孔庄矿深部软岩大巷底臌机理及控制对策研究.pdf

第 1 6 卷第 4期 2 0 0 7 年 4月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo l _ 1 6。No ． 4 Apr i 1 2 00 7 孔庄矿深部软岩大巷底臌机理及控制对策研 究* 杨生彬 何满潮 王晓义 马小钧。 1 ．中国地质大学 北京工程技术学院 北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．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 ；3 ．大屯煤电集团公司生产技 术处 沛县 2 2 1 6 1 1 摘要孔庄矿一 7 8 5轨道大巷底臌剧烈 ，最 大底臌 量达 7 0 c m ，严重 影响巷 道 的正 常使用 。从 巷道 围岩物理力 学性 质 、矿物成分组成 、应力状态 以及原支 护形 式的特征 ，分析 了影响巷道 底臌 的主要 因素 并进行 了底臌机理 的研究 ，提出了底角锚杆支护 的控制措施 ，并 结合 有限差分 法三维数 值模拟优化 了支 护设计参数 。通过工 程实践表明 ，方案实施效果 良好 ，有效控制 了巷道底 臌 。 关键词 深部开采软岩底 臌数值模拟 中图分类号 T D 8 5 3 ． 3 9 2 文献标识码 B文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 7 0 4 0 0 7 7 0 4 S TUDY oN M ECHANI S M AND CoNTRoL oF DEEP S oFT RoCK RoADW AY F LooR HEAVE I N KoNGZHUANG CoAL M I NE Ya n g S h e n g b i n He Ma n c h a o ’ Wa n g Xi a o y i 。 Ma Xi a o j u n 。 1 ． S c h o o l o f e n g i n e e r i n g a n d t e c h n o l o g y ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c eBe i j i n g 1 0 0 0 8 3 ； 2． Sc h oo l o f M e c ha n i c s a nd Ar c hi t e c t ur e e n gi ne e r i n g， Ch i n a U n i v e r s i t y o f M i ni n g ＆ Te c h n o l o g y B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 3．Da t u n C o a l e l e c t r i c i t y G r o u p C o mp a n y 。 Pr o d u c t i o n a n d t e c h n o l o g y d e p a r t me n tPe i c o u n t y 2 2 1 6 1 1 Ab s t r a c t Se r i ou s f l oo r h e a ve of t he ha ul a ge t un ne l a t一 7 85 m l e ve l ，t ha t t he m a x i m u m v a l ue a r r i ve s t o 7 0 c m ，i s a g r e a t p r o b l e m i n Ko n g z h u a n g c o a l mi n e ，wh i c h i mp a c t t h e n o r ma l a p p l i c a t i o n o f r o a d wa y s e v e r e l y ．To a n a l y s e ma j o r c o n t r o l f a c t o r s t h a t l e a d t o f l o o r h e a v e a n d r e s e a r c h t h e me c h a n i s m o f f l o o r h e a v e d u e t o t h e p h y s i c o me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，s t r e s s s i t u a t i o n a n d mi n e r a l a s s o c i a t i o n o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k，t o p u t f o r wa r d a c o n t r o l p r o j e c t t h a t f i x t h e a n c h o r i n t h e f l o o r ，a n d t o o p t i mi z e t h e d e s i g n p a r a me t e r s b a s e d o n t h e r e s ul t o f nume r i c al s i mul a t i o n．I n - s i t u me a s ur e me nt s h ows t ha t go o d r es ul t of c ont r ol l i n g t he f l oo r h e a v e i s o b t a i n e d wi t h t h e s c h e me ． Ke y w o r d s De e p mi n i n g S o f t r o c k F l o o r h e a v e Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 1 引言 巷道开挖 以后 ，破坏 了岩体 的原岩应力状态 ， 引起应力重新分布 ，围岩将向巷道内移动 。随着 巷道 埋深 的增 加 ，围岩 位移将 不 断增 大 ，以致 造成 巷道围岩破坏 ，其中底板岩体 向巷道内位移即形成 底臌 ，而底 臌 是深部 软岩 巷道 矿 压显 现 的重要 特征 之一 。 *基金项 目国家 自然科 学基金 重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 0 ；教 育部科 学技术研究重大项 目 1 0 4 0 5 ；国家基金委创新研究群体基金项 目 5 0 2 2 1 4 0 2 联合资助 。 收稿 日期 2 0 0 6 1 2 1 7 作者简介杨生彬 1 9 7 9 一 男 内蒙 化德人 中 国地 质 大学 北京 工程技术学 院博士生 根据软岩巷道底臌变形量的大小，可将其划分 为 四种 类 型。 ，即 轻微 底 臌 1 0 0 ～ 2 0 0 mm 、 明 显 底 臌 2 0 0～ 3 0 0 mm 、 严 重 底 臌 3 0 0～ 5 0 0 mm及破坏性底臌 5 0 0 ～8 0 0 mm ，其 中后 三种类型的底臌均对巷道造成不 同程度的损坏 ，需 及时维护或彻底返修方可使用。 孔庄 矿一 7 8 5轨 道 大 巷 底 臌 最 大 变 形 量 达 7 0 0 mm，可见 已属于破坏性底 臌 ，本文从 分析巷 道底臌的主控因素入手，研究了底臌变形机理 ，提 出相应 的治 理 对 策 ，为 矿 井 的 安 全 生 产 创 造 了 条 件 。 大 屯煤 电公 司孔庄 矿一 7 8 5轨道 大 巷埋 深 8 1 0 ～ 8 1 7 m，设计长度 7 3 8 m，是该矿一 7 8 5 辅助水平主要 维普资讯 7 8 中 国 矿 业 第1 6 卷 运输大巷 。断面 采用直墙半 圆拱形 ，毛断面尺寸 5 4 0 0 mmX 4 6 0 0 mm，采用锚网喷锚索支护形式。 由于开采深度大、围岩软弱，同时受上覆工作面开 采扰动及周 围泵房、变电所等空间立体交叉的硐室 群的影响，巷道从开掘之初 ，变形破坏较为强烈。 在巷道开掘后大约 1 年左右的时间内，上帮侧最大 底 臌 量 达 6 0 0～ 7 0 0 mm，最 大 底 臌 速 率 达 到 7 ． 5 mm／ d ，占顶底移近量 的 6 3 9 ／ 6 左右 ，底臌量与 时间变化曲线见图 1 。 图 1底臌 量一时间变化 曲线 2 7 8 5 m 轨道 大巷 底臌 主控 因素分 析 2 ． 1 围岩岩性及岩体结构 围岩性质和结构状态对巷道底臌起着决定性作 用。 。一 7 8 5 m轨道大巷位于石炭二叠系山西组煤系 地层中，为海陆交互相沉积。整个巷道在 L 灰岩 和 L 4 灰岩之间的海相泥岩、砂质泥岩和灰岩段 中 掘进，所掘进区域地质构 造较为简单 ，断层不 发 育 ，仅局部发育有小 断层 或挤压破碎 带，延伸较 短 。煤系地 层走 向 N6 0 。 E，倾 角 1 8 。 ～3 2 。 ，平均 2 3 。 ，掘进方向大致和岩层走向方向一致 。 底臌剧烈区段底板岩性 以泥岩为主，岩体结 构类型主要为软弱相间的互层结构，局部受构造影 响，存在挤压变形带 。巷道开挖后，由于受高地应 力的影响，围岩变形破 坏明显 ，岩体 质量 明显 降 低，RQD指标一般为 2 5 ～4 5 ，属 Ⅲ～Ⅳ类较破 碎 的岩体 。 2 ． 2 岩 层地应 力 水平 在一 7 8 5 m水平轨道大巷绕道进行了围岩地应力测 试，采用空心包体三维应力测量法，测量结果见表 1 。 表 1 7 8 5水平地应 力测试 结果 根据测试 结果 ，一 7 8 5水平所在 区域 属于 以水 平应力为主的地应力场类型，最大主应力近水平方 向 ，其值 为 d r 1 2 6 ． 7 8 MP a ，而 d r 2和 d r 3均 偏 小 ， 且其值相差不大。实际上，垂直应力和水平应力都 可能引起底臌 ，当水平应力起主要作用时，巷道变 形则以挤压作用为主 ，这时底板岩层破坏范围呈倒 梯形状∞ ，与现场实际变形情况基本吻合 。 2 ． 3 围岩矿物成分及其含量分析 ． 根据试验结果 ，底板泥岩中的粘土矿物成分含 量高达 5 O ． 7 0．4～5 1 ． 7 9 ／ 6 ，且矿物成分主要为伊／ 蒙 混层 、伊利石、高岭石 。其 中，膨胀性及吸水性较 强的伊／ 蒙混层含量为 5 2 9 ／ 5 ～6 4 9 ／ 6 ，可见巷道海相 泥岩 中具有较强的膨胀性和吸水性 。岩样微结构 以层状和片状结构为主。 2 ． 4 岩体水理作用 巷道在掘进 过程 中使 围岩产生水理作用 的水 源 ，主要为工程用水 、空气 中的水份及局部砂岩渗 水 。由于底板泥岩中的膨胀性矿物含量高，底板泥 岩暴露后 ，主要以吸水膨胀 、潮解风化的形式与水 发生作用 。同时，水沟损坏后水不能及时排出，致 使底板大量积水通过岩体裂隙不断渗入到底板岩体 内部与更深层岩体发生水理作用 ，加速了底板围岩 的强度丧失和体积膨胀 ，从而加剧 了底板的臌出变 形 。 2 ． 5 原 有 支护强 度 巷道原有支护形式为底板开放式支护，顶锚杆 为 2 0 mmL 1 9 5 0 mm 的树脂 螺纹 钢锚杆 ，帮锚 杆为 2 0 mm L 1 7 5 0 mm 圆钢 锚 杆，间 排 距 为 8 0 0 mm 8 0 0 mm； 锚 索 采 用 1 5 ． 2 4 mm X L 6 0 0 0 mm高强低松 弛钢绞线，间排距为 2 0 0 0 mm 2 0 0 0 mm；铺设 9 4 mm 钢筋 网，喷层厚 1 0 0 mm C 1 8砼 ，一次完成 。从整个巷道 的变形来看，原 支护强度小、刚度低 ，锚索不能深入锚 固到深部稳 定岩层 ，底板未采取任何支护措施 ，使得底板变形 没 有得 到及 时控 制 。 3 - 7 8 5 m 轨道 大巷 底臌 机 理研 究 3 ． 1 塑性挤出型底臌 深部高应力条件下 ，较为软弱的层状物质，如 破碎带岩石、泥岩和其它散体结构，在应力超过其 屈服强度时，软弱的塑性物质沿最大应力梯度方向 向临空区挤 出，发生 流动性破 坏。一 7 8 5大巷 在帮 部所发生的收敛臌出变形 ，很大程度上是由软弱的 泥岩在深部高动 、静载荷作用下，发生的塑性流动 造成 的。直接底板为软弱破碎粘土岩，而两帮和顶 板岩体强度大于底板岩体强度 。在两帮岩柱的压模 维普资讯 第 4期 杨生彬 等 孔 庄矿深部软岩大巷底臌机理及控 制对策研究 效应和远场应力的作用下，底板软弱破碎岩体挤压 流 动到巷 道 内 ，造成 巷 道底 臌量 增大 。塑 性挤 出 形 式 如 图 2 所 示 。 图 2 向临空方 向的塑性挤 出 3 ． 2 膨 胀 型底臌 膨胀型底臌主要是 由于受水理性质的影响，引 起 巷道底 板 岩层膨 胀 和岩体 应 变软化 造 成 的 。底 板 泥岩中蒙脱石 、伊利石含量高 ，在高应力地质条件 下 ，浸水后膨胀性矿物在内部及外部膨胀机制的作 用下，水分子进入晶胞层间和颗粒间形成层间膨胀 和粒间膨胀。而随着巷道的掘进 ，底板岩体受力逐 渐增大 ，岩体 中的微裂隙不断扩展、贯通 ，在应力 扩容机制下产生剧烈的体积增大 ，从而引起巷道膨 胀型 底臌 。 3 ． 3应力 型底 臌 根据围岩岩性及岩体结构分析，底板岩体较破 碎，在掘进过程中巷道周边的围岩松动圈往往会很 大 ，随着帮部受力逐 渐增大 ，使得巷道两 帮的 应力集 中转移到岩体深部 ，在这种情况下就没有压 模效应 的作用 ，这样底 板在远 场地应力挤 压作用 下，使得底板破碎 岩体 向巷道 内剧烈变形 形成底 臌 。 4 底臌 控 制技 术及 三维 数值 模拟 4 ． 1 底臌控制技术 1 底角锚杆支护 底角锚杆的作用主要是切断底板围岩在高应力 作用下的塑性滑移线 ，以成排的锚杆杆体所形成 的 抗弯刚度来抵抗底板的塑性臌出，因而要求杆体材 料具有较高的刚度 。通过对 比分析多种材料包括螺 纹钢锚杆 、管缝式锚杆 及无缝钢 管的力学性 能特 点 ，选用 中空式无缝钢管作为底角锚杆用材 。底板 支护荷载 由下式确定 W 一 1E 2 L d一 C T“ 一 L p a t a n -] L p 一詈 y 1 式中L 一塑性软化区半径 m ，a 一巷宽 m ， c 一直墙 高 m ，d一拱高 m ， 一塑性滑移 角 。 ，7 - 上覆岩层体积重量 ， k N／ m。 。 根据底板支护荷 载来确定底 角锚 杆的设计参 数 中空 焊缝 钢 管 管 径 p 3 8 mm，长 2 0 0 0 mm，排 距 7 0 0 mm，安装角度 4 5 。 ，在施工过程 中要将管内 用水 泥浆 注 实 。 2 提高帮顶支护强度 当帮部及顶板的支护强度相对较低时，往往会 加剧塑性挤出型底臌，因此 ，要适当提高巷道帮顶 的支护强度 ，锚杆采用 2 O mmL 2 0 0 0 mm 的树 脂 螺 纹钢锚 杆 。间 排距 7 0 0 7 0 0 mm 三 花 布置 ； 锚索采用 1 8 ． 9 mmL 8 0 0 0 mm 高强低松弛钢绞 线 ，间排距为 1 4 0 0 mm2 1 0 0 mm；铺设 p 6 mm钢 筋 网，喷层厚 1 0 0 mm C 2 0砼 ，分次完成 。 3 其他防治措施 及时设置排水沟 ，施工积水及时排走 ，尽量避 免 底板 浸水 。 4 ． 2三维数值模拟 计算模 型围岩采用 M C弹塑性模 型，底角锚 杆 由 p i l e 单元生成 ，共分两种工况 ，即工况 1 一无 底角锚杆开放式支护 、工况 2 一有底角锚杆支护 ， 计算结果见图 3 、图 4 。 a 水平向位移 b 垂向位移 图 4工况 2 巷道位移分布 对 比分析两种工况的位移场可以得出 1 工况 1 即无底角锚杆开放式支护中，巷 道发生了非对称变形 ，下帮明显出现底臌，底臌最 大值达 6 4 ． 1 c m，而且底板塑性 区分布 中受剪状态 比较 明显 ，底 板 的 活动塑 性 区域与 位移 矢量 图基 本 维普资讯 8 0 中 国 矿 业 第1 6 卷 一 致 ，因而也验证了底板变形大的现象。 2 工 况 2 即增设 底 角锚 杆 后 ，底 板 围岩 的 塑性区域大大缩小，塑性状态比较简单 ，尤其底板 的受剪状态得到了明显的改善，几乎不存在活动塑 性区域 ，巷道变形逐渐趋于稳定。此外 ，由于底角 锚杆的加设 ，使得底板部位的整体强度得到了大幅 度提高 ，从而使帮部及顶板的支护系统受力分布比 较均衡 ，通过两帮位移量的减少也说 明了底角锚杆 的加设 ，不仅有效控制了底板位移 ，对于改善帮部 围岩的受力及控制帮部位移，也有一定 的作用。 4 ． 3 设计参数优化 根据数值模拟分析结果 ，对巷道支护设计参数 进行优化。针对非对称 变形 ，支护 采取非对称 布 置 ，在右肩窝关键部位增设一排锚索 ，同时底臌剧 烈部位布置双排底角锚杆 ，另一侧布置单排底角锚 杆 ，有效控制巷道变形 。 5 工 程应 用效 果 支护方案在一 7 8 5 m新开轨道大巷进行实施 ，根 据 4个多月的矿压监测数据分析，巷道变形得到了 有效控制 ，底板最大变形量 约 7 1 mm，底板变形监 测 曲线 见 图 5 。 图 5底板变形监测 曲线 6结 语 通过对孔庄矿一 7 8 5 m轨道大巷底臌主控 因素的 分析和机理的研究 ，得出巷道底臌的类 型主要 为 塑性挤出型 、遇水膨胀型及应力型底臌，针对以上 类型提出了以底角锚杆支护控制底臌 的关键技术 ， 并辅 以必要的防治措施 ，同时应用三维数值分析软 件 ，模拟了不同工况下支护体对底臌控制的影响 ， 最终提出最优 的支 护设计参数 。从 工程应用效果 看 ，有效控制了深部软岩巷道在复杂条件下严重的 底臌现象 ，今后可以加大底角锚杆控制底臌技术的 理论与试验研究 ，使得该技术在深部巷道工程 中推 广 应用 。 I 参考文献 E 1 ] 康红普． 软岩巷道底臌 的机理及 防治 [ M] ．北京 煤 炭工 业出版社 ，1 9 9 3 1 4 ． 2 3 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 1 4 5 ～1 6 3 ． 3 3 W a n g C，Wa n g Y，Lu S ．De f o r ma t ion a l be h a v i o u r o f r o a d wa y r o c ks i n u n d e r g r o u nd c o a l mi n e s a n d p r i n c i p l e s f o r s t a b i l i t y c o n t r o l[ J ] ．I n t ．J ．R o c k Me c h ．a n d Mi n ．S c i ． ，2 0 0 0 ， 3 7 6 9 3 7 9 4 6 ． E 4 3 S t a nk u s J C，Pe n g S S ． Fl o o r bo l t i n g f o r c o n t r o l o f mi n e f l o o r h e a v e[ J ] ．Mi n in g E n g i n e e r i n g ，1 9 9 4 ，4 6 9 1 0 9 9 ～ 1 1 0 2 ． C 5 3 何满潮，景海河 ，孙 晓明．软 岩工程力 学 [ M] ．北京 科 学出版社 ，2 0 0 2 2 3 --4 4 ． E 6 3 刘文 涛，何满潮 ，杨生彬 ，等．深部岩巷不对称变形机理及 支护对策研究[ A] ．第 九届岩 石力学 与工程学 术大会 论文 集[ c ] ．北京 科学出版社 ，2 0 0 6 6 6 1 ～6 6 9 ． 7 3 姜耀 东 ，赵 毅 鑫 ，等．深 部 开采 中巷 道 底 臌 问题 的研 究 口] ．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 4 ，2 3 1 4 2 3 9 6 2 4 0 1 ． 8 3 涂敏 ，杜英．深部开采巷道 矿压显现及控制 [ J ] ． 矿山 压 力与顶板管理 ，1 9 9 2 2 5 2 5 5 ． 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 女 电 电 电 电 电 电 女 电 女 电 女 女 电 女 女 女 女 女 女 女 七 女 女 女 女 女 上接第 7 6页 [ J ] ．矿冶工程 ，2 0 0 4 ，2 4 6 7 1 O ． E 3 3 常兴 建 ，耿 付 顺 ，赵 兴 东．境 界 矿 柱厚 度 确 定 方 法研 究 [ J ] ．有色冶金 ，2 0 0 3 ，1 9 5 7 8 ． 4 3 张永彬 ，赵兴东，杨 天鸿 ，等．用数值模拟方法确定露天转 地下境界矿柱厚度[ J ] ．矿业工程 ，2 0 0 3 ，1 4 2 5 2 8 ． 5 3 李元辉 ，南世卿 ，赵兴东 ，等．露天转地下境界矿柱稳定性 研究[ J ] ．岩 石 力 学与 工程 学 报 ，2 0 0 5 ，2 4 2 2 7 8 2 8 3． 6 3 汪勇．采空 区上方安全顶柱厚度的确定方法 [ J ] ．矿业快 报 ，2 0 0 2 1 ，1 7 1 8 ． 7 3 岩小 明，李夕兵 ，李地元 ，等．露天开采 地下矿室 隔离层安 全厚度的确定 [ J ] ． 地下 空间 与 工程 学报 ，2 0 0 6 ，2 4 ； 6 6 6 6 7 1 ． 8 3 刘 波，韩 彦 辉 美 国 ． F L AC 原 理 实 例 与 应 用 指 南 [ M] ．北京 人民交通 出版社 ，2 0 0 5 ． 维普资讯