深部巷道围岩力学特征及其稳定性控制.pdf

第 3 4卷第 7期 2 0 0 9年 7月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C HI NA CO AL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 4 J u l y No． 7 2 0 0 9 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 9 0 7 0 8 8 1 0 6 深部巷道 围岩 力学特征及 其稳定性控 制 常 聚 才， 谢广 祥 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建实验室 ，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要 通过对深部岩巷开挖后 围岩应力演化特征 、变形破 坏规律的分析，揭 示了深井岩巷 围岩 稳定性控制机理． 由此提 出了深部巷道锚 网索刚柔耦合及 围岩整体注浆加固支护技术 ，即在 高强 度 、高预应力锚杆支护的基础上 ，适 时实施锚 索关键部位加 强耦合支护及 围岩 注浆加 固和底板超 挖锚注回填，并在施工过程中通过反馈信息进行参数优化．工程实践表明，该技术能够较好地控 制深部岩巷 围岩 变形． 关键词 深井 ；岩巷 ；力学特征 ；耦合 支护 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 A M e c h a ni c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d s t a bi l i t y c o n t r o l o f r o c k r o a dwa y s ur r o un d i ng r o c k i n d e e p mi ne C HANG J u c a i ．XI E Gu a n g x i a n g T h e K e y L a b o r a t o r y o fS a f e a n d H i g h - e ffic i e n c y Mi n i n g of Mi n is t ry ofE d u c a t io n ， A n h u i U n i v e r s i ty o JS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Abs t r a c tBa s e d o n a n a l y z i n g s t r e s s e v o l v i n g c h a r a c t e r i s t i c s，d e f o r ma t i o n a n d f a i l u r e l a ws o f r o c k r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k i n d e e p mi n e，s t a b i l i t y c o n t r o l me c h a n i s m o f d e e p mi n e r o c k r o a d wa y wa s d e mo ns t r a t e d． Th e s up p o r t i n g t e c h n o l o g y o f t he r o a d wa y i n d e e p mi n e，t h e c o u p l e d s u p po rti n g o f b o l t me s h a n c h o r a n d i n t e g r al s ur r o u n d i n g r o c k r e i n f o r c i ng，wa s p u t f o r wa r d a nd p u t i n t o p r a c t i c e a c c o r d i n g l y．Ba s e d o n h i g h s t r e n g t h a n d h i g h p r e s t r e s s b o l t i n g，a p p l y i n g hi g h p r e s t r e s s a n e h o r c a b l e s u p po rti ng a t k e y p o s i t i o ns a n d gro u t i n g t o r e i nfo r c e s u rro u n di ng r o c k， a d o p t i n g e f f e c t i v e s up p o r t i n g me a s ur e s o f t h e flo o r，a nd o p t i mi z i n g p a r a me t e r s a c c o r d i n g t o f e e d b a c k i nfo rm a t i o n d u rin g d riv i n g，i t c a n k e e p r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k o f d e e p mi n e s t a b i l i t y ．Th e p r a c t i c e p r o v e s t ha t t h e s up p o rti n g t e c h n o l o gy i s r e a s o n a b l e a n d b e t t e r t o c o n t r o l l i n g s ur r o u nd i n g r o c k mo v e me n t ． K e y wo r d s d e e p mi n e；r o c k r o a d wa y；me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s；c o u p l e d s u p p o rti n g 随着矿井开采逐渐向深部发展 ，原岩应力与构造应力不 断升高 ，岩体 的稳定性差 ，巷道变形特别严 重 ，维护困难 ，且常常出现前掘后修 、重复翻修的现象 ，维护费用高．能否解决深部巷道的支护难题 ，是 我 国煤炭开采向深部发展和安全生产的关键 问题之一．针对深井开采及巷道围岩稳定性控制 ，国内外学者 进行了大量研究 ，并取得 了一定的研究成果 I 4 ] ．然而深部岩巷 的支护设计存在诸多不确定因素 ，如围岩 性质分布、地应力场分布等 ，导致经典的工程设计方法 已不适用 于深部巷道工程 ．为 了寻求合理 的深 部巷道支护设计理论与方法 ，首先要清楚深井巷道围岩力学特征．本文通过对巷道开挖后 围岩应力演化特 征 、变形破坏规律的分析 ，并在透析深部巷道变形原 因及破坏根源的基础上 ，研究深部巷道围岩稳定性控 制对策． 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 0 3 责任编辑 柴海涛 基金项目“ 十一五”国家科技支撑计划资助项 目 2 0 0 7 B A K 0 8 B 0 4 作者简介常聚才 1 9 7 9 一 ，男，山东临沂人，讲师，博士．E m a i l c j c m i n e c o a l 1 6 3 ． c o m 8 8 2 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年 第3 4 卷 1 工程背景 淮南望峰岗煤矿 一 8 1 7 m水平北翼轨道石门，岩层以泥岩 、砂质泥岩 、细砂岩为主．巷道断面形状为 直墙半圆拱 ，掘进的宽度及高度分别为 5 7 0 0及 4 7 5 0 mm．根据对 一8 1 7 m水平地应力测试结果 ，该区最 大水平主应力值为 2 0 ． 3 3 M P a ，方位角为 3 5 1 ． 4 。 ，铅直应力为 1 7 ． 2 MP a ，侧压系数约为 1 ． 1 2 ，应力场 以 水平应力为 ． 2 数值计算模型及方案 采用 F L A C 如计算程序分析深部岩巷开挖后围岩应力 演化特 征、变 形 破 坏 规 律．根 据 地 质 条 件 ，建 立 长 6 0 m、高 5 0 m、沿巷道掘进方向长 5 0 m的模型进行三 维计算模拟 ，模型共有 1 1 ． 4万个单元 ，巷道附近周边 网格进行加密 ，尺寸平均为 0 ． 5 m 0 ． 7 11 3 0 ． 5 m，其 他部分 网格成发散状布置 图 1 ． 模型侧面限制水平移动，模型底 面限制垂直移动 ， 模 型 上 部 施 加 垂 直 载 荷 模 拟 上 覆 岩 层 的 质 量 ，为 1 7 ． 2 MP a ．由于实际中围岩破坏后仍然具备一定 的承载 ■ 上部岩体 一 花斑泥岩 ■ 泥质粉砂岩 一 砂质泥岩 粉细砂岩 ● 砂质泥岩 嚣 含砂泥岩 一 下部岩体 图 1 三维模型 F i g ． 1 T h r e e d i me n s i o n a l n u me r i c a l mo d e l 能力 ，并且围岩的强度随时间增加而降低，故选取应变软化模型进行模拟． 2 ． 1 巷道开挖前、后围岩应力演化特征 图 2为掘进工作面前方 5 m、掘进工作面处 以及掘进工作面后方 5 m处的最大主应力场和等值线．掘 进工作面前方 5 m围岩在后方开挖影响下 ，最大主应力在将要开挖巷道的位置形成应力集中，应力升高至 6 6 MPa ． 掘进工作面前方5 m处 掘进工作面处 掘进 ‘ [ 作面后方5 m处 一 5 2 ． 5 -～5 0 4 7 ． 5 -～ 4 5 4 2 ． 5 -～ 4 0 3 7 ．5 -～ 3 5 商 曼 ＼ 5 O 4 5 4 0 -一 3 5 、 3 0 2 5 2 0 1 5- ／ 1 0 ～一 5 5 O ～ 4 4 0 - 3 3 O ～一 2 2 O ～l l o 一5 O -l 1 ．2 5 5 H 5 - K 图 2巷道开挖后最大主应力场 F i g ．2 Ma x i mum p rin c i p a l s t r e s s fie l d a f t e r t he r o a d wa y d r i v e d 巷道开挖后 ，巷道周围岩体应力急剧降低 ，在距离巷道顶、底板 3 m左右的区域形成应力集 中，应力 峰值达到6 2 ． 4 M P a ．距离掘进工作面后方5 m处，巷道周边围岩的最大主应力水平降低范围继续向深部 围岩扩展 ，同时顶 、底板的应力集 中区推移至距离顶底板 4 m的区域 中，应力进一步升高至 6 4 ． 6 M P a ． 在整个巷道开挖的过程中，最大主应力是先向中间集中，然后 围岩应力大幅度释放 ，巷道周围的低应力区 逐渐向围岩深部扩展 ，顶底板的最大主应力集中区逐渐增大并 向围岩深部转移． 2 ． 2 巷道开挖前、后围岩破坏特征 图3为巷道围岩破坏区及其发展变化．处于掘进工作面前方约 4 m的岩体虽然还未开挖 ，但也会因为 巷道开挖的影响而处于塑性状态，塑性区范围为 3 I l l 左右 图 3 b 中 1号区域 ．当巷道开挖后 ，围岩在 高应力的作用下 ，大范围并且快速发生破坏．随着塑性区的发展和掘进的进行，在掘进工作面后方 1 m左 第 7期 常聚才等深部巷道围岩力学特征及其稳定性控制 8 8 3 图 3 巷道开挖后围岩破坏区及其发展变化 右 ，巷道的底板及底板 隅角部位距 离巷道边缘 0 ． 5 m范围内的岩体发 m 生拉破坏 2号区域 ，其他 区域的 破坏形式以剪切破坏为主． 在掘进 工作 面后方 5 m以内的 区域内，围岩塑性 区不断发展 ，顶、 底板 围岩 的塑性 区范 围不 断扩 大 ， 形成近似半径为 4 ． 5 m 的圆形塑性 区．在掘进工作 面后方大于 5 m的 巷道 ，帮部的塑性区范围不再扩大， F i g ～F i 。 “ 。 “ d i 。 。 “ i 。 “。 “ d i “ g r o c k a f t e r t h e m d w a y d v e d 但顶 、底板塑性 区范围仍继续扩大 ， 最终顶板塑性区范 围达到 5 ． 5 m，底板围岩塑性区范围可以达到底板以下 6 ． 5 m． 2 ． 3巷道围岩位移场变化特征 图 4为巷道沿掘进方向的位移矢量 ，由图 4可见 ，在掘进工作面到其后方 5 m范围内，顶、底板变形 迅速发展 ，相对移近量较大．在掘进工作面后方 5～1 0 m 内，相对移近量增加速度变缓．在掘进工作面后 方 l O～1 5 m内，相对移近量增加缓慢 ，围岩变形逐渐趋于相对稳定． 图 5为距 离掘进工作面不 同位置剖面的位移矢量．可以看出，掘进工作面后方 l m处 ，巷道周边的围 岩发生变形．掘进工作面后方 5 m处 ，包括顶底板 、两帮、拱肩、隅角在 内的全断面处变形量明显增大， 拱肩部位及底板位移矢量尤为突出． 掘进 工作面后方1 m 掘进工作面 后方5 m 图 4 巷道开挖后沿掘进方 向位移矢 量 F i g ． 4 D i s p l a c e me n t v e c t o r o f t h e r o a d w a y a l o n g t h e d r i v i n g 2 ． 4深部巷道围岩的力学特征 图5 巷道开挖后距离掘进工作面不同位置剖面的位移矢量 F i g ． 5 Di s p l a c e me n t v e c t o r o f t h e r o a d w a y a t the d i ffe r e n t p o s i t i o n s 1 由于开挖扰动的影响 ，处于掘进工作面前方 尚未开挖的岩体出现应力集中及塑性破坏现象 ； 2 巷道开挖后 ，围岩 内积聚的高应力向巷道方 向释放 ，巷道周 围一定范 围内围岩 的应力大幅度降 低 ，且随着时间的增加 ，降低的程度及范 围进一步加大 ，即围岩的 自承能力逐步降低 ； 3 巷道开挖后 ，由于围岩内应力释放 ，导致 围岩发生破坏 ，而巷道破坏先是从几个部位破坏 将 这些部位称之为关键部位 ，然后发展到整个巷道失稳破坏 ； 4 巷道周边一定范围内围岩的应力释放，使得围岩的变形剧烈，破坏严重，且围岩的变形及破坏 随时间的推移继续发展 ； 5 巷道围岩具有强大的变形及破坏范围，而且底板 围岩的变形及破坏范 围明显大于巷道两帮及顶 板． 3 深部巷道 围岩 稳定性控制方法 要维持深部巷道围岩稳定性 ，其支护必须与深部巷道 围岩力学特征相适应 ，支护不可能一次到位 ，需 8 8 4 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年 第3 4 卷 进行二次或多次支护 ，发挥耦合支护作用共同控制围岩的变形破坏．研究表明 ，锚网支护对提高围岩 的强度 ，改善围岩的应力状态有积极的作用 ；高预紧力锚索能将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的关键 承载层相连 ，充分调动深部围岩的承载能力 ，使更大范围内的岩体共 同承载 ，提高支护系统的整体稳定 性；而注浆能够提高巷道周边破坏损伤围岩的强度．为此，提出深部巷道锚网索刚柔耦合及围岩整体加固 支护技术．其设计思路 1 掘巷时允许 围岩产生一部分松动变形 ，释放一部分集聚在围岩内的变形能 ，但应采取初喷的措 施及时封闭围岩，也是为了使钢筋网与巷道帮部及顶板表面围岩充分接触或背实； 2 及时对巷道进行高强度 、高预应力锚杆、钢筋 网支护，增加 围岩的强度 ，提高围岩的 自承能力 ； 3 在初次支护的基础上，根据深部巷道 的破坏从关键部位 的开始特征 ，通过现场监测 、数值模拟 等手段确定加强支护关键部位； 4 适时在关键部位实施高预应力锚索耦合支护 ，加强关键部位 的稳定性 ，并抑制其破坏范围向更 深处发展 ； 5 对巷道进行监测 ，根据量测信息的反馈确定是否需调整支护参数 ； 6 根据监测结果 ，在巷道变形剧烈阶段 以后 ，适 时对巷道 围岩进行注浆加 固，以提高围岩的整体 承载能力 ，增 强 围岩 的稳 定性，抑制 围岩 变形及破 坏的继续发展 ； 7 选择合 适 的时 间 及方法对巷道底板进 行支 护，增强巷道底 板 围岩 的 稳定性． 其主要工艺流程如图6 所示 ． 开挖巷道 卜 I 封闭围岩 初喷 H挂金属网 巷道底板支护 确定合 理措施 围岩注浆加 固 支 护 参 数 优 化 确 定合理时间 复喷混凝土 支护效果监测 图6 深部巷道锚网索刚柔耦合及围岩整体加固支护技术工艺流程 F i g ． 6 T e c h n o l o g i c a l fl o w o f t h e s t a b i l i t y c o n t r o l o f t h e d e e p mi n e r o a d w a y 4 支护设计实例 4 ． 1 支护设计内容 1 巷道开挖后 ，对其进行初喷厚 5 0 m m的 C 2 0混凝土封闭围岩． 2 进行锚杆、钢筋网支护 ，锚杆为高强度锚杆 ，采用建筑用 V级钢，杆体外螺纹采用等强度加工 的无纵筋左旋螺纹 ，锚杆屈服强度 I7 0 0 MP a ， 延伸率 6 ≥1 0 ％．使用 2 3 5 5型树脂药卷 ，每根 锚杆 3个药卷 ，抗拔力不小于 1 0 0 k N，扭距不小 于 2 0 0 N m；钢筋 网直径 为 6 ． 5 m m，规 格为 1 7 0 0 mm1 0 0 0 m m 长 宽 ，格子 1 0 0 m m 1 0 0 mm． 3 每个断面在两拱肩及顶板中央布置 3根 长 6 ． 5 n l 、直径 1 5 ． 8 4 mm的锚索 ，排距 3 m，每 根锚索 4个 2 3 5 5型药卷 ，预紧力不小于 8 O k N ． 4 用强度为 C 2 0混凝土对巷道进行复喷 ， 喷层厚度 1 0 0 IT lm左右，支护参数如图7 所示． 图7 巷道断面及支护参数 F i g ． 7 C r o s s s e c t i o n a n d s u p p o r t i n g p a r a me t e r s o f t h e r o a d w a y 5 对巷道深部围岩位移、锚杆 索受力进行现场监测，图 8 为巷道深部围岩位移及移近速率变 化曲线， 可以看出，巷道深部围岩的变形移动可以分为3 个阶段变形移动剧烈阶段 2 0 d 、变形移 动平缓阶段 2 O～ 5 0 d 和变形移动相对稳定阶段 5 0 d ，且2 ． 5 3 ． 0 m内的围岩存在一定的离层． 第 7期 常聚才等深部巷道围岩力学特征及其稳定性控制 8 8 5 可见巷道深部围岩破坏范围较大 ，支护参数不能满足控制围岩变形的需要 ，需进一步改进 、优化． 2 5 g 2 0 g 5 1 o 匠5 2 ．0 一 一 g 1 ． 5 g 一 ＼ 斛 1 ． 0 0 ． 5 j 囵 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 巷道掘进天数 ／ d 巷道掘进天数 ／ d 图 8 巷 道深 部围岩位移变化及移近速率变化 曲线 F i g ． 8 De f o r ma t i o n a n d d e f o r ma t i o n v e l o c i t y c u r v e s o f d e e p s u r r o u n d i n g r o c k 6 将计算机对参数处理的灵活性和正交设计对参数 的有效性结合在一起 ，实现巷道支护设计的优 化 ，设计 的正交试验水平及因素见表 1 ．选用巷道两帮相对移近量和顶、底板相对移近量作为正交试验考 察的指标 ，通过数值计算及综合平衡分析 ，获得合理支护参数 锚杆长度 2 ． 5 m、锚杆直径 2 2 m m、锚杆 间排距 7 0 0 m m、锚索长度 6 ． 5 m、锚索直径1 7 ． 8 m m． 表 1 模 型中影响因素的级别 Ta b l e 1 Le v e l o f i n flu e n c i n g f a c t o r s i n t h e mo d e l 7 在巷道剧烈变形 阶段 以后 的缓慢变形 阶段初期 ，即巷道掘出 2 0 d后 ，对其进行注浆加固．注浆 浆液为 P o 3 2 ． 5级普通硅酸盐水泥配制成的单液浆 ，水灰 比为 0 ． 7～1 ． 0，采用深浅孔交替注浆 ，深孔 3 m， 浅孔 1 ． 5 m，孔径 6 4 2 m m，注浆终压为 2～3 MP a ． 8 根据深部岩巷底 臌范 围大、底臌强 的特点 ， 提出了一种 控制底 臌 的新方 法 J ，超 挖锚 注 回填技 术 ，即在巷道变形趋 于相对稳定 时，对底板一定深度 的岩体进行超挖 ，然后对超挖巷道的底板进行锚管注 浆．锚管长度 2 ． 5 m，间排距 2 ． 0 m2 ． 5 m，锚管端 部车丝 ，注浆完毕用专用托盘上紧，最后用 C 4 0混凝 土对超挖底板进行回填． 4 ． 2 控制效果 巷道施工后 ，对巷道顶 、底板及两 帮收敛进行现 场观测 ，围岩变形如 图 9所示．经过 5 0 d的观测 ，巷 l l 1 ＼ m 脚 O 1 O 2 O 3 O 4 0 5 O 观测 时间 ／ d 图 9 巷道表面 围岩变形 曲线 Fi g ．9 De f o rm a t i o n c u r v e s o f s ur f a c e s u r r o un d i n g r o c k 道两帮收敛量为 1 5 2 m m，顶、底板收敛量 1 1 9 m m，并在 3 0 d 左右变形趋于稳定，保证了巷道的正常使 用 ，取得 了良好的技术经济效果． 5 结 论 1 揭示了深井巷道掘进过程中围岩的力学特征．处于掘进工作面前方尚未开挖的岩体由于开挖扰 8 8 6 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年第3 4 卷 动影响出现应力集中及塑性破坏 ；巷道开挖后 ，若不及时合理支护 ，巷道围岩切 向应力将形成较大应力集 中，围岩应力场达到围岩强度极限后 围岩发生破坏，切 向应力峰值点 向巷道围岩深部转移 ，且巷道破坏先 是从底板、顶板 中央及两拱肩破坏 ，然后发展到整个巷道失稳破坏 ；底板围岩的变形及破坏范围明显大于 巷道两帮及顶板． 2 深部巷道支护必须与巷道围岩力学特征相适应 ，才能保持巷道围岩稳定性 ，提出了深部巷道锚 网索刚柔耦合及围岩整体加固支护技术．在高强度 、高预应力锚杆支护基础上，适时实施锚索关键部位加 强耦合支护及围岩注浆加固和底板超挖锚注回填， 并在施工过程中通过反馈信息进行参数优化． 3 工程实践表明，锚网索刚柔耦合与围岩整体注浆加 固支护技术是控制深部岩巷围岩变形的有效 方法． 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 康红普，王金华，林健．高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 7 ， 2 3 1 2 1 2 3 31 2 3 8． Ka n g Ho n g p u，Wa n g J i n h u a ，L i n J i a n ．Hi g h p r e t e n s i o n e d s t r e s s a n d i n t e n s i v e b o l t i n g s y s t e m a n d i t s a p p l i c a t i o n i n d e e p r o a d _ w a y s[ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ，2 0 0 7 ，2 3 1 2 1 2 3 31 2 3 8 ． 孙晓明，何满潮，杨晓杰．深部软岩巷道锚网索耦合支护非线性设计方法研究 [ J ] ．岩土力学，2 0 0 6 ，2 7 7 1 0611 06 5． S u n X i a o m i n g ，H e Ma n c h a o ， Y a n g X i a o j i e ．R e s e a r c h o n n o n l i n e ar m e c h a n i c s d e s i g n m e t h o d o f b o l t n e t - a 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