深部开采条件下矿业工程巷道支护关键技术及稳定性分析

引言：深部开采就是在地下较深处（一般大于 800m ）实施的矿产资源开采活动，同浅部开采比起来，深部开采存在高地应力，高渗透压，岩石力学性质复杂这些特点。在深部开采时，巷道是矿产运输、通风、行人等的关键通道，稳定性和矿山的安全生产以及经济效益有着直接联系，因为深部特有的地质条件，巷道围岩很容易出现大变形，破裂甚至垮塌之类的情况，传统的巷道支护技术无法达到深部开采的需求。因此，针对深部开采情况下矿业工程巷道支护的关键技术以及稳定性展开研究具备重大的现实意义。

一、深部开采巷道围岩特性

1.1 高地应力环境

开采深度不断提升时，地应力表现出线性增长态势，深部地应力数值偏高，其应力场的分布状况又很繁杂，时常会出现水平应力胜过垂直应力的情况，高地应力作用之下，巷道周围的岩石将会发生大幅的变形甚至遭受破坏，巷道周边的岩石产生片帮，底鼓之类的现象，按照相关数据显示，在深部开采期间，地应力每增大10MPa，巷道围岩的变形量可能就会增多 20%-30% 。

1.2 岩石力学性质变化

深部岩石在高地应力、高渗透压与复杂地质环境的双重影响下，其力学性质出现大幅改变，岩石的流变特性变得更为突出，也就是岩石的变形会一直随着时间而发展。并且，岩石的脆性减小，塑性增大，这就造成岩石受力时更较易产生塑性变形，从而加大了巷道支护的困难，某深部煤矿巷道，开挖之初围岩变形速率处于 5-10mm/ 日，之后随着时间流逝，变形速率渐渐稳定在 1-2mm/AA 日，不过总体变形量仍然不断上升。

1.3 复杂地质构造影响

深部开采区域常常存在复杂的地质构造，断层，褶皱等，地质构造可致使岩石破碎，节理裂隙产生，削减岩石的完整性与强度，在巷道开挖进程中，当碰上地质构造区域时，围岩很容易出现坍塌事故，相关研究显示，有断层穿过的巷道，其围岩失稳的概率要比正常区域高3-5 倍。

二、深部开采巷道支护关键技术

2.1 锚杆锚索支护技术

锚杆支护靠把锚杆锚固进围岩内部，凭借锚杆和围岩间的摩擦力，粘结力等，把围岩里的不稳定岩体同稳定岩体结合成整体，从而加强围岩自身的承载能力，在深部开采时，锚杆支护能有效地控制巷道围岩的局部变形，比如用高强度螺纹钢锚杆，其屈服强度能达到 500MPa 前述，锚固力不少于 100kN，如果合理安排锚杆的间距和排距，就能让巷道围岩生成稳定的承载结构，在某个深部金属矿山的巷道里，用锚杆支护之后，巷道围岩的变形量减小了30%-40%。

锚索支护就是用锚索把深部稳定岩体和巷道周边岩体结合在一起，从而给予很强的锚固力，锚索长度往往比较长，可以深入到稳定岩层里面。和锚杆比起来，锚索的承载能力更强，锚固范围更大，在深部高地应力巷道当中，锚索支护能很好地控制巷道围岩的大变形，比如某深部煤矿的深部大巷，用直径15.24mm，长度 8-10m 的锚索做支护，锚索预紧力达 150-200kN，这样就有效地控制住了巷道底鼓和顶板下沉情况，保障了巷道的稳定。

2.2 喷射混凝土支护技术

喷射混凝土支护就是借助喷射设备把混凝土喷射到巷道围岩表面，进而形成一层混凝土支护层，在深部开采这样复杂的环境当中，这种支护方法显得格外关键。喷射混凝土可立即封闭巷道围岩表面，很好地防止围岩发生风化与潮解，免除因外界环境因素造成围岩强度下降。然而，其与围岩紧密贴合，犹如为围岩披上一层坚固的铠甲，共同承受围岩压力，喷射混凝土还能填充围岩表面的节理裂隙，把原先松散的岩体结合成一体，极大地改善围岩的整体性及其强度。

深部开采时，要想提升喷射混凝土的支护效果，就得改良材料和工艺。深部开采会遭遇高地应力，高温等严酷情况，因此对支护材料性能的要求更高，选用高强度，早强型水泥，并加入适量外加剂，速凝剂，减水剂等，能够显著增强混凝土的早期强度及施工性能，从而加速其发挥支撑保护作用的效率，改良喷射工艺，比如采用湿喷工艺，可以缩减粉尘污染，改善作业环境，提升混凝土喷射质量和密实度，这样就能巩固支护结构的稳定性和可靠性。

2.3 联合支护

锚杆锚索与喷射混凝土联合支护，是当下深部开采巷道支护较常采用的一种联合支护形式，锚杆锚索可给予深部锚固力，用以调控围岩深部的变形状况，喷射混凝土则能封闭围岩表面，提升围岩表面的强度与整体性。该联合支护方式能够较好地发挥锚杆锚索和喷射混凝土各自的长处，有效地控制巷道围岩的变形情况，比如在某个深部金矿的巷道当中，采取锚杆锚索与喷射混凝土联合支护之后，巷道围岩的变形就得到了很好的控制，在其服务期限之内，巷道的变形量符合生产需求。

除了锚杆锚索与喷射混凝土联合支护这种形式之外，还存在别的联合支护形式，U 型钢支架与锚杆锚索联合支护，注浆巩固与锚杆锚索联合支护等等，U型钢支架具备较强的承载能力以及可缩性，在高地应力巷道当中，可以有效地对抗围岩的变形。注浆巩固能够提升破碎围岩的强度及其整体性，与锚杆锚索共同使用时，可以进一步改善巷道的支护效果，在某个深部煤矿的软岩巷道里面，运用了 U 型钢支架与锚杆锚索联合支护的方法，U 型钢支架供应初期支护阻力，锚杆锚索供应长期锚固力，从而有效地控制住了巷道围岩的大变形现象。

三、深部开采巷道稳定性分析方法

3.1 理论分析方法

基于弹性力学、借助塑性力学等经典力学理论塑造出巷道围岩力学模型，并分析巷道围岩应力，应变的分布规律，利用厚壁圆筒理论来分析圆形巷道在均匀地应力作用下围岩的应力分布状况，这种方法依靠基本力学原理，可以立即创建起初步的分析架构，帮助研究人员对巷道力学状态产生基本认识，但是由于其假设条件较为理想化，当遇到地质条件复杂多变，岩石表现出非线性力学行为时，模拟结果的准确性与可靠性就会明显下降，很难完全体现实际情形。

岩石力学不断发展，一些依靠现代岩石力学的分析方法涌现出来，损伤力学、流变力学等就包含在内。这些方法把岩石受力时的损伤改变情况和流变特性纳入考量范围，能更为精准地阐述深部开采巷道围岩的力学特征，损伤力学关注岩石内部微观结构受力时损伤汇集的过程，流变力学侧重岩石随时间流逝而发生的变形特性，利用损伤力学理论去剖析巷道围岩在高地应力影响下损伤破坏的过程，用流变力学理论来预估巷道围岩的长期变形，这给巷道稳定性研究带来了更为贴近实际的视野。

3.2 数值模拟方法

有限元模拟属于当前应用最为普遍的数值模拟方法之列，将巷道围岩离散成有限个单元，进而形成有限元模型，再求解力学兼顾方程，以此获取巷道围岩的应力，应变分布状况以及变形情形。有限元模拟可以顾及到复杂的地质条件，支护结构与围岩之间的相互作用等要素，以 ANSYS 软件构建深部开采巷道的有限元模型为例，此模型能够细致地把巷道周边复杂的岩体特性，支护结构参数纳入模拟范畴之中，通过模拟不同支护方案之下巷道围岩的稳定性，并从大量角度展开数据比较，从而给支护方案的改良给予详尽而又可靠的依照。

离散元模拟适合用来分析节理裂隙发育的岩体，这种方法把岩体看作是由离散的岩块形成的，通过模拟岩块之间的相互作用，来研究岩体的变形和破坏过程。在深部开采巷道稳定性分析方面，离散元模拟可以较好地模拟围岩在开挖和支护时的破裂、垮塌等情况，利用 UDEC 软件对深部巷道穿过断层区域的稳定性开展离散元模拟，该软件能够精确描绘断层周边岩块之间的接触，错动等复杂力学行为，形象展示出断层给巷道围岩稳定性造成的影响，从而评定支护效果，为现场支护设计给予重要的参考。

3.3 现场监测方法

在巷道围岩的表面或者内部安置诸如收敛计，多点位移计之类的位移监测仪器，以此来监测巷道围岩的变形状况，巷道围岩的变形是体现巷道稳定性的关键标志，通过对变形数据的剖析，可以立即知晓巷道围岩的稳定情形，进而调整支护参数。比如在某深部巷道当中，每隔 5m 设置一个收敛监测断面，用以随时监测巷道周边收敛变形的情况，一旦变形速率超出预先设定的数值，就表明巷道围岩的稳定性遭遇威胁，这个时候迅速执行加强支护的举措，便能够有效地规避巷道出现失稳的危险，从而确保生产活动得以安全开展。

利用应力监测仪器，诸如应力计，锚杆测力计等，来监测巷道围岩应力以及支护结构的受力状况，通过应力监测，可以掌握巷道开挖和支护期间围岩应力重新分布的规律，进而评定支护结构的承载能力。以锚杆支护技术应用于巷道为例，装上锚杆测力计，不断监测锚杆受力的变化情况，一旦锚杆受力发生不正常波动，就能知道支护结构有没有正常起作用，这样就能趁早改善支护方案，保证锚杆一直处在良好的工作状态，有效地维持巷道的稳定。

四、结论

深部开采时，巷道围岩会遭遇高地应力现象，岩石力学性质频繁改变，再加上复杂地质构造的影响，这些都给支护工作造成很大困难。锚杆锚索、喷射混凝土以及联合支护技术很关键，若结合理论分析、数值模拟与现场监测，可有效实现巷道稳定性维护。日后随着开采深度不断增大，要开发新的支护材料和技术，加深对围岩变形破坏机理的研究，利用人工智能，大数据做到支护参数的智能设计，并随时监测稳定性状况以便及时发出警报，从而改善深部开采的安全性和效率。

参考文献：

[1] 杜兴耀 . 采矿工程巷道掘进与支护技术分析 [J]. 凿岩机械气动工具 ,2025,51(03):110-112.

[2] 董 宏 伟 . 采 矿 工 程 中 超 前 支 护 技 术 的 应 用 [J]. 能 源 与 节能 ,2025,(02):219-221.

[3] 平立芬 , 王自荣 , 葛中坤 . 煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术的实践研究 [J]. 内蒙古煤炭经济 ,2025,(02):26-28.

[4] 刘 树 杰 . 采 矿 工 程 巷 道 掘 进 与 支 护 技 术 分 析 [J]. 能 源 与 节能 ,2024,(10):228-230.