深井动压巷道围岩变形机理及支护技术研究.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 深井动压巷道围岩变形机理及支护技术研究 姓名王立朝 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师张吉春;郭忠平 2000.4.1 Y 0 3 3 7 4 7 宵 摘要本文针对高佐煤砬莹道围岩地质条件，在进行松动圈测试的 基础上，研究了深井动压巷道围岩变形的机理和围岩变形规律，并提 出在高应力和采动影响下，因围岩目5 化导致巷道围岩变形呈现软岩流 变的特征。通过建立相关的粘弹性模型，推导了巷道围岩变形的粘弹 性解。本文还运用组合拱理论和锚杆的悬吊作用设计出有效控制围岩 变形的熊挺塞垃耋数，通过2 D _ 一。有限元程序的计算机模拟和现场施 工、测试，验证了支护参数的合理性，并根据煤巷两帮煤体应力和极 限平衡理论，提出区段间留设5 m 的小煤柱护巷技术。实践证明，此项 综合技术对深井动压巷道垦塞銮显是经济有效的。 ’关链词高应力。组合拱。粘弹性解⋯模拟 A b s t r a c tO nt h eb a s i so fb r o k e nr o c kz o n et e s t , t h ep a p e ra i m sa tt h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o no fr o a d w a yi nG a o z u nc o a l m i n ea n ds t u d i e so nt h e m e c h a n i c p r i n c i p l e a n dl a wo fs u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o ni n d e e p r o a d w a y ．U n d e rt h ei n f l u e n c eo fh i g hs t r e s s a n dm i n i n g ，t h es u r r o u n d i n g r o c kw e a k e n i n gc a u s e dt h a tt h ed e f o r m a t i o n st a k eo n ac h a r a c t e ro f s o f tr o c k ． B ys e t t i n gu p v i s c o e l a s t i cm o d e l s ．V i s c o e l a s t i cs o l u t i o no f t h ed e f o r m a t i o n i sd e r i v e d ．U s i n gt h et h e o r yo fc o m b i n e da r c ha n d t h et h e o r yo f h a n g i n g ，t h e p a r a m e t e r s o fb o l t s u p p o r t a r e c o m p u t e dt o c o n t r o lt h ed e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n g r o c ke f f i c i e n t l y ．T h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o nu s e d2 D of i n i t e e l e m e n tp r o g r a ma n da p p l i c a t i o n i nt h e f i e l d ，t h er a t i o n a l i t y o ft h e p a r a m e t e r si sp r o v e d ．A c c o r d i n gt o t h et h e o r yo nc o a lb o d ys t r e s sa n dt h e m a x i m u mb a l a n c et h e o r y , at e c h n o l o g y i sp r o p o s e dt h a ta5 - m e t e r w i d ec o a l p i l l a ri sr e m a i n e d t op r o t e c tt h er o a d w a yb e t w e e ns u b l e v e l s ． K e y w o r d sh i g h s t r e s sc o m b i n e da r c h v i s c o 。e l a s t i cs o l u t i o n s i m u l a t i o n 硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 问题的提出反研究的意义 我国是世界上主要产煤大国， 万t 增加到1 9 9 9 年的1 3 ．8 亿t 。 年产原煤由1 9 4 9 年建国初期的3 2 4 2 由于开采规模的不断扩大，矿井开采 深度逐渐增加，我国大多数煤矿平均开采深度达4 0 0 ～5 0 0 m ，开滦、 龙口、北票、新汶等矿务局中的一些矿井开采深度已经达到8 0 0 m ，部 分超过1 0 0 0 m 。众所周知，随巷道埋深的增加，同种岩层会呈现出与 浅部不同的特征。有的学者提出若C K y H ／R ≥O ．3 ～O ，5 ，巷道围岩 要进入软岩范畴，会呈现大地压、难维护局面。巷道围岩变形处于无 休止的流变状态，尽管采取了一系列的加强支护措施，但是效果都不 是很理想。 高佐煤矿自从1 9 8 6 年4 月正式投产，截止目前主要巷道埋深在 5 3 0 , - - 6 0 0 m ，将来最深可达7 0 0 m 以上。另外，跨巷道回采时还有2 ～3 的动载系数，所以，本矿目前正在使用的受采动影响的及将来的巷道 大多数属于软岩巷道范畴。 高佐煤矿井巷支护方式有很多种，如料石砌碹、锚喷支护、工字 钢梯形棚支护、木支护等。但是由于受到生产条件的限制，多数巷道 要受到动压的影响，特别是回采巷道还要受到二次较大的采动影响。 所以从总体支护效果来看，尤其是采准巷道破坏严重，有的地点经过 多次翻修，仍不能保证使用断面，这严重影响了矿井的正常生产，提 高了支护成本。究其原因，主要是对深井动压巷道围岩的破坏机理及 变形规律还未掌握、支护方式及参数不能适应变形要求所致。对于深 井动压巷道支护，其难点就在于我们所采用的支护方式既要有足够的 强度，又要有充分的柔性适应因采动压力的叠加造成的巷道变形。但 是目前许多矿井选择支护方式时很难做到这一点。只能刚刚掘进不久 的巷道就得进行翻修，这严重增加了矿井的经济负担。在高佐煤矿进 入深部开采后出现的这种现象在全国多数矿井也已经普遍出现。因此， 研究深井动压巷道围岩变形破坏规律及合理的支护方式，有效地控制 硕士学位论文 围岩变形，降低支护成本，具有重要意义。 1 ．2 研究现状综述 1 ．2 ．1 国外研究现状 国外软岩工程的研究过程，大多集中在软岩巷道的支护技术研究， 在近几年才开始进行软岩的工程地质规律和力学特性研究。 国外软岩工程研究大体上可分为三个阶段软岩锚喷支护阶段、 钢架支护阶段和软岩工程地质规律研究阶段。 1 锚喷支护研究阶段 早在1 9 世纪初期，美国、英国等国家就开始锚喷支护技术的试验 研究，但其系统研究是从4 0 年代开始，5 0 年代以来已经在金属矿山、 水利等地下工程中广泛使用。锚喷支护用于煤矿软岩支护始于6 0 年代 初期。煤是沉积矿产，与其共生的围岩一般是沉积岩，这些沉积岩与 同金属矿产所共生的围岩比较，其岩性较为软弱，变化较大，成分复 杂。为适应这些变化，锚杆的种类也发展较快。早期是楔缝式锚杆、 涨壳式锚杆、倒楔式锚杆以及水泥注浆锚杆等粘结式锚杆。近年来又 发展了性能良好适应性更广泛的新型锚杆，如树脂锚固锚杆、水泥锚 固锚杆、摩擦式锚杆和管缝式锚杆等。使用于煤矿软岩支护的喷层材 料也有了长足发展。英国、加拿大、瑞典、意大利、南非等国家研制 的纤维材料的混凝土，如聚乙烯、尼龙等结晶性聚合物制成的复合纤 维材料。可以预见，这些新型材料的纤维混凝土对于适应软岩巷道的 大变形特点具有重要意义。 2 钢架支护研究阶段 进入8 0 年代末期，随着煤矿开采深度加大，千米矿井不断出现， 软岩问题更为突出，仅以锚喷支护为主的支护技术在软岩巷道中成效 不够明显。存在的主要问题是巷道锚喷以后，底臌、收帮、变形、压 力大。为了扭转这种被动局面，经试验研究，国外在软岩巷道支护中 研制成功的钢支架种类有9 种之多 1 O L W ／U 2 9 型可缩钢架 2 钢筋混凝土圆型支架； 3 钢拱架钢筋混凝土封闭支架； 4 T H 4 4 ’ 硕士学位论文 圆型钢架 5 锚喷网架加底拱； 6 梨型T H 4 4 封闭钢支架； 7 钢 拱架和T H 4 4 反拱支架； 8 U 2 9 圆型钢架加底部混凝土； 9 喷网一 一圆形钢架联合支护。 3 在进行了一系列钢架试验之后，国外一些科学家发现，对一 些泥质岩石支护较为成功，对另一些泥质岩石仍控制不住软岩地压， 因而国外近年来转向研究软岩工程地质特性，以期对不同性质的软岩 采取不同的支护方法。目前，围绕软岩工程地质性质方面，国外进行 了如下研究软岩结构、成分、物化性质、水化性质、软岩力学性质、 流变学性质及本构关系的研究等。虽然进行了上述一些系统研究工作， 但把软岩研究和解决现场工程实际问题结合起来还欠较突出的进展。 另外，有代表性还有新奥法。它是由奥地利学者L ．V ．R a b c e w i c z 教 授总结前人在隧道方面大量实践经验后于1 9 6 4 年定名创立的。它既不 是单纯的施工方法，也不是单纯的支护方法，而是充分利用和调动巷 道围岩强度与自身承载能力，按岩石力学、围岩支护共同作用原理制 定的一套地下工程设计、施工、支护、监测新概念。从6 0 年代中期诞 生以来，在欧洲和世界很多国家，新奥法得以成功的应用。 1 ．2 ．2 国内研究现状 我国自5 0 年代开始试用锚杆技术，锚喷支护技术逐渐发展。进入 7 0 年代，锚喷支护从零星试验进入到对锚喷支护技术摸索实践的系统 研究和总结。原煤炭工业部把锚喷支护定为井巷支护技术的发展方向， 更促进了锚喷技术在软岩巷道支护中的应用研究。我国煤矿软岩问题 研究可以认为是从1 9 7 9 年吉林辽源梅河三井软岩巷道支护开始的。以 后随着新生代煤层的大力开发和开采深度的增加，软岩矿井数量与日 俱增。地域分布从我国北疆的大雁矿区到南方那龙矿区，从西域的新 疆九道岭矿区到东部的龙口矿区，软岩支护问题普遍出现。时代分布 上从新生代第三系煤系地层逐渐发展到中生代侏罗纪煤系地层，以及 古生代石炭二叠系的煤系地层，均出现了软岩问题。软岩巷道支护已 经成为我国煤矿生产建设中的主要问题。自从8 0 年代以来，经过在实 硕士学位论文 践基础上的实验和理论研究，我国工程技术人员大胆试验，敢于创新， 认真总结，逐步形成了具有我国特色的软岩综合支护技术体系。 松动圈理论 董方庭，1 9 8 8 在巷道未开挖前，一个单元岩体承 受三个方向的应力处于平衡状态。开挖以后，单元岩体的应力发生两 个重要变化一是沿巷道的径向应力变为零，使单元围岩的极限强度 明显降低；二是围岩产生应力集中，应力一般提高两倍以上。由此， 单元围岩的状态变化产生两种可能 1 当围岩的强度仍然大于应力 时，围岩不发生破裂； 2 当应力超过围岩极限强度时，围岩破裂， 并且向巷道空间移动，显现了围岩压力，应力重新分布，直到达到新 的平衡，围岩破裂才会停止。围岩松动圈理论将围岩中产生的这种松 弛破碎带定义为围岩松动圈，如图1 ．1 所示。巷道支护设计主要是尽量 控制破裂范围的扩大。 另外还有大弧板技术 孙 钧、朱效嘉、郑雨天，1 9 9 0 、 联合支护理论 陆家梁、郑雨 天、冯豫、朱效嘉，1 9 9 0 、 复合型软岩转化与支护优化理 论 何满潮，1 9 9 1 、U 型钢 壁后充填技术 陆士良、王悦 汉、王彩根 、外锚内注加固 技术 陆士良，1 9 9 5 等。与 此同时，各软岩矿井如淮南、 口 ＼ ，一．r ～、 _ 人＼＼、 ／ I j ／。、 l 、} 、 躲， f-／／／ 图1 ．1 围岩松动圈状态 大雁、平庄等也都通过不断探索试验，获得了适合自己特点的软岩支 护经验和方法。其中有代表性的支护方法有 1 锚网喷支护； 2 锚 喷与其它支护形式联合支护； 3 导硐卸压联合支护； 4 超高强弧 板支护 5 钢纤维喷射混凝土支护 6 料石、槽钢、槐棉条把联 合支护 7 组合锚杆支护。 在各种支护方式中，综合各种因素，在同等条件下，锚杆支护以 硕士学位论文 其支护效果最好、施工方便快捷、工人劳动强度低、材料消耗少、吨 煤成本低等诸多优点成为优先选用的支护方法。由于我国岩巷锚杆支 护技术研究得比较早，推广得力，因此总体上处于世界先进水平。我 国煤巷及软岩巷道锚杆支护在众多生产矿井、科研院所、大专院校和 制造厂家的努力下，取得了显著进步。这主要有 1 I 、I I 、I I I 类围 岩巷道锚杆支护技术已经成熟，可大面积推广； 2 I V 类围岩巷道的 锚杆支护在许多工程实践获得成功，可在类似地质条件下推广应用 3 V 类围岩巷道的锚杆支护正在进一步的试验。 近十多年来，在软岩巷道支护方面，我们取得了一系列的科技成 果和经验，但我们所经历的时间还很短，实践面还不够广，投入的力 量仍然有限，深入的程度也还不足，所以煤矿软岩巷道围岩控制技术 无论理论研究上、设计上、支护工艺上、配套设备上、以及施工组织 管理与定额方面都还存在一系列问题。目前，真正按软岩规律进行支 护，系统掌握近些年科技成果的还是少数矿区，而大部分矿区是处在 经验支护及传统思想的状态中，所表现出来的现象就是开始用一般的 支护，然后反复维修，无限制的增加支护刚度，这没有完全实现科技 成果向生产力转化；另外，软岩巷道围岩变形机理的研究尚需加强。 软岩巷道围岩一般变形机理的研究已经基本清楚，对于巷道围岩初期 变形破坏研究较多，但是对高应力、强膨胀复合岩体，以及受采动影 响、流变时间效应、巷道远期的安全、锚杆的安全寿命和对底臌治理 的实用、易行、有效的措施的研究，均有待深化和加强。 软岩之所以能产生显著的塑性变形，其主要原因是软岩中的泥质 成分和结构面控制了软岩的工程力学特性。高佐煤矿深井巷道围岩包 括泥岩、砂质页岩等，井下地质构造比较复杂，巷道多通过断层破碎 带，而且还要受到跨采时的动压影响，所以表现为高应力软岩性质。 而高应力软岩的塑性变形机理比较复杂，在国内软岩工程研究上处于 起步阶段。因此，本文所进行的高佐煤矿深井动压巷道围岩变形机理 及支护技术的研究是有现实意义的。 5 硕士学位论文 1 ．3 主要研究内容和预期达到的目标 在已有研究成果的基础之上，本文主要研究以下几个问题 1 深井动压巷道围岩变形规律； 2 深井动压巷道围岩变形机理及流变 分析 3 深井动压巷道围岩变形控制的支护对策及锚杆支护参数设 计； 4 深井动压巷道围岩变形的计算机模拟； 5 现场施工及支护 效果评价。 采取的研究方法以收集到的资料和对高佐煤矿井下现场实测数 据作为分析研究的基础，采用数学力学理论分析等方法，以期推导出 巷道围岩变形的解析解，并能用来指导巷道支护设计。然后根据巷道 不同的岩性，分别采用组合拱理论和锚杆的悬吊作用，结合计算机模 拟确定锚杆支护参数。最后，进行现场施工和支护效果监测，并检验 所选用的支护方式和支护参数是否合理。 硕士学位论文 2 深并动压巷道围岩变形规律 2 ．1 深井岩石巷道围岩变形规律 在重力、工程偏应力、地质构造、岩性、动压等诸多因素的影响 下，深井岩石巷道围岩具有如下的变形规律 1 深井动压巷道围岩具有软岩流变特性。巷道围岩变形区分为松 动带和塑变带，区别在于易控带和不易控带。围岩表层的松动带是易 控带，而塑变带是不易控带。因为塑变带是上覆岩层地压和采动集中 压力造成的。对于深部地下开采而言，特别是有采动影响时，支护体 无法抗衡集中压力，防止围岩产生塑性变形，而只能使支护性能适应 塑变带的岩移，且支护体要有相应的可缩性。对松动带来说，支护体 要控制其移近量，保持其相对完整性，使移近量控制在支护结构所能 承受的范围内，保持松动带的相对稳定，不使其解体坍塌。 2 深井动压巷道围岩变形具有明显的时间效应。深井巷道掘出 后，围岩变形速度随掘出时间的变化而变化的性质称为时间效应。具 体表现为巷道掘出后围岩变形速度较大，随时间增加，变形速度递减， 但围岩仍以较大速度变形，且持续时间较长。遇到动压影响，此现象 还会加剧。如不采取有效的支护措施，当变形量超过支护结构的允许 变形量时，支护结构承载能力下降，围岩变形速度加剧，最终导致巷 道结构失稳。 3 1 深井动压巷道围岩自稳时间短，收敛变形量大。围岩从暴露到 冒落的时间，取决于围岩暴露面的形状和面积、岩体强度和原岩应力。 深井巷道在高应力作用下，围岩出现应变软化现象。在巷道掘出后， 围岩变形速度较大，变形量剧增，当变形量超过围岩允许变形量时， 围岩开始松动、塌落。围岩自稳时间短，一般仅几十分钟到十几小时。 动压作用时还会影响自稳时间。巷道围岩收敛变形具体表现为顶底板 移近、两帮内移。其中铅直方向顶底板移近量以底臌为主，顶板下沉 量仅占很小比例。这种现象在高佐煤矿表现尤为突出。以一3 8 0 副下山 为例，巷道开掘后立即支护，在全断面架设槽钢棚并进行混凝土浇注。 截止目前，巷道两帮和底部混凝土开裂，几乎所有台阶均遭到破坏。一3 8 0 副下山破坏形态如图2 ．1 所示。由于底板变形量太大，给人车的行使造 硕士学位论文 成困难，多数地点不得不进行翻修，直接造成支护费用的增加，加重 了企业的负担。 圈2 ．1 - 3 8 0 删下山磕坏局部放大圈 4 构造应力作用为主时，巷道围岩破坏有明显的方向性。巷道 轴线垂直于主应力方向时，围岩破坏最严重；平行时，破坏最轻。 2 ．2 深井嗣t , ．, l t , g , t t m 岩变形 深井煤层巷道围岩变形不同于岩石巷道，有其特殊的规律。因煤 层巷道两帮围岩一般是煤体，其强 度通常都低于巷道顶底板岩层，所 以塑性区从帮角开始。当煤层巷道 的底板岩层强度较低时。塑性区的 发展就从两帮和底角开始；若顶、 帮、底围岩强度皆低，塑性区的发 展就从帮和顶、底角开始。随着帮 角塑性区的发展，其它部位的塑性 区也逐渐发展，但最终仍以帮、角 的塑性区最大。 巷道围岩变形都从表面向深部 逐渐降低，围岩内部变形与其周边 变形之间具有明显的相关性。其相 关规律首先取决于巷道围岩的应力 丑 样 姥 譬 簿 毯 韶 圜 距巷道周边的径向距离，m 圈2 ．2 不同地质开采条件下圈岩 位移的深衷比 1 ．位于岩体内，K 0 ．6 ； 2 ．位于岩体内，K I ．6 1 3 ．位于煤体内，受回采影响期间．K O ．9 3 4 ．一侧采空，受回采影响期间．K _ O ．4 6 ； 5 ．一侧采空．受回采影响期间，K - 0 ．3 5 硕士学位论文 分布、变化及围岩性质，同时与巷道支护阻力，尤其是锚杆与围岩的 相互作用，以及岩体的流变性有关。我们可以用深表比来反映煤层巷 道岩体深部任一点的径向位移与周边位移的比值。即 入『- u ／u 。，其中 ，为深表比；u ，为距巷道周边r 处的岩体径向位移； u 。为巷道周边位移。经过对我国徐州、平顶山等矿区各类煤层巷道的岩 体位移及其深表比的测试 图2 ．2 可以看到 1 在原岩应力条件下，深表比的变化规律与掘巷引起的围岩应 力分布基本一致，即在巷道周边最大，在围岩深处按负指数曲线1f _ e ‘ 其中b 为与岩性有关的系数 衰减。围岩周边位移量的大小、衰减 速度、深表比的变化及最终的影响深度，主要取决于巷道围岩性质， 同时还与巷道埋藏深度、断面大小以及支护阻力等有关。而影响范围 与围岩的稳定性系数K 有密切关系在软岩中 K O ．6 ，b 值为O ．6 5 ； 在极软岩中 K 1 ．6 ，b 值为O ．4 5 ．软弱围岩破裂带宽度一般为O ．5 B ～1 B B 为巷道宽度 ，个别达2 B ．中硬以上岩体，b 值一般都大于0 ．9 ，围岩破 裂带宽度为0 ．1 B ～0 ．3 B ．岩体深部明显位移的范围变化很大，一般为2 ～ 8 m 。 2 巷道受采动影响后，尤其是在相邻采空区与本工作面回采引 起的支承压力二次动压作用下，不仅巷道周边，而且岩体深部都处于 强烈支承压力作用下，产生大范围的塑性变形而严重破坏。因此，不 仅巷道周边位移量很大，而且围岩变形的变化规律与单一巷道不同， 深表比衰减十分缓慢。在回采工作面附近，巷道位于软岩内，仅受本 工作面采动影响期间，b 值为O ．2 3 ，巷道围岩破裂带宽度为8 m ；受到 相邻采空区与本工作面采动叠加影响期间，b 值为0 ．1 5 ，巷道围岩破裂 带宽度为1 6 m ；围岩中硬时，b 值为0 ．3 3 ，巷道围岩破裂带宽度为8 m ． 受采动影响的巷道，由于围岩性质、开采深度、采动状况等不同，巷 道周边位移量一般为2 0 0 1 0 0 0 m m ，岩体深部显著位移的范围一般为 5 ～1 6 m 。 深部煤层巷道在高地应力、围岩岩性松软及动压影响下，通过相 似材料模拟试验结果 图2 ．3 所示 还可以看出煤层巷道围岩变形有如下 特点 硕士学位论文 1 巷道围岩变形破坏后位移指向巷道空间，而较深部围岩都有 不同程度的下沉。在 受到工作面前方移动 支承压力的作用后。 迫使老顶下沉 曲线 u ， ，直接顶下沉 曲 线u ， ，两帮下沉 曲 线u ， ，煤层压入巷 道底板 曲线u 4 ， 煤层下方的老底也因 岩体压缩而产生微量 下沉 曲线u 。 。由 图2 ．3 煤层巷道变形圈 一下沉曲线⋯一下沉前原始位置 于巷道浅部围岩出现了剧烈的塑性破坏，巷道底板支护阻力很小，因 此这部分围岩向巷道空间移动，在两帮煤层下沉的作用下，巷道底板 出现底臌，两帮在出现一定程度的下沉的同时在水平方向挤向巷道空 间。 2 从巷道横截面来看，未发现松塌破坏的围岩都出现不同程度 铅直压应变。在图2 ．3 中巷道左侧实体煤的未破碎区中，由顶板传递到 底板的铅直支承压力较大，因此该区域的围岩都表现为压应变，各岩 层都有不同程度的压缩下沉。在巷道右侧煤柱中心附近，因煤体受三 向应力作用，不易破坏，承受铅直荷载的能力较高，所以也使其顶底 板出现压缩应变而下沉。巷道底板的老底比较稳定，一般不发生破断， 在两巷两侧集中压力作用下压缩其下部岩层而下沉 曲线u ， 。 3 巷道松塌破坏区的围岩变形表现为拉应变的特征。巷道顶部 悬露的直接顶因受到的铅直支护阻力很小，与两帮煤壁上的支承压力 相差非常悬殊，被产生一定变形的老顶岩层压入巷道的同时产生严重 破坏而体积膨胀。巷道浅部煤体出现塑性破坏后，亦即水平方向的拉 应变大于铅直方向的压应变，所以在浅部煤帮纵向压缩的同时，煤帮 1 0 硕士学位论文 也发生很大水平的位移。由于巷道底板通常没有支护阻力，即使布置 了支架，煤帮对其下部底板岩层铅直应力也大大高于支架对底板的作 用力，所以煤帮下部岩层的压应变造成在底板中出现破断线D ，和D 1 ， 帮的下沉将促使底板破裂滑移、臌起更为严重。两帮下沉量越大，底 臌量越大。 2 ．3 高佐煤矿巷道围岩变形特征 2 ．3 ．1 地层本区地层E l a 老到新有太原组、山西组、下石盒子组、官庄 组、第四系。地层由下而上简述如下 1 太原组厚1 8 0 m ，由泥岩、砂岩和煤组成，其中本区内有 一灰稳定发育，含可采煤层一层 六层煤 。 2 山西组整合接触于太原组之上，厚7 0 m ，由砂岩、泥岩和 煤组成，含可采煤层两层 即二、四层煤 。 3 下石盒子组主要由红砂岩、砂质粘土岩和中砂岩组成，厚 5 0 m 左右。 4 第三系下统官庄组岩性主要由石灰质砾岩及紫红色泥岩、 砂质泥岩组成，从下至上砾岩含量增加，砾石成分中变质岩含量由下 至上增加，厚度变化较大，厚度为2 8 0 m 左右。 5 第四系以河流相沉积为主，厚I O m 左右，岩性主要为土黄 色砂质粘土，下部含砂砾层。 2 ．3 ．2 煤层及顶底板岩性 二层煤平均厚度1 ．9 m ，属稳定煤层，结构复杂，含1 ～2 层夹矸， 在煤层中上部含一层厚0 ．0 2 ～0 ．0 5 m 的砂岩 炭质砂岩 夹矸，是本煤 层主要标志层之一。二层煤伪项不发育，直接顶为灰白色中粒砂岩， 平均厚度9 ．6 m ，成分以石英为主，长石次之，含少量暗色矿物，钙质 胶结。二层煤底板为含粘土泥岩～中粒砂岩，厚5 m 。 四层煤平均厚度2 ．6 m ，属稳定煤层，结构简单。直接顶为砂质泥 岩，厚O ～5 ．2 m ，平均2 ．3 m 。老顶为中细砂岩，平均厚度1 1 ．4I l l _ 。四层 煤底板为粉细砂岩，平均厚度3 ．5 m 。 六层煤厚度O ．7 7 m ，属稳定煤层，结构简单。直接顶为粉、细砂岩 互层，平均厚度4 ．5 5 m ，底板为中粒砂岩，厚1 ．7 2 m ，以下为泥岩，厚 硕士学位论文 50 8 m ，再下为第一层灰岩。 以上可以看出，除了回采巷道外，高佐煤矿巷道围岩硬度并不是 很低，但是，随着矿井开采深度的日益增加，井巷地压显著增大，在 深部高应力作用下巷道围岩变形表现出软岩流变性质。 2 ．3 ．3 高佐煤矿巷道围岩松动圈测试 高佐煤矿井下巷道服务年限最长者1 5 年，最短者为最近开掘．5 3 0 主下山。为了充分掌握巷道围岩变形，我们采用B A I I 型围岩松动圈 测试仪进行了巷道围岩松动圈测试。 由于井下的各种巷道的服务年限及所处的位置不同，受采动影响 不同，巷道围岩松动范围是不同的。综合考虑各种因素，分别在0 水 平绞车房绕道、．1 5 0 水平车场附近、2 3 0 水平人车车场平台、一3 8 0 副 下山中部．3 4 0 m 水平处、．3 8 0 主下山车场、．5 3 0 绕道与车场交岔点处、 ．5 3 0 主下山开口处、．5 3 0 主下山掘进面附近、3 2 0 4 运输石门，各设一 个测站。在3 2 0 4 溜子道内距工作面1 5 m 和大于3 0 m 处各设一个测站。 每个测站布设如图2 。4 所示。 圈2 ．4 松动圈测站布置示意图 根据松动圈厚度测试结果画出松动圈分布直方图如图2 ．5 所示。 2 ．3 ，4 高佐煤矿巷道变形特征 根据所测数据可得如下结论 1 支承压力是使巷道围岩破坏的主要原因 O 水平测站靠近0 水平水仓，由于水仓开掘后形成的支承压力 的叠加，使其间的岩柱破坏严重。3 8 0 哥J T t t 中部- 3 4 0 水平标高处， ●●●J●l●●lI●●11ll 一 一 I r l ～ 一 一 一 一 一 硕士学位论文 测站右侧是主下山 主副下山 之间岩柱为l O m ，并且两条 下山之间还设有两条水平石 门。这样，巷道开掘后形成的 支承压力共同作用于岩柱，使 其遭到破坏，并且此处上方 3 4 0 13 1 作面实行了跨采，跨采 动压对此也有较大作用，因此 松动圈厚度1 ．6 m 。在3 2 0 4 溜 图2 ．5 松动圈分布直方图 子道内，由于巷道经过三次翻修，在采动压力反复作用下，巷道煤壁 被压酥范围已经超过测程，故无法测出松动圈厚度。 2 松动圈厚度在相对较长的服务年限内随着深度的增加而增 加，深度每增加8 0 ～1 5 0 m ，松动圈厚度要增加l O c m 。从松动圈测试 结果还可以看出，巷道围岩松动圈不仅与采深有关，而且与原岩应力、 岩体单向抗压强度、岩体破坏后的力学参数、受采动影响程度等有密 切关系。岩体强度越低，受到动压影响程度越大，巷道围岩松动圈随 采深增大的幅度越大，反之则越小。 3 由于巷道埋深增加，围岩压力增大，特别是有动压作用地点， 巷道围岩呈现软岩特征。在．3 8 0 副下山中部，当3 4 0 1 工作面跨采以后， 巷道围岩变形很大，两墙出现5 ～7 c m 的纵向裂隙。巷道拱顶出现类似 尖桃形破坏，拱肩部位喷层部分脱落，最厚处可达2 0 c m ，巷道底臌严 重，跨采段几乎所有台阶均凸起，最严重的地点底臌2 0 c m ，并且原 设于下山中间的台阶破坏，出现5 c m 左右的裂缝。2 3 0 副下山由于受 到重复动压影响，从开掘至今，巷道围岩累计变形达2 m 之多，尽管进 行了多次翻修，仍不能保证使用断面，只得报废。 4 从测量结果还可以看出，经采动影响巷道的围岩松动圈范围 都有不同程度的增加。对于岩巷，动压影响范围是3 0 - 3 5 m ；对于煤巷， 动压影响范围是7 0 ～8 0 m 。当巷道受到二次动压影响时影响范围还要加 大。 硕士学位论文 2 ．4 小结 深井巷道在复杂应力状态和地质条件很差的情况下，既使围岩本 身的强度不是很低也会呈现出软岩特征。巷道围岩自稳时间短、收敛 变形量大，具有明显的时间效应。而煤层巷道因围岩一般是煤体，所 以塑性区通常都是从帮、角开始。巷道变形破坏后位移指向巷道空间， 巷道深部围岩都有一定程度的下沉。从巷道横截面来看，未松塌破坏 围岩出现铅直压应变，巷道松塌破坏区围岩变形表现为拉应变的特征。 本章根据围岩松动圈实测结果，得出了支承压力的叠加是造成高佐煤 矿巷道变形破坏的主要原因。 1 4 硕士学位论文 3 深井动压巷遘围岩破坏机理及流变分析 3 ．1 深井动压巷道破坏机理 随着开采水平的延伸，巷道围岩处于高地应力的作用之下，还要 受到采动的影响，在浅部表现为硬岩的岩石会逐渐过渡到软岩范畴， 会呈现大地压、难维护局面。此种意义上的围岩变形主要指在重力作 用下巷道围岩的变形破坏。而且，这种破坏具有与深度有关而与方向 无关 构造应力作用时除外 的特点。即在开挖浅部巷道时，按常规 的支护方式巷道变形不明显，随着深度的增加，开挖到深井巷道时， 变形破坏变得严重起来，破坏的方向性不甚明显。如高佐煤矿．2 3 0 副 下山，在开挖时选用直墙半圆拱断面，部分地段全断面架设槽钢棚、 部分地段两帮浇注混凝土、半圆拱砌碹支护。按理说支护强度已经很 高，但是从开采至今破坏严重。虽然经过多次翻修，仍不能满足使用 断面，只能报废，这充分说明刚性支护不能适应围岩的无休止的流变 变形。另一方面，巷道在开挖后，围岩应力状态发生了较大的改变， 切向应力在巷道壁附近出现局部集中，距巷道壁愈远则愈接近原岩应 力状态。这时巷道围岩中任一点其应力状态可用二阶应力张量表示， 而此二阶应力张量{ 0 。i 可分解为两部分，球应力张量和偏应力张量即 f 叮。r 。r 。] f 盯n 一盯c r v r n 1 『o 0 0 1 lr F 仃妙 f 筘t I r F盯∥一仃cf 妒l 1 0 仃c 0 I l r 。r ，盯。jl r 。 r ，仃。一仃。jl00 盯。j 球应力张量不引起形变，它是一种三向均压状态。偏应力张量引 起巷道围岩的变形破坏，因此工程开挖引起的偏应力局部集中是深井 巷道围岩变形破坏的另一主要原因。 巷道在掘进工程中，不可避免的要遇到地质构造，如断层破碎带、 背斜、向斜轴、褶皱带等。由于煤层群的开采，巷道围岩还要受到重 复采动的动压影响，虽然有煤柱保护，但实践证明，由于开采方法的 不合理，巷道多数遭到破坏。研究表明，深井动压巷道，特别是围岩 强度相对较弱的巷道，围岩的主要破坏形式和变形机理为挤压流动变 形，其特点是巷道的围岩为已经遭受过变形破坏的软弱破碎岩体，在 受采动影响或随时间流变时，这些软弱破碎围岩的再变形破坏过程中 硕士学位论文 的体积碎胀导致巷道发生大的变形。 3 ．2 流变分析 探讨锚杆支护有效控制深井动压巷道围岩变形机理，应该考虑岩 体的流变效应。这在理论和实践上都具有重要的意义。 流变性包括弹性后效、流动、结构面的闭合和滑移变形。弹性后 效是一种延迟发生的弹性变形和弹性恢复，外力卸除后最终不留下永 久变形。流动又可分为粘性流动和塑性流动。它是一种随时间延续而 发生的永久变形，其中粘性流动是指在微小外力作用下发生的永久变 形，塑性流动是指外力达到极限值后才开始发生的塑性变形。闭合和 滑移是岩体中结构面的压缩变形和结构面的错动。从微观和细观分析， 弹性后效是晶体群和晶格的滞后变形，粘性流动是颗粒间的非定向转 动，而塑性流动是沿微观滑移面的滑动，闭合和滑移则是细观和宏观 结构面的变形方式。尽管其机理各不相同，但表现形式一致，且往往 发生在同一物体上，因此在研究时很少加以区分。单纯的粘性材料是 很少的，常见的工程材料在外力作用下，瞬时出现弹性或弹塑性，以 后才逐渐呈现粘性，即多为弹性材料或粘、弹、塑性材料。所以在研 究实际工程问题时，必须同时进行弹性分析或粘、弹、塑性分析。 对地下硐室而言，由锚杆和所支护部分的岩体组成承载拱，其本 身强度和刚度特性都比较好，故具有约束围岩变形、保持硐室稳定的 功能。锚杆支护技术应用的长期实践已经揭示出软岩巷道由于岩性差 或高应力的作用，巷道围岩较大范围的岩体发生破坏导致巷道变形， 此时支护系统必须有足够的承载能力才能够控制围岩变形，保持巷道 的形状及其正常使用，锚杆支护作为一种主动支护方法，可以锁紧破 碎岩体，使之强度提高，将锚固体变为承载结构，以抵抗大范围的围 岩应力，从而保持巷道的稳定性。此时，可以把锚固体看成是一种新 型的等效材料。在实际工程中，当锚杆间排距比地下建筑物的临界尺 寸小得多时，可以把锚杆的作用分布到岩体的一定体积上，从而用等 效材料的方法研究加固围岩的力学动态。针对这一特点，本论文对原 岩体和锚固体分别采用不同的粘弹性模型，推导计入锚杆施作时间的 地下硐室围岩变形的粘弹性解。 硕士学位论文 3 ．2 ．1 流变模型及本构方程的建立 如果引入时间效应，则原岩体和锚固体将有不同的流变本构方程。 为了分析简单起见，以各向同性的线粘弹性围岩中的圆形巷道为研究 对象，不考虑影响圈内的岩体自重，原岩应力为各向等压状态，因此， 可作为轴对称平面应变问题处理，对原岩体，采用M a x w e l l 模型。而 对锚固体，可以看作是在原模型的基础上并联一根模拟锚杆作用的弹 簧，如图3 ．1 所示。下面分别建立两种试体的本构方程。 原岩体仃 善盯 玎s 1 E 1 锚固体盯 导古E 2 e4 ．掣。o 2 L lD 1 E 2 可由下式得到 E ．盟 3 ‘ 4 6 式中E 锚杆杆体的弹性模量，M P a ； 爿，锚杆的横断面积，埘‘； a 、卜分别为锚杆的间、排距，r r l 。 3 ．2 ．2 巷道围岩的粘弹性解 P n P n 原岩体 以州 r { 卜 原岩体 E ．r l 凡 婪茬 锚固体 P o 图3 ．1 围岩的粘弹性模型 图3 ．2 计算棱- 型图 要得到轴对称圆形巷道围岩的粘弹性位移解，可采用相应原理， 先求出其弹性解。 对于这类问题，一般采用柱坐标 r ，e ，z 来描述，如图3 ．2 所示。 1 7 硕士学位论文 图中表示一圆筒形巷道横截面，取垂直纸面为Z 轴。由于对称于z 轴， 应力和应变分量与e 无关，所有对e 的微商皆为零。此外，设应力分 量不沿Z 轴变化，横截面上正应力盯取决于圆筒形巷道横截面两端的 结构或约束等具体条件。如果是圆环或开口圆筒，则d ． 0 ，此时的应 力分量仅有口，和％，而