浅析深部开采围岩力学特征.pdf

2 0 1 5年第 l 2 期 总第 1 2 3 期 i { l与 钍 E N E R G Y A N D E N E R G Y C O N S E R V A T I O N 2 0 1 5年 1 2月 浅析深部开采围岩力学特征 罗 文 明 神池县煤炭工 业中心 ，山西 忻州 0 3 6 1 0 0 摘要 矿山开采时深部岩体的应力特征造成了其矿压特征的不同，通过分析深部岩体应力特征，解释其深部破坏的 原 因和现象，为深部开采的防护研究奠定理论基础。 关键词 深部开采；岩体；应力特征；矿压；破裂 中图分类号 T D 3 1 3 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 8 0 2 一 2 0 1 5 1 2 0 0 4 1 0 2 On t he M e c ha n i c a l Cha r a c t e r i s t i c s O f Su r r o u nd i ng Ro c k i n De e p M i n i n g L U0 We n mi n g S h e n c h i C o a l I n d u s t r i a l Ce n t e r ， X i n z h o u 0 3 6 1 O 0 ， S h a n x i ， Ch i n a Ab s t r a c t Mi n e p r e s s u r e c h a r a c t e ri s t i c s o f d e e p r o c k ma s s w e r e d i f f e r e n t d u e t o i t s s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s i n d e e p mi n i n g ．B y a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f d e e p r o c k ma s s s t r e s s ， t h e r e a s o n a n d p h e n o me n o n o f d e e p d a ma g e we r e e x p l a i n e d ， wh i c h l a i d a t h e o r e t i c a lu n d a t i o n f o r t h e r e s e a r c h o f p r o t e c t i o n o f d e e p mi n i n g ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ； r o c k ma s s ； s t r e s s c h a r a c t e ri s t i c ； mi n e p r e s s u r e ；r u p t u r e 0 引言 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，岩体稳定性差，巷道变形特别严重， 维护困难，且常出现前掘后修、重复翻修的现象，维 护费用高。能否解决深部巷道 的支护难题是中国煤炭 开采向深部发展和安全生产的关键问题之一。在深部 开采过程中，岩体力学与开挖深度和采掘扰动力等有 很大关系。当没有发生开采活动时，矿区岩体没有受 到外力作用，整体保持平衡状态，此时浅部岩体可以 近似看成处于弹性应力状态；当发生开采行为时，特 别是进行深部开采时，深部岩体受到高地应力和采掘 扰动力等共同作用，此时的前部岩体可以近似看成普 通的坚硬岩石，深部岩体可以近似看成具有塑性、粘 塑性和流变性 能的非 固体 ，这种非 固体岩体具有变形 大 、支护难 的特征【 ” 。当处于深部开采 ，巷道开始被 挖掘时，前部岩体和深部岩体原有的三维方向的应力 平衡状态必定会被打破 ，随之产生了具有塑性 、粘塑 性等特征 的深部岩体 的碎胀变形破坏 ，从而导致在巷 道周围产生大量破碎岩体，并且巷道支护难度也随之 增加。这些因素是深部开采过程中事故发生的力学根 收稿 日期 2 0 1 5 一 l 1 2 3 作者简介罗文明，1 9 6 2 年生，男，山西神池人，2 0 1 5 年毕业 干东 北大学采矿工程专业 ，工程师。 源 ，通常会产生如大面积来压 、冒顶 、大变形且长期 处于流变状态等，这些岩体事故的表现明显不同于浅 部岩体。 l 深部开采岩体力学特征 基 于深部岩体的受力特征 ，当进行深部开采时 ， 深部岩体发生的变化与浅部岩体有明显不同，这些力 学变化对深部开采造成大量不安全因素，影响矿井安 全运行 。 1 ． 1 分 区和破裂化现象 矿山开采时，浅部岩石 的应力具有 明显的分 区特 征，按照浅部岩石力学特性表现不同，可以分为塑性 破裂区、弹性区和原岩力区三个 区域【2 ． 3 J ，因此对浅部 岩体的本构关系的研究，可以采用弹塑性力学的基本 理论进行推导求解和分析。深部岩石应力具有明显的 破裂化现象 ，主要表现为深部围岩产生膨胀带和压缩 带两个区域，两种破裂化现象是应力效应扩大化的结 果 ，破裂速度按照等 比数列递增 ，因此 ，深部岩体应 力场较浅部岩体更加复杂。 1 ． 2 强流变性特征 深部岩体破裂化现象导致岩体变形与时间有很大 相关性，通过对围岩的大变形和强流变特性研究，发 现深部开采时围岩不仅发生较大的变形，而且其变形 与时间具有很大的正相关性，也就是说深部岩体具有 41 2 0 1 5 年 第1 2 期 纷； 夏 占 钍 2 0 1 5 年1 2 月 很强的流变特性 ，时间效应在深部岩体应力特征中表 现明显。如煤矿 中有 的巷道2 0 a 底膨不止 ，累计底膨 量达数十米 。M a l a n 等通过对南非矿井深部围岩的流 变特性的系统研究得出巷道围岩最大月位移量达5 0 0 m m o另一种是岩体已不具有承载特性 ，但事实上它 仍然具有承载和再次稳定的能力 ，生产 中借助这一特 性将巷道布置在破碎岩 煤体中，如沿空掘巷 。 1 ． 3 动力响应的突变性 浅部岩体破坏通常表现为一个渐进过程，具有明 显的破坏前兆 变形加剧，而深部岩体的动力 响应 过程往往是突发的、无前兆的突变过程，具有强烈的 冲击破坏性 ，宏观表现为巷道顶板或周边围岩大范围 突然失稳 、坍塌_5 ]。深部岩体的动力响应突变性对矿 山深部开采的险情预测造成很大困难 ，在开采过程 中 无法根据破坏前兆进行预警 ，一旦发生深部岩体破裂 化 ，将在短时间内产生剧烈破坏 ，对深部开采作业造 成剧烈打击。 1 ． 4 延性力学特征 深部岩体的脆性一延性转化实验研究表明 ，岩石 在不同围压条件下表现出不同的峰后力学特性，最终 破坏时应变值也不同。在浅部 低围压开采中岩石 破坏以脆性为主，通常没有或仅有少量永久变形或塑 性变形 ，而进入深部开采以后，由于岩体处于 “ 三 高”和 “ 一扰动”的作用环境之 中，表现出的实际是 其峰后强度特性[q 。在高围压作用下，岩石可能转化 为延性 ，破坏时其永久变形量通常较大 。因此 ，随着 开采深度增加，岩石已由浅部脆性力学响应转化为深 部潜在 的延性力学响应行为。 2 深部岩体矿压特征 由于深部岩体应力特征与浅部岩体差别很大，所 以深部岩体的矿压也与浅部岩体有较大差别，主要体 现在矿压显现 、矿压形变 、矿压破坏范围等三方面r 7 】 。 2 ． 1 矿压显现特征 大量基础试验表明 ，岩体 自身强度与其所处的深 度位置有一定相关性，深部岩体自身强度高于浅部岩 体。但在深部开采时，深部岩体还受到其上部所覆盖 的岩体的重力作用及深部岩体所处的地质构造带来的 结构应力， 覆岩重力和结构应力对深部岩体带来的压 力远大于岩体随深度而增加的压力，因此， 在深部开 采作业时，深部围岩相对会变得松软、易流动，这种 力学特性极易发生破坏性 冲击 ，给深部巷道开采维护 带来极大困难。 2 ． 2 围岩变形量大破坏程度严重 深部开采时岩体所处深度较大，受到的上部岩体 4 2 重力压力也随之增大，并且深部岩体在地质构造的结 构等方面较浅部岩体更复杂，其层结构和缝隙结构都 给巷道围岩带来很大压力，致使深部岩体极易破碎 、 难以支护防护，此种工况下的建设成本明显高于浅部 开采作业。国内外开采实践表 明，开采深度为8 0 0 m一 1 0 0 0 m时 ，巷道变形量达1 0 0 0 mm～ 1 5 0 0 m m，甚 至更大。深部开采巷道的返修率在4 0 ％一 8 0 ％，另据 有关资料分析，近1 0 a ，巷道支护成本增加了1 ．4 倍 ， 巷道返修量占整个巷道掘进量的4 0 ％。 2 ． 3 破坏范 围大 随着煤矿开采深度不断增加 ，巷道围岩稳定性 日 趋恶化 ，对支护技术的要求越来越高，给煤矿高效 安全集约化生产带来严重影响。深部开采的破坏范 围大与其地质构造和地质结构有关，深部岩体破坏没 有前期预兆 ，从而不能提前防护 ，一旦发生深部岩体 破坏 ，将造成大范围破坏 ，例如深部巷道发生大面积 冒顶。 3 结语 深部岩体发生的变化与浅部岩体有明显不同，包 括分区和破裂化现象、强流变性特征、动力响应的突 变性、延性力学特征，这些力学变化对深部开采造成 了大量不安全因素。深部岩体的动力响应突变性对矿 山深部险情预测造成很大困难 ，主要原 因来 自矿压显 现特征 、围岩变形量大、破坏程度严重、破坏范围大 等方面。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。在实际操作中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。 参考文献 [ 1 ] 付国彬． 巷道围岩破裂范围与位移的新研究[ J ] _ 煤炭学报， 1 9 9 5 ， 2 0 3 3 0 4 - 3 1 0 ． [ 2 ] 钱七虎． 非线性岩石力学进展_ _ 深部岩体力学的若干问题／ ／ [ C ] Hq 国岩石力学与工程学会， 第八次全国岩石力学与工 程 学术 大会论文集． 北京 科 学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 翟新献， 李化敏． 深井软岩巷道围岩变形特性的研究[ J ] ． 煤， 1 9 9 5 ， 4 5 2 4 2 6 ． [ 4 ] 谢和平， 彭苏萍， 何满潮． 深部开采基础与工程实践[ M] ． 北 京 科学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 潘一山， 李忠华． 我国冲击地压分布类型机理及防治研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 3 ， 2 2 1 1 1 8 4 4 1 8 5 1 ． [ 6 ] 司荣军， 汪华君， 岳强． 采场围岩控制理论与实践综述及 展望[ J ] ． 矿业工程， 2 0 0 6 4 2 6 2 8 ． [ 7 ] 李德忠， 夏新川， 涂敏 ， 等． 深部矿井开采技术[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 5 ． 责任编辑季鑫