太平矿急倾斜破碎围岩巷道修复支护研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 太平矿急倾斜破碎围岩巷道修复支护研究 姓名陈国红 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师黄庆享 20060418 论文题目 专业 硕士生 指导教师 太平矿急倾斜破碎围岩巷道修复支护研究 采矿工程 陈国红 黄庆享 摘要 急倾斜破碎围岩巷道的修复支护是当前困扰矿区生产的技术难题之一。本文以攀枝 花煤业集团太平煤矿南四大巷破碎围岩为研究对象，通过现场调研、相似材料物理模拟 试验、数值模拟和理论分析相结合的方法，研究了急倾斜破碎围岩巷道的变形和破坏机 理。在实验研究和实测分析的基础上，得出穿越煤层破碎带围岩的太平煤矿南四运输大 巷的主要特征巷道的变形与破坏由煤层开始，随煤层所处的位置表现出不对称变形与 破坏。本文采用R F P A 2 D 数值计算软件对太平煤矿南四运输大巷的围岩条件进行了模拟 研究。采用先加载后开挖的顺序，再现了巷道开挖与围岩破坏和垮落过程，分析了急倾 斜破碎围岩巷道的不对称变形与破坏特征，揭示了巷道变形和破坏是沿着软弱层和层理 的拉伸和剪切破坏。在以上研究的基础上，提出了太平矿南四运输大巷合理的修复支护 方案，该研究对此类巷道的修复支护提供了借鉴。通过现场实践应用验证了研究结论的 正确性。 关键词急倾斜；破碎岩层；大巷修复支护；R F P A 2 0 研究类型应用研究 S u b j e c t R e s e a r c ho nR e p a i rS u p p o r t o fF r a c t u r eZ o n ei nS t e e pL a y e ri n T a i p i n gC o a l m i n e 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 e C h e nG u o h o n g I n s t r u c t o r H u a n gQ i n g x i a 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 er e p a i rs u p p o r to ff r a c t u r ez o n ei ns t e e pl a y e ri sah a r dp r o b l e mn e e d e dt ob es o l v e di n m a n yc o a lm i n e sr e c e n t l y ．T h ef r a c t u r er o c ko fS o u t h 4M a i nT r a n s p o r t a t i o nR o a d w a yo f T a i p i n gC o a l m i n es e r v e sa st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h ep a p e r ．T h r o u g ht h ef i e l de x p e r i m e n t ． s i m u l a t i n gm o d e lt e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ed e f o r m a t i o na n d f a i l u r em e c h a n i s mo ff r a c t u r er o c kr o a d w a yi ns t e e pl a y e ra r es t u d i e d ．B a s e do ns i m u l a t i n g m o d e lt e s ta n ds i t u - o b s e r v a t i o na n a l y s i s ，t h em a i nf a i l u r ec h a r a c t e ro fe n t r yi so b t a i n e d ．T h e d i s t o r t i o na n dd e s t r u c t i o no fm a i nr o a d w a ys t a r tf r o mt h ec o a ls e a ma n dt a k eo na s y m m e M c d i s t o r t i o na n d d e s t r u c t i o n ．U s i n g R F P A 2 0n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s o f t w a r e ，t h e r o c k e n v i r o n m e n to fS o u t h - 4M a i nT r a n s p o r t a t i o nR o a d w a yi ss i m u l a t i o n ．B yt h es e q u e n c eo f f i r s t l yl o a d i n g ，t h e nc a v i n g ，t h ep r o c e s so f f a i l u r ea n dc o l l a p s ea r ep r e s e n t e d ．T h ea s y m m e t r i c d i s t o r t i o na n dd e s t r u c t i o na r ea n a l y z e d ．I ti sf o u n dt h a tt h ef a i l u r ez o n eO C C u r Sa l o n gw e a k c o a ls e a ma n dt h em e c h a n i s mo f r o a d w a yf a i l u r ea n dd i s p l a c e m e n ti sd i s c o v e r e dt ob et e n s i o n a n ds h e a rf a i l u r ea l o n gl a y e rb e d d i n ga n dw e a ks e a m ．F u r t h e r m o r e ，t h er o a d w a yp r o p e rr e p a i r s u p p o r tm e t h o di sp u tf o r w a r d ．T h i sr e s e a r c hc a ng i v er e f e r e n c et os u c he n g i n e e r i n g ．F i n a l l y , t h ec o n c l u s i o ni st e s t e da n dv e r i f i e db yp r a c t i c a le x a m p l e sa n a l y z i n g ． K e yw o r d s s t e e pl a y e r ；f r a c t u r ez o n e ；m a i nr o a d w a y ；r e p a i rs u p p o r t ；R F P A 2 0 T h e s i s A p p l i c a t i o nS t u d y 要料技大学 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工作及 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。与我一同工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。 学位论文作者签名彻囝{ ≯日期护，6 ．r ．玎 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 题再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。 学位论文作者签名惭匀{ 7 指导教师签名乡喽 ≯，妒6年3 - 7 J 巧’日 l 绪论 1 ．1 问题的提出及选题的意义 1 绪论 煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位。长期以来，煤 炭消费在我国一次性能源结构中的比例始终保持在7 0 ％以上。2 0 0 5 年，我国煤炭产量 达到2 ．1 1 X 1 0 9 t 。根据专家预测，为保证我国国民经济的正常发展，2 0 2 0 年、2 0 5 0 年的 原煤产量占一次性能源的比重分别是6 8 ％、5 0 ％左右[ 1 】。随着煤炭资源的连续开采，煤 炭资源越来越少，开采作业不得不由地质条件简单的区域向难采区域发展，由浅部向深部 转移，地质条件也越来越复杂，软岩破碎带巷道支护的问题日益突出，成为制约矿区开 采的突出技术难题之一。 我国煤矿煤系地层中，具有软岩的矿井遍布全国各主要产煤省区，近半数的矿务局存 在软岩矿井，有的矿务局甚至大部分或全部矿井是软岩矿井。而在这些软岩矿井中，大 部分矿井是由断层等地质构造引起的，也就是说，大部分软岩矿井属于松散、破碎围岩 矿井。在巷道的掘进过程中极易发生冒顶片帮等坍塌事故。鹤壁九矿 1 5 m 水平南大巷 穿过F 1 5 3 大断层，断层落差达1 5 0 ～1 6 5 m ，破碎带范围达1 5 0 m 左右，围岩呈碎块状， 该巷道在断层上盘大煤区域时，发生冒顶，冒高达9 ．8 m ，跨度6 ．O m ，长度6 ．4 m 。淄博 黑山矿集中下山掘进过程中发生大面积冒顶，跨度高达1 l m 、高1 7 m 、长2 0 m 。鹤岗兴 安矿二水平北一石门大巷在掘进中遇一断层，发生大冒顶，装运冒落矸石时，冒顶继续 扩大，冒顶高度由开始的8 m ，达到1 4 m 以上。芙蓉白皎矿西一轨道上山穿过复杂的断 层破碎带，并受上部区段煤柱的影响，围岩破碎、压力较大发生垮落冒顶，冒高一般达 1 ～3 ．5 m 。神火葛店矿双庙扩大区上部车场硐室过F 1 断层，断层附近应力集中，顶板松 软破碎，涌水量大，巷道边施工边破坏。成庄矿3 2 1 3 巷道开口掘进1 0 0 m 后，矿压显现 十分明显。两帮片帮深度达0 ．2 ～O ．8 m 。顶板煤体破碎，经常发生冒顶现象，冒顶高度 在O ．2 ～1 ．O m 之间。枣庄泉上煤矿1 2 3 采区胶带运输巷遇断层，围岩裂隙发育，出现冒 顶事故，高1 ．2 m ，宽1 ．8 m 。忻州窑矿三回风斜井及下部联络巷沿1 1 煤层地板掘进，1 1 煤层地质构造较为复杂，每层厚度变化较大，5 ～1 7 m 之间变化，倾角变化较大，局部 地段达4 5 。，煤质松软，节理发育，巷道掘进即冒。靖远大水头煤矿1 1 8 0 水平运输大 巷在使用过程中出现严重的变形和破坏，虽然经过多次修复，仍然变形不止。攀枝花煤 业 集团 有限责任公司太平煤矿在2 0 0 4 年开始了南四运输大巷的开拓工作。施工过 程中发现 9 0 0 水平南四运输大巷穿越不规则煤层与构造破碎带交汇区，巷道围岩 煤、 岩 破碎，稳定性很差。在巷道掘进过程中出现严重的垮帮和冒顶，最大冒顶高度达到 9 m ，巷道施工被迫采用小断面贯通。巷道支护后，约1 个月就出现明显的变形和碹体开 西安科技大学硕士学位论文 裂，虽然采取了加U 型钢支架联合支护等手段，巷道的变形与破坏仍然难以得到控制， 掘进工作被迫于2 0 0 4 年8 月停止1 2 ～1 9 14 3 1 。 对于该类破碎围岩巷道的支护，目前方法也多种多样，没有形成统一的认识，研究 仍然处于探索阶段。因此，一次支护往往很难对破碎围岩进行有效的支护，常常出现大 范围的冒顶、塌方、垮帮等事故。由于围岩松散、破碎，在二次支护时存在很大的安全 隐患，研究对象条件复杂多变，目前还没有形成完善的破碎围岩巷道修复支护理论和方 法来指导巷道的修复支护工作，继续进行此类研究具有重要的理论意义和实践价值。 在倾斜岩层中沿走向开掘巷道，巷道围岩表现出非对称变形和破坏的特性，这种变 形、破坏与岩层的倾角和岩石的强度有关，本论文拟通过物理相似模拟试验再现这一现 象的存在，并进一步通过数值计算 R F P A 2 D 得出这类巷道围岩的变形与破坏机理，为 此类研究的深入进行提供有益的借鉴。 1 ．2 破碎围岩巷道支护理论研究的发展 对于破碎围岩巷道修复支护理论，目前专门的研究较少。但是，破碎围岩作为软岩 的一种，其巷道支护理论的发展与软岩巷道支护理论的发展密切相关，有关软岩支护的 理论可供借鉴。从早期的软岩巷道支护理论来看，主要还是对破碎围岩巷道的研究，这 里对软岩巷道支护理论的发展做一简单总结。 软岩巷道支护理论的发展大致可分为三个阶段【5 j 1 2 0 世纪2 0 年代以前主要是古典的压力理论阶段，这种理论是基于一些简单的假 设。 2 2 0 世纪2 0 年代至6 0 年代的松散体理论阶段。这一理论是把岩体视作松散体， 认为作用在支护结构上的荷载是围岩塌落拱内的松动岩体的重量。有代表性的是泰沙基 和普氏理论。 3 2 0 世纪6 0 年代前后发展起来的支护与围岩共同作用的现代支护理论，这种理论 一方面是由于锚喷支护等现代支护形式的出现，保证了围岩不发生坍塌；另一方面是由 于岩体力学的发展，由此逐渐形成了以岩体力学原理为基础的，以锚喷支护为代表的， 考虑支护与围岩共同作用的现代支护理论。 2 0 世纪初发展起来的是以H a i m 、R a n k i n e 和MHMK 理论为代表的古典压力理论。 但是随着开挖探度的增加，人们发现古典压力理论许多方面都有不符合实际之处，于是， 坍落拱理论应运而生，其代表有T e r z a g h i 和兀Po ⅡtH K 0H0B 理论。坍落拱理论 认为坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。K ．T e r z a g h i 认为坍落拱形状为 矩形，而M ．M ．npO 且bHH0HOB 则认为坍落拱形状呈抛物线形。坍落拱理论 的最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力【6 】。 2 0 世纪6 0 年代，奥地利工程师L ．V ．R a b c e w l e 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，称为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m A T M 1 7 ⋯，新奥法目前已成为地下工程的主要设计施工方法之 一。1 9 7 8 年，L ．M u l l e r 教授比较全面地论述了新奥法方法的基本指导思想和主要原则， 并将其概括为2 2 条。 日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为，隧道围岩的 应变随支护结构的增加而减小，而容许应变则随支护结构的增加而增大。因此，通过增 加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围之内。支护结构的设计则是在 由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。 2 0 世纪7 0 年代，M ．D ．S a l a m o n 等人又提出了能量支护理论。该理论认为，支护 结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收 一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整 围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。 2 0 世纪8 0 年代以来，地下工程软岩问题的理论研究进入了一个新的阶段。我国将 “软岩”定为“七五”、“八五”国家攻关科研，1 9 8 6 年成立了软岩分站，并年年召开软 岩学术研讨会。在国际上，1 9 8 1 年9 月，国际岩石力学学会委托日本岩石力学学会在东 京召开“深部岩石力学与岩石物理”等国际会议，1 9 8 9 年在前苏联召开了“深部矿井地 层压力控制”国际学术会议，1 9 9 2 年在美国召开“岩石支护会议”等等。九十年代软岩 又作为主攻方向1 8 ““5 “6 J 。 从近十年来的会议论文及期刊论文来看，在软岩支护上已是硕果累累。关于软岩的 支护理论，国内针对不同的软岩条件，提出了大量的支护理论。比较典型的有1 2 “’5 “J 1 软岩巷道优化支护理论中国矿业大学何满潮教授等针对膨胀型和大流变型软 岩提出了“软岩巷道优化支护理论”，指出合理释放和控制软岩的塑性变形能，容许软 岩进入塑性状态，控制其达到最大塑性承载力为最佳。据此提出了最佳支护时间等概念 和方法，产生了对证原则、过程原则、塑性圈原则和优化原则等。 2 u 型钢支护壁后充填理论中国矿业大学陆世良教授等针对大变形软岩巷道提 出了利用u 型钢支架进行支护的理论，建立了软岩巷道的支架围岩关系，给出了壁后充 填支护的原理和方法。 f 3 围岩松动圈理论董方庭教授针对动压软岩巷道，提出了围岩松动圈支护理论， 确定了支护的主要对象为松动圈发展过程中的碎胀变形 碎胀力 。据此理论，可以采 用锚杆支护代替U 型钢支护控制软岩巷道。该理论在矿山地下巷道支护中取得了比较广 泛的应用，特别是在断面不大而围岩松软的回采巷道支护得到广泛的应用。 4 软岩巷道的维护理论北京科技大学方祖烈教授针对大断面软岩巷道的锚网支 护，根据巷道破坏为拉破坏的原则，提出了“防止巷道表面出现张拉域，充分发挥和利 用挤压域的承载力”的大断面巷道围岩加固和支护原则。 西安科技大学硕士学位论文 5 东北大学郑雨天教授针对软岩支护理论，提出了软岩巷道支护的几个关键问题 合理确定巷道围岩加固圈的厚度，合理的让压应当是先柔后刚，保障预紧力才能形成主 动支护。 6 1 广西大学范秋雁教授针对巷道围岩流变，结合新奥法原理提出了围岩控制的关 键是控制弹性区围岩在稳定蠕变内，同时设计可以适应和控制进入稳定蠕变围岩的合理 支护恒阻和可缩性。 7 中国矿业大学侯朝炯教授针对软弱破碎围岩的支护，提出了注浆加固技术，并 提出了加固帮脚控制围岩变形的理论。 8 西安科技大学黄庆享教授和惠兴田副教授针对攀枝花太平煤矿南三运输大巷的 研究中，对于破碎围岩的支护提出了极限自稳隐形拱理论，对该破碎带大巷的治理取得 成功，获得了2 0 0 4 年四川省科技进步二等奖。该理论指出，巷道顶部潜在的危险体是 那些单元体中存在拉应力的岩体；巷道帮部潜在危险体是那些单元体中存在剪应力的岩 体【2 】。 1 ．3 国内外对于破碎围岩巷道的支护技术 1 ．3 ．1 国内对于破碎围岩巷道的支护技术 不稳定巷道的支护问题，过去被认为是世界煤矿巷道支护的难题，我国除煤炭行业 多次组织专家攻关外，国家在“七五”、“八五”重大科技攻关项目中，列为攻关课题。 过去不稳定巷道的支护，大多采用料石砌碹、混凝土碹、钢筋混凝土碹，以后又采 用矿用工字钢、槽钢、U 型钢金属支架。当这些支架均不能保持巷道稳定时，人们又设 计用料石圆碹、加木砖可收缩料石圆碹、壁后充填粉煤灰等让压料石圆碹、条带碹。另 外，还采用各种联合支护，如锚、网、喷；锚、带、喷；锚、网、梁、喷锚、网、架、 喷；锚、网、喷、碹联合支护；碹、锚、网、喷支护等也没有完全解决问题【1 0 2 剐。 在“六五”期间，建设北皂煤矿时采用锚、网、喷；锚、网、架、喷，配合二次支 护基本上解决了北皂煤矿不稳定巷道的支护问题。 在国家“七五”攻关期间，除继续改善上述支护体系处理不稳定巷道支护问题外， 重点研究了用可伸缩锚杆、预应力高强度大弧板、u 2 9 型全封闭可缩性金属支架来解决 不稳定巷道的支护问题。 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出的利 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不稳定巷道的支护二 是由山东科技大学提出的在锚喷支护基础上，通过锚注加固围岩，提高再生围岩岩体弹 性模量来使不稳定巷道保持稳定。实践证明，可伸缩锚杆、金属支架、高水速凝材料注 浆加固法，由于成本高，工艺复杂，高水速凝材料生厂厂家很少，质量不稳定而未能推 4 l 绪论 ， 广应用；锚注技术由于工艺简单、成本低，只要认真抓好工程质量，支护可靠性高而被 广泛应用。它现在不仅用于煤巷，而且用于岩巷、硐室；不仅用于新掘巷道，而且广泛 用于地下工程维修；不仅用于静压巷道，而且也用于动压巷道。是目前处理不稳定巷道 支护优先选择的支护技术‘2 9 吲】。 2 0 0 3 年西安科技大学黄庆享教授等在攀枝花煤业集团太平煤矿进行破碎带围岩修 复支护研究时，提出了极限自稳隐形拱理论，根据这一理论针对南三大巷采用锚、网、 喷、注联合支护有效的控制了巷道的变形破坏。 1 ．3 ．2 国外对于破碎围岩巷道支护技术 总的来看，国外支护技术与我国支护技术相比并不先进。为适应不同围岩的需要， 我国的支护技术类型更多。但国外支护设计、制造更规范，更先进。安装、检测设备也 更先进、更可靠。但因国家不同其支护体系也有很大的差异‘1 0 ’4 2 1 。 美国、澳大利亚除早期在煤矿支护中应用过砌碹、锚喷、金属支架外，近几十年来 一直以锚杆支架为主体。对于稳定、较稳定围岩重点采用普通锚杆支护；对不稳定围岩 一般采用锚网、组合锚杆 网 、高强超长锚杆 网 等支护形式；对于极不稳定围岩主要 采用组合锚杆桁架、锚索支护；对一些特殊地点如随掘随冒、淋水大又破碎的地方采用 金属支架。 西欧如英、法、德等国直到8 0 年代仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同的金 属支架。他们的金属支架是根据不同围岩进行设计，并有专门工厂统一加工。其加工质 量好，性能可靠，机械化安装，效果好。但在8 0 年代后期，他们开始引进美国、澳大 利亚的锚杆技术。目前，各类不同的锚杆、组合锚杆、锚杆桁架及锚索支护约占支护总 量的9 0 ％，取得良好的经济效益和社会效益。 俄罗斯、波兰等国至今仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同类型的金属支架， 对极不稳定围岩也是采用翻修的方法处理，金属支架用量约占支护总量的7 0 ％左右，其 他部分为锚喷、木支架、砌喧等。 从以上研究看出，对于破碎围岩巷道的支护，目前已经有很多方法，国内外目前还 没有通过数值模拟进行分析形成统一的认识，本论文中，作者采用R F P A 2 0 数值计算软 件，对太平矿急倾斜破碎岩层巷道围岩的变形与破坏作了研究，揭示了围岩变形与破坏 机理。 1 ．4 研究的内容和方法 1 ．4 ．1 主要研究内容 综合以上分析，本文以攀枝花煤业集团太平煤矿南四大巷为研究对象，结合急倾斜 西安科技大学硕士学位论文 破碎围岩巷道的特点，进行急倾斜破碎围岩巷道破坏机理和修复支护研究。主要研究以 下内容 1 分析南四大巷围岩破碎带的特性 2 开展南四大巷围岩破坏的现场调查和实测，掌握急倾斜破碎围岩巷道的变形 和破坏特征与规律； 3 开展巷道开挖与破坏的物理相似模拟试验和数值分析 4 进行理论分析，揭示巷道变形与破坏的机理；提出了对急倾斜破碎围岩巷道 的修复支护方法和技术，并在现场实践检验。 1 ．4 ．2 研究方法 本论文在认真总结前人研究成果的基础上，拟采用以下研究方法 1 首先通过现场实测，认识急倾斜破碎围岩巷道的外在破坏特征； 2 进行物理相似模拟试验，迸一步认识急倾斜破碎围岩巷道内部的破坏过程和 特征； 3 运用数值模拟，定量分析急倾斜破碎围岩巷道的破坏机理； 4 通过理论总结，提出此类巷道围岩修复支护技术，并进行实践验证。 6 2 太平矿急倾斜破碎固岩巷道变形的基本特征 2 太平矿急倾斜破碎围岩巷道变形的基本特征 2 ．1 破碎围岩巷道的定义 2 ．1 ．1 软岩的定义 国内外学者对软岩的性质和分类进行了研究，给出了软岩的定义，但是，在近几年 的文献中，关于软岩的概念很多，总结起来，大体上可分为描述性定义、指标化定义和 工程定义三类【8 19 】 1 描述性定义 1 原煤炭工业部矿山压力情报中心站副站长、软岩分站站长、长春煤炭研究所总 工程师陆家梁提出软岩是指松散、软弱的岩层，它是相对于坚硬岩层而言的。软岩由 于成岩时间短、结构疏松、胶结程度差，故自身强度很低。 2 原煤炭工业部软岩分站副站长郑雨天、王明恕、何修仁教授等认为软岩是软 弱、松散、膨胀、流变、强分化蚀变及高应力岩体的总称。 3 淮南矿业学院朱效嘉教授提出松软、破碎、膨胀及风化等岩层称为软岩。 4 原东煤公司的曾小泉高级工程师认为软岩是松散破碎、软弱、强风化和膨胀 性岩层的总称。 5 1 9 8 4 年1 2 月，在昆明市举行的“煤矿矿山压力名词讨论会”上提出的定义是 松软岩层 软岩 是指强度低、空隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著 或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层。 2 指标化定义 1 I S R M 国际岩石力学学会1 9 9 0 年，1 9 9 3 年 定义软岩是指单轴抗压强度在 O ．5 ～2 5 M P a 的一类岩体。 2 G ．R u s s o 1 9 9 4 年 定义软岩指单轴抗压强度小于1 7 M P a 的岩石。 3 工程定义 1 中国矿业大学董方庭教授提出松动圈厚度大于1 ．5 m 的围岩，称为软岩。 2 中国矿业大学鹿守敏教授提出围岩松动圈大于1 ．5 m ，并且用常规支护不能适 应的围岩称为软岩。 2 ．1 ．2 破碎围岩巷道的定义 从软岩的定义中，可以看出，松散、破碎岩层属于软岩的范畴。在此，通过参阅关 于破碎围岩巷道的文献资料和工程实际，给出破碎围岩巷道的定义。 7 西安科技大学硕士学位论文 破碎围岩巷道是指在断层、褶曲等地质构造带、风化带的巷道以及受采动集中应力、 失修等各种原因，导致围岩松散破碎容易失稳的巷道。 由于围岩本身已处于松动破碎状态，成为散体结构，因此极易片帮冒顶，产生很大 的松动位移和松动压力，给巷道支护带来很大的困难。 2 ．2 急倾斜破碎围岩巷道变形和破坏规律 2 ．2 ．1 太平矿急倾斜破碎围岩巷道概况 攀枝花煤业集团太平煤矿 9 0 0 m 水平南四运输大巷自2 0 0 4 年1 月从南三采区石门 交叉口开始施工，到2 0 0 4 年8 月底停于2 2 一l 拌煤层破碎带 图2 ．2 ，共计掘进7 5 ．5 m 。 该段斜穿2 2 ．2 撑、2 2 一l 捍煤层，煤层松软、破碎，且夹粗砂岩，极不稳定煤层顶底板围 岩为粗砂岩，层理发育明显，极破碎，易冒落。 【岩石名称柱状 层厚累计厚度 岩石特征f 值 m 日 I 泥质粉砂岩2 ．32 ．3 黑灰色，中厚层状 2 3 I 、 1 ．53 ．8 22 煤层， l 一3 泥岩j0 ．84 ，6 黑灰色 2 3 粉砂岩4 ．5 9 ．1 黑灰色．中厚层状 2 3 细纱岩 3 l2 ．1 灰色，中厚层状 4 6 粗砂岩 灰白色．厚层状5 8 图2 ．1 南四大巷围岩柱状图 南四运输大巷施工中采用砌碹支护，2 0 0 4 年1 月施工不到1 个月巷道斜穿2 2 2 煤 层，围岩破碎，巷道掘进改为小断面架棚临时支护，然后再扩大断面进行砌碹永久支护。 2 月底，砌碹支护1 个月左右，碹体就发生开裂，虽然采用了架三心拱金属棚和喷浆等 措施，巷道的破坏仍然难以控制。直到7 月决定改道掘进，至8 月底又遇2 2 1 弹煤层破 碎带，发生冒顶而停工。 2 太平矿急倾斜破碎围岩巷道变形的基本特征 图2 ．2 南四大巷旌工情况 2 ．2 ．2 巷道围岩主要破坏特征 南四大巷从南三石门至目前掌头7 5 ．5 m 巷道采用砌碹支护，大部分碹体己开裂，巷 道的典型破坏状况分为6 个断面 图2 ．2 ，如图2 _ 3 ～图2 ．8 所示。 l l 图2 ．31 断面素描 距南三交叉口5 m 图2 ．42 断面素描 距南三交叉1 31 8 m 9 西安科技大学硕士学位论文 图2 ．53 断面 距南三交叉口2 8 m 图2 ．64 断面 距离南三交叉口3 8 m 图2 ．75 断面 距离南三交叉口4 8 m 图2 ．86 断面 距离南三交叉口5 8 m 根据上述现场素描和调查，发现南四大巷冒顶和垮帮具有如下主要特征 1 巷道的破坏主要为受倾斜层理影响的倾斜高冒型； 2 巷道破坏明显的地段，都处于煤岩交界处； 3 巷道的变形与破坏原因，主要是开掘后没有及时主动支护围岩，松动的破碎 围岩沿急斜煤、岩层弱面发生松脱运动，导致非对称的顶部冒落； 4 冒落高度一般在4 m 以上，冒宽发育不大。 O 习。一1。。_10一 ]ji一11j 2 太平矿急倾斜破碎围岩巷道变形的基本特征 2 ．2 - 3 急倾斜岩层巷道破碎围岩变形破坏规律 2 0 0 4 年8 月，对南四大巷已经支护的7 5 ．5 m 段进行了变形宏观观测，得出巷道变形 规律如表2 ．1 、图2 ．9 和图2 ．1 0 所示。 表2 ．1 南四大巷两帮变形量 西安科技大学硕士学位论文 4 ．3 0 蠢4 ．1 0 悄 鞋3 ．9 0 超 d 辆3 ．7 0 051 01 52 02 53 03 54 04 5 5 05 5 6 0 6 57 07 5 距离南三交叉L q ／m 图2 ．9 南四大巷变形两帮移近变形规律 051 01 52 02 5 3 03 5 4 0 4 55 05 5印6 57 07 5 距离南三交叉口／m 图2 ．1 0 南四大巷变形两帮宽度变化规律 由图2 ．9 、图2 ．1 0 可以看出，南四大巷变形破坏有如下规律 1 第一段自南三石门口0 ～1 4 m ，左帮破坏段 该段巷道两帮移近量一般在1 5 c m 以内，最大2 0 c m 图2 ．1 1 。巷道主要在两拱肩 出现开裂，开裂位置距离地面约2 ．2 m ，主要是左帮碎胀鼓起。 图2 ．1 1 南四大巷O ～1 5 m ，左帮破坏段 ∞鲫∞∞如m 0 gu＼蚓蚪饕辩医 2 太平矿急倾斜破碎围岩巷道变形的基本特征 2 第二段自南三石门口1 4 ～2 8 m ，两帮破坏段 该段位于南三总回口之前，两帮移近一般在3 0 c m 左右，最大3 5 c m 。左帮内鼓明显， 开裂位置距离地面1 ．6 m 左右，右帮也发生鼓起和开裂，开裂位置距离地面约1 ．1 m ，如 图2 ．1 2 所示。 第一段和第二段的破坏，主要是左帮斜穿2 2 ．2 存煤层破碎带引起的。 图2 ．1 2 南四大巷1 5 ～2 8 m ，两帮破坏段 3 第三段自南三石门口2 8 ～5 6 m ，全断面破坏段 该段的特点是全断面收缩，两帮移近量一般为4 0 c m ，最大4 8 c m ，伴随有顶板下沉 l O ～3 0 c m 。巷道变形的主要特征是两帮破碎，项拱有环向裂纹，该段在砌碹的基础上又 采用三心拱形金属支架加固，仍然难以控制。 根据破坏原因和状态，该段又分为 1 南三总回口右帮破坏段 距南三石门口2 8 ～3 8 m 主要受南三总回交叉口施工 的影响，表现为右帮破碎 图2 ．1 3 ，两帮移近量一般为2 5 ～3 0 c m 。南三总回交叉口弯 道也破坏严重，呈尖桃形破坏 图2 ．1 4 。治理工作应当结合交叉口进行。 2 全断面收缩破坏段 距南三石门口3 8 ～5 6 m 主要受2 2 ．1 和2 2 ．2 煤层的共同 影响，两帮变形，引起顶拱开裂，并具有全断面收缩特性。由于受急倾斜层面的构造力 影响，表现为非对称变形，如图2 ．1 5 所示。 4 第四段自南三石门口5 6 ～7 0 m ，左帮破坏段 该段巷道两帮移近变形量一般为1 5 c m ，与2 2 ．1 ≠f 煤层交汇处 距南三石门口6 2 m 处 达到3 0 c m 。主要受左帮2 2 1 ≠f 煤层的影响，巷道砌碹体主要表现为左侧帮破坏，已 采取了架梯形金属支架加强支护措施，如图2 ．1 6 所示。该段的破坏形态与第二段类似。 5 第五段掘进头段，自南三石门口7 0 ～7 5 ．5 m ，右帮破坏段 煤层靠近掘进头附近，2 2 1 煤层转移至右帮，导致巷道右帮上部出现高冒，冒高 5 m ，向右帮方向偏出2 m 。 j。。』 西安科技大学硕士学位论文 巷道砌碹体主要表现为右侧破坏，如图2 ．1 7 所示。 图2 ．1 3 南四大巷2 8 ～3 8 m ，右帮破坏段 图2 ．1 4 南三总回交叉口内尖桃型破坏 巷3 8 ～5 6 m ，全断面破坏段 图2 ．1 6 南四大巷5 6 ～7 0 m ，左帮破坏段 1 4 2 太平矿急倾斜破碎围岩巷道变形的基本特征 图2 ．1 7 南四大巷掘进头 2 ．3 急倾斜破碎围岩巷道变形破坏特征 根据上述调查和分析，南四大巷的主要变形和破坏特征如下 1 巷道的变形和破坏主要位于煤岩交界带，该区域由于受构造运动的影响，煤 层及其围岩破碎 2 巷道采用被动支护方式，没有对围岩进行及时的主动加固和支护，使煤岩产 生松动，松动岩体沿急斜层面下滑而造成巷道冒顶和帮鼓 3 在倾斜岩层中沿走向开掘的巷道，其变形和破坏变现出不对称性，这种不对 称性与薄弱层煤层的强度、倾角以及巷道的位置有关。 西安科技大学硕士学位论文 3 急倾斜破碎围岩巷道变形相似模拟实验研究 3 ．1 相似模拟的目的和内容 相似模拟实验成功与否常取决于模型与原型相似条件的满足程度，相似模拟实验就 是要用和原型力学性质相似的材料，按照一定的几何比例模拟岩层及煤层，并进行开挖， 在满足相似的边界条件下，在相似的时期内造成相似的矿山压力现象，通过测量和分析 其规律，来满足巷道支护和采矿的需要。 3 ．1 ．1 相似模拟的目的 在急倾斜破碎岩层中沿走向开掘巷道，巷道围岩的变形、破坏与水平岩层中巷道围 岩的变形破坏不同。巷道的变形与破坏往往受岩层倾角和巷道围岩岩石的强度有关，通 过相似材料模拟试验认清倾斜破碎岩层中巷道的变形与破坏特点，揭示其变形破坏机 理。 3 ．1 ．2 相似模拟的实验的研究内容 1 急倾斜破碎岩层巷道开挖围岩变形规律 2 急倾斜破碎岩层巷道开挖围岩破坏规律 3 ．2 相似模拟实验设计 3 ．2 ．1 相似模拟实验理论 相似模拟实验原理依照相似理论，有三个定律概括 1 相似第一定律对于两个相似的力学系统，在任意力学过程中，他们对于长 度、时间、力及质量等基本物理量应当满足几何相似、运动相似、动力相似。 2 相似第二定律 7 c 定律 其核心是约束量相似现象的基本物理方程，用量刚 分析方法转换成用相似判据7 【方程的新方程。 3 相似第三定律具有相同的单值条件和相同的主导相似判据时，现象才互相相 似。 3 ．2 ．2 模拟参数及模型设计 1 确定相似参数 根据试验目的，依据相似准则，计算相似系数。 1 6 3 急倾斜破碎围岩巷道变形相似模拟实验研究 1 几何相似比 、 设计原型的尺寸为，。，模型的相应尺寸为‘，取几何相似系数为 q 等 而1 ； c s ．1 2 时间相似比 由于原型和模型中的重力加速度相等，