深井高应力破碎区巷道破坏机理及控制研究.pdf
第 2 5卷 第 4期 2 0 0 8年 1 2月 采矿与安全工程学报 J o u r n a l o f Mi n i n g . S a f e t y En g i n e e r i n g V0 1 . 2 5 No . 4 De c . 2 0 08 文章编 号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 8 0 4 0 4 9 4 0 5 深井高应力破碎 区巷道破坏机理及控制研究 何 杰 ,方新秋 ,许 伟 ,洪木银 中国矿业大学 矿业工程学院 , 煤炭资源 与安全开采 国家重点实验室 ,江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 摘要 为了解决深井、 高应力和破碎 区巷道维护 问题 , 针对薛湖矿一7 8 0 m 大巷 复杂工程地质状 况, 研究了大巷围岩特征及破坏因素, 依据围岩破坏和受力特征 , 建立力学模型 , 探讨破坏机理, 提 出大巷 的控 制原 则 和控 制技 术 , 采 用 UD E C软件 模 拟优 化 不 同控 制 方 案 , 确 定新 支护 方 案及 合理的支护参数 , 进行井下工业性试验, 利用矿压观测和拍摄 围岩 内部状况检验新方案的有效 性. 研究结果表明 巷帮中存在圆弧状“ 滑动面” , 控制巷道的关键是确定巷帮稳定 区临界 高度, 控 制“ 滑动面” 稳定 , 实施新设计方案后 , 一7 8 0 m 大巷 变形得到 了有效控制. 关键词 深 井 ;高应 力 ; 破碎 围岩 ;滑动 面 ; 锚 网索 支护 中图分 类号 TD 3 2 2 文 献标识 码 A Fa i l u r e M e c h a n i s m a n d Co n t r o l M e a s u r e s o f Ro a d wa y i n Hi g h S t r e s s a n d Br o k e n Ar e a a t a Gr e a t De p t h HE J i e ,F ANG Xi n q i u,XU W e i ,HONG M u y i n S c h o o l o f M i n e s ,S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Co a l Re s o u r c e s a n d Mi n e S a f e t y, Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g& Te c h n o l o g y,Xu z h o u ,J i a n g s u 2 2 1 1 1 6 , C h i n a Ab s t r a c t To s o l v e t h e p r o b l e m o f r o a d wa y ma i n t e n a n c e i n a h i g h s t r e s s a n d b r o k e n a r e a a t a g r e a t d e p t h,a c c o r d i n g t o t h e c o mp l e x e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i n Xu e h u Mi n e一 7 8 0 m ma i n r o a dwa y。we s t u di e d t he c h a r a c t e r i s t i c s a nd f a i l u r e f a c t or s o f ma i n r oa dwa y s ur r o un di n g r o c k s a n d e s t a b l i s h e d t h e me c h a n i c a l mo d e l ,p r o b e d i n t o t h e f a i l u r e me c h a n i s m,a n d p r o p o s e d s o m e c o nt r ol me a s u r e s a nd t e c hno l o g i e s .I n a d d i t i o n,we s i m u l a t e d a n d o p t i mi z e d di f f e r e nt c o n t r ol s c he m e s b y u s i n g t he UDEC s o f t wa r e t o d e t e r m i n e s o me ne w t e c hno l o gi c a l pa r a m e t e r s f o r i nd us t r i a l t e s t . By us i n g t he o bs e r v a t i o n d a t a a n d pho t os ,t he v a l i d i t y o f t hi s ne w s c he m e wa s v e r i f i e d .Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e i s a n “ a r c s h a p e d s l i d i n g s u r f a c e ”i n t h e r o a d wa y s i d e s , t h e k e y o f c o n t r o l l i n g r o a d wa y i s t o d e t e r mi n e t h e c r i t i c a l h e i g h t o f s t a b l e a r e a S O a s t o ma k e t h e “ a r c s ha pe d s l i d i ng s ur f a c e ” a s t a b l e on e . Af t e r t he n e w s c he me ha s be e n i m p l e me n t e d,t he一 7 8 0 m r o a d wa y d e f o r ma t i o n h a s b e e n e f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d . Ke y wo r d s d e e p we l l ;h i g h s t r e s s ;b r o k e n s u r r o u n d i n g r o c k;s l i d i n g s u r f a c e ;b o l t me s h a n c h o r S up p or t 目前我国已有 4 3个矿区的 1 2 0座矿井采深超 过 6 0 0 m, 有 1 7 1处 矿井 采 深达 到 8 0 0 m, 超 过 1 0 0 0 m的矿 井 已出 现 , 矿井 开 采 逐 渐 进 入 深 部 开 采的范畴Ⅲ , 一般认为 , 采深达 7 0 0 1 0 0 0 m 时可 称为深部开采 . 国内外学者对于深埋高应力巷道作了不少的 研究[ 3 - 5 ] , 但 由于其赋存 条件和影响 因素 的复杂性 和不确定性 , 其破坏机理不同. 本文针对薛湖煤矿 收稿 日期 2 0 0 7 ~1 2 0 4 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 5 0 4 0 1 4 作者简介 何杰 1 9 8 4 一 , 男 , 河南省长葛市人 , 硕士 , 从事采矿工程方面的研究 E- ma i l 3 8 9 3 8 2 9 a b c d 1 6 3 . c o m Te l 1 3 8 5 2 4 3 5 4 3 6 第 4 期 何杰等 深井 高应 力破碎区巷道破坏机理及控制研究 一 7 8 0 m大巷 围岩受多种应力 、 易破碎和难维护 的 特点 , 以及在巷道开挖后发生大变形一 破裂一 碎裂~ 整 体失稳的破坏特征 , 分析其破坏机理 , 提 出控制原 则和技术 , 成功控制了巷道 的变形. 1 大巷围岩 特征及 其破坏 因素分析 薛湖矿煤层埋藏深, 煤 岩性质变化较大 , 断裂 构造发育 , 井下属高温区, 巷道涌水量大 , 瓦斯 高; 矿井可采煤层为二。 煤 , 其底板下距太原群灰岩含 水层平均 4 2 . 5 6 m, 受高压水作用有突水危 险, 井 筒位置深部距断层近, 浅部受煤层赋存标高 限制 , 井筒位置可调动余地小 , 使矿井第一水平大巷布置 在二 煤顶板岩石 中, 位于侯寺 向斜轴部附近,且 距断层 近 , 埋深 为 一 7 8 0 m, 大 巷 围岩 以砂 质 泥 岩 、 粉砂 岩为 主 , 断 面 为 1 6 . 9 m , 锚 喷支护 . 据井下观测和宏观统计 , 一7 8 0 m大巷破坏原 因 , 主要有 1 深水平垂直应力作用. 2 强烈地质构造应力作用. 3 矿井 水 的影 响. 4 高温影响. 5 支护设计问题. 2 巷道破坏机理分 析 由一7 8 0大巷围岩特征可知 , 围岩承受较大垂 直应 力 , 巷 道开 挖后 , 顶 部承受 载 荷将 转移 到 两帮 , 两帮具有明显剪应力特征 , 在巨大剪应力作用下将 发生大变形一 破裂一 碎裂~ 整 体失稳 , 此 时巷帮 沿一 “ 滑动面” 滑落失稳 , 见 图 1 所示. g j J J j J I J J J J 』 Q o 顶 当 7 7 l ‘ l/ c 巷 道 . ‘ 移面 图 1巷 遭 围 岩 力 学 模 型 F i g . 1 M e c h a n i c a l mo d e l o f r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k “ 滑动 面”由于 围岩性 质均匀 类似 为一 圆弧 面『 6 ] , 弧面以上的部分是 由较破碎围岩组成 , 围岩 之间抗压和抗拉强度较低 ; 另外巷道实际断面为拱 形 , 为研究需要 , 将巷道顶板视为梁结构 , 梁结构为 顶板岩层中的似连续体短梁、 夹层梁或层梁 , 根据 巷道受力特征建立如图 1所示 的巷道 围岩力学模 型 . 对顶板进行受力分析 , 根据梁两端对称的特征 可知 Mo M1 , 由梁处于平衡可得梁端的支撑反力 P一 l二 旦 韭 , 1 Z 式 中 q为横 向均布荷载 ; z 为顶梁 长度 ;P , P , P 。 , P 和 P 为集 中支撑力 ; P为巷帮支 承反力 ; ,Q 为边界力 ; M0和 M 为力偶. 由图 1和式 1 可知 支撑反力过小, 顶粱因支 撑力不足将下沉离层 , 支撑反力过大 , 将超过顶梁 自身抗剪极限, 破坏顶梁. 由图 1 可知 , 巷道两帮受到很大剪应力作用 , 成为巷帮围岩破坏 、 失稳的主要因素. 据 巴顿 B a r - t o n 提出的边坡岩体平面破坏的极 限平衡法 , 把不 稳定岩体分成条块 , 并假定条块 问抗拉强度 为零 , 且主要考虑垂直应力 , 建立巷帮滑动面力学模型如 图 2 所示. 运用极限应力平衡法分析两帮失稳机理 可知 滑 动面上 从 C点到 D 点 承受 应力不 断 累 加 ] , 当在 D点达到岩石的极限强度时 , 通过该点 滑动面上正应力和剪应力满足 f f f a . t a n g o C. 2 当顶梁或者巷帮支护强度不够时, I r J t a n C. 岩石滑动面从 D 点将遭 到破坏 , 断裂成一条 斜 向裂缝 BD, 见 图 2 , 裂 缝沿 滑动 面发 展到 一定 程 度 , 破碎 区将滑动失稳 , 巷 帮破裂、 片帮, 从 而导致 整个 巷 道失稳 . 口 图 2巷 帮 滑 动 面力 学 模 型 F i g . 2 M e c h a n i c a l mo d e l o f r o a d wa y s i d e s s l i d i n g s u r f a c e 滑动面以上 C ABD 区为不稳定 的区, 滑动面 以下 的 BDE区为稳定 区, 其高称为巷帮稳定临界 高 , 可求解和证明巷帮的稳定区临界高 H雎为嘲 H 雎 一 等 t a n 专 K t an { 丌 1 , 3 式中 y为围岩 的比重, c为围岩的黏聚力 , 为岩 石内部摩擦角 , K 为巷帮稳定系数 , 采矿与安全工程学报 第 2 5 卷 K 一 √ 4 一 2 P y t a n 手 一 吉 . 4 由式 3 , 4 可 知 H 随着 P 增 大 而减小 , 故 巷帮 最小 临界稳 定高 度为 H 蹦 一 t n { 叶 1. ㈤ 代入具体力学参数可得该矿巷帮最小临界稳 定高为 1 . 9 6 m. 3巷道控 制原 则及技术 方案 3 . 1 巷道控 制 原则 依据对一7 8 0大巷 高应力破碎 区围岩破坏 因 素和机理的研究 , 为保证巷道的稳定 , 提 出以下控 制 原则 1 在巷道 围岩的稳定性控制过程中, 一方 面 应注意“ 顶一 帮” 间的相互作用关系, 确保顶板 的有 效控制以减少两帮的维护难度 ; 另方面只有防止两 帮的失稳破坏才能减少顶板梁 的跨距和载荷 , 实现 巷道围岩的整体有效控制. 2 控 制顶板 围岩变形 , 既要从提高支护强度 出发 , 还要从梁 自身抗拉 剪 破坏 出发, 若 P值过 大 , 将造成梁 自身破坏. 3 控制巷道稳定 的关键是控制巷帮中“ 滑动 面” 的稳定 , 整个巷道的破坏失稳将从滑动面开始. 4 控制巷帮稳定关键在于确定巷帮的最小临 界稳定高度, 区分稳定区和非稳定区, 通过消除非 稳定区内岩体的影响以及减少 P值来保证巷帮稳 定 . 3 . 2 巷 道控 制关键 技术 针对 一7 8 0大巷 围岩特 征 , 基 于巷 道 破坏 机 理 分析以及巷道控制原则 , 结合该类巷道支护实践经 验, 采用锚网索联合支护技术控制巷道. 1 “ 锚网索” 联合支护技术. “ 锚网索” 联合支 护是将锚杆支护 、 锚索加固和锚 网等 3种技术同时 运用于巷道支护 中, 3种技术有机的结合能有效地 控制多种应力形成的破碎区巷道变形. 2 关键部位加强支护. 巷帮两个顶角为不稳 定 区, 为需要加强支护 的“ 关键部位” , 可采用高强 预应力锚索对其支护, 减轻载荷 , 调动深部 围岩的 承载 能力. 3 在巷帮支护中, 锚杆要穿过“ 滑动面” . 巷帮 1 . 9 6 m 以下采用水平锚杆, 以上采用倾斜锚杆, 使 破碎围岩和深部围岩成为一承载整体. 3 . 3数值模 拟优 化控 制方 案 1 建立模型 根据现场的地质状况, 结合模拟 的目的, 建立 一 7 8 0 m大巷的数值分析模型, 模型的尺寸及各层 名称 和厚 度如 图 3 所 示. 煤 层 垦 矍 鲞 层 一 直援亟 l O 0 下覆岩层 图 3大 巷 数 值 分 析 模 型 Fi g . 3 Ro a d wa y n u me r i c a l a n a l y s i s mo d e l 2 设 计模 拟方 案 为确定合理的支护参数, 根据一7 8 0大巷数值 模型 , 设计如下 5种巷道支护方案 , 求取在不同支 护方 案下巷 道 围岩 的表 面位移 量 、 巷道 周 围塑性 范 围, 围岩应力和巷道 附近的位移矢量. ① 无支护. ② 锚杆锚梁锚 网喷浆 锚索联合支护. 锚 杆矩形 布置 , 顶板采用 , /, 2 0 mm2 2 0 0 mm 的高 强度树脂锚 杆 , 全 长锚 固; 帮用 1 6 mm1 8 0 0 mm 的 树 脂 锚 杆 , 全 长 锚 固. 帮 、 顶 锚 杆 问 排 距 1 0 0 0 mm1 0 0 0 mm. 锚 梁用 1 0 mm 的 圆钢 点 焊 , 锚梁长按巷宽定. 锚 网用菱形钢板网 1 0 0 0 1T i m 2 0 0 0 mi I 1 . 喷浆用 C 2 0混凝 土 , 喷厚 1 5 0 iT l m. 锚 索用 1 5 . 2 4 mm 的钢绞线 , 长为 6 0 0 0 mm, 顶部 每排打 2根锚索 , 每 3排锚杆 问打 1排锚索, 即锚 索排距为 3 0 0 0 mm. ③ 支护方式同方案 2 , 将 帮、 顶锚杆问排距改为 9 0 0 mm9 0 0 mm; 顶部每排打 3根锚索 , 即每 3排锚杆 间打 1排锚索, 即锚索排 距为 2 7 0 0 mm. ④ 支护方式 同方案 2 , 帮 、 顶锚杆 间排距改为 8 0 0 mm8 0 0 mm; 顶部每排打 3 根锚 索 , 每 3排锚杆问打 1 排锚索 , 即锚索排距为 2 4 0 0 mm. ⑤ 支护方式同方案 2 , 帮、 顶锚杆间排距改为 7 0 0 mm7 0 0 mm, 顶部每排打 3根锚索 , 即每 3 排锚杆问打 1排锚索 , 锚索排距为 2 1 0 0 mm. 3 数值模拟结果分析 ① 巷道的表 面位移和塑性区范围 在 5种不同的支护方案下, 巷道的表面位移和 塑性区范围分别见表 1 , 2 . 表 1 巷道的表面位移量 竺 兰 竺 竺 塑 竺 坐 竺 方案 顶板下沉 底鼓 左 帮 右 帮 第 4期 何杰等 深井高应力破碎 区巷道破坏机理及控制研究 表 2 巷道的周边塑性 区范 围 Ta b l e 2 S c o p e o f r o a dwa y s u r r o u nd i n g p l a s t i c ar e a m 方案 顶板 底板 左帮 右帮 由表 1 , 2可看出, 巷道在 5 种不同的支护方案 下, 随着支护强度的增加 , 对应的表 面位移量和塑 性区范围逐渐减小. 而方案 5比方案 4增加支护强 度和支护成本 , 但巷道的变形和周边塑性区范围无 较 大 变化. ② 巷 道 围岩 的应力 分布 5种方案的模拟结果表 明 巷道围岩垂直和水 平应力分布呈现一定的规律 , 下面以方案 4模拟结 果 为例 进行 分析 , 见 图 4 . 4 .9 4 .7 4 .5 g 4 .3 \ 4 . 1 3 . 9 3 . 7 3 . 5 图 4 方案 4下围岩应力分布 图 Fi g .4 St r e s s di s t r i bu t i o n o f s ur r o und i n g r oc k by t he pr o gr am 4 从 图 4可知 , 在 各 种 不 同的 支 护 方 式 下 , 垂 直 应力在巷道两帮产生应力集 中, 水平应力在巷道顶 底板产生应力集 中, 随着支护强度的增加 , 应力集 中的位置 向巷道 方 向移近 , 应力集 中系数逐渐 增 大 . ③ 巷道附近的位移矢量 巷 道 附 近 的位 移矢 量 随 距巷 道 周 边 距 离 的增 大而逐渐减小 , 位移矢量的方向在巷道的周围是指 向巷道的内部; 在巷道 的周边 上, 位移矢量随着距 离边 的中心距 离 的增大 而减 小. 在 5种不 同支 护方 式下, 随着支护强度的增加 , 巷道 附近位移矢量是 逐渐 减 小 的. 综合比较 5种支护方案, 以方案 4最佳. 4工业性试 验 4 . 1 井下监 测 结果分 析 为了验证巷道控制方案的有效性 , 布置矿压监 测站 , 观测新支护方案实施 前、 后巷道内部位移 、 巷 道表面位移和锚杆 锚托力状况 , 其监 测结 果如 图 5 , 6所示 . 量 删 赳 g g 吕 ● I ● ● I _ ● 卜 卜 卜 。。 o。 日期 / 月一 日 a 新方案前 卜 寸 0 I n 0 宁 甲 宁 ■ n n n n n n 寸 寸 寸 日期 / 月一 日 b 新方案后 图 5 巷道 围岩不 同深度处测点位移 观测 曲线 Fi g .5 Obs e r v a t i on c ur ve o f me a s u r i ng p o i n t s d i s p l a c e me n t a t d i f f e r e n t r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k d e p t h 从支护改革前后的观测结果曲线图可看 出 采 用设计 方案 前 , 围岩 内部各 测 点位 移 最大 达 4 O mm, 且呈现增长趋势 , 锚杆受力不均, 两帮锚杆受 力明显要高于顶板, 顶板支护效果差 , 两帮受载大; 采用新设计方案后 , 围岩 内部各测点位移量较小 , 最大达 1 4 mm, 变化趋 于稳定 , 锚 杆受力均衡, 基 本达到要求 , 控制 了巷道稳定性. 6 2 8 4 O g姜卿楼 9 7 5 3 l 9 7 4 4 4 4 4 3 3 g\ 4 9 8 采矿与安全工程学报 第 2 5卷 8 0 蚕 6 0 o 嘉 2 0 0 日期 / 月一 日 a 新方案前 日期 / 月一 日 b 新方案后 图 6 巷道锚 托力 测试 曲线 Fi g 。 6 Te s t i n g c u r v e o f t h e a n c h o r b o l t t r a y f or c e i n r o ad wa y 帮的“ 滑动面” 稳定 , 对易引起滑动面破坏的顶角进 行关键支护. 3 数值模拟和现场工业试验结果表明 一7 8 0 m 大 巷在采 用 新 支 护方 案 后 ,巷 道 围 岩 的 变 形得 到控制 , 可满足安全生产的要求. 参 考文 献 E l i [ 2 ] 4 . 2 内部 围岩状 况 ~ L 3 J 为了更好检验新支护方案的效果 ,结合井下 的 具体条件, 选择变形严重的区域以及应力集 中的部 位进行钻孔 录像, 观测巷 道不 同深度部 位围岩状 况 , 其 观测 结果如 图 7所示 . 一 一 [4] a 距巷道表面1 0 0 c m b 距巷道表面1 5 0 c m 图 7 巷道 内部 围岩状 况 ⋯ F i g . 7 Th e c o n d i t i o n s o f r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k L a j 由图 7可知, 巷道围岩整体完整 , 无明显的顶 板离层、 围岩裂纹、 岩层错动等现象发生 , 表明锚网 索联合支护技术成功控制了围岩的破坏. 5 结 论 [ 6 ] [ 7 ] 1 高应力是深井巷道破坏的主要因素 , 但 因 围岩性质和环境的差异呈现不 同的破坏机理 , 针对 一 7 8 0大巷围岩特征 , 分析其破坏 因素和变形破坏 一一 特征, 建立合适 的力学模 型, 是控制该类巷道的依 据 . .2 控制深井高应力破碎区巷道围岩的稳定 , 一 方面应重视 “ 顶一 帮” 二者间的相互作用关 系, 将 顶板、 两帮和深部围岩形 成一个完整 的“ 支一 围” 体 系, 实现整个巷道围岩的有效控制; 另方面保证巷 李 德 忠 , 夏 新 川 I, 韩 家 根 , 等.深 部 矿 井 开 采 技 术 F M] .徐州 中国矿业大学 出版社 , 2 0 0 5 . 刘泉声 , 张华 , 林涛.煤 矿深部 岩巷 围岩稳 定与 支护对策[ J ] .岩石 力学 与工 程学 报 , 2 0 0 4 , 2 3 2 1 3 7 32 37 37 . 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T e c h n o l o g y ,2 0 0 6 , 3 5 2 4 5 4 9 陈炎光 , 陆士 良. 中国煤 矿巷道 围岩控制[ M] .北 京 中国矿业大学 出版社 , I 9 9 4 . 周 昌寿, 杜竞中 , 郭增 涛 , 等.露 天边坡 稳定 [ M] .徐 州 中国矿业大学出版社 , 1 9 9 0 . 邱青 云.滑动面上不确定 问题 的探讨 [ J ] .石 家庄铁 道学 院学 报 , 2 0 0 2 , 1 5 增 刊 1 0 3 1 0 5 . QI U Qi n g y u n . Di s c u s s i o n o n t h e u n - d e t e r mi n i s t i c p r o b l e ms o n t h e s u r f a c e o f t h e r o c k [ J ] .J o u r n a l o f S h i j i a z h u a n g Ra i l wa y I n s t i t u t e ,2 0 0 2 , 1 5 S u p p 1 0 3 1 0 5. 张玉国 。 谢康和 , 庄迎 春, 等.大埋 深软岩巷道 锚网索 支护机理研究[ J ] .科 技通报 , 2 0 0 5 , 2 1 2 5 7 6 6 . Z HANG Yu g u o, XI E Ka n g h e 。 ZHUANG Yi n g c hun,e t a 1 .St u dy o n t he b ol t me s h a n c ho r s ur r oun d i n g me c h a n i s m o f a r o a d wa y i n a s o f t a n d t h i c k r o c k s e a m[ J .B u l l e t i n o f S c i e n c e a n d T e c h e n o l o g y , 2 0 0 5 , 2 1 2 5 7 6 6 . , 辩擐