复杂应力条件下深部软岩巷道矿压控制研究.pdf

分类号T 旦蕾缴垒五 U D C6 2 2学号2 0 0 4 2 0 0 2 0 1 8 名磨大挚 硕士学位论文 论文题目复杂应力条件下深部软岩巷道矿压控制研究 论文作者李志强 煮亲、挚I 币作；鼍蓉唐建新教授 重庆大学 申请学位级别硕士 专业名称采矿工程 论文提交日期2 0 0 6 年l O 月8 日答辩日期2 0 0 6 年1 1 月2 3 日 学位授予单位重庆大学授位日期2 0 0 6 年 月日 答辩委员会主席姜德义教授 论文评阅人李德文研究员王宏图教授 2 0 0 6 年1 0 月8 日 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 深井软岩巷道矿压控制，一直是矿业工程难点问题之一。随着矿井开采规模 的加大和开采向深部发展，深部软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出，能 否解决好深部软岩巷道的支护等问题，是矿井开采向深部发展和安全生产的关键。 本文针对白皎煤矿深部软岩巷道掘进和使用期间出现的巷道变形破坏的实际 难题，结合现场旋工经验，通过现场调查、实测、理论分析以及数值模拟相结合 的研究方法，分析深部软岩巷道变形破坏原因、规律以及提出巷道矿压控制措施， 在白皎煤矿试验区不同围岩条件、不同原岩应力的情况下选择多种支护方式进行 现场试验研究，并最终分析出合理可行的支护手段，对深部软岩巷道的矿压控制 有一定的指导作用。本文主要取得了以下研究成果 1 采用多点位移计观测巷道开挖后围岩松动情况，分析得知在白皎煤矿深部 未采煤体下方的软岩巷道围岩，在锚网梁喷支护条件下其围岩松动圈范围为 4 ．0 ～5 ．0 m 左右；在采空区下方开挖的巷道可监测范围内其深部围岩位移在1 0 ．0 m m 以内，基本无松动； 2 通过A N S Y S 有限元软件对煤体和采空区卸压带下方软岩巷道分别选择两 种不同支护手段进行数值模拟分析，分析出在不同应力条件下各支护手段对巷道 围岩的控制效果、应力场分布以及塑性区分布情况； f 3 在白皎煤矿使用锚索作为二次支护，并通过现场观测对b E 分析，锚网梁喷 作一次支护，锚索补强为二次支护的支护手段更能有效控制深部软岩巷道变形破 坏； 4 在采空区卸压带下方，锚网梁喷支护和拱形钢拱架加混凝土碹支护均能有 效控制其巷道变形，为解决跨上山回采“掘前预采”提供了实例分析； 关键词深部软岩巷道，矿压观测，数值模拟，矿压控制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 A B S T R A C T P r e s s u r ec o n t r o lo fs o f tr o c kl a n ei nd e e pm i n eh a sa l w a y sb e e no n eo ft h ed i f f i c u l t p r o b l e m si nm i n ee n g i n e e r i n g ．W i t ht h ee n l a r g e m e n to fe x p l o i t i n gs c a l ea n dd e e p e r e x p l o i t a t i o n ，t h ei s s u eo fm a i n t a i n i n gt h ed e e pl a n ei ns o f tr o c kh a sb e i n gb e c o m i n g m o r ea n dm o r ep r o t r u d i n g ．I t ’St h ek e yo fd e e pm i n ee x p l o i t a t i o na n ds a f ep r o d u c t i o n w h e t h e rt h i si s s u eC a l lb es o l v e do rn o t ． T h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed i s t o r t i o na n dd a m a g eo fl a n e si nd e e ps o f tr o c k so f B a U i a oC o a lM i n ew h i l ed i g g i n ga n du s i n g ．C o m b i n e de x p e r i e n c eo fc o n s t r u c t i o nw i t h i n v e s t i g a t i o na n ds u r v e yO Ds p o t ，t h i sp a p e ra n a l y s e dt h er e a s o n sa n dr e g u l a t i o n so f d i s t o r t i o na n dd a m a g e ，a d o p t i n gam e t h o do f t h e o r ya n a l y t i c Na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． A l s op r e s s u r ec o n t r o lm e t h o d sa r eb r o u g h tu pi nt h i sp a r ，e r , I nt e s tz o n e so fB a i j i a oC o a l M i n e ，t os o m ed e g r e e ，r e a s o n a b l ea n df e a s i b l em a i n t e n a n c em e t h o d sh a v ei n s t r u c t i v e m e a n i n g sf o rc o n t r o l l i n gl a n ep r e s s u r eb a s e do nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f r o c ka n d s t r e s sa sw e l la se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ．T h i sp a p e rh a sg i v e nb e l o wm a i nf r u i t s 1 ．B ym o n i t o r i n gl o o s e n i n gs t a t u so f r o c ka r o u n dt h el a n e sa f t e rd i g g i n gw i t h t h ea i do fm u l t ip o i n t sd i s p l a c e m e n ta p p a r a t u s ，w ec a ng e tt h el o o s e n i n gr a n g eo ft h e r o c ku n d e rd e e pc o a lt Ob ea b o u t4 ．0 - 5 ．O mo nt h es u p p o r to fa r c h e r - n e t - g i r d e r - j e t w h i l e u n d e rm i n e d r e g i o n st h ed i s p l a c e m e n to f t h ed e e pr o u n dr o c ki sw i t h i n10 ．0 m m ，r a n g i n g w i t h i n6 ．0 m ． 2 ．A st ol a n e su n d e r c o a la n dl o s t - p r e s s u r eb a n di nm i n e dr e g i o n s ，c h o o s i n gt w o d i f f e r e n tm a i n t e n a n c em e t h o d sa n dt h e nm a k i n gn u m e r i c a la n a l y s i s ，w ec a nd r a wa c o n c l u s i o no nc o n t r o l l i n ge f f e c t ，s t r e s sa n d p l a s t i cz o n ed i s t r i b u t i o no f d i f f e r e n tm e t h o d s u n d e rd i f f e r e n ts t r e s sc o n d i t i o n sw i t ht h e a i do f A N S Y Ss o f t w a r e ． 3 ．A r c h e rr o p ei su s e da sas e c o n dm a i n t e n a n c em e t h o di nB a i j i a oC o a lM i n e ，B y c o n t r a s ta n a l y s i so fm o n i t o r i n go ns p o t ，w ec a nc o n c l u d et h a tu s i n ga r c h e r - n e t g i r d e r - j e t j o i n ts u s t a i n m e n t a sat e m p o r a r ym a i n t e n a n c ea n da r c h e r n e t g i r d e r - j e tj o i n t s u s t a i n m e n ta ss e c o n dm a i n t e n a n c ec a nb e t 【e rc o n t r o lt h ed i s t o r t i o na n dd a m a g eo fd e e p l a n e si ns o f tr o c k s ． 4 ．W i t ht h ea p p l i c a t i o n o ft h e o r ya n dm e t h o d s ，i ti s p r o v e dt h a t ’u s i n g a r c h e r - n e t - g i r d e r - j e t j o i n ts u s t a i n m e n ta sm a i n t e n a n c em e t h o da n d t h ec o m b i n e ds u p p o r t I I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 o fv a u l t e ds t e e la n dc o n c r e t ec a nb e t t e rc o n t r o ll a n e sd i s t o r t i o nu n d e rl o s tp r e s s u r ez o n e ， w h i c hp r o v i d e sa sa ne n g i n e e r i n gs a m p l ef o r “b e f o r e h a n dm i n i n ga n dt h e nd i g g i n g ” a b o u tm i n i n gs p a n i n gl a n e w a y ． K e y w o r d s d e e pt u n n e li ns o f tr o c k ，m o n i t o r i n go fm i n ep r e s s u r e ，n u m e r i c a la n a l y s i s ， m i n ep r e s s u r eC o n t r 0 1 ． I t i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名荐耋裼 签字日期扣∥年，／，月削，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽态堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文i 保密 ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 。 请只在上述一个括号内打“√” 签字日期枷／年I ／月毋珀签字日期。踣彩年，，月矿日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究的目的意义 深井软岩巷道的矿压控制是世界矿业界和岩石力学研究所遇到的难题之一， 也是目前国内外都给予关注的工程问题之一。随着我国资源开发的进一步发展， 开采作业不断向深部转移，矿山井巷将处于更高地应力环境之中，特别是在构造 活动强烈地区，残余构造应力大且岩体工程特性较差，传统的普通支护方式已经 远远满足不了生产的需要，深部矿井逐渐出现矿压显现强烈、巷道维护困难等现 象，造成生产效率和经济效益下降。煤矿巷道因受所处的岩层及复杂的地质构造 等因素的制约，巷道时常发生严重的变形破坏，对巷道的行人、运输、通风等构 成极大的威胁。影响煤矿的安全生产。 据统计，我国目前煤炭开采每年掘进巷道大约6 0 0 0 k m ，其中软岩巷道约占 6 0 0 k m [ ”，由于软岩支护的问题，大约有l O O k m ／年的软岩巷道需要返修、维护，尤 其是近几年来，随着开采深度的不断加深，“千米井”相继投入使用，深井工程软岩 支护问题日益突现。对于深井，目前国内外尚无明确、统一的界定概念，国内有 些采矿科技工作者把埋深超过6 0 0 m 的矿床视为深井开采 采矿手册规定 。我国东 部地区经济发达，能源需求量大，矿井延深速度快，一些国有重点煤矿主要矿区 已开始转向或即将进入深部开采。在国有重点煤矿生产矿井中，采深超过7 0 0 m 的 矿井有5 0 处，占总数的8 ．3 5 ％，采深超过8 0 0 m 的矿井有2 5 处，预计今后1 0 ～2 0 年内，采深超过7 0 0 m 的矿井将会达到7 0 ～8 0 处1 2 J 。原来适用于浅部硬岩巷道的 支护技术在软岩巷道支护过程中，已经表现出明显的不适应，巷道服务期间屡遭 破坏，需多次翻修，每米巷道每年的修复费就需要2 0 0 0 元左右，我国深部高应力 软岩巷道长达1 8 0 万米，深部高应力软岩巷道每年的修复费数高达3 6 亿元，严重 影响了矿井正常生产和企业的经济发展，是制约煤炭工业进一步发展的技术关键。 尤其对于开拓巷道来说，因需要5 0 ～8 0 年的服务期限，所消耗的修复费用就更为 惊人。 随着时代的发展、科学的进步及其不断的开采实践和理论研究，围岩工程控 制理论取得了长足发展，支护形式也随之发生了重大变化，支护理念由被动支护 变为主动支护，巷道的支护已由传统的棚式支护向锚杆支护转变，支护手段由单 一支护向联合支护发展。 因此，研究复杂应力条件下深部软弱岩层巷道的矿压控制对我国煤矿安全、 高效生产具有重要意义与应用价值。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 ．2 国内外深部软岩巷道矿压理论及其控制技术的研究现状 1 ．2 ．1 国外研究现状 1 矿压理论的发展[ 3 - 5 , 1 4 , 7 0 l 1 9 世纪后期到2 0 世纪初，可以认为是矿压假说的萌芽阶段，这一时期开始利 用比较简单的力学原理解释实际中出现的～些矿压现象，并提出了～些初步的矿 压假说，具有代表性的是认为巷道上方能形成自然平衡拱的所谓“压力拱假说”。此 外，对巷道围岩变形机理和支架所受的岩石压力大小，也开始进行了初步的理论 研究。尽管当时提出的一些理论和假说本身尚存在许多不足之处，而且只能在局 部的条件下应用，但在矿压发展过程中起到过重要的历史作用。这个时期还提出 了岩石坚固性系数， 普氏系数 为定量指标的岩石分类方法，并曾得到了广泛应用， 至今也未完全失去意义。 从2 0 世纪3 0 年代开始，人们又将弹性力学和塑性力学引入地下工程的岩石 力学分析中，解决了许多地下工程中的问题，其中R F e n n e r 和H S c h m i d t 等人在 巷道围岩弹塑性应力分布和围岩与支架的相互作用的理论是最为典型的代表之 一● 到了6 0 年代，刚性试验机的应用，揭示了岩石变形破坏的特性和弹塑性断裂 破坏理论。特别是奥地利工程师L V R a b c e w i C Z 在总结前人经验的基础上，提出了 一种新的隧道设计施工方法，即新奥地利隧道施工方法 N e wA u s t r i a nT u n n e l i n g m e t h o d ，简称新奥法 N A T M ，新奥法是目前地下工程的主要设计旋工方法之一。 新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，使围岩本身也成为支护结构的 一部分而与支护共同成为支承环。在此期问，日本人山地宏和樱井春辅又提出了 围岩支护的应变控制理论。他们认为，巷道围岩的应变随支护结构的增加而减少， 而许用应变则随着支护结构的增加而增大，因此，通过加强支护结构可较容易地 将围岩的应变控制在许用应变范围内。 到了7 0 年代，M ．D ．S a l a m o u 等人又提出了能量支护理论。他们认为支护与围 岩互相作用，共同变形，在共同变形过程中围岩释放一部分能量，而支护则吸收 一部分能量，但总的能量没有变化，因而，主张利用支护结构来使其自动调解围 岩释放的能量和支护体吸收的能量，使其相互调解平衡作用。 早在6 0 年代，原西德就已经开始研究8 0 0 ～1 2 0 0m 的深部开采问题，7 0 年代 开始研究1 2 0 0 ～1 5 0 0m ，8 0 年代开始研究1 6 0 0m 的深部开采问题 原西德将开采 深度超过1 2 0 0m 称为超深开采或大深度开采 ，并且建立起了集现场实测、模型实 验和理论计算于一体的“岩层控制系统”。前苏联紧随其后，己着手研究1 0 0 0 ～ 1 4 0 0 m 的深部开采问题。 2 矿压控制技术的发展[ g q a l 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 早在1 9 世纪初期，美国、英国等国家就己经开始锚喷支护技术的试验研究， 但是系统研究是从4 0 年代开始，5 0 年代以来己经在金属矿山、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。 进入8 0 年代末期，随着地下工程深度的加大，软弱围岩问题更为突出，仅 以锚喷支护为主的支护技术在软弱围岩隧道中成效降低，存在的主要问题是锚喷 支护以后仍发生底鼓、片帮、大变形、压力大等工程灾变。为扭转这种被动局面， 出现了取代锚喷支护的u 型钢可缩性支架支护和高强砼弧板支架支护。例如，波 兰的L u b l i n 煤矿，第一水平采深7 0 0 m ，第二水平采深为1 0 0 0 m 。当开采第一水平 时，其巷道围岩是砂质泥岩为主的泥质岩类，组成这些泥质岩的主要矿物是维晶 高岭石、水云母及少量的伊、蒙混层矿物。存在的主要问题是，巷道锚喷支护以 后，底鼓、引帮、变形、压力大。其初期变形速率达8 0 ．O m m ／d ，前l O 天变形量是 8 0 0 ．O m m 左右，前一个月的底鼓量为9 0 0 ．O m m ，前3 个月的底鼓总量为1 2 0 0 ．O m m ， 前6 个月的底鼓总量为1 3 5 0 ．O m m 。该矿采取的措施是不断挖底、扩帮，进行翻 修。为扭转这种被动局面，该矿与波兰煤矿科学研究总院协作进行了三年多的试 验研究，把锚喷支护改为钢架支护，主要试验了U 2 9 和U 3 6 两种支架形式，巷道 支护采用3 架／m ，支护费用很高。 在进行了一系列钢架试验之后，国外一些科学家发现，对一些泥质岩石仍然是 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办法。 随着开采深度的不断增加，巷道支护越来越困难，原来主要使用金属支架的产 煤国家在上世纪8 0 年代后越来越重视锚杆技术的发展与应用。英国1 9 8 7 年全 面引进澳大利亚成套锚杆支护技术，煤巷锚杆支护得当迅猛发展。1 9 9 4 年已经完 全改变过去以金属支架支护为主的局面，锚杆支护达到了8 0 ％。德国在上世纪8 0 年代以后，为了解决开采深度日益增加，矿井机械化开采程度提高而引起巷道断 面的不断扩大，使得巷道围岩变形量增加，维护日益困难等问题，通过改变U 型 钢支架间距使支护费用增高，并难以使巷道维护困难有改观，也开始在采准巷道 推行锚杆支护技术，在鲁尔矿区现已应用到千米的深井巷道中。法国煤巷锚杆支 护技术也发展很快，锚杆支护比重已经超过5 0 ％。俄罗斯第一大矿区库兹巴 斯矿区巷道支护锚杆所占比重已达5 0 ％以上 1 ．2 ．2 国内发展及应用现状‘1 舢1 6 】 我国在软岩巷道支护设计等方面的研究工作起于1 9 5 8 年。2 0 世纪8 0 年代以 来，我国召开2 0 余次与软岩工程相关的学术会议。地下工程软岩问题 包括大量三 软问题 的锚杆理论研究进入了一个新的阶段，现已在软岩巷道支护领域形成了几 重庆大学硕士学位论文1 绪论 种具有代表性的控制分析理论。 1 上世纪5 0 年代由于学馥等人提出的“轴变理论”和“系优开挖控制理论”， 认为巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍落是改变巷道轴比， 导致应力重新分布，高应力下降低应力上升，直到自稳平衡，应力均匀分布的轴 比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。而开挖系统控制理论认为是开挖扰动 了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能，可以自行稳定。 2 由冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉等人在总结新奥法支护的基础上，又提 出了“联合支护技术”，其观点可以概括为对于巷道支护，一味强调支护刚度是不 行的，要“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网 技术，锚喷网架支护技术和锚带网架和锚带喷架等联合支护技术。 3 以郑雨天教授、孙均教授和朱效嘉教授为代表的学者提出了锚喷一弧板支 护理论，该理论认为对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决 顶住，即联合支护理论的先柔后刚的刚性支护形式为“钢筋混凝土弧板”，要坚决限 制和顶住围岩向中空的位移。 4 由董方庭教授等人提出的围岩松动圈理论，其基本观点是凡是裸体巷道， 其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支 护，松动圈范围越大，收敛变形越大，支护越困难，因此，支护的目的在于防止 围岩松动圈发展过程中的有害变形。 5 由何满潮教授提出的，关键部位耦合组合支护理论，认为巷道支护破坏 大多是由于支护体与围岩体在强度、刚度和结构等方面存在不耦合造成的。要采 取适当的支护转化技术，使其相互耦合，复杂巷道支护要分为两次支护，第一次 是柔性的面支护，第二次是关键部位的点支护。 6 煤炭科学研究总院开采研究所康红普博士提出了关键承载层 圈 理论。该 理论认为巷道稳定性取决于承受较大切向应力的岩层或承载层 圈 。承载层 圈 的 稳定与否就决定了巷道的稳定性。因此，该承载层 圈 为关键承载层 圈 。巷道支 护目的就在于维护关键承载层 圈 的稳定，只要关键承载层 圈 不发生破坏，保持 稳定，则承载圈以内的岩层将保持稳定。基于该理论，关键承载层 圈 具有以下性 质 a 承载层 圈 厚度越大，分布越均匀，承载能力越大； b 承载层 圈 内应力分布越均匀，承载能力越大 C 在未支护前，关键承载层 圈 离巷道周边越近，巷道越容易维护。 另外，2 0 0 1 年末在北京香山召开了以“深部高应力下的资源开采与地下工程” 为主题的香山科学会议第1 7 5 次学术讨论会【6 引。许多知名学者提出了对深部开采 的观点谢和平教授指出巷道变形速度快、巷道围岩变形范围大；巷道持续变形、 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 流变成为深部巷道变形的主要特征；中国矿业大学钱呜高院士指出深部高应力 来自两个方面①原岩应力绝对升高；②开采应力与原岩应力叠加，更易集中， 称其为采动应力集中。 我国煤炭工业自5 0 年代开始试用锚杆支护以来，已在铁路隧道、水利、交通 和冶金矿山等地下工程，特别是在煤矿，获得了愈来愈广泛的应用和发展。 我国煤矿应用、发展锚喷技术，大致经历了3 个阶段，从5 0 年代中期到7 0 年代初期，处于摸索试验阶段；7 0 年代是我国煤矿锚喷技术的发展阶段，经过对 锚喷支护摸索试验的总结，被煤炭部确定为煤矿井巷技术的发展方向，并在全国 煤矿地下工程中广泛推广应用。1 9 7 8 年国家将锚喷支护列为重点新技术推广项目 之一，进一步推广了锚喷支护在全国各部门隧道与地下工程、土木工程地下结构 中的广泛应用。仅1 9 7 6 年到1 9 8 0 年中全国煤矿采用光面爆破锚喷支护的井巷， 达到4 5 0 万米，超过过去2 0 年总和的二倍多。 从8 0 年代初期到目前是巩固、提高、继续发展的阶段，把锚喷支护与光面爆 破的各自的单独应用，发展到两者有机地结合起来，共同实现对围岩的有效控制， 发挥围岩的自承与承载能力，从7 0 年代中期到8 0 年代中期，我国煤矿采用锚喷 支护的井巷累计达到1 1 0 0 万米，且应用范围不断扩大。 在8 0 年代末，我国在采准巷道试验推广锚网、组合锚杆和桁梁锚杆，使动压 巷道锚杆支护得到较快发展。 早在6 0 年代初期，我国开滦、淮南等矿务局就已使用了U 型钢可缩性支架， 6 0 年代中期发展缓慢，直到7 0 年代后期，U 型钢可缩性支架才有了较快的发展。 在开滦矿务局，采准巷道基本上使用了可缩性支架，支护巷道达3 8 万余米，1 9 8 3 年的比重已占当年全部掘进巷道支架的7 3 ％。近几年来巷道可缩性金属支架的应 用也日益广泛，我国煤矿每年投入的U 型钢在l O 万吨以上。发展了适用于不同条 件的多种类型，颁布了巷道金属支架系列，使我国巷道金属支架的应用进一步 系列化和科学化。 国家“八．五”重大科技攻关中，提出两类支护体系一是由中国矿业大学提的 利用可伸缩锚杆、U 型钢金属支架，配合高水速凝材料注浆来解决深部高应力软 岩巷道的支护；一是由山东科技大学提出的在锚喷支护基础上进行锚注的支护技 术，它是采用锚扦和注浆楣结合的一种新型锚注联合支护体系，利用空心锚杆兼 做注浆管，通过注浆将松散围岩胶结成整体，改善围岩的结构及其物理力学性质， 既提高围岩自身的承载能力，又为锚杆提供了可靠的着力基础，发挥锚杆的锚固 作用，从而有效地控制了深部软岩巷道的大变形。 我国8 0 年代初引进于比利时的大型弧板支护技术，经过改进，使其得到进一 步完善与提高。所谓大型钢筋混凝土弧板，其基本上就是将煤矿建井工作者所熟 重庆大学硕士学位论文1 绪论 知的竖井预制丘宾块大型化 每截面仅由4 5 块拼装 ，然后应用于软岩圆形巷道 中。东北大学8 0 年代初首先在沈北煤矿软岩巷道中，试验用锚喷网作首次支护， 再用大型弧板二次支护。每块孤板中央均留有中心孔，预埋短管，以便安装通过 销子与安装机外伸臂连接；每块间垫有2 0 ．0 m m 木板，壁后充填低标号混凝土或散 沙。“七．五’零} 技攻关时，东北大学在梅河矿进一步试验了这种支架。淮南矿院和 同济大学于“七．五”期间在淮南矿务局的同一巷道中试验了两种类型的大弧板支 架。 随着计算机的发展，为了充分利用专家经验和先进知识，并在理论化和系统 化的基础上便于为广大工程技术人员使用，从8 0 年代后期起我国煤炭部门也开始 了采矿应用专家系统的研制，并已经初步研制出长壁单体支柱工作面顶扳控制设 计专家系统和巷道支护形式和参数选择专家系统。9 0 年代末期，我国软岩工程设 计与施工初步形成了一套比较成熟的将类比定性、定量计算和旌工位移反馈相结 合的动态综合设计程序。 另外，以有限单元法、边界元法、离散元法等为理论基础的计算软件大量涌 现，并应用于地下工程，如S A P ，A N S Y S ，A B Q U S ，F I N A L ，A D I N A ，F L A C 等国际著名程序为地下工程围岩支护理论及方法的研究提供了有利的工具。目前 在软岩工程领域新的分析方法、支护方法、’支护技术不断涌现，如锚喷网耦合 支护技术、柔性锚索支护技术、刚柔层控制技术、刚隙层控制技术、锚杆三维优 化支护技术和消力底梁技术等。 1 ．3 研究的主要内容和技术路线 1 ．3 ，l 研究的主要内容 本文以四川芙蓉矿区白皎矿井为例进行研究，把复杂应力条件下的深部软弱 岩体作为研究对象，研究在不同原岩应力条件、不同岩性、不同支护手段条件下 巷道的变形破坏规律、围岩松动圈范围， 支护方案，将研究成果运用到工程实践， 对几种支护手段进行比较以选择最优的 同时对同类工程提供具有普遍性的支护 方案和安全支护的研究方法。总结出在复杂应力条件下软弱岩层巷道的矿压控制 手段。 本文主要研究工作如下 1 系统地论述软岩的概念和分类，分析软岩的工程和力学特性。通过对复杂 应力条件下软弱岩层巷道的观测资料和现场调查，总结复杂应力条件软弱岩层巷 道的工程特征。 2 选择正在掘进中的巷道作为试验区，深入分析软岩地下工程失稳原因，较 全面地论述软岩地下工程失稳和变形破坏的力学机制，探求巷道变形破坏的主要 6 重庆大学硕士学位论文I 绪论 原因，揭示复杂应力条件软弱岩层巷道的变形破坏规律。 3 采用大型有限元软件A N S Y S 对该巷道不同应力条件、不同围岩条件、不 同支护手段进行大量数值模拟，分析巷道变形破坏的特征，更好地选择有效的支 护体系； 4 结合巷道变形的现场观测数据，与有限元模型相互比较分析，提出一种合 理、可靠、安全的矿压控制技术，应用于工程实际。 1 ．3 ．2 研究的技术路线 本文对复杂应力条件下软弱岩层巷道矿压控制的研究，结合四川芙蓉矿区白 皎煤矿实际工程进行研究。基本路线为 1 收集现场资料，包括现场地质资料、巷道掘进施工工艺资料、生产揭露出 的巷道素描图，以及巷道变形失稳破坏情况； 2 实测深部软岩巷道变形收敛情况、围岩深部内变位移等，论述软岩巷道变 形破坏的力学机制，分析不同条件下各种支护手段的作用机理及其对深部软岩巷 道变形破坏的控制效果； 3 运用计算机数值模拟方法详细地分析巷道变形破坏的力学特征和巷道围 岩的移动情况，以及各种支护手段的支护效果分析； 4 各种支护手段的现场实测与数字模拟结果进行对比分析，选择合理的支护 体系，应用于工程实践，验证支护手段作用机理的正确性以及矿压控制措施的有 效性。 7 重庆大学硕士学位论文2 复杂应力条件下深部软岩巷道的变形破坏特征及主要影响因素 2 复杂应力条件下深部软岩巷道的变形破坏 特征及主要影响因素 2 ．1 软岩巷道的基本情况 白皎矿区地处四川盆地与云贵高原接壤地带，山系走向与构造线方向基本一 致，大体呈东西向，地势南高北低，南部一般海拔9 0 0 ～1 0 0 0 米，北部一般海拔 5 0 0 ～6 0 0 米。井田内出露的地层由老到新为下二叠统茅口组 P l m ，上二叠统峨 眉山玄武岩组 P 21 3 和宣威组 P 2 x ，下三叠统飞仙关组 T I f 和嘉陵江组 可 ，总厚 约1 0 0 0 m 。煤系地层为宣威组，平均厚度1 3 1 ．3 m ，宣威组第二段 P 2 x 2 为主要含煤 段，系泻湖海湾沉积，煤层埋深2 6 8 ～7 2 5 米，煤层倾角8 ～2 5 0 ，为缓倾斜煤层。 按采矿手册规定，埋深大于6 0 0 m 的矿井就可以视为是深部开采矿井，即定义 白皎煤矿为深井。 白皎煤矿现开采两个水平， 4 5 0 m 标高以上为一水平， 3 0 0 m ～ 4 5 0 m 标高 为二水平，一水平开采已经基本结束，目前正开采二水平，并向三水平延深。在 进行巷道调查时发现，白皎煤矿采用了多种支护方式，如砌碹、锚喷、锚注、可 缩支架、工字钢梯形支护等手段，但是仍然出现底鼓、冒项、片帮、料石墙开裂、 鼓帮以及巷道断面收缩以至完全不能使用等现象，巷道矿压显现明显。所调查岩 石巷道情况如表2 。1 。 表2 ．1白皎煤矿岩石巷道变形破坏情况表 生望 旦 堕 婴 塑堕尘 壁 竺 壁竺堡 堕坐 堕 竺 型堕里 Ⅱ 竺竺 塑 璺 蓁纛攀埋／m 深萋萋嬲一⋯一响誓曩 8 重庆大学硕士学位论文 2 复杂应力条件下深部软岩巷道的变形破坏特征及主要影响因素 分析上表可见，白皎煤矿岩石巷道变形破坏严重，分别与其围岩条件、支护 方式、埋深、应力条件以及采动影响相互联系，导致部分巷道多次返修。自皎煤 矿巷道埋深大，距离煤层较近，支护手段多数为锚喷、锚注等主动支护手段，但 是支护效果不佳，巷道使用过程中，变形破坏严重，在白皎煤矿复杂应力和特殊 地质条件情况下，现有支护手段不能解决巷道支护问题，白皎煤矿即将向深部延 伸，如果不解决好现有支护难题，向深部延伸后巷道变形破坏将严重影响矿井的 正常、安全生产。 2 ．1 - 1 软岩定义及巷道围岩分类盼2 3 】 1 软岩的定义 地质软岩是指单轴抗压强度小于2 5 M P a 的松散、破碎、软弱、风化、膨胀性 9 重庆大学硕士学位论文2 复杂应力条件下深部软岩巷道的变形破坏特征及主要影响因素 一类岩体的总称。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质岩石等强度较低的岩 石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强 度在O ．5 M P a ～2 5 M P a 之间的一类岩石，其分类基本上是依强度指标。该软岩定义 用在工程实践中会出现矛盾，如巷道所处深度足够的小，地应力水平足够的低， 则单轴抗压强度小于2 5 M P a 的岩石也不会产生软岩的特征；相反，单轴抗压强度 大于2 5 M P a 的岩石，其工程部位足够的深，地应力水平足够的高，也可以出现软 岩的大变形、大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义不能用于工程实践， 故而常用工程软岩概念即在工程力作用下，能产生显著塑性变形的工程岩体。 此定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工 程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性，强 度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性；而对同种岩石，在较低工程 力的作用下，刚表现为硬岩的变形特性在较高工程力的作用下，则可能表现为 软岩的变形特性。 2 巷道围岩分类 岩体分类方法有十余种之多，虽然一般考虑的影响因素有5 ～7 项之多，而且 所有这些分类方法所考虑的因素比较一致，但所有岩体分类方法都考虑的因素只 有岩石强度和岩体完整程度，这是决定各类工程岩体稳定性的两项基本的共性因 素。根据 - I - 程岩体分级标准所依据的岩石坚硬程度 岩石单轴饱和抗压强度 胄。 和岩体完整程度 岩体完整性指数 K ， 这两个决定各类工程岩体稳定性的基本共 性因素作为主要影响因素，将软岩划分为5 类。即软弱型软岩、破碎型软岩、 高应力型软岩、软弱破