深部矿山围岩稳定性控制与新型支护技术应用研究

引言

随着浅部矿产资源逐渐枯竭，矿产资源开采深度不断增加，深部开采已成为矿业发展的必然趋势。然而，深部矿山面临的高应力、强扰动和复杂地质条件给围岩稳定性控制带来了巨大挑战。传统支护技术在深部条件下往往表现出适应性不足、支护效果有限等问题，导致巷道变形严重、支护结构破坏频繁，严重威胁矿山安全生产。

围岩稳定性控制是深部矿山安全高效开采的核心问题。随着开采深度增加，围岩表现出明显的非线性力学行为和复杂的变形破坏特征，传统的刚性支护理念已难以满足工程需求。因此，深入研究深部围岩的力学特性和变形机理，开发适应深部条件的新型支护技术，对于保障矿山安全生产、提高资源回收率具有重要意义。

本文旨在系统分析深部矿山围岩稳定性控制的关键问题，探讨新型支护技术的原理及应用效果，为深部矿山支护设计提供理论依据和技术参考。通过文献调研、理论分析和工程案例研究，本文将从深部围岩特性、新型支护技术分类及应用、支护效果评价等方面展开讨论，以期为深部矿山安全高效开采提供技术支持。

一、深部矿山围岩特性分析

深部矿山围岩表现出与浅部明显不同的力学特性和变形行为。随着开采深度增加，围岩所处的应力环境发生显著变化，主要表现为 " 三高 " 特征：高地应力、高地温和高孔隙水压力。在千米以深矿井中，垂直应力往往超过 40MPa，部分地区甚至达到60-80MPa。这种高应力环境导致围岩储存了大量弹性应变能，一旦开挖扰动，极易引发岩爆、大变形等灾害。

深部围岩的变形破坏机理复杂多样。研究表明，深部岩体表现出明显的非线性力学行为和流变特性。在开挖扰动下，围岩变形通常经历三个阶段：瞬时弹性变形、时效变形和加速变形。其中，时效变形往往持续较长时间，是导致支护结构失效的主要原因。此外，深部围岩破坏模式也呈现多样化，包括岩爆、剪切滑移、拉伸破裂等，且经常多种破坏模式共存。

影响深部围岩稳定性的关键因素主要包括地质构造、岩体结构、地应力场、地下水条件和开采扰动等。地质构造如断层、褶皱等往往形成软弱结构面，成为围岩变形的薄弱环节。岩体结构特征如节理裂隙发育程度直接影响围岩的整体强度和变形特性。地应力场的大小和方向决定了围岩的受力状态，高偏应力容易引发岩体破坏。地下水的作用表现为降低岩体强度、加速蠕变变形等。开采扰动包括开挖方式、支护时机等工程因素，对围岩稳定性有重要影响。

二、新型支护技术原理与分类

针对深部矿山特殊的地质力学环境，近年来发展了多种新型支护技术，其核心理念是从 " 被动支护 " 向 " 主动支护 " 转变，强调围岩 - 支护协同作用。新型支护技术通过改善围岩应力状态、提高围岩自承能力来实现长期稳定控制。

根据作用机理不同，新型支护技术可分为以下几类：注浆加固类、预应力锚固类、柔性支护类和复合支护类。注浆加固技术通过注入浆液填充岩体裂隙，提高围岩整体性和强度，包括水泥注浆、化学注浆等。预应力锚固技术通过施加预应力改善围岩应力状态，如预应力锚杆、锚索等。柔性支护技术允许围岩适度变形而自身不发生破坏，如可缩性支架、柔性喷层等。复合支护技术则是多种支护方式的有机结合，如锚网喷、锚注联合等。

与传统支护相比，新型支护技术具有以下优势：能够适应大变形，通过让压机制避免过早破坏；主动改善围岩应力状态，提高围岩自承能力；支护材料强度高、韧性好，耐久性强；支护体系模块化设计，施工灵活方便。这些特点使新型支护技术特别适合深部高应力、大变形条件下的围岩控制。

三、新型支护技术的工程应用

在实际工程中，新型支护技术的应用需要根据具体地质条件和工程要求进行针对性设计。以下通过几个典型案例说明新型支护技术的应用效果。

在某深部金属矿山，针对高应力软岩巷道大变形问题，采用了预应力锚注联合支护方案。首先施工高预应力让压锚杆，控制围岩初期变形；随后进行深浅孔交替注浆，提高围岩整体强度；最后喷射钢纤维混凝土形成封闭支护圈。监测数据显示，该方案使巷道收敛量减少 60% 以上，支护结构完好率达 95%_o

另一个煤矿案例中，针对深部厚煤层沿空留巷难题，研发了" 锚杆- 桁架-注浆 " 协同支护系统。通过高强预应力锚杆加固顶板，钢桁架提供切向约束，注浆强化煤帮，形成了三维立体支护体系。应用后，留巷变形量控制在 200mm 以内，满足了工作面快速推进的要求。

在深部隧道工程中，一种新型的 " 让压 - 抗剪 " 复合支护技术取得良好效果。该技术采用高延性钢拱架作为主要承载体，配合可压缩接头实现有控制让压；同时通过斜向锚杆提供抗剪能力，抑制围岩剪切滑移。现场监测表明，该技术将支护结构的服务寿命延长了3 倍以上。

这些工程案例证明，基于围岩 - 支护协同作用原理的新型支护技术能有效适应深部复杂条件，实现围岩长期稳定控制。关键在于根据具体工程条件选择合适的技术组合，并优化支护参数和施工工艺。

四、支护效果评价与优化

科学评价支护效果是优化支护设计的重要环节。目前常用的评价方法包括现场监测、数值模拟和理论分析等。现场监测是最直接的手段，通过布置收敛测点、应力计、多点位移计等仪器，获取围岩变形和支护受力数据。数值模拟可以再现围岩 - 支护相互作用过程，预测不同支护方案的长期效果。理论分析则基于力学模型，计算围岩塑性区范围、支护结构安全系数等指标。

支护效果评价指标主要包括变形控制指标和力学状态指标。变形控制指标如巷道收敛率、底鼓量等反映围岩变形的宏观表现。力学状态指标如围岩塑性区范围、支护结构应力水平等反映系统的内在力学状态。理想的支护效果应同时满足变形可控和力学合理两方面的要求。

基于评价结果的支护优化包括参数优化和工艺优化。参数优化指调整支护密度、预应力大小、注浆压力等参数，使支护系统处于最佳工作状态。工艺优化指改进施工顺序、时机等，如采用 " 短掘短支 "、" 及时封闭 " 等策略。通过持续的评价- 优化循环，可以不断提高支护系统的适应性和经济性。

五、发展趋势与展望

深部矿山支护技术未来发展将呈现以下趋势：智能化支护系统将得到广泛应用，通过内置传感器实时监测围岩 - 支护相互作用，实现自适应调节。新型支护材料如形状记忆合金、自修复材料等将提高支护结构的耐久性和适应性。数字化设计平台将整合地质建模、力学分析、方案优化等功能，支持支护设计的科学决策。

未来研究应重点关注以下方向：深部围岩多场耦合作用机理，为支护设计提供理论基础；支护 - 围岩相互作用时空演化规律，指导支护时机选择；新型智能支护材料与结构研发，提高支护系统性能；数字化支护设计方法与标准体系建立，规范工程实践。

随着相关技术的不断进步，深部矿山围岩稳定性控制将从经验型向科学型转变，从被动应对向主动防控发展，为矿产资源安全高效开采提供有力保障。

参考文献：

[1] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等．深部开采岩体力学研究 [J]．岩石力学与工程学报，2005，24(16) ：2803-2813

[2] 康红普，王金华，林健．煤矿巷道支护技术的研究与应用[J]．煤炭学报，2010，35(11) ：1809-1814

[3] 李术才，王琦，李利平，等．深部巷道围岩破裂演化过程及支护技术研究 [J]．岩石力学与工程学报，2014，33(4) ：649-658

作者简介：何青仔（1968.3-），男，汉族，湖安仁县，本科，测量工程师，主要从事矿山安全