深部破碎岩层巷道支护技术研究_董尹庚.pdf

巷巷道道支支护护理理论论与与技技术术 深部破碎岩层巷道支护技术研究 董尹庚 神华包头矿业有限责任公司 李家壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000 ［ 摘 要］针对深部破碎岩层巷道支护困难的问题，探讨了深部围岩耦合支护机理 二次承载 圈通过一次支护锚杆锚固端为一次承载圈提供力源; 一次承载圈对二次承载圈的变形进行约束，阻止 二次承载圈内围岩进一步破坏; 一次承载圈和二次承载圈的协调变形能够压实、强化一次承载圈，释 放二次承载圈的部分变形能。通过数值模拟对巷道支护合理性进行验证，结果表明 巷道两帮应力集 中现象明显降低、屈服范围大大减小，顶底板和两帮移近量得到了有效控制。 ［ 关键词］深部破碎岩层巷道; 承载圈; 数值模拟 ［ 中图分类号］ TD353［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 2016 01- 0056- 03 Supporting Technology of Roadway with Cracked Strata in Deep DONG Yin- geng Lijiahao Coal Mine，Shenhua Baotou Mining Co. ，Ltd. ，Ordos 017000，China Abstract In order to solve the difficulty supporting problems of roadway with cracked strata in deep，the coupling supporting mecha- nism of surrounding rock in deep was discussed，force resource of the first bearing ring was provided by anchored point of the first sup- porting，which located in the second bearing ring. The second bearing ring deation was prohibited by the first bearing ring，the damage of surrounding rock around the second bearing ring was prohibited，the first bearing ring could be strengthen with coordinated deation of two of bearing rings，partial deation energy of the second bearing ring was relaxed. Supporting rationality was valida- ted by numerical simulation. The results showed that the stress concentration of two sides and yield scope decreased sharply，roof sag and two sides convergence was controlled effectively. Keywords roadway with cracked strata in deep; bearing ring; numerical simulation ［ 收稿日期］ 2015 －06 －26［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11 －3677/td. 2016. 01. 015 ［ 基金项目］ 国家自然基金资助项目 51574114 ［ 作者简介］ 董尹庚 1962 － ，男，内蒙古鄂尔多斯人，硕士，采矿高级工程师，矿长，现从事煤矿生产技术管理工作。 ［ 引用格式］ 董尹庚 . 深部破碎岩层巷道支护技术研究 ［J］． 煤矿开采，2016，21 1 56 －58，17. 在深部岩体中进行开挖后，巷道围岩中出现应 力集中，在深部高地应力作用下巷道围岩产生破 坏。由于深部岩石的 “三高一扰动”复杂环境， 使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应 均发生根本性变化 ［1 －3 ］。王卫军提出了采用高强锚 杆、强力锚索、注浆加固巷道的高阻让压和高强度 支护技术，并确定了各支护阶段的支护时间 ［4 ］。 刘泉声采用分步联合支护，掘进工作面帮顶超前支 护、一次支护和二次支护互相配合，喷锚注等多种 手段共同实现开挖施工安全和围岩稳定的控制 ［5 ］。 祁和刚等提出了采用地应力原位测量，分析地应力 与巷道稳定性的关系及破坏原因，确定了巷道的支 护参数 ［6 ］。余伟健等提出由锚杆支护压缩拱和密 集锚索支护压缩拱构成的承载体力学模型，推导了 一次支护和二次支护的支护结构的强度方程 ［7 ］。 由于深部破碎岩层巷道的复杂性，尽管相关学者针 对深部巷道支护技术的研究取得了一定的成果，但 仍需进一步研究深部破碎岩层巷道的支护。 本文分析了两次支护各自对围岩的力学作用， 探讨了双承载结构间力学作用关系，提出了深部破 碎围岩巷道支护方案。通过数值模拟对深部巷道围 岩应力分布、破坏变形规律进行研究，对支护的方 案进行验证。研究结果可为深部破碎岩层巷道支护 提供参考。 1深部破碎岩层巷道支护存在的问题 实践表明，深部巷道围岩通常会在巷道周围产 生一定深度的 “破碎圈” 。破碎的围岩导致支护施 工困难、支护效果较差。因此深部巷道应对此类巷 道进行研究，进而确定相应的支护控制技术。 1. 1深部巷道围岩条件分析 对李雅庄矿 355 运输大巷调查分析发现，巷道 围岩具有薄层状、碎裂、松散、膨胀、强风化蚀变 和高地应力作用等特征，属于典型的软岩巷道。岩 层力学参数如表 1 所示。 65 第 21 卷 第 1 期 总第 128 期 2016 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 1 Series No. 128 February2016 表 1岩层力学参数 岩石 名称 密度/ kgm －3体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 弹性模 量/GPa 泊松 比 黏聚 力/MPa 内摩擦 角/ 细砂岩2. 6921. 6714. 0834. 720. 233 14. 7642. 0 粉砂岩2. 7415. 889. 7124. 200. 246 10. 2339. 3 砂质泥岩 2. 679. 215. 7114. 200. 243 8. 7138. 2 煤1. 432. 670. 892. 400. 3506. 9336. 4 1. 2深部巷道支护存在的问题 深部巷道由于其埋藏较深，巷道围岩处于高应 力状态，很难通过目前的支护材料实现一次性支护 控制其围岩变形。可用如图 1 所示支护体 － 围岩共 同作用关系曲线解释。 图1支护体 － 围岩共同作用关系曲线 如图 1 中，对于一般巷道，支护材料极限破坏 强度大于所支护围岩可施加的围岩压力，通常情况 下可以通过一次支护对围岩变形进行控制。对于深 部巷道 由深部巷道不支护变形阶段、深部巷道 一次支护变形阶段、深部巷道二次支护变形阶段三 部分构成 ，一次支护后支护材料的临界破坏强度 仍小于达到巷道变形施加的围岩压力，因此通常需 要二次支护。 尽管深部巷道在一次支护后不能完全控制围岩 的变形，但是一次支护后围岩整体的承载性能发生 了改变，围岩特性曲线也发生了变化。此时，巷道 围岩变形除了与围岩的力学性质及地压特点有关， 还与一次支护材料、支护形式有关。 可以看出 较早地施加支护可以较早地改变特 性曲线，提高支护体利用率; 由于一次支护后巷道 围岩性质发生了改变，在一次支护后围岩适当变形 卸压后进行二次支护，可以实现对围岩变形的控 制。 在确定支护方式后，应当对支护材料、支护技 术进行针对性地研究。 2深部破碎岩层巷道变形及支护机理 2. 1深部岩层巷道支护技术 由于巷道具有强风化、蚀变、破碎、松散的特 征，因此对于破碎围岩巷道首先考虑提高破碎围岩 整体的自承能力，并阻断围岩表面与水和空气的接 触。在顶板和侧帮上部使用焊接网或金属网及大变 形锚杆进行支护，并加喷混凝土 厚 50mm 左 右 ，阻止破碎岩体垮落。其中，锚杆支护提高岩 块间的挤压力，增加了岩块间的啮合程度，提高围 岩破碎区域整体强度; 锚网及喷浆提高了巷道表面 的完整性，改变了围岩的受力状态。 由于巷道围岩处于高应力状态，一次支护的支 护强度往往不足以控制围岩的破坏，因此巷道深部 围岩发生较大变形并进入塑性区，在本矿表现为围 岩破碎范围增大。在巷道变形相对稳定后，应当选 择合理的支护方式，对巷道进行二次支护。选用注 浆锚杆及锚索进行支护，注浆实现了在巷道破碎带 围岩形成一个整体性较好、足够强度的自撑承压 环。 此外，如图 2 所示，二次支护还采用锚索支 护，使锚杆支护形成的承载拱与深部围岩联系起 来，实现更大范围利用围岩自承能力的承载圈抵抗 深部高应力。而二次支护的支护力和破碎圈外完整 围岩变形可以对一次锚杆支护破碎圈提供更大的压 实作用力，提高一次支护承载圈的承载强度。 图 2双承载拱耦合作用机理 2. 2深部破碎岩层巷道双承载拱支护机理 双承载圈的作用机理为 一次支护锚杆锚固端 为一次承载圈提供力源; 一次承载圈对二次承载圈 的变形进行限位约束，阻止二次承载圈内围岩进一 步破坏; 一次承载圈和二次承载圈的协调变形压 实、强化了一次承载圈，释放了二次承载圈的部分 变形能。 叠加拱承载能力可按下式计算 ［5 ］ q 21 sinθ b lstana － D a DaDltana1 － sinθ b 2R0 ls－ D a 2πrsKu0 u 1 R0ln R0 R0 l s ls [] ρ Q {} 0 21 sinθ b lctana － D a DaDltana1 － sinθ b 2R0 lc－ D a EcAc lc u3 1 75 董尹庚 深部破碎岩层巷道支护技术研究2016 年第 1 期 式中， K 为剪移比例系数，kg/cm3; rs为锚杆的半 径，m; R0为全长锚杆中性点半径，m; u0 为巷道 一次支护前巷道表面位移量，m; u1为巷道一次支 护后、二次支护前巷道表面位移量，m; u3为采用 锚索支护后的巷道围岩变形量，m; Ec为锚索的弹 性模量，MPa; Ac为锚索断面面积，m2; Da， Dl分别 为锚杆的间、排距，m; Da， Dl分别为锚索的间、 排距，m; R0为巷道的半径，m; θb为承载拱内围岩 的内摩擦角， ; ls， lc分别为锚杆、锚索的有效 长度，m; a， a 分别为锚杆、锚索在承载拱围岩中 的控制角，取 45。 通过公式 1结合地应力原位测试或支护后 巷道变形监测等手段可以对锚杆锚索长度、参数进 行合理选型。 3深部巷道支护模拟分析 采用 FLAC3D软件，模型为弹塑性材料，依据 摩尔 － 库仑屈服准则对矿井 355 大巷进行了数值模 拟。模型尺寸为巷道轴部方向 20m，水平方向 40m，高度方向 35m。 巷道布置在煤层顶板中，平均埋深 500m。在 模型顶部采用均布载荷的方式对模型进行加载。 3. 1一次支护前巷道变形破坏分析 一次支护前巷道变形破坏如图 3 所示。由图 3 可知，顶板破坏深度 2. 0m，底板破坏深度 1. 0m， 两帮破坏范围 1. 5m，据此结合相关理论确定顶锚 杆长度应取 2. 5m，帮锚杆长度应取 2. 0m。 图 3一次支护前巷道铅垂应力及屈服范围 可以看出，深部巷道在不支护的状态下围岩破 坏范围较大。因此，模拟在巷道围岩中打锚杆，进 行一次支护; 适当变形后在顶板打锚杆及锚索对顶 板进行二次支护。 3. 2合理支护后深部巷道变形破坏分析 经过对未支护深部巷道应力分布、围岩破坏变 形进行多种方案的模拟、比较，选择如图 4 的方案 对深部巷道围岩进行支护。 图 4深部巷道支护方案 巷道以锚网及表面喷浆的方式进行支护，提高 围岩自承能力。一次支护主要控制破碎圈内的围 岩，适当变形后，补打注浆锚杆及锚索以实现对一 次承载圈的补强和二次承载圈的形成。两帮的支护 考虑密集注浆锚杆支护的方式进行护帮，抵抗高应 力下的屈服破坏。 深部巷道支护下巷道垂直应力及屈服范围见图 5。由图 5 可得顶板破坏深度为 1. 0m，底板破坏深 度为 0. 8m，两帮破坏深度为 0. 8m。对比可知巷道 两帮应力集中现象明显降低、屈服范围大大减小， 说明支护方案对强化承载圈支护强度起到了作用， 支护对两帮的进一步破坏起到了抑制作用，两帮采 用锚杆支护可以很好地对巷道变形起到作用。 图5深部巷道支护下巷道垂直应力及屈服范围 数值模拟表明 支护后巷道顶板下沉量最大为 28. 47mm; 左帮移近量 65. 0mm。顶底板和两帮移 近量得到了有效地控制，巷道围岩处于稳定状态。 下转 17 页 85 总第 128 期煤矿开采2016 年第 1 期 爆过程中花岗岩内部原生裂纹的孕育进度，降低了 声发射的活跃程度。 3岩爆过程中干燥花岗岩 b 值变化伴随压 密阶段的孕育区、线弹性阶段的发展区，裂纹扩展 及破裂阶段的下降区; 饱水花岗岩 b 值前两阶段与 干燥花岗岩类似，第三阶段表现为群聚区。说明水 可以软化岩样，降低花岗岩内部裂纹的扩展尺度， 进而降低岩爆烈度。 4水改变了花岗岩岩爆过程中内部裂纹的 破坏机制。水平卸荷后，干燥花岗岩 Ra 值呈群聚 型分布; 岩爆灾害发生前，Ra 值表现为低幅为主， 高、低幅共存，说明岩爆发生前的孕育过程中内部 裂纹以张拉破裂为主，剪切为辅。饱水花岗岩水平 卸荷后 Ra 值则呈束状分布，内部裂纹以拉剪 拉交替的形式破坏。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 苗金丽 . 岩爆的能量特征实验分析 ［D］ ．北京中国矿业大 学 北京 ，2009. ［ 2］ DURRHEIM R J，HAILEA，ROBERTSm K Cet al. Violent failure aremant in a deep South African goldmine ［J］．Tectonophysics， 1998，289 01 －03 105 －116. ［ 3］ 陈炳瑞，冯夏庭，明华军，等 . 深埋隧洞岩爆孕育规律与机 制 时滞型岩爆 ［J］ ． 岩石力学与工程学报，2012，31 3 561 －569. ［ 4］ 秦乃兵，单晓云 . 双轴压缩下饱和水对洞室岩体声发射的影 响实验研究 ［ J］． 矿山测量，2000 2 19 －23. ［ 5］ 高永涛，周兴国，吴顺川，等 . 深埋隧道白云岩试样岩爆实 验研究 ［ J］ ． 北京科技大学学报，2010，32 7 819 －826. ［ 6］ 周宗红，侯克鹏，金小川 . 会泽铅锌矿深部岩体岩爆倾向性 实验研究 ［ J］ ． 昆明理工大学学报 自然科学版 ，2014，39 1 21 －25. ［ 7］ 张艳博，刘祥鑫，梁正召，等 . 基于多物理场参数变化的花 岗岩巷道岩爆前兆模拟实验研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2014，33 7 1347 －1357. ［ 8］ 马艾阳，伍法权，沙鹏，等 . 锦屏大理岩真三轴岩爆试验 的渐进破坏过程研究 ［J］． 岩土力学，2014，35 10 2868 －2874. ［ 9］ 徐连满，潘一山，李忠华，等 . 基于岩爆发生条件的原岩应 力反分析方法 ［J］ . 煤矿开采，2011，16 3 59 －61. ［ 10］ 林生 . 地下工程岩爆发生条件研究 ［J］ ． 重庆交通学院学 报，2005，24 3 31 －34. ［ 11］ 张镜剑，傅冰骏 . 岩爆及其判据和防治 ［J］ ． 岩石力学与工 程学报，2008，27 10 2034 －2042. ［ 12］ 付志亮 . 岩石力学试验教程 ［M］． 北京 化学工业出版社， 2001. ［ 13］ 龚囱，李长洪，赵 奎 . 加卸荷条件下胶结充填体声发射 b 值特征研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报，2014，31 5 788 －794. ［ 14］ 苗金丽，何满潮，李德建，等 . 花岗岩应变岩爆声发射特征 及微观断裂机制 ［J］ ．岩石力学与工程学报，2009，28 8 1593 －1603. ［责任编辑 李宏艳 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ］ 上接 58 页 4结论 1深部巷道围岩的变形很难通过一次支护 得到完全控制，但是由于支护后围岩应力状态改 变，被支护围岩强度提高，围岩整体的承载性能提 高，围岩中高应力得到释放，降低了对支护强度的 要求，在一次支护后围岩适当变形卸压后二次支 护，可以实现对围岩变形的控制。 2对于破碎围岩巷道首先考虑提高破碎围 岩整体的自承能力，采用锚杆支护提高岩块间的挤 压力，增加了岩块间的摩擦力，提高围岩破碎区域 整体强度; 锚网及喷浆提高了巷道表面的完整性， 改变了围岩的受力状态。 3通过数值模拟无支护条件下的巷道围岩 破坏情况得到了巷道支护方案，数值模拟表明使用 该方案巷道变形量较小，支护方案可行。 ［ 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］ 何满潮 . 深部开采工程岩石力学的现状及其展望 ［A］． 第八 次全国岩石力学与工程学术大会论文集 ［C］．北京科学出 版社，2004. ［ 3］ 刘晓明，罗周全，孟稳权，等 . 深井采场大规模垮塌三维探 测及可视化计算 ［J］ . 中南大学学报 自然科学版 ，2011， 42 1 158 －163. ［ 4］ 王卫军，彭刚，黄俊 . 高应力极软破碎岩层巷道高强度 耦合支护技术研究 ［J］ ．煤炭学报，2011，36 2 223 － 228. ［ 5］ 刘泉声，康永水，白运强 . 顾桥煤矿深井岩巷破碎软弱围岩 支护方法探索 ［J］ ． 岩石力学与工程学报，2011，32 10 3097 －3104. ［ 6］ 祁和刚，郭夕祥，于士芹，等 . 破碎大巷变形机理与注锚加 固技术 ［J］． 煤炭学报，2008，33 11 1224 －1228. ［ 7］ 余伟健，高谦，朱川曲．深部软弱围岩叠加拱承载体强度 理论及应用研究 ［J］ ．岩石力学与 工程学 报，2010，29 10 2134 －2142. ［ 8］ 孙利辉，杨本生，杨万斌，等 . 深部巷道连续双壳加固机理 及试验研究 ［ J］． 采矿与安全工程学报，2013，30 5 686 －691. ［ 9］ 徐金海，石炳华，王云海 . 锚固体强度与组合拱承载能力的 研究与应用 ［ J］． 中国矿业大学学报，1999，28 5 481 － 483.［责任编辑 王兴库］ 71 王亚东等 饱水花岗岩巷道岩爆声发射时序特性实验研究2016 年第 1 期