上覆含水层软岩巷道破坏机制及支护时机研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 上覆含水层软岩巷道破坏机制及支护时机研究 姓名李开放 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师伍永平 20090512 论文题目上覆含水层软岩巷道破坏机制及支护时机研究 专业 硕士生 指导教师 采矿工程 李开放 伍永平 摘要 签名 签名 神华宁煤集团清水营煤矿所采煤层处于弱含水软岩条件下，富水强、围岩易破坏、 巷道施工过程中返修量大、维护困难。本文通过现场调查、实测、理论分析及数值模拟 相结合的研究方法，研究分析了以上问题。主要取得了以下研究成果 1 基于清水营煤矿软岩巷道变形破坏形式、破坏特征以及影响软岩巷道变形破 坏的因素，揭示了上覆含水层软岩巷道顶底板变形破坏机制。 2 提出了清水营煤矿软岩巷道合理支护时机的判断依据顶板下沉2 4 m m 时要 进行初次锚网支护；锚网支护后顶板下沉量达到4 3 m m 时需要进行锚索的二次补强支 护。 ． 3 清水营煤矿软岩巷道进行锚网索耦合支护后，明显改变了围岩条件，增加了 围岩自承能力。 以上研究结论对该矿覆水软岩巷道的矿压控制有一定的参考价值。 关键词覆水软岩；巷道；破坏机制；支护时机 研究类型应用研究 S u b j e c tS t u d yo nF a i l u r eM e c h a n i s ma n dS u p p o r tT i m i n go fS o f t R o c kR o a d w a yw i t hO v e r l y i n g A q u i f e r S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m eL i K a i f a n g I n s t r u c t o r W u Y o n g p i n g A B S T R A C T S i g n a t u S i g n a t u T h ec o a ls e a mm i n e di nQ i n gS h u i - y i n gC o a lM i n ei sl o c a t e du n d e rt h ew e a ks o R r o c k a q u i f e r , w i t hr i c hw a t e rc o n t e n t e n c y , t h es u r r o u n d i n gr o c k sc a ne a s i l yb r e a k , w i t hl a r g e q u a n t i t yo fc o n s t r u c t i o nr e w o r ka n dm a i n t e n a n c ed i f f i c u l t y ．I n t h i sp a p e r , w i t hf i e l d i n v e s t i g a t i o n ，f i e l dm o n i t o r i n g ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ea b o v e p r o b l e m sa r es t u d i e d ．T h e 1 A c c o r d i n gt ot h e n o ft h es o f tr o c kr o a d w a ya n d t h ei n f u e n c ef a c t o r so ft h es o f tr o c kr o a d w a yd e f o r m a t i o na r eo b t a i n e d ，t h er o o fa n df l o o r d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h es o f tr o c kr o a d w a yi sd i s c o v e r e d ． 2 I ti so b t a i n e dt h ej u d g m e n tb a s i so fs u i t a b l e s u p p o r tt i m i n g f o rs o f tr o c k r o a d w a y F i r s tb o l t - n e ．_ _ ．_ 型s u p p o r ts h o u l db ec o n d u c t e dw h e nt h er o o fs e t t l e m e mi s2 4 m m ，锄d s e c o n ds t r e n g t hb o l t 。a n c h o rs u p p o r ts h o u l db ec o n d u c t e dw h e n t h er o o fs e t t l e m e n ti s4 3 I 砌． 3 T h ea n a l y z i n gr e s u l t so fF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r es h o wt 1 1 a t ．t l l e s u r r o u n d i n gr o c kc o n d i t i o n s o 、fr o a d w a ya r ec h a n g e da n dt h es e l f - s u p p o r t i n gc a p a b i l i t yi s i n c r e a s e d 舭r 鲫t ‘噼罂峰垫州她s u p p o n ．．、 T h ea b o v es t u d yr e s u l t sf f a v es o m er e f e r e n c ev a l u e o nt h eg r o u n dp ‘r e s s u r ec o n t I ．o lo fs o f t r o c kr o a d w a yw i t ho v e r l y i n ga q u i f e ri nt h i sm i n e ． K e y w o r d s S o f tr o c ku n d e rA q u i f e r R o a d w a y F a i l u r eM e c h a n i s m S u p p o r tO p p o r t u n i t y T h e s i s A p p l i c a t i o nR e s e a r c h 娄料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究．T 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同丁作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储舭稍镪沙习，∥3 ． 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 缎指导教师 日 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究目的与意义 软岩具有粘结性差、强度低、易风化、遇水膨胀泥化、软岩巷道自稳能力差等特点。 巷道在服务期间围岩变形剧烈，巷道维护比较困难，最终将导致巷道失稳破坏。破坏后 的巷道围岩更加破碎，再生裂隙发育，致使巷道掘进与支护变得十分困难。巷道需多次 翻修，每米巷道每年的修复费需要2 0 0 0 元左右，软岩巷道每年的修复费要高达3 6 亿元， 这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。因此软岩矿井问题一直是影响我国煤矿生产建设的重大技术难题之一【1 1 。我国从2 0 世纪7 0 年代开始，软岩问题就引起各方面注意，多年来一直将软岩问题列入科技发展 规划组织攻关。煤矿系统许多专家在许多矿区开展了软岩巷道采掘与支护的大量研究工 作，取得了多项科技成果并积累了丰富的实践经验。在软岩巷道的矿压显现、掘进方法、 支护技术等方面都取得了很好的成绩和经济效果。但距我国日益增长的煤炭生产安全建 设和发展需要尚存在很大差距。究其原因一是对复杂围岩环境条件下软岩的各种性质 及由其引发的软岩巷道变形特征缺乏系统研究，获得的认知程度较浅；二是对软岩巷道 支护 维护 理论和技术的研究单一化和简单化，导致支护方式的单一化；三是缺乏将 二者统一在同一个体系中进行研究的手段。基于此背景下，进一步组织对软岩巷道围岩 流变控制、软岩巷道破坏机制以及软岩地应力测试方法等方面的深入研究，同时进一步 研究高应力、强膨胀、极破碎、含水软岩等各种复杂条件下软岩巷道经济适用的支护理 论与技术，对我国煤矿安全高效生产具有重要的理论意义与应用价值【2 ‘丌。 神华宁夏煤业集团清水营煤矿处于宁东鸳鸯湖矿区。首采工作面地质赋存条件复 杂，岩体节理裂隙发育，巷道顶板富含水，围岩松软破碎，局部区域穿越断层。施工过 程中断层附近巷道变形破坏剧烈顶板水下泄冲刷两帮，帮煤泥化脱落；巷道顶底板相 对移近量大，底臌明显。目前该矿采用锚杆一网一索支护方式，断层面附近破坏严重区域， 采用木垛加强支护，但这也不是最合适的支护方法。断层面附近内泄的地下水在巷道内 聚积，导致底板泥化变形，对木垛支护效果影响严重，且木垛支护不利于巷道内行人行 车，影响矿区正常生产要求。为了保证该矿正常的安全生产，应对该矿软岩巷道变形破 坏特征及影响因素进行分析，修改、选择合适的支护方式以及选择合适的锚网索耦合支 护时机，以维护巷道稳定。 西安科技大学硕士学位论文 1 ．2 软岩理论研究现状 1 ．2 ．1 软岩巷道变形破坏理论研究 软岩巷道围岩变形及围岩压力的弹塑性分析方法首先是由R ．F e l m e r [ 8 1 1 9 3 8 提出的， 后来H ．K a s t n e r l s 1 9 51 1 对此又作了重要修正。 F e l m e r 矛I K a s t n e d s 都假设巷道围岩为理想的弹塑性介质，认为岩体破坏后的强度始 终保持原来的极限强度值，所以计算围岩塑性区半径偏小，巷道围岩位移变形偏小；而 在以后文献中常出现的将岩体视为理想脆．塑性力学模型所建立的应变软化模型计算的 A l r e y 公式中则假定岩体达到极限强度后，强度立即降至岩体的残余强度，忽略了岩体破 坏后强度是逐渐降低的特性，所以依此计算出的塑性半径与巷道变形位移偏大。上述计 算方法都忽略了岩体破坏后强度是逐渐降低的特性，与实际工程相差甚大。 近年来，损伤力学的发展，为岩石材料的非弹性性质和破坏机制给出了一种可资借 鉴的解释模式。最早进行岩石及混凝土材料损伤力学研究的是D o u g i l l 1 9 7 6 和 D r a g o n M r o z 1 9 7 9 ，他们根据断裂面的概念研究岩石的脆塑性损伤行为，并建立了相 应的连续介质模型【9 J ；K r a j c i n o v i c 、K a c h a n o v 、c o s t i n 等学者从不同角度将损伤力学用于 岩石材料，并建立相应的理论和模型，从而使岩石力学的研究不断丰富和完善。 M o s s G u P t a 从实验出发建立了描述脆性岩石扩容破坏的本构模型。 2 0 世幺己7 0 年代R u d i n c k 和R i c e 1 9 7 5 t 1 0 J 把岩土局部变形所导致的剪切带作为一种分 叉现象研究以来，分叉理论在岩土工程中的研究愈来俞受到各国科学家的重视，根据分 叉理论可以解释同一种岩石其破坏形式具有多样性和不确定性，即可以出现凹陷、膨胀、 颈缩和各种形式的剪切带；在巷道稳定性研究方面，V a r d o u l a k i s 和P a P a n a s t a s i o u 等学者 主要用分叉理论分析硬岩巷道破坏的非唯一性和失稳问题【l ，解释了硬岩巷道围岩破坏 形式的多样性现象。 1 9 9 5 年中国岩石力学与工程学会成立了软岩工程专业委员会，是我国软岩工程技术 研究繁荣的标志。软弱岩体地下工程的迫切需要向地下工程研究工作者提出了一系列重 要的研究课题。 中国矿业大学刘长武教授以葛泉煤矿为例【l 引，在分析葛泉矿区域构造地质特征及其 力学成因的基础上，认为构造应力的存在使得软岩巷道围岩的应力水平相应增加，特别 是水平地应力的增加加大了巷道变形破坏的几率并控制了巷道变形破坏方式及其方位。 这种应力场作用的直接结果，使巷道底板成为整个支护体系中薄弱环节之一，巷道出现 沿与最大主应力相垂直方向的大面积开裂、塌落，而底板则出现受压破坏、底臌等一系 列矿压显现问题。 贺永年，何亚男【1 3 1 通过对茂名矿区软岩巷道变形的实测和研究认为，茂名矿区的底 2 I 绪论 臌变形全过程是由两帮岩柱传递顶板压力开始，两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉， 底板在严重挤压变形的情况下发生断裂，然后底板隆起。 刘立东，王俊剧1 4 】等对霍州煤电集团白龙矿松软膨胀岩层巷道破坏机制进行了分 析。认为在强大的上覆岩层压力作用下，巷道围岩沿软弱面向巷道内挤压，发生碎胀变 形，产生碎胀压力，从而使巷道围岩裂隙增大；吸水岩层与空气中的水分相接触，不断 膨胀，当巷道支护结构不足以抵抗围岩压力时，巷道即发生变形破坏。 来兴平，蔡美峰，伍永平，肖江【I5 l 等。 运用物理相似模拟实验方法，对软弱层状岩石巷夕』 道顶板破坏过程模拟研究。认为巷道的变形可以分为三个阶段。第一阶段为变形阶段， 这一阶段可分成两种情况，巷道整体均匀变形阶段和巷道非均匀变形阶段。巷道整体均 匀变形阶段特征为顶底板、两帮的相对移近量差别不大。巷道非均匀变形阶段的特征是 顶底板的变形量大于左右帮的变形量，且随时间的延长这种差别越加明显。第二阶段巷 道破坏变形阶段，在此阶段巷道发生片帮、岩石冒落。第三阶段为再变形和再破坏阶段， 在此阶段，巷道发生变形、破坏的反复。 潘一山1 1 6 q 7 ] 等借助有限单元法和相似材料模拟实验研究了巷道底臌的时问效应和 软岩遇水膨胀引起的底臌，认为大量底臌的岩石来源由三部分组成巷道底板下一定范 围内的岩石、两帮下部底板岩石和两帮围岩，并建立了底板岩层渗水膨胀软化模型。 张晓春，缪协兴【l8 】利用程序I 江P A ，对层状岩体中硐室围岩的层裂及破坏进行了数 值模拟，得到了层裂结构的层裂板厚度。同时，研究结果表明，对于岩石材料，其均质 度对受压岩体内裂纹的演化具有重要意义。对于不同均质度范围，巷道围岩将表现出较 高均质度的层裂破坏或较低均质度的局部弱化失效两种特点。 黄旭，马念杰【1 9 l 等，利用东北大学岩石破裂过程分析系统 R F P A 2 D ，针对煤矿沉积 岩层顶板破坏进行力学分析，并对赋存不同厚度的软岩层状顶板的破坏情况进行了数值 计算。探讨了不同厚度的软弱岩层对巷道稳定性的影响，得出了不同厚度软弱岩层在巷 道开挖后的破坏过程和最后冒落的形状，提出了对不同厚度软弱岩层的层状项板巷道有 针对性的支护措施。 刘泉声，张华，林涛[ 2 0 1 等对在淮南矿区深部软岩巷道地应力场进行分析，得出软岩巷 道围岩所处的应力环境与一般巷道不同。巷道开挖后，由三向应力状态调整为二向应力 状态，如不及时有效地支护，表面围岩受到的压剪应力超过围岩强度，围岩很快由表及 里发生大变形_ 破裂- 碎裂_ 整体失稳。其次，随着采深增加，地下水渗透压力相应增 大，导致巷道近场围岩有效应力增大，致使围岩应力超过其强度发生破坏失稳。 樊克恭，翟德元【2 l J 等对岩性弱结构巷道破坏失稳机制进行了分析，把岩性弱结构巷 道围岩变形的原因和过程可概括为巷道开挖使弱结构围岩“卸载”并首先在弱结构体 中产生破裂，弱结构体围岩处于破裂状态；随着时间推移，弱结构其它部位的围岩在重 分布应力作用下产生破裂，不过破裂的范围和变形量较弱结构体要小的多，弱结构岩体 匈澎台乙哥Lo 孵飞，c ，未忿黑彤系绫篇p ／ 纠／ ，0 戈乞／乡 ∑ 西安科技大学硕士学位论文 沿原生和新生破裂面产生滑移、错动、剪胀变形受弱结构体变形破坏的影响，巷道其 它部位围岩变形破坏加剧，向开挖空间挤进而造成失稳。 靖洪文，宋宏伟，郭志宏田J 等在探讨软岩巷道工程特征的基础上，提出用全面反映围 岩应力和围岩强度等因素综合作用结果“稳定的围岩松动圈厚度”来定量确定软岩 工程，进而分析其非线性变形破坏机制。重点研究了碎胀变形机制及支护参数设计方法， 并且经过工程实践证实了其可靠性。 伍永平，黄超慧，来兴平【2 3 】等通过对自然与饱和状态下软岩的物理力学特性测试，从 岩石物理力学特性出发，研究了软岩与水相互耦合膨胀、泥化特性。得出岩体与水的物 理化学作用是导致底臌的重要因素。软岩巷道底臌的治理，应从改善围岩结构、提高岩 体强度出发，重点是治水和加固巷道帮角。 于广明【2 帕5 I 对地下工程开挖影响的岩体初始裂隙分布、裂纹扩展或断裂表面分布进 行了分析，用分形几何来描述其随时间的动态演化规律，揭示了岩体受力变形过程的应 力状态、力学机能、物理和化学性质的演化，更深层次认识岩体变形破坏的非线性、复 杂性、岩体动力学演化过程中的突变现象和岩体裂纹演化的协同效应。 1 ．2 ．2 地下软岩巷道支护时机研究 在实际地下工程中，对不同的围岩环境选取相同支护设计和支护参数时，会出现有 的围岩非常破碎但巷道稳定，而有的工程围岩比较完整却出现巷道失稳的奇怪现象，这 样事实的出现，使人们认识到巷道支护，尤其是软岩巷道的支护存在合理支护时机的问 题【2 1 1 。 新奥法理论【3 2 3 3 1 是合理支护时机最初的理论基础，由新奥法开始围岩的自承载能力 在隧洞工程支护中开始扮演重要角色，而围岩自承载能力的确定正是确定最佳支护时机 的关键因素。支护虽然可以增强围岩承载拱的承载能力，但是人们不能用无限制的增加 支护的强度来减弱二次衬砌的压力，因为我们必须面对实际工程施工的可操作性和工程 总体造价的现实问题，让围岩适度的变形是节约支护材料的有效方法。因此寻找和确定 最佳支护时机，成为地下巷道工程支护技术的核心，最佳支护时机的确定，使我们在确 保围岩稳定和节约支护材料的工作中充满自信。所谓最佳支护时机，就是最大限度的调 动围岩变形释放能量，最大程度的发挥围岩自承载能力，充分调动支护体系的作用，使 ．，二次支护系统的抗力降为最低同时保证支护材料的使用最为合理。 眵也1 K ／我国在2 ，L 十年代，以孙均为代表的科研工作者在大量的实验基础上提出了剪应变控 制理论【3 4 1 ，该理论认为通过一定的理论公式计算所得的最大剪应变 与地层允许剪应变 乃相等时就是最佳支护时机，并给出了确定最佳支护时机时间t 的实验公式。该理论观 点的不足是无论最大计算剪应变 还是最佳支护时间t 的确定都需要大量的实验作基 础，并且应用于实际指导施工比较困难。 № 4 1 绪论 直到软岩工程力学的出现，单纯的巷道围岩收敛变形可以转化为复合型变形力学机 制，这样才为合理确定喷锚时间提供了现实可行的方法。巷道工程开挖后，围岩应力进 行重新调整和分配，这种变化的外在表现为围岩不断的收敛变形；支护正是一种有效改 善围岩应力分配行为的积极支护方法。对于硬岩或较坚硬的岩石由于受到收敛变形量较 小并且变形发生又比较迅速的影响，支护的时间效应并不明显，围岩的绝大部分收敛变 形是在爆破开挖后瞬间完成的，并且有些围岩可能不需要支护也可以自行稳定，因此对 于这类岩石形成的围岩，支护时机的选用意义不大，即使进行支护，其主要作用也是稳 定因局部破碎而导致将要脱落的岩体。对于软岩或有流变性质明显的岩体，收敛变形的 时间效应就非常明显。这种变形往往会伴随时间的延续持续发生，因此围岩内力的变化 也是一个持续的过程。基于这样的原因，支护在软岩中将会具有比较特殊的作用，它可 以限制围岩收敛变形的发展，从而协调围岩内力的调整。而合理科学的选择支护的时机， 就可以比较充分的发挥支护的这种调节作用，同时又可以最大限度的节省支护的材料， 因此支护时机的概念应用于软岩工程具有比较现实而积极的意义。 1 ．2 ．3 地下软岩工程待解决的问题 近年来，虽然多个高等院校的专家和现场工程技术人员对软岩巷道的变形破坏机制 和支护技术做了许多研究工作。但总的来说，复杂围岩条件下软岩巷道支护的研究尚处 于起步探索阶段，对复杂围岩条件下软岩巷道支护设计的理论认识上还存在许多问题， 主要表现为 1 人们对复杂围岩条件软岩巷道的变形破坏机制、巷道支护结构与围岩之间的 耦合关系以及如何选择支护的最佳时间仍缺乏系统、深入的认识。巷道支护是一个动态 过程，要使这一过程与围岩变形过程相协调，必须充分而深入地研究围岩的变形机制， 在此基础上，才能选择适当的支护时机对围岩进行支护。 2 上覆含水层软岩巷道与一般软岩巷道变形破坏特征不同。巷道围岩变形过程 具有明显的非线性力学特性，水对巷道围岩的物理化学特性明显，围岩稳定性控制与复 杂围岩环境、支护实施过程等密切相关。在深入探讨水．岩渗流应力耦合的基础上，对 复杂围岩条件下软岩巷道围岩变形控制技术进行深入研究，才能提出适应于此特殊围岩 环境的支护对策。 3 现代支护理论认为要充分发挥岩体自身承载能力，适当释放围岩内部压力后 再进行支护，形成柔性的围岩与支护结构共同体。但是，支护前需要释放多少压力或位 移是一个关键问题，过多的释放会导致来不及进行支护，而过少的释放又会使岩体内部 的能量产生聚集现象。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 ．3 本文研究的内容及技术路线 1 ．3 ．1 研究内容 在总结前人取得的研究成果的基础上，以清水营矿区1 1 0 2 0 1 首采工作面上覆含水层 软岩巷道为工程研究实例，采用理论分析、数值模拟计算、矿压监测等相结合的研究方 法，分析了软岩巷道变形破坏特征、变形形态及其影响因素，揭示了巷道围岩的运动变 形规律以及围岩变形破坏机制，探求软岩巷道的合理支护时机，为地质条件相似的矿区 推广应用提供依据。具体进行以下研究工作 1 收集文献资料，理解软岩的概念、分类以及软岩的基本属性；收集现场调研 资料，对清水营煤矿11 0 2 0 1 工作面巷道工程地质条件进行分析。 2 分析采集到的矿压监测数据，对井下观测到的破坏现象进行文字整理以及素 描成图。 3 结合清水营煤矿地质调研资料和矿压观测结果分析，分析清水营煤矿软岩巷 道变形破坏特征和影响因素，研究复杂地质条件下工作面巷道变形破坏机制。 4 分析软岩巷道最佳支护时机概念和意义，结合弹塑性理论，研究清水营煤矿 11 0 2 0 1 首采工作面皮带巷合理支护时机。 5 利用F L A C 3 D 有限差分法数值模拟软件，对比清水营煤矿软岩巷道支护前后围 岩应力、围岩运移规律，用数值计算方法验证理论计算的支护时机。 1 ．3 ．2 技术路线 论文具体技术路线如图I ．1 所示。 现 场 调 研 井田地质构造 地下水 弹塑性理论分析l l 巷道变形破坏机制 确定合理支护时机 巷道稳定性分析 巷道破坏特征 破坏影响因素 数值模拟研究 图1 ．1 技术路线图 6 篓一 2 清水营煤矿软岩巷道变形破坏矿压监测 2 清水营煤矿软岩巷道变形破坏矿压监测 通过对清水营煤矿11 0 2 0 1 工作面巷道围岩物理力学实验研究，围岩岩性为软岩，具 有膨胀性、流变性和易扰动性等特点，围岩中含有遇水易发生物理化学反应物质， 如蒙脱石、伊利石等。工作面巷道掘进过程中，巷道变形明显，影响工程稳定性。为了 揭示清水营煤矿11 0 2 0 1 I 作面巷道采掘过程中变形破坏规律，确定巷道变形失稳的极限 位移速度及变形量，确保巷道的稳定性在其服务期间能得以保证，对工作面巷道实施了 矿压监测。 2 ．1 工程背景 2 ．1 ．1 工作面地质条件 清水营煤矿l1 0 2 0 1 I 作面皮带巷布置在2 。煤层中，沿二煤底板掘进。二煤的物理特 性为黑色、块状、半暗型煤、弱沥青光泽，节理及裂隙发育，煤质较软。2 4 煤层顶板为 粗砂岩，胶结松散孔隙发育，岩层渗透性强。底板以粉砂岩为主，耐崩解性指数6 1 ．3 4 ％， 遇水易泥化变形。图2 ．1 是2 。煤层附近岩层综合柱状图。 柱状 等不厚度 岩性描述 M 1 2 0 0名称 m 粗浅灰色，舍少量云母．泥质 砂 17 ．8 5成分较高，岩石强度较底，易 软化，抗水能力差，属软弱 岩 类底板 ， 粉 灰白色，成分以石英为主，含 ＼ 砂 0 ．5 少量云母，泥质胶结，分选性 ％ 好。次圆状，局部斜层理 黑色，块状，半暗型煤，弱沥 青光泽，节理及裂隙发育， 煤质较轻，为简单结构的稳 定煤层，煤层总体呈现由西 7 ．8 8 向东逐渐变薄的趋势．该段 煤 j ＼ 北部煤层下部距底板1 ．2 8 m ，- ，’ 左右发育一层厚度平均 i 甏象 粉 0 ．1 2 m 的夹矸，岩性为粉砂 质泥岩 鋈 4 ．9 2 浅灰色，成分以石英长石为 ＼ 砂 主．舍大量植物茎叶化石 ％ 西安科技大学硕士学位论文 2 。煤层总体呈现由西向东、由北向南逐渐变薄的趋势。煤岩层倾向8 0 0 、- 8 7 0 ，平均8 4 0 ， 倾角2 2 0 “ - - 2 7 0 ，平均2 5 0 ，煤岩层沿走向、倾向有一定的起伏变化。井田处于几条大断层 间，井田内的地层被断层切割，奥陶系灰岩被抬起，与井田煤系地层直接接触，奥灰水 成了各含水层的直接补给来源，密切了各含水层的水力联系，增强了各含水层的富水性， 使巷道周围含水岩层的富水性增强。工作面巷道掘进过程中，顶板出现滴、淋水现象， 预计正常涌水量为2 ．0 ～1 0 ．0m ’／h ，最大涌水量4 0 ．0m ’／h 。 2 ．1 ．2 巷道支护参数 巷道断面形状为矩形，断面尺寸为4 8 0 0 m m x 3 2 0 0 m m 。支护参数为顶部采用e 2 0 m m ，长2 4 0 0 m m 螺纹钢筋树脂锚杆，间排距7 5 0 x 7 0 0 m m ；下帮采用口 1 6 m m ，长 1 6 0 0 m m 螺纹钢筋树脂锚杆；上帮采用口 1 6 m m ，长度为2 0 0 0 m m 玻璃钢锚杆；帮部锚 杆间排距7 0 0 x 7 0 0 m m ；锚固剂型号为M S K 2 3 ／3 5 ，矩形布置，全断面挂网。顶锚索采用谚 1 5 ．2 4 钢绞线 1 7 股 ，长度4 5 0 0 m m ，间排距2 5 0 0 m m x 3 0 0 0 m m ，锚固剂型号为 M S K 2 3 ／3 5 。巷道支护布置如图2 ．2 所示。 图2 ．2 巷道支护布置图 2 ．2 清水营煤矿软岩巷道收敛监测 巷道表面收敛监测内容包括顶、底板相对移近量、两帮相对移近量、顶板下沉量以 及底臌量等。根据观测结果可以分析巷道周边相对位移变化量、变化速度与迎头距关系、 与掘进时间的关系，从而判断巷道支护效果和围岩的稳定性。巷道收敛监测还是判断二 次最佳时段的主要依据，是为了指导设计施工的经常性量测。巷道围岩表面位移观测一 般采用“十字布点法“ 。 8 2 清水营煤矿软岩巷道变形破坏矿压监测 2 ．2 ．1 测站设计 1 “十字布点”建站要求 ①在试验巷道内两个测站之间距离为5 0 m ，对于特殊地段可以缩小测站间距； ②测站的建立尽可能靠近掘进工作面，使之能够完整地获得巷道掘进初期围岩扩张 力学形态的荷载和变形情况； ③巷道表面位移收敛的观测点应固定在测桩上，具有一定的牢固性，以免被破坏。 2 测站布置 根据矿压监测内容以及建站要求，在清水营矿1 1 0 2 0 1I 作面皮带巷布置测站第 一个测站设在距1 1 0 2 0 1 工作面皮带巷F 1 8 断层2 3 9 m 处，各测站间距平均为5 0 m ，对于 要重点监测的区段，可以缩小测站间距。测站布置时，在顶底板中部垂直方向和两帮水 平方向钻 P 2 9 m m 、深3 8 0 m m 的孔，然后将币3 0 m m 、长4 0 0 m m 的锥形木楔打入孔中， 如图2 ．3 所示。待到木楔牢固固定后，尽快建立初读数，初读数应是反复测读几次后得 出的平均值。观测时，将钢尺的端头放在一端测点处，另一端放在另一测点处，拉紧钢 尺进行读数。记录时，还应将现场围岩状况等有关情况进行详细记载。每个断面测量的 距离精确到毫米。观测频度为距掘进工作面5 0 m 以内，每天观测一次，掘进头距测站 5 0 m 以外时每周观测2 “ - - 3 次。 图2 ．3 “十字布点”布置图 皮带巷测站布置如图2 ．4 所示 图2 ．4 11 0 2 0 1 工作面皮带巷测站布置图 9 方向 西安科技大学硕士学位论文 3 巷道稳定判断依据 矿压观测一段时间后，当巷道变形量趋于稳定时，进行数据处理，绘制出巷道表面 收敛量与测站距掘进头距离的曲线，通过图2 ．5 来判定巷道是否稳定。图中曲线l 表示巷 道稳定的曲线；曲线2 出现了反弯点，表明巷道已呈不稳定状态，应加强监测，并适时 加强支护，必要时应立即停止巷道掘进，进行施工处理。 吕 吕 删 蚓 簿 巷道掘出时间 d 图2 ．5 巷道表面位移．时间关系曲线 2 ．2 ．2 巷道收敛监测数据整理 清水营矿监测于2 0 0 7 年1 0 月至2 0 0 8 年2 月期间，紧跟巷道施工。在1 1 0 2 0 1 I 作面皮 带巷共布置8 个测站，每个测站有3 个测面，用于对所测数据的矫正。将现场量测所得的 数据整理分析后，绘制位移一时间曲线图和速度一时间曲线。本文选取l 。、5 4 、7 4 测站 所得的数据曲线进行分析，其围岩收敛量．时间、收敛速率．时间变化曲线如图2 ．6 、2 ．7 、 2 ．8 、2 ．9 、2 ．1 0 、2 ．1 l 所示 1 弓钡I 脚颥阪下沉量一l 号钡l 阱胡舜隔翁丘曼 1 号钡螨锛魏鲮基 4 0 3 5 3 0 昌2 5 垂2 0 1 5 1 0 5 O 图2 ．61 4 测站巷道收敛位移．时间关系曲线 1 0 2 清水营煤矿软岩巷道变形破坏矿压监测 1 号澳啦汀i ．舨下沉速度．- l 号濒倒拇潮移近速度一1 号测站顶扳J 匍鼓速度 ◆0 ．00 ≯| - _ 0 0 』 I2345671 01 31 61 92 2 2 53 l3 7 4 34 9 弱6 l6 77 37 9 踮9 1 卷a 翩出时f 骱 5 4 3 罨2 察。 O - 1 图2 ．71 4 测站巷道收敛速率．时间关系曲线 5 弓钡I 崴铷磁反R 冗量 5 号钡噼硒研嗣嘭瞧一5 弓钡蛄斯翻鼓量 l2345G7l O1 31 61 02 22 53 l3 7 4 3 4 9弱6 1 图2 ．85 4 测站巷道收敛位移．时间关系曲线 5 号钡螨蜘贩R 冗复枣率一5 号测站两帮移近速率一5 号测蚺闷彭速率 ◆■一二 ． 1234567 1 0 1 31 61 92 22 G3 13 74 34 95 56 1 图2 ．95 4 测站巷道收敛速率．时间关系曲线 l l 2 O 8 6 4 2 O 2 口／III【目巡硝 约 ∞ 的 ∞ ∞ ∞ m o 鲁S删m遁 西安科技大学硕士学位论文 - ．_ - 7 号钡峙占丁页皈下沉- 一7 弓钡临卸畸帮彩啦豇景一7 弓坝啦斯翱政l 垂 图2 ．1 07 4 测站位移．时间关系曲线 0123456 71 01 31 61 92 22 53 13 74 3 老道掘出时间／d 图2 ．117 4 测站速度．时间关系曲线 2 ．2 ．3 结果分析 1 对11 0 2 0 1 - V 作面皮带巷道以顶板下沉变形为主，底臌量明显，两帮收敛变形 量小。巷道顶板最大下沉量为1 0 1 m m ，最大底臌量为3 8 m m ，两帮相对最大移近量为 4 3 m m 。 2 围岩收敛量在巷道刚掘出时随时间而增加，达到一定值时，随时间变化逐渐 平缓。其变化大致可分为三个阶段①变形急剧增长阶段，出现在掘进头过测站0 “ - 1 3 天，该阶段的位移量是位移总量的9 0 ％左右，说明一次锚网支护起到把浅部围岩组成承 压组合梁，提高围岩自承能力作用，阻止巷道初期过大变形；②缓慢增长阶段，在巷道 掘出后的1 4 “ - - 2 5 天，该阶段的位移量为位移总量的6 ％，由此阶段巷道围岩变形规律可 以说明锚杆索相互作用提高了围岩的承载能力；③趋于稳定阶段，开挖后2 5 天以后，围 1 2 2 清水营煤矿轶岩巷道变形破坏矿压监测 岩变形量明显降低，该阶段的位移量为位移总量的4 ％； 3 巷道表面收敛速率随远离掘进工作面而减小。掘进期间，1 1 0 2 0 1 3 作面皮带 巷各观测断面距掘进头5 0 m ～7 0 m 约1 0 天 左右，巷道表面位移收敛速率趋于稳定。 4 7 4 监测断面顶底板收敛量和收敛速度都比较大。引起这一现象的主要原因是； 尹测站处于n 8 逆断层附近，受F 1 8 断层影响，岩石中节理、裂隙发育，在顶板及两帮出现 淋滴水现象。围岩受淋滴水浸透，抗压强度降低，岩体泥化、崩解、碎裂，导致围岩自 身承载能力锐减，此地段巷道变形破坏剧烈。 2 ．3 巷道锚杆 索 径向应力监测 锚杆 索 径向应力监测是测试巷道支护后锚杆 索 实际受力状态的一种测试方法， 主要反映锚杆 索 和承托岩石物件对围岩的实际锚固能力，是软岩巷道锚杆 索 支护监 测的一项重要内容。锚杆 索 测力计安装在锚杆尾端紧贴巷道岩面，测量端部锚固锚杆 索 在工作时的径向应力。安装时首先对锚丰T 索 测力计施加预应力，记下锚杆测力计 初始读数，此后定时记录锚杆测力计读数。巷道稳定后分析锚杆 索 所受拉应力与巷道 掘出时间的变化关系。 2 ．3 ．1 锚杆 索 测力计安装 测站布置如图24 所示，在皮带巷布置的8 个测站中，每个测站在顶板安装一个锚杆 测力计和一个锚索测力计，监测顶板锚杆锚索所受拉应力；上帮、下帮各安装一个锚杆 测力计，监测帮部锚杆所受拉应力。锚杆测力计和锚索测力计的具体安装方法见图21 2 。 观测频度要求与表面位移观测相同。 一I ． 瞄2 1 2 锚秆 索 捌力计安装方珐 2 ．3 ．2 顶部锚杆 索 受力数据整理 为和巷道收敛变形相对照，对采集到的1 4 、5 。、矿测站顶部锚杆 索 测力计数据进 行整理、分析，得出锚杆 索 所受拉力随巷道掘出天数的变化曲线，如图2 ．1 3 、2 ．1 4 、 2 ．1 5 所示。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 4 0 3 5 3 0 2 5 ∞ 1 5 l O 5 O ，圭姑}鞋固lij芑l血Zd 1 _ ．一顶涮褂缃幻应力累t I 值一顼游益索阐郇劝筹耕值J 图2 ．1 3 1 撑测站顶板锚杆 索 径向