鹤壁五矿深部高应力软岩巷道破坏机理及对策.pdf

第 2 8 卷第 3 期 、 ， 0 1 ． 28 No． 3 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e 2 0 0 9年 6月 J u n． 2 00 9 文章编号1 0 0 8 - 0 5 6 2 2 0 0 9 0 3 0 3 9 3 - 0 4 鹤壁五矿深部高应力软岩巷道破坏机理及对策 孙晓明 ，- ，何满潮 ，一 ，张国峰 ，蔡峰 1 ． 中国矿业大学 北京力学与建筑工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ． 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 3 摘要 针对鹤壁五矿深部三水平延伸轨道下山高应力软岩巷道支护问题， 采用理论分析与数值模拟手段对其变 形破坏机理及支护对策进行了研究。结果表明，在深部高地应力及软岩膨胀性作用力的影响下’，巷道围岩内部积 聚了大量的变形能量， 单纯依靠多种支护形式的叠加， 而不注重支护体与围岩之间以及支护体之间的耦合是巷道 失稳的主要原因。为此，提出了锚网喷 锚索 底角锚杆 桁架耦合支护对策，即通过喷层封闭围岩，锚网柔性支 护释放变形能，底角锚杆转移底臌塑性滑移作用力，锚索 桁架支护控制围岩整体变形，从而实现对高应力巷道 围岩变形的有效控制。该技术在现场进行了成功应用，取得了良好的效果。 关键词深部开采；高应力；软岩巷道；破坏机理；耦合支护对策 中图分类号 T D 3 2 2 文献标识码 A S t u d y o n f a i l u r e me c h a n i s m a n d s u p p o r t c o u n t e r me a s u r e o f d e e p h i g h s t r e s s e d S O R r o c k r o a d wa y i n He b i NO ． 5 Co a l M i n e SUN Xi a o m i ng ， H E M an c ha o“ ， ZHANG G u of e ng ， CAI Fe ng 1 - S c h o o l o f Mech a n i c s Ci Ⅷ E n g i n e e r i n g ， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n gT e c h n o l o g y ， B e i j ing 1 0 0 0 8 3 ， Ch ina ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f D e e p Ge o me c h a n i c s a n d Un d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g , 1 0 0 0 8 3 ， Ch ina Ab s t r a c t I n o r d e r t o o v e r c o me t h e r o o f s u p p o rt p r o b l e ms a s s o c i a t e d wi th d e 印 h i - s t r e s s e d s o f t r o c k r o a d wa y a t l e v e l 3 i n He b i No ．5 Co a l M i n e ，the d e f o r ma t i o n f a i l u r e me c h a n i s m a n d i t s s u p p o r t c o u n t e rm e a s u r e a r e i n v e s t i g a t e d u s i n g t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n ．T h e r e s u l t s h o ws t h a t the ma i n r e a s o n s o f d e f o rma t i o n f a i l ure s i n d e e p r o a d wa y s are 1 h i ghl y r e l y i n g o n the p i l i n g u p o f s e v e r a l s u p p o rt s t y l e s ， a n d 2 i g n o r i n g th e c ou p l i n g be t we e n s u p po r t a n d s u r r o u nd i n g r oc k o r t h e c ou pl i n gs a mo ng d i ffe r e n t s u p p orts ．Th j s i s b e c a u s e ma s s i v e d e f o rm a t i o n e n e r g y i S a c c u mu l a t e d i n s u r r o u n d i n g r o c k ． wh i c h i S i n d u c e d b y h i g h s tr e s s an d s o f t r o c k d i l a t a b i l i t y ．I n r e s p o n d i n g t o the p r o b l e ms i d e n t i fi e d ．a c o un t e r me a s ur e o f b o l t - me s h ． a n c h o r - s h o t c r e t e fl o o r - b o l t t r u s s c o u p l i n g s u p p o rt i n g i s p r o p o s e d ， n a me l y u s i n g s h o t c r e t e t o s e a l s u r r o un d i n g r o c k ，b o l t - me s h s u p p o r t t o r e l e a s e d e f o rm a t i o n e n e r g y ，fl o o r b o l t t o tr an s f e r flo o r h e a v e p l a s t i c s l i p p a g e f o r c e ，an c h o r t r u s s s u p p o r t t o c o n tro l the d e f o r ma t i o n o f s u r r o u n d ing r o c k ． T h e r e f o r e ． the e f f e c t i v e d e f o rm a t i o n c o n tro l o f d e e p h i g h s tre s s e d s o f t r o c k r o a d wa y C an b e a c h i e v e d ． T h e me tho d p r o p o s e d wa s a p p l i e d a t He b i No ． 5 mi n e a n d p r o v e d t o b e s u c c e s s f u1 ． Ke y WO r d s d e e p mi n ing；h i s tr e s s ；s o f t r o c k r o a d wa y；f a i l ure me c h a n i s m；c o u p l ing s u p p o r t c o un t e rm e a s ur e 引 言 深部高应力作用下的巷道工程岩体所表现 出 软岩非线性大变形力学特性【 1 】 ，导致单纯的支护手 段已无法保证巷道 围岩 的稳定性。为此，国内外学 者展开了大量的研究 | 2 J 。近年来 ，锚网索支护与 桁架支护技术的应用，对于解决深部巷道围岩稳定 性控制 问题具有明显的效果I 6 一。然而， 在实际工程 应用中，由于只强调多种支护的简单叠加，不注重 支护体之间以及支护体与围岩之间的耦合 ，容易造 成巷道 围岩在高应力软岩大变形产 生的应 力集中 作用下，由局部破坏发展到大面积失稳 ，严重 的还 会造成巷道顶板大面积垮落等安全事故。因此，本 文以鹤壁五矿深部高应力软岩巷道工程为背景，对 其变形破坏机理进行 了分析，提出了相应的耦合支 护对策 ，在现场工程应用中取得了良好 的效果。 1 原支护破坏特征 1 ， 1 工程概况 鹤壁五矿三水平延伸轨道下山为一岩层巷道 ， 底板标高为_ 4 5 0 ～6 0 0 m，地面标高 1 6 3 ～ 2 0 7 m， 收稿 日期2 0 0 8 ． 0 1 ． 2 5 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 资助项 I 2 0 0 6 C B2 0 2 2 0 0 教育部创新团队发展计划资助项I l I R T 0 6 5 6 ；教育部新世纪优秀人才计划 资助项 目 Nc E T 0 7 ． 0 8 0 0 作者简介孙晓明 1 9 7 0 - ，男，山东 泰安人，博士，副教授，主要从事岩土工程和软岩工程力学研究，E - ma i l x i a o mi n g _s ． 6 3 ． n e t 。本文编校赵 娜 3 9 4 辽宁工程技术大学学报 自 然科学版 第 2 8 卷 轨道下 山上部岩层倾角为 1 2 。，下部为 1 9 。，基 本上为顺层掘进 。巷道地质构造 比较复杂 ，该区整 体处于 向斜轴部位置 。巷道整体位于泥岩岩层，底 板主要是砂质泥岩，松软易碎，节理裂隙发育；直 接顶为灰黑色泥岩或砂质泥岩 ，厚度 1 ． 2 ～ 3 ． 1 1 I r l ， 平均 1 ． 8 1 n l ，老顶为中粒砂岩，相对较稳定。 1 ． 2 原支护破坏特征 鹤壁 五矿三水平延伸轨道下 山先后采用 了四 种支护形式锚网喷、锚网喷 锚索、锚 网喷 锚索 U2 9钢架、锚 网喷 锚索 U2 9封闭马蹄形钢架。 根据现场变形破坏现象调查 ，可以看 出巷道变形具 有以下几个方面的特 点 1 锚 网喷支护巷道局部 出现 冒顶、尖顶 ， 部分锚索、锚杆、钢筋梯拉断失效。 2 巷道顶板混凝土臌 出，喷层剥落 、掉块 严重，导致较 多围岩外露，多处地段 出现 “ 网兜” 现象。 3 两帮收缩变形量大且变形不均匀 ，钢 架 扭 曲变形较严重 。 4 底臌现象严重，影响巷道正常使用。 2 原支护破坏机理 2 ． 1 原支护破坏过程数值模拟分析 根据现场工程地质条件 ，应用有 限差分程 序 F L AC 如对原支护破坏过程进行了数值模拟分析 。 不 同支护形式下 的巷道 围岩应力分布计算结 果表明 图 1 ，锚喷网支护形式下，由于整体支护 强度较低，巷道围岩应力集中情况 比较明显，特别 是底板应力集中最严重 图 l a ；在增加锚索支护 后 ，顶板及两帮受力状态有所改善，但底板应力集 中程度仍然较高 图 l b ；在内部增加 U2 9钢架支 护后 ，虽然 围岩整体应力集中情况有所改善，但在 钢架与围岩接触部位受到的拉应力集中明显增大 ， 同时，底板应力集中状况改善亦不明显 图 l c ； 将钢架改为封 闭U2 9 钢架支护后 ， 虽然整体支护强 度大大提高，但钢架与围岩接触部位受到的拉应力 集中仍然较高，特别是靠近底板部位应力集中十分 明显 图 l d 。由于采用的四种支护形式不能有效 地控制巷道围岩变形，造成局部应力集 中，使得巷 道整体变形量较大 图 2 ，即使是支护强度最高的 锚网索喷U2 9封闭马蹄形钢架支护两帮移近量达 4 1 2 mm，顶底板移近量达 2 6 1 mm。 2 ． 2 原支护破坏机理 根据现场调研 、室内试验、数值模拟及理论分 析研究结果，确定鹤壁五矿三水平延伸轨道下山巷 道变形破坏的机理主要有 以下几个方面 1 高地应力。由于巷道埋深在 7 0 0m 以下， 白重应力水平较高。同时，工程处于 向斜轴部，断 层发育 ，受到较高的构造应力作用影响，造成巷道 两帮及底臌变形严重 。 一 一 ■ 一 a 锚喷网 b 锚喷网锚索 c 锚喷网锚索 U2 9钢架 d 锚喷网锚索封闭U2 9钢架 图 1 不 同支护形式下的垂直应力 分布 Fi g ． 1 d i s t r i b u t i o n o f o z z u n d e r d i ffe r e n t s u p p o r t d e s i g n a 锚喷网 b 锚喷网锚索 c 锚喷网锚索u2 9 钢架 d 锚喷网锚索封闭U2 9 钢架 图2 不同支护形式下的位移矢量 F i g ． 2 d i s p l a c e me n t v e c t o r u n d e r d i ff e r e n t s u p p o rt d e s i g n 第 3 期 孙晓明，等鹤壁五矿深部高应力软岩巷道破坏机理及其对策 3 9 5 2 围岩特性。现场勘查及室 内试验结果表 明，该巷道岩体破碎 ，节理裂隙发育。巷道 围岩膨 胀性粘土矿物含量较高，遇水易膨胀、泥化，是典 型的节理化膨胀性软岩 。 3 支护体与围岩不耦合。虽然在所施工巷 道 中采用了多种支护形式，但未注重支护体与围岩 之间的耦合，无法控制围岩 的大变形。其中，由于 锚网与围岩之间的强度不耦合 ，特别是网的刚度不 够，使得支护整体性差 ，导致局部锚杆承载力过高 而被拉断，围岩出现不规则变形；由于支架与 围岩 在结构上不耦合，使得软岩巷道围岩 内部 巨大的变 形能无法释放 ，造成局部应力集 中，使得单个钢架 受力产生弯曲或扭 曲破坏。采用开放式支护，底板 没有得到有效控制，含膨胀性矿物成分较多的底板 岩层遇水膨胀 ，强度降低，造成底臌 比较严重。 4 支护体之 间不耦合 。在采用多种支护形 式联合支护 时，未注 重支护体 与支护体之间的耦 合 ，未能充分发挥整体支护作用，造成各支护体单 独受力 ，由局部破坏进 I n j 造成支护体整体失稳 。 3 控制对策 3 ． 1 控制对策 针对鹤壁 五矿三水平延 伸轨道下 山具体工程 地质情况，结合原支护变形破坏机理分析 ，提出耦 合控制对策如下 1 针对巷道 围岩 内部 的高应力变形能及膨 胀性变形能，通过锚杆复合托盘及架后预留变形空 间实现变形能和塑性能逐次释放，在最大 限度 的发 挥 围岩的 自承能力的同时，充分释放变形能。 2 针对 围岩结构差、节理发育，采用超前 锚杆加固顶部围岩 ，改善围岩结构，再采用锚杆三 维优化消除节理面滑移变形 ，同时，采用刚度较高 的钢筋网代替铁丝 网，提高支护整体性 ； 3 针对巷道底臌变形 ，在防止 围岩遇水软 化基础上，通过增加底角锚杆支护 ，转移底臌塑性 滑移作用力 ，减小底臌分力，同时，采用全封闭桁 架支护 ，控制底臌变形； 4 针对工程所处的高 自重应力及构造应力， 采用锚索关键部位耦合支护结合高强度桁架支护， 及时提供足够 的支护强度 ，从而有效地限制围岩发 生有害的变形损伤 。 通过上述对策，形成锚网喷 锚索 底角锚杆 桁架耦合支护，具体参数如下 ． 1 锚杆 采用 cP 2 2 m m 左旋无纵筋等强螺 纹钢锚杆，长度 2 5 0 0 mm，间排距 7 0 0 n l l -f l 1 0 0 0 mi l l ，三花布置，预紧力 6 ～ 8 t 。 2 底角锚杆采用 3 2m m无缝钢管，长度 2 5 0 0mm， 每侧两根间距 5 0 0mm， 排距为 1 0 0 0 1 ／ 1 1 ／ 1 。 3 锚索采用 1 8 ． 9mn l 钢绞线锚索，长度 8 0 0 0 mm，采用 “ 2 ． 2 ”布置，间排距 1 4 0 0 mm 2 00 0 mm 。 4 托盘锚杆托盘采用木托盘和铁托盘组 成的复合托盘 。 5 金属 网采用 6 i l l m钢筋焊接而成，网 片 尺 寸 为 8 0 0 r n n l x 1 1 0 0 mm， 网格 尺 寸 1 0 0 I ／ l ／ n1 0 0 mm 。 6 桁架材料为 1 1号矿用工字钢 ，支架间 距 1 0 0 0 mE。支架之间通过钢连接件连接 。其 中， 顶拱及两帮为三角状连接 ，底部支架为直杆连接。 7 架后预留变形空间根据理论计算【 9 】 及统 计 分析结果【 1 o J ，确 定该巷道架后 预留变形 空间为 1 5 0mm 。 由于软岩的非线性大变形力学特性，使得巷道 支护效果与其支护过程密切相关，通过研究，确定 其具体旖工过程设计如下 超前锚杆与加 固一断面 成型一初喷混凝土封 闭围岩 厚度 3 0 mm一锚 网支护一紧跟迎头安装 锚索 预应力为 8 t 一挖底施工底角锚杆一架设工 字钢桁架一浇筑底板混凝 土一待支架与 围岩基本 接触后，全断面复喷混凝土形成永久支护 。 3 ． 2 控制效果分析 为了验证 上述支护对策对巷道 围岩变形 的控 制效果 ， 应用有限差分程序 F L AC 3 D进行 了计算分 析 。 由垂直应力分布情况可 以看 出 图 3 a ，巷道 围岩整体应力分布 比较均匀，局部应力集中现象基 本消除；由水平应力分布情况可 以看 出 图 3 b ， 底板应力集中明显向深部转移，表明底角锚杆起到 了转移底臌塑性滑移作用力 ，减 小底臌 分力的作 用。从支护体受力情况可 以看 出 图 3 c ，锚 网索 支护系统受力分布 比较均衡，从桁架受力看 ，由于 桁架整体性好，没有出现局部应力集中导致的变形 过 大失稳现 象 。巷道 围岩变形矢量分析结果表 明 图 3 d ，新的支护设计对巷道变形的控制效果十 分 明显 ，巷道两帮移近量为 6 5 mm，顶底板移近量 6 0 mm，两帮及底臌变形均得到 了有效控制。 3 9 6 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 第2 8 卷 一 一 a 垂直应力 分布图 4 工程应用效果 b 水平应力a X X分布图 c 支护受力图 d 位移矢量图 图 3 新支护模拟结果 F i g ． 3 s i mu l a t i o n r e s u l o f n e w s u p p o rt d e s i g n 上述研 究成 果及 设计方案在鹤壁 五矿三水平 延伸轨道下山工程实际施工中进行 了应用。现场施 工过程中的巷道位移一时间变形监测结果表 明 图 4 ， 巷道开挖实施锚喷网支护初期， 变形较为剧烈， 最大变形速率 1 ． 8 8 mm／ d 顶板 。受现场施工条件 限制 ，在开挖支护 4 0 d后，进行锚索、底角锚杆及 桁架施工 。此后 ，锚索支护发挥作用，围岩变形逐 渐趋于平缓，最大变形速率下降为 0 ． 8 5 mm／ d 顶 板 ，此时，最大底臌量为 5 7 mm。根据现场观察 及变形监测情况，围岩局部与桁架接触，此时实施 全断面复喷混凝土 ，使围岩与桁架全面接触 、整体 受力，围岩变形经过一段时间调整后，整体趋于稳 定。后经过一年多的现场观测 ，巷道 围岩变形基本 没有变化，表明各支护系统共 同发挥作用，有效控 制了围岩的稳定性 。 T ／ d 打开时间0 7 ． 0 4 ． 0 8 ，观测时间O 7 ．0 4 ． 1 6 - 0 8 ．0 7 ． 0 5 图 4 巷道位移一 时间变形监测 曲线 F i g ．4 U t c u r v e o f r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k 5 结论 1 受深部高地应力及软岩膨胀性影响 ，在 围岩 内部积聚 了大量的变形能量，单纯依靠多种支 护形式的叠加，而不注重支护体与围岩之间以及支 护体之 间的耦合 ，无法达到支护强度增加的 目的， 难 以控制深部高应力软岩的大变形。 2 通过喷层封 闭围岩 ，锚网柔性支护释放 变形能，底角锚杆转移底臌塑性滑移作用力，锚索 桁架支护控制围岩整体变形，形成锚 网喷 锚索 底角锚杆 桁架耦合支护 ，从而实现支护体之间以 及支护体与围岩之 间在强度 、 刚度、 结构上的耦合。 3 现场应用结果表明，锚网喷十 锚索 底角 锚杆 桁架耦合支护能够实现对深部高应力软岩巷 道围岩变形的有效控制 。 参考文献 【 1 】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 ． [ 2 】H e Ma n c h a o ．R o c k m e c h a n i c s a n d h a z a r d c o n t r o l i n d e e p mi n i n g e n g i n e e r i n g i n Ch i n a ． Ro c k M e c h a n i c s i n Un d e r g r o u n d C o n s t r u c t io n [ C ] ／ ／ R o c k me c h a n i c s i n u n d e r g r o u n d c o n s t r u c t i o n ， P r o c e e d i n g s o f I S RM I n t e r n a t i o n a l s y mp o s i u m 2 0 0 6 ．Th e Wo r m S c i e n t i f i c P u b l i s hin g ， 2 0 0 6 ， 1 1 2 9 4 6 ． 【 3 】E E g g e r ．De s i g n and C o n s t r u c t i o n As p e c t s o f D e e p T u n n e l s wit h p a r t i c u l a r e m p h a s i s o n s t r a i n s o f t e n i n g roc k s 【 J 】 ．T u nne l l i n g a n d u n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y , 2 0 0 0 ， 1 5 4 4 0 3 - 4 0 8 ． 【 4 】宋义敏， 潘一山， 章梦涛， 等．深部高应力载荷作用下的洞室变形破坏 实验【 J 】 ． 辽宁工程技术大学学报 然科学版， 2 0 0 8 ，2 7 4 4 8 9 - 4 9 1 ． 【 5 】张哲， 王大国， 洪林．深部岩体中断续节理对巷道稳定性影响的数 值试验[ J ] ． 辽宁工程技术大学学报， 2 0 0 7 ， 2 6 4 4 8 1 - 4 8 4 ． 【 6 1何满潮， 杨 军， 齐干， 等． 深部软岩巷道耦合支护优化设计及应用 【 J 】 ．辽宁工程技术大学学报， 2 0 0 7 ，2 6 2 4 0 4 2 ． 【 7 】李伟， 冯增强． 南屯煤矿深部沿空巷道耦合支护技术[ J 】 ． 辽宁工程技 术大学学报 自然科学版， 2 0 0 8 ， 2 7 5 6 8 3 ． 6 8 5 ． [ 8 】8 顾金才， 沈俊， 陈安敏， 等． 锚索预应力在岩体 内引起的应变状态模型 试验研究[ J 】 ． 岩石力学与工程学报，2 0 0 0 ， 1 9 S 1 9 1 7 9 2 1 ． [ 9 】郭志飚． 第三系深部软岩矿井锚网索一 桁架耦合支护原理 与技术 【 D 】 ． 北京 中国矿业大学 北京 ，2 0 0 6 ． [ 1 0 】何满潮， 孙晓明． 中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南【 M】 ． 北京 科学出版社，2 0 0 4 ．