矿建巷道围岩破碎区支护优化

1. 引言

在矿山开采过程中，巷道围岩破碎区的支护技术是确保安全生产与高效运营的关键环节。随着矿山开采深度的增加以及开采规模的不断扩大，巷道围岩破碎区的问题日益突出。尤其是在地质条件复杂的区域，如构造应力区或断层带，围岩的破碎现象严重影响了巷道的稳定性与掘进效率。例如，南关煤矿在过构造应力区时因围岩破碎导致巷道掘进效率低下，并伴随较高的安全风险。此外，随着煤炭资源需求的增长，巷道断面普遍增大，这进一步加剧了破碎围岩巷道的支护难度。因此，如何有效应对围岩破碎区的支护问题已成为矿山工程领域的重要研究课题。

2. 围岩破碎区力学特性与破坏机制

2.1 围岩破碎区力学特性分析

从岩石力学角度，破碎围岩表现出显著的强度降低与变形特性改变。其强度特性受岩石内部裂隙发育程度影响，裂隙越多，岩石的抗压、抗拉强度越低。在变形特性方面，破碎围岩通常表现出较大的塑性变形能力，这与围岩中颗粒间的粘结力减弱密切相关。此外，破碎围岩对应力变化的响应较为敏感，尤其在高应力环境下，其非线性变形特征显著增强。根据弹塑性理论，巷道表面位移和塑性区半径可通过力学模型进行计算，支护阻力、围岩黏聚力和内摩擦角等参数对塑性区半径和巷道位移具有重要影响。因此，深入分析破碎围岩的力学特性，是优化支护设计的基础。

2.2 破坏机制探究

围岩破碎区的破坏机制主要受地质构造与应力分布的综合作用影响。在地质构造方面，断层、节理等不连续面的存在显著削弱了围岩的整体性，导致局部应力集中现象频发。在应力分布方面，高应力环境下的围岩易发生剪切破坏，特别是在塑性区范围内，围岩的剪切梯度与侧压力系数对破坏模式起到关键作用。此外，拉伸破坏也是破碎围岩常见的破坏形式，尤其在巷道表面附近，由于环向应力集中，围岩可能出现拉伸裂缝并逐步扩展。结合理论分析与现场实测数据，可以得出剪切破坏与拉伸破坏往往是相互耦合的，共同决定了围岩破碎区的失稳过程。因此，研究围岩破碎区的破坏机制，对于制定科学合理的支护方案具有重要意义。

3. 传统支护方式特点

传统锚杆（索）支护与架棚支护是矿山巷道围岩控制中广泛采用的方法。锚杆（索）支护通过将金属杆体或钢绞线固定在钻孔内，利用其抗拉性能对围岩进行加固，以增强围岩的整体性和承载能力。其原理在于通过锚杆（索）与围岩的相互作用，形成组合梁或压缩拱结构，从而分散围岩内部的应力集中。架棚支护则通过安装钢制或木制支架，在巷道表面提供直接支撑，以抵抗围岩变形和坍塌。这种支护方式的特点在于施工简便、成本较低，并且能够快速形成支护体系，但其刚度较大且适应性有限，难以应对复杂地质条件下的围岩变形。

4. 创新支护优化方案

4.1 新型支护材料选择

在矿建巷道围岩破碎区的支护优化中，新型支护材料的选择至关重要。传统材料往往难以满足复杂地质条件下的高强度和变形适应性需求，因此需选用具有更高性能的材料。例如，高强度钢材因其优异的抗拉抗压性能，可有效提升支护结构的承载能力；同时，具备良好韧性的材料能够更好地适应围岩变形，避免因应力集中而导致的破坏。此外，注浆材料如水泥、黄沙与石子按一定比例配置的复合材料，因其良好的粘结性和抗渗性，也被广泛应用于巷道加固中，以增强围岩的整体稳定性。这些材料的选择依据主要基于其对复杂应力环境的适应能力以及长期使用的耐久性。

4.2 支护结构设计

创新支护结构的核心在于其科学合理的组成与布局，以及对围岩变形机制的有效响应。以可伸缩液压钢棚为例，该结构主要由底脚、支撑柱、螺纹杆、松紧环等关键部件组成，通过液压系统实现支撑力的动态调整，从而适应不同阶段的围岩变形需求。此外，“加长让压锚杆+L型钢棚”联合支护技术也是一种有效的设计方案，其中加长让压锚杆能够分散围岩应力，而L型钢棚则提供额外的刚性支撑，共同控制围岩变形。这些新型支护结构的工作原理在于通过灵活调整支护强度与范围，最大限度地减少围岩破碎区的变形与失稳风险。

4.3 施工工艺改进

优化后的施工工艺流程在提高效率与保证质量方面展现出显著优势。首先，在施工准备阶段，通过对巷道地质条件的详细勘察，合理设置机械设备参数，确保施工过程的顺利进行。其次，采用全断面注浆与锚索梁联合支护的施工方法，能够在短时间内完成巷道加固，同时减少施工对围岩的扰动。例如，在 5202 巷道的实际应用中，通过优化注浆材料与施工工艺，成功将顶板下沉量、两帮移近量及底鼓量分别减少了 58.9% 、 68.2% 和65.7% 。这种改进不仅缩短了施工周期，还显著提升了支护效果，为矿山巷道的安全运营提供了有力保障。

5. 优化方案应用问题及应对策略

5.1 可能面临的问题

在矿建巷道围岩破碎区支护优化方案的实际应用中，可能会遇到多方面的挑战。首先，施工难度的增加是一个显著问题。由于优化方案通常涉及新型支护材料和复杂的结构设计，施工人员需要掌握新的操作技能以适应这些变化。例如，采用可伸缩液压钢棚等新型结构时，其安装精度要求较高，且对施工环境的条件更为敏感，这可能导致施工过程更加复杂化。其次，设备适配性问题也不容忽视。新型支护材料和高强度支护结构可能需要特定的机械设备支持，而现有设备可能无法满足新方案的需求。例如，在深部大断面岩巷过围岩破碎带支护设计中，若采用“锚网索”与 36U型钢棚联合支护的方式，则需确保注浆设备与新型支护结构相匹配，否则可能影响支护效果。此外，现场地质条件的复杂性也可能对优化方案的实施造成阻碍，尤其是在围岩破碎区存在高应力或渗水情况时，施工风险进一步加大。

5.2 应对策略

针对上述潜在问题，可以采取一系列应对策略以确保优化方案的顺利实施。首先，加强施工人员培训是关键措施之一。通过组织专业化的技能培训课程，使施工人员熟悉新型支护材料的特性和施工工艺要求，从而提高其操作水平和技术能力。例如，在采用全断面注浆加固技术时，应对施工人员进行注浆材料配比、注浆压力控制等方面的系统培训，以保证施工质量。其次，改进设备适配性也是必要的。可以通过研发或改造现有设备，使其能够更好地适应新型支护结构的施工需求。例如，在巷道底板加固中，针对帮角锚梁和底角锚杆的支护方式，可设计专用钻孔设备以提高施工效率并保证支护精度。此外，还应建立完善的现场监测与反馈机制，及时评估施工过程中的异常情况，并根据实际情况调整施工方案。例如，在巷道掘进过程中，若遇到围岩变形或破碎情况，可结合数值模拟法对支护参数进行动态优化，以增强支护效果并降低施工风险。通过以上措施，可以有效克服优化方案在实际应用中的难点，为其推广和应用奠定坚实基础。

6. 结论

本研究通过深入分析矿建巷道围岩破碎区的力学特性与破坏机制，针对传统支护方式存在的不足，提出了一套创新支护优化方案。该方案在实际应用中表现出显著的优势，特别是在提高支护效果方面，通过采用可伸缩液压钢棚等新型支护结构，有效增强了顶板稳定性，防止了围岩破碎和垮落现象的发生。

参考文献

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