浅析深部开采围岩的力学特征.pdf

总第 1 5 4期 2 0 1 6年第 2期 专题 与 综述 机械 管理 开发 M ECHANI CAL M ANAGEMENT AND DEVELOPM ENT 浅析深部开采围岩的力学特征 T o t a l o f 1 5 4 No ． 2 2 0 1 6 李 敬鹏 阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西晋 中0 4 5 4 0 0 摘要 结合 自身多年从事该领域研究经验，通过对大量文献进行 阅读与研究基础，对造成深部岩石 破 坏 的原 因进 行 分析 ，并在 此基 础 上探 讨在 深 部 开 采 中对 围岩 压 力 进行 防护 的 对 策 与 建议 ，以此 希 望 能够为 该领 域发展 做 出贡 献 。 关键 词 深 度 开采 ；围岩 ；力 学特征 中图分 类号 T D 3 5 3 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 3 ． 7 7 3 X 2 0 1 6 0 2 ． 0 1 2 4 ． 0 2 DoI 1 0 ． 1 6 5 2 5 ／ i ． c n k i ． c n 1 4 ． 1 1 3 4 ／ t h． 2 0 1 6 ． 0 2 。 0 4 6 引言 近年来 ， 在我 国和谐 社会发 展 战略影 响下 ， 对 矿井开采行业不仅提 出了全 面质量建 设的要求 ， 而 且对矿井深 度开采 中所可能 遇到 的危 险 问题 给予 了强烈关 注。而这些容 易引发 事故 的潜在安 全 问 题 同样是 由深度 开采所 引发 的。由于深度开 采 中 岩石环境复杂 ， 从而在对岩石进行开采发力时 ， 岩石 受到来 自地面高地应力与机械动力 的积压 ， 如果不 能够进行科学的支撑 ， 极为容易发生 塌方等危及生 命安全 的问题 。因此 ， 结合当今 时代背景 ， 利用科技 创新环境来促 使岩石 开采行业 经济效 益与安全 质 量得以双重保 障就成 为一个重要的研究课题 。 1 深部开 采岩体 力学 的特征研究 在这种环 境较 为 复杂 的受 力 特征 影 响之 下 ， 对地表深部 的岩 石 层进 行开 采 中 ， 将 会造 成 被开 采岩体的受力特点 与对处于地 表浅部 的不 同。也 正是这一 原 因， 导致 大 量 诸 如 坑 道 塌 方 、 衬 砌 断 裂 、 地表塌陷等 问题 的 出现 ， 从而极 不利 于矿井开 采 ， 而且 会 造成 较 大 的安 全 事 故 ， 或 者 是 经 济 损 失 。为此 ， 作 者在 本部 分将 对 上述 问题 产 生 的现 象及特征 进行 深 人研 究 ， 为本 文第 三 部分 科学 开 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 1 一 l 6 作者简介 李敬 鹏 1 9 8 7 一 ，男，山 西 孝 义人 ， 毕业于阳泉技术学院，助理 工程 师，现就职 于开元 公 司地质 测量 部 。 采对策提供相应 的依据 。 1 ． 1 分 区与 破 裂化 的成 因 在对矿山进行开采过程 中， 通常所开采岩石处 于浅部时 ， 会表现 出来较为 明显 的分 区特征 。浅部 岩石所具有 的特征 还可根据 所表现 的力 学特 点进 行如下三种类 型的划分 第一 ， 塑性较 弱的破 裂 区 域 ； 第二 ， 塑性较好的弹性区； 第三 ， 处于中性的原岩 力区。依据上述岩石特性划分类别 ， 可对浅部岩石 的特征进行相应 的研究 与分析 。而对 于处于 地表 下较深层次 的研究 而言 ， 所表现 出的特征与浅部岩 石存在着较大 的不 同。深 部 的岩石在受 到外部 压 力大的影 响下 ， 就会表现出较为容易破裂的特点 ， 且 上述破裂现象主要发生于 围岩 区域 的压缩带 ， 以及 膨胀带当 中。上述 两个 区域通 常所 发生 的破裂 严 重程度还会 随着所受 到压力 的提升而产 生范 围的 扩大 ， 及扩大范围速度的提升。因此可 以发现 ， 对于 深度岩石层 的研究不仅 应 当考 虑岩石本 身所具 有 的特性 ， 而且还需要考虑与机械作用力之间的关系 ， 以便于防止破裂情况的产生 。 1 ． 2 强 压 下 的 流 变 随着时间 的推 移和 所受 到 的 总压 力 大小 ， 处 于地表深层 的岩石 ， 更 容易发 生破裂 ， 也就 是说破 裂化发生 的几率与所受 到压力持续 的时 间存 在着 正相关 的对应关系 。并且 ， 这一 关系 的存 在 ， 通 常 会造成断裂化现象 的发生 。在短 时间 内变 得较 为 严重 ， 从 而致使深 部的岩石层 具有 了流变 的特性 ， 2 0 1 6年第 2期 李敬鹏 浅析深部开采 围岩 的力学特征 在 断裂后 会产 生 自我 积 压 ， 使受 到 的压 力在 岩 石 层 中不 断蔓延 ， 造成 地表下层 岩石 的大范 围破裂 例如 当地下进行 开采煤炭 的采矿 区域 内 ， 开采 巷 道通常处于地表 以下 2 0 m 的区域 ， 从 而使得所 承 受的巷道底部压力 膨量会超 过十米 之多 。这 种深 层岩石所 固有 的流 动性特点也 被该领域研 究 的著 名 国外学者所验证 。马兰在对 非洲南 部地 区矿洞 底部 围岩进 行 了流 动性 测 试之 后 发现 ， 巷 道 中 的 围岩平均 每一 天都 会 产生 变化 ， 在一 个月 的期 间 内， 巷道底部围岩大 约能够移 动 5 c m 之多 。虽然 这一举例 对 于浅 部岩 石并 不 算 多 ， 但 是深 处 底部 的岩石就 会在 这 一流 动性 影 响下 ， 受 到来 自围岩 和地表土石 的双重 压力 。国 内外 开采 实 践 表 明 ， 开 采深度为 8 0 0 m～ 1 0 0 0 m 时 ， 巷 道变 形量 达 1 0 0 0 mm～1 5 0 0 mm， 甚至更 大 。深部 开采巷道 的 返 修率 在 4 0 ～ 8 0 ， 另 据 有关 资料 分 析 ， 近 十 年 ， 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 9 ／ 6 。 1 ． 3 动力响应的突变性 对于地表 以下 的 浅部 岩 石层 而 言 ， 通 常所 产 生 的破裂 化反 应过 程是 较 为缓 慢 的 ， 即这 一 过程 是一个渐 变 的过程 ， 会 发 生龟 裂 、 凹 陷、 破 损 等 问 题 ， 从而给予人们该 岩石层将要 发生 断裂 的预警 。 因此 ， 对 于浅 部 岩 石 层 断 裂 化 ， 通 常 可 以人 为监 控 ， 但是对于深部岩 石而言 ， 由于所 处地理 位置 的 原 因 ， 通常 所产 生 的断 裂是 容 易被 忽 略 的 。深 部 岩石 层通常所 发生 的变化都是 突变 的、 剧 烈 的， 并 且 毫无预 兆 的。上 述 断裂情 况 一 旦 发生 ， 将 会 致 使地 面 出现 明显 的塌 陷， 并 且整 个 矿井 的巷道 都 会 由乱石所堵塞 。由于深部岩石 所处 的巷道 较为 狭窄 ， 并且基本密 封 ， 这 就会致使 一个 区域巷 道岩 石的滚落 ， 会致使 周 围区域 皆受 到影响 ， 这也 正是 深部岩石 动力 相应 突变 特 征 的表现 ， 会 给整个 矿 井造成严酷 的损坏 。 1 ． 4 岩 石 的力 学 延 性 深部岩石 层 除 了具有 上 述特 征 之 外 ， 还 具有 延性力学 的相 关特 征 。参 考 文 献 [ 1 ] 进行 了针对 深层岩石 的实 验 ， 研 究表 明岩石会 在 受 到外 力挤 压 时 ， 可根 据所 受 到 的多种 围岩 的压 力 条件 变 化 时随之产 生变化 。在对变 化数据进 行 了仪 器监 控 1 2 5 之后 ， 发现在受到不 同压力条 件时 ， 所 表现 出的峰 值受力图 的数据 均有 不 同 ， 并且 还会 在整 个 岩石 层 出现破裂时 ， 再 次产 生上述 检测数据 的变化 ， 从 而表 明了在 高压 的影 响之下 ， 深 层岩 石具 有延 性 的特质 。而对于土层下浅部的岩石而言 ， 其与深部 岩石有着较为明显 的受力变化 区别 ， 其通常会 随着 外部压力 的变化 出现较少部位岩石 的变形 ， 更多的 情况是会 出现整体 的断裂 ， 但并 不会 出现多个区域 岩石的挤压 ， 或者是变形 。上述研 究表 明浅部岩石 所具有的延性是 较小 的， 具有 的特征 为脆性 特点。 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。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 的增 加岩石 已由浅 部 的脆性 力学响应 转化为深 部潜在 的延性力学 响应行为。 2 结论与对 策 通过上述 的研 究 可 以发 现 ， 在对 深部 岩 石进 行开采过程 中， 通常会 出现较为严 重的事故 ， 产生 原 因与深层岩石本 身所具有 的特性有着 极大 的联 系 见图 1 。经过本文 的分析之后发 现 ， 深层岩石 所具有 的特点包 括 以下 四个 方面 第一 ， 易分 区与 破 裂化 的现象 ； 第二 ， 具有强 流变形 的特征 ； 第 三 ， 具 有动力 响应 的突变特征 ； 第 四 ， 具有延 性力学 的 特征 。上述 特征 的存 在 ， 致 使 巷道 在 开挖后 会 导 致 其围岩产生如下的破坏及其 变化 1 ． 1实体图 m 图 1 巷 道 开挖后 围岩 变化 情 况 因此 ， 在对深层 围岩开 采 中， 应 当为矿井 开采 过程 中结合深层 岩石特性 进行相应业 务操作 的改 变。在实际对巷 道进 行 开采 过 程 中 ， 应 加 强在 操 作 过 程 中对深部 巷道周 围墙体 的 支护 ， 坚 持与巷 下转 第 1 3 2页 1 3 2 机械管理开发 j x g l k f b j b 1 2 6 ． c o m 压 ， 回采期间采取大直径 钻孔 、 煤体爆 破及顶 板预 裂爆破等解 危措施 。 [ 6 ] [1 ] [ 2] [3 ] [ 4] [5 ] 参考文献 窦林 名 ， 何学秋． 冲击矿压防治理论与技术 [ M] ． 徐 州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 1 ． 钱鸣高， 石平五． 矿石压力与岩层控制[ M] ． 徐州 中国 矿业大学出版社 ， 2 0 0 3 ． 何满 潮 ， 谢 和平 ， 彭苏 萍 ， 等． 深 部 开采岩 体力 学研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． 苗素军 ， 牟宗 龙 ， 窦林名 ， 等． 深部复杂地质条件下 矿井 冲击地压分析及 防治l- j ] ． 煤炭科学 技术 ， 2 0 1 0 ， 3 8 9 43 46． 吕建为 ， 牟宗龙． 济三煤矿深部采 区冲击矿压综合 治理 [7] [ 8] [ 9] E l o ] 第 3 1卷 技术l- J ] ． 中国煤炭 ， 2 0 1 1 ， 3 7 1 9 6 9 8 ． 牟宗龙 ， 窦林名 ， 张广文 ， 等． 坚硬顶板型冲击矿压灾害 防治研 究 [ J ] ． 中国 矿业 大 学学 报 ， 2 0 0 6 ， 3 5 6 7 3 7 7 41 _ 徐学锋 ， 窦林名 ， 刘军 ， 等． 煤矿巷道底板 冲击矿压发生 的原 因及控制研 究[ J ] ． 岩土力 学 ， 2 0 1 0 ， 3 1 6 1 9 7 7 1 9 82 ． 刘洪永 ， 程远平 ， 赵长春 ， 等． 保护层 的分类及判定方法 研究E J ] ． 采矿 与安全工程学报 ， 2 0 1 0 ， 2 7 4 4 6 8 4 7 4 ． 沈荣喜 ， 王恩元 ， 刘贞堂 ， 等． 近距离下保护层开采 防冲 机理及技术研究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 6 3 ～ 6 7 ． 陈纪永． 赵楼煤矿首采 区冲击危 险评价 与防 冲优化设 计[ J ] ． 山东煤炭科技 ， 2 0 1 0 5 1 5 3 1 5 4 ． 编辑 陈茜 Pr e s s ur e Bu mpi ng As s e s s me nt a n d I t s Pr e v e n t i o n Ana l y s i s o n De e p Ar e a Qi u F e i h u Ga o y a n g Co a l M i n e o f S h a n x i Fe n x i Co a l I n d u s t r y ，Xi a o y i S h a n x i 0 3 2 3 0 0 [ Ab s t r a c t ] B a s e d o n t h e mi n e一1 0 0 0 m e a s t mo u n t a i n mi n i n g a r e a o f t h e a c t u a l c o n d i t i o n s ， i mp a c t o n t h e r i s k e v a l u a t i o n ． B u r s t b a s e d o n t h e i n t e g r a t e d c o n t r o l s y s t e m ，n a me l y t h e mi n i n g b e f o r e t h e r e g i o n a l o p t i mi z a t i o n d e s i g n a n d d e t e r mi n e t h e s t o p l i n e p o s i t i o n，b e t we e n t h e u p p e r a n d l o we r c o a l s e a m r o a d wa y o r wo r k i n g f a c e l a y o u t ，s e c t i o n wi d t h o f c o a l p i l l a r ，a n d r e p l a c e t h e o r d e r p a r a me t e r ； Tu n n e l l i n g f a c e l o c a l d i s c h a r g e p r e s s u r e d u r i n g mi n i n g，ma i n l y i n c l u d i n g c o a l l a r g e d i a me t e r d r i l l i n g ，b l a s t i n g a n d p r e - s p l i t b l a s t i n g r o o f o f c o a l me a s u r e s ． Re s e a r c h r e s u l t s c a n p r o v i d e s i mi l a r c o n d i t i o n s o f r e f e r e n c e a n d g u i d a n c e f o r t h e p r e v e n t i o n a n d c u r e o f c o a l a n d r o c k d y n a mi c d i s a s t e r s ． [ K e y wo r d s ] d e e p a r e a ； b u mp i n g a s s e s s me n t ； c o mp r e h e n s i v e p r e v e n t i o n ； o p t i mi z a t i o n ； d i s t r e s s i n g 上接 第 1 2 5页 道 围岩力 学特 征相 互 适应 的重 要 原则 ， 从 而能 够 在保持巷 道 围岩稳 定 性 的基础 上 ， 实 现安 全 和高 效 的矿井 开采 生产 。 参考文献 [ 1 ] 姜开锋 ， 范鹏 贤 ， 邢灏 酤 ， 等． 锦屏 大理 岩相似 材料 制备 及其力学性 能分 析E J ] ．解放 军理 工大 学学报 自然科 E 2 ] [ 3 ] 学 版 ， 2 0 1 5 8 5 0 5 1． 吕闰生 ， 李冰 ， 任建 刚． 掘进工作面前方力学场动态耦合 演 化规律 [ J ] ． 河南 理 工 大学学 报 自然 科学 版 ， 2 0 1 5 5 6 1 9 - 6 2 5 ． 张安斌 ， 张艳博 ， 刘 祥鑫 ， 等． 水 对泥质 粉砂岩 物理力 学 性 能影 响的试验研究 [ J ] ．煤 炭科学 技术 ， 2 0 1 5 0 8 6 7 71． 编辑 王佳 艺 M e c ha ni c a l Ch a r a c t e r i s t i c s o f De e p S u r r o u n di n g Ro c k s L i J i n g p e n g Ka i y u a n C o a l I n d u s t r y Co ． ， Lt d ．o f Ya n g q u a n Co a l Mi n e Gr o u p ，J i n z h o n g S h a n x i 0 4 5 4 0 0 [ A b s t r a c t ] C o mb i n e d w i t h e x p e r i e n c e t o s t u d y i n t h i s f i e l d f o r ma n y y e a r s ， b y a l a r g e n u mb e r o f l i t e r a t u r e r e a d i n g a n d s t u d y ， t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e c a u s e s o f d e e p r o c k b r e a k i n g，a n d o n t h i s b a s i s ，e x p l o r e s h o w t h e p r e s s u r e o f s u r r o u n d i n g r o c k i n d e e p mi n i n g p r o t e c t i v e c o u n t e r me a s u r e s a n d s u g g e s t i o n s ，a n d h o p e s t o c o n t r i b u t e t o t h e d e v e l o p m e n t i n t h i s f i e l d ． [ K e y wo r d s ] mi n i n g d e p t h ； s u r r o u n d i n g r o c k ； me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c