并緊跟掘進工作面進行現場工程觀測。指出在煤巷中進行錨網支護的關鍵是設置超前錨桿，認為判斷一個巷道是否穩定的必要條件是煤巷開挖3天后巷道表面位移應有明顯收斂趨勢，充分條件是支護能力要大于支護結構所受到的荷載。另外在煤巷中進行錨網支護的經濟效益和社會效益顯著，降低成本節約材料，并大大提高工效和施工的速度。

窯街煤電公司孫占榮從煤巷錨網支護在窯街三礦急傾斜特厚煤層開采中的應用入手，進行了對井下巷道的調查、觀測、實驗結果和理論分析計算。為防止巷道圍巖破裂巖塊垮落,提高巖體的殘余強度,提高錨桿拉力,增強整體支護效果,采用錨桿、金屬網加鋼筋梁的聯合支護形式。同時布置了深部圍巖位移觀測斷面和測力錨桿監測斷面對支護質量進行監測。結果證明，煤巷錨網支護可以保證巷道的支護質量，提高了支護的穩定性和支護效果。而且明顯的經濟效益和社會效益，不僅巷道掘進成本維護費用低，而且可以節約大量的支護材料。

謝廣祥、查文華、羅勇通過實驗室相似材料模擬試驗和新集三礦現場實驗及監測，得到工字鋼支護、錨桿支護和錨網索支護各支護形式下變形和壓力關系，指出在急傾斜煤層巷道中采用錨網索支護不僅是可行的，而且在采動影響大載荷下，具有明顯優越性；單一錨桿支護并不適用急傾斜煤層巷道，工字鋼支護僅適用載荷較小情況下。在急傾斜煤層巷道支護中，重點是控制巷道兩幫尤其是上幫的不穩定性；支護理念從控制載荷向控制變形轉變，工程措施從控頂護幫向控幫護頂轉變，設計從剛性支護向柔性支護轉變，改被動支護為主動支護。

西安科技大學黃慶享、董伯林、陳國紅等通過太平礦現場實測，得出了巷道的基本破壞特征是非對稱的變形，主要表現為巷頂下沉和頂幫下沉、底幫幫鼓。通過對25113工作面的相似模擬和數值模擬，獲得了急傾斜煤層大范圍開采過程的圍巖運動規律，揭示了頂幫下挫和底幫下滑式的非對稱變形機理，指出了巷道主要為拉破壞和剪破壞，支護的重點區域是巷道頂板和底幫上部。根據巷道的變形特征，確定采用內強式錨桿支護方法。根據頂幫下挫的變形特征，提出了優化巷道斷面和錨網支護相結合的支護設計的方法。

常聚才、謝廣祥、羅勇、王磊在新集三礦-340m西五-西三煤運輸大巷急傾斜煤層錨網索支護全煤巷道中，根據其非對稱情況采用非對稱設計。錨索的位置也應該由傳統觀念布置在頂板上,改為布置在巷道穩定性最差的下幫部。兩幫錨桿的長度也應該根據兩幫圍巖破碎區范圍的不同而不同。

重慶大學胡國忠、王宏圖、范曉剛等針對急傾斜俯偽斜采煤法上保護層保護范圍的劃定難題，基于有限元法，結合保護層頂底板煤巖層的物理力學參數和地質特征，采用3D-西格瑪軟件模擬急傾斜俯偽斜上保護層開采中被保護層的應力場及變形場的變化過程，得出保護層的保護效果，分析被保護層的最大主應力和變形隨上保護層采煤工作面推進的變化規律；并根據保護層開采的應力卸壓保護準則和變形保護準則，確定保護層沿傾向和走向的保護范圍。結果表明，急傾斜俯偽斜采煤法上保護層沿傾向上、下邊界的卸壓角分別為84.9°和68.0°；沿走向的卸壓角在傾向上呈非均勻分布，大小為38.3°～51.0°；同時，由現場考察方法與數值模擬方法所確定的急傾斜俯偽斜上保護層保護范圍基本一致。因此，采用數值模擬方法來研究急傾斜俯偽斜上保護層的保護范圍是可行的，且結果偏于安全。

從上面的研究現狀可知，國內對于急傾斜中厚煤層的巷道圍巖控制方面缺乏實質性的研究。有資料表明:對于目前國內急傾斜中厚煤層巷道圍巖的運移規律系統的研究工作一直沒有進行廣泛的展開，在圍巖控制方面主要是借鑒緩傾斜和大傾角煤層的一些相關研究成果。

前西德1957年在煤層傾角分類中將36°~54°的煤層稱為大傾斜煤層;前蘇聯的煤層分類中，將傾角在36°~55°的煤層稱為次急傾斜煤層，并且指出次急傾斜煤層和急傾斜煤層(56°~90°)是使用綜合機械化機組和聯動機組最困難的煤層

早在70年代末蘇聯就在大傾角煤層的機械化開采方面進行了一定的研究，研制了應用于大傾角和急傾斜煤層的各類綜采支架及采煤機并在此基礎上對大傾角特別是45°以上的煤層開采工藝進行了較系統的研究，基本奠定了急傾斜煤層開采的科學技術基礎。

前蘇聯H.Beccobhhkob、M.A.約菲斯、B.N.契爾那耶夫、E.B.博申尼亞托夫，加拿大S.馮白沙爾分別對本國相應急傾斜煤層開采中出現的巖層移動現象進行了研究。平行于采區走向中心線附近的地表水平移動曲線與得自0°~15°相似的緩傾斜礦體的曲線基本相同。地表變形觀測結果基本上與水平移動是相同的。任一地表隆起現象可以在急傾斜礦體的上方出現，并將隨著采區傾斜長度的增加或采區上部階段礦柱寬度的減少而有很大增長。

A.H.彼得洛夫在庫茲巴斯礦井的條件下，將錨桿既用于支護水平巷道、上山及其連接部，也用于各種輔助支護。根據礦山地質條件，錨桿可單獨使用，或者與框形支架配合使用。在后一種情況下，框形支架安設的間距可以加大0.5~1倍，因而也就相應地減少了巷道支護材料、運輸和支護的費用。使用配有金屬網的木錨桿取代環形木支架，可使每米巷道的經濟效益達到13~26盧布。

雖然前蘇聯對于急傾斜煤層工作面的礦山壓力(巖層應力和支承壓力)進行了較系統地研究，但是成果并不顯著。近些年來，隨著俄羅斯經濟方面等原因，這些相關技術的研究停滯不前；烏克蘭的主要研究重點則放在急傾斜及大傾角煤層采煤機和其相關配套的支護設備上

印度的Sjngh，T.N.Gehi，LD.等針對印度東北部煤田中的大傾角厚煤層的賦存特點，利用實驗室研究手段，分析了不同傾角和煤層厚度條件下圍巖應力分布特征，探討了采用放頂煤開采方法的可行性。在綜采設備方面印度也曾有過系統的研究，并取得了一定的科研成果等。

西班牙、法國、英國等在這方面也有相關的研究，相反在一些開采條件較好、經濟狀況很好，如美國和澳大利亞等發達國家，相關方面的研究則相對較少;捷克一些學者對于過大傾角且堅硬(急傾斜)煤層無人開采技術及其安全性進行過研究;

總的來講，國外對于急傾斜中厚煤層開采的研究，其研究重點主要是在開采方法和設備方面，而對于急傾斜中厚煤層與其相關的礦壓問題的研究卻并不多，圍巖控制方面的研究也相對較少，總體水平相對較低，此外這方面國際公開發表的學術論文、研究成果及文獻報道也是很少的。