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第 8卷 第 2期 总第 5 5期 2 0 0 3年 6月 煤矿 开 采 Co a l Mi ni ng Te c h no l o g y V o 1 ． 8 N o ． 2 S e r i e s N o ． 5 5 J u n e 2 0 0 3 裂 隙岩体 巷道稳 定性模 拟研 究试验 翟路 锁 潞 安矿 业集 团 技 术 中心 ，山西 襄 垣 0 4 6 2 0 4 [ 摘要] 通过对构造裂隙煤岩体巷道稳定性的试验 室相似模拟试验，结合潞安矿 区裂 隙分布 状况 ，研 究控制性构造裂隙与巷道布置匹配以及裂 隙分布参数变化对巷道稳定性 的影响规律和 回采巷 道 布置 与 其 匹配 的基本 原 则 。 【 关键词] 巷道稳定性能；构造裂隙；模拟试验 [ 中图分类号]T D 3 1 5 ． 3 [ 文献标识码]B [ 文章编号 ]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 3 0 2 4 0 4 6 - 0 2 M o d e l t e s t s t u d y o f t h e s t a b i l i t y o f r o a d wa y i n c r a c ke d r o c k ma s s 1 构造裂 隙影响 因素概 述 在巷 道的稳定性 研究 中 ，普遍 考虑 的重点 是地 应力和巷 道围岩强度及 相关 因素 ，对巷道轴线 布置 方位 与工 程 规 模 的差 异 对 巷 道 稳定 性 影 响考 虑 较 少。而这 方面 的影 响因素 主要受 构造控制 的原 位岩 体 的裂 隙分布 、构 造地应力及 工程规模 等对巷道稳 定性综合 影响 的结 果。 由于原 位岩体构造 裂隙影 响 因素 的复杂性 ，使 裂隙分 布与巷道稳定 性关系 的研 究进 展缓慢 。 在原位 岩体构造裂 隙的影响 因素 中 ，巷道 的稳 定性 不仅 受 构 造 裂 隙 的组 数 、间 距 密 度 、方 位 、倾 角 、各组裂 隙弱 面之 间的组合关 系及其 与巷 道临空面夹 角 的影响 ，还和巷道跨 度与裂 隙间距 的 相对 比值 有关 ，和巷道 所处 的构 造应力场有关 。下 面主要通过试 验室模 型试验 的分析结 果 ，研究 分析 构造裂 隙诸要素对 巷道稳定性 的影响 。 2 模 拟试验方 案设计 为了研究潞安 矿区裂 隙煤 岩体巷道 的稳定性 问 题 ，结 合裂 隙分布和巷道 布置 的匹配类 型 ，在室 内 抽 象提 炼 出裂 隙煤 岩体 巷道 的稳 定 相似 试验 模 型 ， 重 点研究具 有主导控制性 构造裂 隙与巷道布置 匹配 以及裂隙分布 参数 变化 对 巷道 稳定 性 的影 响规 律 ， 最 后给出潞 安矿 区裂 隙分 布与 回采巷 道布置 匹配的 总体 原则 。 在模 型 设 计 时 ，巷 道 宽 高 为 4 ． 0 m 3 ． 0 m，取 为 定 值 。 模 型 的 加 载 条 件 按 2 0 0 m， 3 0 0 m，4 0 0 m，5 0 0 m，6 0 0 m，7 0 0 m 开 采 深 度 ，相 应地 换算 为 加 载 载荷 。 围 岩 内 的裂 隙 间距 分 为 3 种 ，即 3 ． 0 m，4 ． 0 m，5 ． 0 m；巷 道轴线 与裂 隙走 向 方 位夹角 亦 设计 为 3种 ，即 0 。 两 者平 行 、4 5 。 斜交 和 9 0 。 垂 直 正交 ；裂 隙 面倾 角 与 水 平面交角 亦设计为 3种 ，即 1 0 。 近 水平 ，4 5 。 倾 斜 ，9 0 。 垂直 。共组成 9种模拟 方案 。 试验 时采用 3轴 压 力试 验 机 ，模 型 为 0 ． 5 m 0 ． 5 m X0 ． 5 m 的正 方 体 ，模 拟 几 何 相似 比为 1 5 0 。 相似材 料模 型模拟试 验 的观测 研究 内容包括 1 在不 同加 载 载 荷 时 ，不 同方 案 的 巷道 变 形 、破 坏状况 ； 2 在不 同加 载 载 荷 时 ，不 同方 案 的 巷 道 周 边 围岩 的收 敛变化规律 ； 3 在不 同加 载 载 荷 时 ，不 同方 案 的巷 道 裂 隙产生 、贯 通开裂 的演 化规律 。 在新奥 法 中，围岩 变形量测 是施工管理 和支护 设计不可 缺少 的重要 手段 。因此 ，以上各模 型 的分 析 ，都 以巷道 围岩 的收敛作 为巷 道 围岩稳 定性 的评 价 指 标 。 ， 3 模 拟试验分 析 在模 型试 验 中 ，随 着 加 载 载 荷 的增 加即巷 道埋 藏深 度 增 加 ，巷道 围岩 的 收敛 量 不 断加 大 ， 先后 呈现弹性 变形 阶段 、弹塑性 阶段和塑性流 动状 态。根据各方 案的巷道位 移量 ，求 其巷道 围岩收敛 【 收稿 日期】2 0 0 2一 l 2一 l 7 [ 作者简介】翟路锁 1 9 6 3一 ，男，河北晋州人，高级工程师，1 9 8 3年毕业于山西矿业学院 ，现在集团公司技术中心从事技术工作。 4 6 维普资讯 翟路 锁 裂 隙岩 体 巷道 稳 定 性模 拟研 究试 验 2 0 0 3年 第 2期 量 的均值 ，见 表 l 。 表 1 巷道 围岩收敛■的分组均值 ／ mm 注 裂隙 间距 i的 I因素水 平 为 5 m， Ⅱ因 素水 平 为 4 m， 1 1I 因 素水 平 为 3 m；裂 隙倾 角 妒 的 I因 素 水 平 为 2 0 。， I I因 素 水 平 为 4 5 。 ，Ⅲ因 素水 平 为 9 0 。；裂 隙方 位 角 a 的 I因 素水 平 为 0 。 ， I I因 素水 平为 4 5 。 ，Ⅲ因 素水平 为 9 0 。 。 根据表 中数据 ，可绘制 出裂 隙间距 i 、裂 隙面 倾角 、裂 隙走 向与巷道轴线方 位夹角 和在不 同 埋深下 的巷道 围岩 收敛 量关 系 曲线 。经 回归 分析 ， 可得 在各个不 同埋 深下的巷道 围岩收敛量 与裂隙空 间产状 参数 之 间 的关 系 ，即裂 隙 间距 与顶 底板 、 两帮移近 量 的关 系 ；裂 隙 面倾 角 与顶 底 板 、两 帮移近量 的关 系 ；裂 隙 走 向和 巷 道 轴线 夹 角 与 顶底板 、两 帮移近量 的关 系。 由分析 可知 ，对 于顶底 板 ，当裂 隙间距 i 与 巷 道跨度相 当时 ，巷道稳定性 最差 ，当裂 隙间距 小于 ． 巷道跨度 时也 较 差 ，而 当裂 隙 间距 大 于 巷 道 跨 度 时 ，巷道稳 定 性 较 好 ；对 于 两 帮 ，裂 隙 间距 i越 大 ，两帮 移 近 量 越 大。 随 裂 隙 面倾 角 的 增 大 ， 巷道 围岩 的稳定性 逐渐恶化 ，对 顶底板影 响 比两帮 表 现 更 迅 速 。 随着裂隙 走 向和 巷 道 轴线 夹 角 的增 加 ，巷 道 的顶 底板移 近量 逐 渐减小 ，即巷 道稳 定性 增 加 ， 0 。 时 ，稳 定 性 最 差 ； 9 0 。 时 ， 巷 道 的 稳 定 性 最好 。而对 于两 帮 ，一般 4 5 。 时 ，巷 道 稳 定性 最差 ，有 时表现为 0 。 时 ，稳定性 最 差 ； 9 0 。 时 ，巷道 的稳 定性相对最 好 。 因素的影响显 著程度和主次 排序 ，为分 析诸 因素 间 的影响程度 和主次排序 ，将 y 巷道 收敛 量 对 i 、 ， 以及 日 巷道 埋 深 4个 因 素作 四元 线 性 回 归 ，可 得 Y两格 一 l 5． 0 5 0． 31 7H 2 8．1 i 0． 45 9q 一 0 ． 6 7 o t 1 y顶底板 38． 3 7 1 ．1 96H 一41 ． 5 47 6I 4 ． 3 5 7 o一3 ． 3 5 1 o t 2 式 1 的复 相关 系 数 R 0 ． 5 5 7，计 算统 计 量 F1 5 ． 4r o ．05 4，4 9 2 ． 5 6，说 明此 回归 方 程 是 显 著 的，标 准 回 归 系 数 b 3 ． 0 1 ，b i 1 ． 6 3 7，b 2 ． 7 8 7，b 。6 ． 6 7，比较这 4个 标准 回 归系数可 知 ，H，i ， ， 对 巷 道 两帮 围岩 稳定 性 影响 的显 著性主次顺序 为 裂 隙走 向与巷道 轴线夹 角 巷道埋深 H裂 隙倾 角 裂 隙面 间距 i 。 式 2 的复相 关 系数 R 0 ． 6 5 2，计 算统 计 量 F 2 2 ． 9 4F o ．0 5 4，4 9 2 ． 5 6，说 明此 回归 方 程是 显 著 的。标 准 回 归 系 数 b 7 ． 1 2 9，b i 1 ． 1 6 7，b 64 ． 4 0 4，b 。4 ． 2 3 7，比较 这 4个标 准 回归系数可 知 ，H，i ， ， 对 巷道 顶 底 板 围岩 稳 定性 影响 的显 著性主次顺 序为 巷道 埋深 H裂隙 倾 角 裂隙走 向与巷道 轴线 夹角 裂 隙面 间距 i 。 由上 分析可 知 ，裂 隙 间距 较大 ，即其 数值与巷 道跨度 为同一数量 级时 ，对 巷道 围岩变形 收敛量 的 影 响程度 不很显 著 ，它只是对 围岩体表 现为一定程 度 的裂隙削弱损 伤 ；据此可 以推断认 为若 裂 隙间距 比巷道跨度低 一个数量级 时 ，其对裂 隙岩体巷道稳 定性 的影响将会 显著 。裂 隙方位与巷道 轴 向的空间 匹配夹角 对 巷道两 帮 的围 岩稳 定性 起控 制 作用 ， 而巷道埋深 日则是巷 道顶 底板 稳定 性 的决定 因素 ， 裂隙倾 角 对 整 个 巷 道 围岩 的收 敛 变 形 量 大小 与 稳定性 程度 都 有 非 常 重 要 的控 制 性 作 用 。 由此 可 见 ，在 布置 回采 巷道 时 ，首先 要考虑裂 隙走 向以及 裂 隙面倾 角 的产状 ，尽可能使 巷道轴线 与裂隙走 向 相垂 直 ，以使 巷道 穿过软弱 面的距离最 短 ，或 者在 必 须布置特定方 向的顺裂 隙 以及与 裂隙走 向小 角度 夹 角巷道时能 事先采取有 效的 支护 技术措施 ，保证 巷 道 的稳 定 性 。 4裂隙产 状影 响巷 道稳定 的显著 性排序分 析 5 裂 隙岩体 巷道稳定 性模拟试验 的主要 结论 前 述 的单 因素影 响分析 只能说 明每个单 因素对 巷道 围岩稳定性 的相关变化 规律 ，而不能说 明这些 针对原生 控制性裂 隙分 布 因素对 巷道稳定性 的 下转 5 2页 4 7 维普资讯 总 第 5 5期 煤 矿 开 采 2 0 0 3年 第 2期 3 ． 3 施 工 方 法 3 ． 3 ． 1底 鼓 部 分 先将 底鼓段破 坏 的原砼层 去掉 ，挖至 巷道底板 下 8 0 0 mm处 ，打 5 X1 8 0 0 mm管缝式 锚杆 ，托板 规 格 4 0 0 1 D A T I X 2 0 0 m m X 6 mm，锚 杆 外 露 1 0 0 m m， 菱 形排 列 ，间 排 距 8 0 0 mm X 8 0 0 mm，直 墙 转 角处 加 打斜锚杆伸 向底板下方 。然后在巷道 基础下 方设 计 位 置 横 穿 4 ． 8 m 的 1 1 工 字 钢 并 固定 好 ，间 距 0 ． 5 m。再 浇 注 砼 至 0 ． 8 m 厚 。如 图 4 。 l 一砼 墙 体 内 1 l 工 字钢 ；2 一 底拱 内 1 1 工字 钢 ；3 锚 杆 图4巷道 断面 3 ． 3 ． 2拱 顶 部 分 将松 动料石 于施工前撬 除 ，采用挂 网锚 喷法修 复 。金属 网 规 格 7 0 m m X7 0 mm，锚 杆 规 格 5 X 1 8 0 0 mm。托 板 规 格 3 0 0 I D A T I X 1 5 0 m m X 6 mm，修 复 时不 破坏 巷 道 原 支 护层 ，直 接 于其 上 菱 形 布置 锚 杆 ，间距 8 0 0 mm X 8 0 0 I D A T I ，喷层 厚 5 0 mm，破 坏严 重 地段间排 距 4 0 0 mm x 4 0 0 mm。 施工利 用 1 9 9 3年 春 节 检修 期进 行 ，共 修 复 巷 道 8 0 m，其 中底 鼓 段 3 0 m，用 7 d时 间完 工 。1 9 9 6 年在该 区域沿煤层 又施工 1条 主胶带 巷 ，主石 门所 修复地段 未受影 响 ，至今仍 正常使用 ，说 明在 高应 力 区采 用底锚 、砼层配备 工字钢 的平 底拱联 合支护 修复 方法 ，克 服底鼓取得 成功 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]俞茂鲮 ，汪惠雄 ．材料力学 [ M]．北京 高等教育 出版社， 1 98 6 ． [ 2 ]中国矿业大学 ．井 巷工程[ M]．北京 煤炭工业 出版社， l 9 8 4． [ 3 ]钱鸣高，刘听成 ．矿山压力及其控制[ M]．北京煤炭工业 出版社 ．1 9 8 4 ． [ 4 ]吴钰应 ，等 ．岩体力学[ M]．阜新辽宁工程技 术大学 ， l 9 8 4． [ 责任编辑 邹正立】 上接 4 7页 影响 问题进行 的模 拟试验研究 ，获得如下 结论 1 裂 隙岩 体 巷道 围岩 体 的变 形 破 坏 规 律 一 般先 是巷道 围岩 体 的裂 隙面内 出现塑性 变形 ，而后 出现 裂隙面 间的滑动 ，因裂隙面 的剪切 滑动最终 导 致 巷道 围岩 的结 构失稳破坏 。 2原 生 主裂 隙 控制 作 用 条件 下 的裂 隙分 布 状 况 裂 隙间 距 、裂 隙 倾 角 、裂 隙方 位 对 巷 道 稳定 性影 响的规 律一 般 是 对 于 不 同的 裂 隙间距 ， 当裂隙 间距 与巷道 跨 度相 当时 围岩 的稳定 性 最差 ； 对 于不 同倾 角 的裂 隙面 ，随倾角 的增大 ，巷道 的稳 定 性减弱 ；对于不 同方位匹配 的裂隙组 ，当裂隙走 向与巷道垂 直时 ，对 巷道 的稳定 最有利 ，当裂隙 的 走 向与 巷 道 轴 线 成 4 5 。 角 时 ，对 巷 帮 的 稳 定 最 不 利 ，当为 0 。 时对巷 道的顶板稳定 性最不利 。 3 裂 隙 间距 与 巷 道 跨 度 为 同 一 数 量 级 时 ， 对巷道 围岩稳定性影 响不显著 ；裂隙 间距 比跨度低 一 个 或二个数量 级时 ，对巷 道稳定性影 响显著 。显 5 2 著影 响巷道 围岩稳定性 的因素 主要是裂 隙方 位匹配 夹 角与裂 隙倾 角 ，在 不考 虑构 造 应力 场 的情 况下 ， 巷 道 埋 深 对 巷 道 围岩 顶 板 稳 定 性 的 影 响 远 大 于 对 巷 道 两帮稳定性 的影 响。 4 潞 安矿 区 回采 巷 道 的顶 板 岩 层 裂 隙 分布 一 般为倾角 7 O 。 左右 ，裂隙方 位 与巷 道轴 线夹 角存 在 O t O 。 ，5 0～6 o 。 和 8 O～9 o 。 的情 形 ；裂隙 间距 i 0 ． 6～1 ． 0 m，3～4 m 及 5 m 以上 的 实例 ，就 裂 隙 倾角 而言 ，与模 型试 验 的陡立裂隙情况 相接近对 巷 道稳定性 和支护 不利 ，影 响程度最 大 ；同时 因受潞 安矿 区大规 模 构 造 裂 隙控 制 的顶 板 岩 层 裂 隙 倾 角 大 ，属 于高角度 ，使得巷道 布置轴 向与裂隙走 向匹 配夹 角的变化对 回采巷道稳 定性影 响很 明显 ，在 布 置 回采巷道时应 尽量加 以避 免 ，或 者当裂隙走 向与 巷道 轴 向匹配 不利时 ，应 事先就 裂隙分布对巷道 稳 定性 的影响程 度进行评价 预测 ，采取 切实有效 的支 护加 固技术措施 。 【 责 任编 辑 邹正立 】 维普资讯