大变形巷道围岩变形机理与控制技术摘要: 为得到困难条件下大变形巷道围岩的变形机理与控制对策以困难条件下巷道的类型划分和特点为基础，总结了巷道围岩表面变形特征和内部的变形与结构特征，详细分析了高应力大变形破坏、底鼓型巷道系统失稳、采动巷道的变形破坏、结构面错动变形机制、围岩与支护结构不耦合五类主要变形机制。

结合巷道围岩控制理论研究与工程实践，提出了目前困难条件下矿井巷道支护存在的主要问题、难点与控制关键。

关键词: 困难条件; 大变形巷道; 围岩控制; 变形机理; 控制技术0 引言近年来，随着我国经济社会的快速发展、西部能源战略基地的大力建设、南方煤企重组的结构调整，煤炭的产量在逐步提高，为国民经济建设提供了重要支撑。

然而，随着煤炭资源开发规模、开采深度的增加，开采条件在持续恶化，巷道维护难度在不断增加，这给矿山巷道支护提出了新的挑战与课题，因此，困难条件下( 例如大采深、构造应力、多次采动影响、松软围岩、突出煤层等) 巷道围岩控制理论与技术亦成为当前矿业工程领域研究的热点与难点。

首先，由于我国东中部浅部煤炭资源的日益短缺，煤层开采必然转向深部，而深部开采因高地温、高地压、高渗透压和开采扰动( “三高一扰动”)的不利影响，使得深部矿井巷道的地质力学环境愈加复杂，地下工程灾害日益增多，深部巷道围岩稳定性控制变得更为困难。

一方面，部分矿井由浅部的硬岩矿井转型为深部软岩矿井，围岩缓变型大变形支护问题十分突出。

另一方面，深部煤层开采引发的冲击地压、瓦斯突出、岩爆等突变型大变形重大灾害在我国频繁发生，给国家财产和人民生命造成了巨大的损失，动力作用下巷道围岩控制问题已成为目前煤炭科技工作者所关注的重大问题之一。

其次，西部大型煤炭生产基地的建设为矿井巷道围岩控制理论与技术的发展提供了良好的机遇，同时也提出了新的挑战。

西部矿区的地质条件有其特殊性，即第四纪冲积层非常浅、软弱基岩埋藏深、含水层较多，( 特) 厚砂砾层、松散沉积砂层、厚冲积层等地层较为常见。

特别是基岩多为中生代软弱不稳定岩层，成岩较晚、胶结程度差、强度低，遇水软化、泥化，这都增加了巷道围岩的控制难度。

再次，与北方矿区相比，南方煤矿多为小型矿井，煤层赋存不稳定，地质条件较为复杂，矿井瓦斯含量较高，万吨掘进率偏高。

因此，南方煤矿更面临着复杂煤层开采、瓦斯突出灾害预防与控制、复杂条件下岩石力学与岩层控制等重大问题。

总之，困难复杂条件下的矿井巷道围岩稳定性控制制约了煤炭企业的正常发展，巷道围岩控制理论与技术也正面临一系列特殊的挑战性新课题。

基于此，笔者总结了困难条件下巷道围岩的变形机理、控制技术等方面的研究进展，结合笔者多年来的煤矿巷道工程实践，分析了困难条件下矿井巷道支护的现状及存在的主要问题。

1 困难条件下的巷道类型目前，困难条件下的矿井巷道维护问题已影响到煤矿的正常生产和经济效益，根据矿山地质条件巷道围岩岩性、瓦斯及涌水量情况、开采条件、施工条件等，困难条件下的矿井巷道一般包括以下 6类。

1) 软岩巷道: 巷道围岩主要表现为软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变; 在煤层巷道中主要指顶板、底板和煤层都较软的“三软”巷道。

2) 复杂地质构造带内巷道: 在地质历史进程中，岩层经历了多次地质构造应力场的作用和改造，形成了大小断层及节理裂隙等非连续面。

同时，在逆断层附近，向斜、背斜轴部断层尖灭处附近都存在着构造残余应力，这都将对巷道围岩稳定性产生显著的影响。

3) 高应力深井大变形巷道: 一般来说，巷道埋深超过 700 ～ 1 000 m 称为深井巷道。

在深部地压的作用下，巷道围岩所受的压应力、剪应力超过围岩的强度极限，使围岩处于“潜塑性”破坏状态，巷道围岩产生的大变形常使支护难以承受。

4) 高瓦斯突出矿井煤层巷道: 对于高瓦斯矿井、突出矿井，煤层巷道在瓦斯压力和岩层压力的双重作用下更易使煤岩体发生动力或变形破坏现象，其支护工艺要求高，成本大。

5) 受采动影响巷道: 包括各种受跨大巷，跨上( 下) 山煤层开采影响的巷道。

此类巷道因受动压的强烈影响，表现出围岩变形大、底鼓严重、围岩变形难以控制等特点。

6) 穿越采空区松散岩体大断面巷道: 大断面巷道在穿越采空区时，不但围岩松散破碎、稳定性差、随掘随冒，而且空区还存在水和瓦斯等不利因素的影响，进一步增加了巷道围岩控制的难度。

2 困难条件下巷道围岩主要变形机制困难条件下的矿井巷道不仅受单一因素影响，其变形破坏常是综合多种因素作用的结果，因此，复杂条件下巷道围岩的变形机制一般为复合型。

2. 1 高应力大变形破坏对于大埋深、复杂地质构造区域内巷道，高地应力和高构造应力使得巷道围岩处于高围压状态，并积聚了大量的弹性能，巷道开挖改变了原岩的应力状态，降低了岩体的强度和稳定性，同时，巷道某些部位应力和位移的长时释放和瞬时释放，通常引起围岩的流变大变形破坏和冲击大变形破坏，进而影响巷道的正常使用和矿井安全生产。

工程现场调查发现，巷道处于高应力环境中，开挖支护不到 15 d，断面移近变形量可达 500 mm，底鼓量最大达 1 m。

2. 2 底鼓型巷道系统失稳对于回采巷道通常并不注重底板、底角的加固与支护，使得这些部位成为巷道支护中的薄弱环节。

当巷道顶板和帮部的压力较大时，传递到底板岩层引起局部应力高度集中，造成底板围岩产生剪切塑性滑移线。

底板塑性区范围的进一步扩大，使得围岩的松动破裂进一步加剧，出现底鼓大变形，进而影响顶帮的稳定，最后造成巷道的整体失稳。

对于软弱强膨胀性无底板支护的巷道，由于底板处于开放状态，顶板淋涌水、空气中水、施工用水沿底板孔隙、裂隙渗入引起岩体强烈膨胀，产生较大的附加膨胀应力，并形成复杂叠加应力场。

此时，巷道底板成为围岩塑性能释放的主要通道，导致底板产生塑性流，出现严重底鼓，失去承载力，随之引起顶板下沉、帮部内挤，进而致使巷道系统的失稳破坏。

2. 3 采动巷道的变形破坏多次扰动形成的扰动应力场和原始应力场的叠加使得各工作面区域内的巷道应力集中程度较高，在支护薄弱的部位将首先发生变形破坏，随着开采扰动的交替影响，巷道围岩的松动破裂范围进一步增大，进而导致岩体失稳。

而对于底板巷道，通过采动影响下巷道围岩应力分布的理论计算和工作面回采对巷道动态变形破坏的影响数值分析可知，在工作面回采过程中，超前支承压力在底板中的分布显著影响着底板巷道围岩应力场，是底板巷道变形破坏的直接原因。

由于底板水平应力增量与垂直应力增量在底板中的传递变化是异步的，导致底板巷道环向应力的变化较大，帮部的应力集中程度、变化速率显著高于顶底，使得两帮先发生变形破坏。

随着工作面的推进，两帮的破坏将进一步加剧，左帮顶角与右帮底角也相继产生严重破坏，造成顶底板邻空长度加大，进而导致顶底板的失稳。

2. 4围岩与支护结构不协调对于高应力、松软围岩、受采动影响等困难条件下巷道围岩稳定的控制，若支护对策仅沿用传统的U 型棚、浇筑混凝土或锚喷支护形式、断面形状，且采用单一的支护形式，那么取得的支护效果显然不会很好。

此外，尽管在巷道围岩控制方案中采用了多种支护形式，但如果不注重围岩与支护结果之间的作用力协调，那么支护也无法适应围岩的变形要求，同时，围岩的大变形也得不到有效控制。

一方面，锚网与围岩之间的强度不协调，特别是网的刚度不够，将使得支护整体性差，导致巷道围岩局部锚杆所受的荷载过高而被拉断，围岩出现不规则变形; 另一方面，金属支架与围岩在结构上不协调，很可能导致大变形巷道围岩内部较高的塑性能无法释放，造成局部高度应力集中，引起金属支架的扭曲或断裂破坏，进而致使围岩的失稳破坏。

3 困难条件下巷道支护存在的主要问题通过查阅相关文献资料，结合大量的巷道支护工程实践，认为目前困难条件下巷道支护存在的主要问题及难点表现在以下 6 个方面。

1) 虽然目前在巷道围岩控制理论与技术方面取得了丰硕的研究成果，但是由于矿井巷道所处地质环境的变化性、复杂性导致了巷道围岩变形破坏机理认识不足，在理论和试验方面等研究不够充分。

2 ) 对于深井大地压巷道的围岩控制采用“适时－适度”的让压支护方式不失为一种较好的方法，但是目前对于让压支护的让压值与支护时机的确定把握不够准确。

3) 对于浅部矿井与深部矿井、高瓦斯矿井与低瓦斯矿井、一般条件巷道与困难条件巷道等不同情况下，柔性支护及刚性支护都有其适用的条件与范围，而目前对此的界定仍不明确。

4) 当柔性支护与刚性支护联合使用时，其最佳耦合性能如何实现及其与围岩形成共同承载体的力学性能如何仍是需要重点解决的问题。

5) 目前针对各种复杂条件下大变形巷道研究出了一些新的支护形式、支护方案，但对支护系统的失效机理研究不够充分。

6) 工程实践表明，困难复杂条件巷道围岩控制的效果不甚理想，很多情况下是由于开挖支护施工工艺、配套机具及工人操作水平达不到支护设计要求而导致的。

4 困难条件下的大变形巷道围岩控制技术1) 维护围岩的完整性，提高围岩的自承能力。

深部高应力巷道在开挖前一般已处于潜塑性或塑性状态，而在开挖后又难免产生松动破裂，采用锚网、锚索、注浆等主动支护措施，加强围岩的整体性，提高岩体强度，充分发挥巷道围岩自身的承载力，以控制围岩的变形，提高巷道的稳定性。

2) 改善巷道围岩应力环境，降低应力集中程度。

采用合理的初次支护，使围岩在相适应的应力条件下，由双向应力状态改变为三向应力状态，进行适当地变形释放和让压。

3) 避免支护滞后，把握好一次支护与二次支护的时机。

一次支护是对围岩进行适当的让压，二次支护是在一次支护的基础上进行的加强支护。

二次支护的时机确定十分重要，可依靠巷道围岩的变形监测确定。

4) 提高支护结构的整体性，充分发挥柔性支护与刚性支护的联合作用。

巷道开挖初期利用高强、高预紧力锚索主动支护限制巷道初期变形; 应力调整后，能及早有效地发挥 U 型钢支架的高刚度、可缩的特点，使得巷道围岩保持稳定。

5) 加强施工过程的监管，提高施工质量，建立巷道围岩应力、变形监测制度，及时信息反馈，研发新型底角和底板锚索钻机等支护机具，确保支护方案按质保量实施。

5 结语深井大变形、构造应力、多次采动影响、松软围岩、突出煤层等困难条件下巷道围岩控制理论与技术已成为当前矿业工程领域研究的热点与难点。

通过总结困难巷道围岩表面变形特征和内部的变形与结构特征，认真分析了高应力大变形破坏、底鼓型巷道系统失稳、采动巷道的变形破坏、结构面错动变形机制、围岩与支护结构不耦合的变形机制。

针对目前困难条件下矿井巷道支护存在的主要问题及难点，提出控制的关键是维护围岩的完整性、提高围岩的自承能力，改善巷道围岩应力环境、降低应力集中程度，把握好一次支护与二次支护的时机，充分发挥柔性支护与刚性支护的联合作用，加强施工过程的监管与变形监测。

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