深部硐室围岩破坏原因与稳定性控制技术.pdf

2 0 1 1 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 8 卷第6 期 深 ． il ] iH 室围岩破坏原 因与稳定性控制技术 李来源 ， 林惠立 ， 魏夕合 1 ． 淄博矿业集团有限责任公司 葛亭煤矿 ， 山东 济宁 2 7 2 1 0 0； 2 ． 山东科技大学 资源与环境工程学院， 山东 青岛 2 6 6 5 1 0； 3 ． 煤炭科学研究总院， 北京 1 0 0 0 1 3 摘 要 煤矿开采逐渐转 向深部， 深部硐 室围岩大变形特征给硐室群稳定性控制带来很大难度。根 据深部大断面硐 室围岩力学特征及 变形特性， 通过地质条件分析、 原岩应力测试 、 岩石微观组分分析 ， 对 深部硐 室围岩破坏的影响因素进行 了总结 ， 以抗让结合的原则， 提 出深部构造复杂区域大断面硐 室围岩 稳定性控制对策。采用关键部位耦合支护控制技术 底脚锚杆 全断面锚索加强支护对深部大断面硐室 进行强抗微让的强力支护方式， 在葛亭煤矿2 3 0扩容泵房硐室成功应用， 并对泵房硐室围岩收敛变形、 锚杆索工况、 离层进行 了长期监测 ， 围岩顶底板移近量仅 1 2 ． 5 m m， 两帮内移量 7 ． 5 mm， 锚杆索受力均 匀， 内外离层较小， 完全满足矿井安全生产需要。 关键词 深部开采； 大断面硐室； 围岩稳定； 耦合支护 ； 矿压观测 中图分类号 T D 3 5 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 1 0 6 0 0 2 5 0 3 随着煤矿开采强度和规模不断增大 ， 各生产 矿 井逐渐转 向深部开采 ， 泵房立体交叉硐室群是深部 开采重要的开拓巷道， 具有典型“ 三高一扰动” 的复 杂地质力学环境 ， 使得深部硐室 围岩表现 出明显 的 非线性大变形力学特征 ， 硐室 围岩应力集 中程度加 剧， 硐室支护的难度和破坏程度不断增加， 采用传统 的浅部硐室支护理论及形式 已经难以保证大断面泵 房硐室在服务年限内围岩稳定性要求 J 。研究深部 泵房大断面硐室稳定性影响因素、 控制对策， 解决深 部构造复杂环境下大断面硐室围岩稳定性控制技术 难题 ， 已经成为深部巷道及硐室围岩控制领域亟待 解决 的重要课题。 1 工程概 况 葛亭煤矿3 3 0采区与2 3 0 采区分别在向斜构造 的两翼， 2 3 0采区扩容泵房立体交叉硐室群位于向 斜轴部， 井下标高一 7 7 0 m左右。硐室掘进穿越砂岩 组 、 泥岩组和煤体岩组 ， 通过理论计算和工程经验确 定各工程岩组的上临界深度 J 砂岩组 7 0 0 m， 泥 岩组 5 0 0 m， 煤体岩组6 0 0 m 。因此， 2 3 0 扩容泵房硐 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 1 0 基金项目 国家 自然科学基金项 目 5 0 8 7 4 0 7 0 作者简介 李来源 1 9 6 4 一 ， 男， 山东济宁人， 博士研究 生， 高级工程师， 主要从事矿山压力与岩层控制、 深部巷道支 护方面的研究工作。 室支护属于深部巷道支护范畴。泵房硐室为半圆拱 形 ， 掘进 宽度 5 ． 7 0 r n ， 掘进 高 度 5 ． 7 5 m， 断 面积 2 9 ． 3 m ， 属大断面硐室， 受硐室跨度效应影响； 2 3 0 扩容泵房硐室附属水仓 、 变电所 、 壁龛等造成了立体 交叉硐室群的空间效应 ； 深部 区域构造复杂 ， 且断层 多 、 落差较大 ， 大断层附近小断层 比较发育 ， 造成硐 室围岩破碎、 节理裂隙发育、 强度降低， 同时存在较 强的构造应力 、 膨胀应力和工程偏应力 ， 这些因素加 大了2 3 0扩容泵房硐室围岩稳定性的控制难度。 2 硐室围岩稳定性影响因素分析 通过对现场工程地质 、 构造地质及破坏特征 的 分析 ， 葛亭煤矿 2 3 0扩容泵 房硐室 围岩稳定性影响 因素主要有 1 深部高应力。 2 3 0 扩容泵房埋深大 一 7 7 0 m ， 同时存在较强的构造应力 、 膨胀应力和工程偏应力 ， 揭露 的煤岩组 、 泥岩组和砂岩组都处于临界深度 以 下 ， 进入非线性大变形状态 ， 硐 室围岩稳定性控制难 度系数较高。高地应力是深部大断面硐室变形破坏 的主要原因。 2 围岩强度低， 裂隙发育， 完整性差。该硐室 群围岩所处地层主要以砂质泥岩、 泥岩和煤体为主， 围岩体本身的强度较低， 通过电镜扫描和 x射线衍 射试验， 分析获得泥岩中含有大量的蒙脱石、 高岭石 等黏土矿物， 黏土矿物遇水发生膨胀并使得围岩产 2 5 ． 2 0 1 1 年1 2 月 矿 业安 全 与环保 第3 8 卷第6 期 生显著塑性变形， 对硐室群的变形破坏有较大的 影响。 3 应力集中。硐室开挖后， 围岩应力发生较大 的变化， 切向应力在岩壁出现局部集中现象， 硐室深 部岩体则接近原岩应力状态， 如果 2个相邻壁龛间 距较小就会出现 2个硐室开挖产生的工程应力相互 干扰 ， 加剧 了应力集 中， 严 重影响硐室群 工程 的稳 定性 。 4 地质构造复杂。硐室穿越断层带 ， 造成顶板 节理化破碎 ， 多组节理切割顶板岩层形成 楔体垮 落 等破坏现象 ， 若开挖后未及时支护或支护参数 不合 理 ， 将导致硐室顶板出现严重变形 。 5 高水平应力。原岩应力测试结果如表 1所 示， 原岩应力场的第 1 主应力为水平应力， 水平应力 普遍大于垂直应力 ， 最大水平主应 力为垂直应力 的 1 ． 3 61 ． 8 2倍 ， 实测的最大水平主应力为最小水平主 应力的2 ． 1 8～ 2 ． 4 3 倍 ， 即 h ⋯ 2 ． 1 8 2 ． 4 3 c r h ， 最大水平应力呈 N E E --S WW 向， 水平应力对巷道掘 进的影响具有非常明显的方 向性。2 3 0扩容泵房硐 室与最大主应力方向斜交 ， 根据最大水平应力理论 ， 硐室顶板变形破坏将 比两 帮剧烈 ， 由于泵房设备等 对底鼓控制的要求较高， 因此， 防治底鼓将成为 2 3 0 扩容泵房 围岩控制的重点。 表 l 原岩应 力测试结果 6 支护时空关 系、 立 体交叉硐 室群 的空 间效 应、 硐室跨度较大等因素， 均可引起硐室群的变形失 稳 ， 甚至破坏 ， 这是大断面硐室围岩稳定 的关键影响 因素。 3 硐室围岩稳定性控制技术 3 ． 1 泵房硐室围岩稳定性控制对策 综合分析 2 3 0 扩容泵房的工程地质条件及围岩 稳定性影响因素， 结合理论研究与数值模拟成果， 确 定了2 3 0 泵房硐室围岩稳定性控制对策。 1 采用锚网索耦合支护技术， 对大断面泵房硐 室进行适度让压和强化支护， 充分发挥锚网索与围 岩整体承载的力学特性， 在此基础上， 进行全断面锚 索加强支护， 对跨中弯矩较大的大跨度硐室， 可以起 到减跨效应与防底鼓的作用， 避免造成锚杆组合拱 的剪切破坏， 提高硐室围岩的整体稳定性。 2 从围岩 3个部位相互作用的角度控制底 2 6 鼓 9 J ， 关键部位施加锚索 ， 顶板进行加强支护 ， 相应 增加顶板应力集中程度， 减小从顶板松动岩体通过 两帮传递到底板上的压力 ， 可有效减小底鼓量 ； 利用 锚 网支护及帮部锚索加强支护， 增加两帮岩体强度 及减小收缩量 ， 限制两帮对底板两侧形成 的固定约 束向围岩深部转移， 起到减跨的作用， 以减小发生底 鼓 的底板宽度 ； 同时对底角施加刚性锚杆支护 ， 减少 暴露底板宽度， 分解两帮对底板传递的挤压应力， 从 而提高底角抵抗剪切滑移破坏的能力。 3 深部大断面硐室围岩的稳定 性控制主要 体 现在非线性大变形控制设计过程中。非线性大变形 力学行为区别于非线性小变形力学行为 ， 原 因是其 研究的大变形岩体介质 已经进入到塑性 、 黏塑性和 流变性阶段 ， 在整个力学 过程 中， 已不服从叠 加原 理 ， 而且围岩 的力学平衡关系与各种荷载特性 、 加载 过程具有相关性 。因此 ， 不能简单地用支护参数来 进行设计 ， 还要强调 过程和支护 时机 的优化设 计。 硐室的开挖使围岩由三向受力状态转变为两 向或单 向受力 ， 控制锚杆索合理支护是保证 围岩三向受力 稳定的重要环节。深部硐室围岩 的破坏不是一个瞬 间过程 ， 而是一个渐进破坏的力学过程 ， 往往先从某 些关键部位开始变形 、 损伤 ， 进而导致整个支护系统 失稳、 破坏。严格控制泵房硐室锚索加强支护与锚 网支护之间的时间间隔 ， 采用强抗微让 的控制原则 ， 保持围岩适当变形的情况下及时高强度加固围岩， 充分发挥围岩 自承能力 。 3 ． 2 泵房硐室耦合支护参数设计 。 。 在理论计算、 数值模拟计算分析后， 确定泵房硐 室支护断面如图 1 所示 。 图1 硐室支护断面锚杆索布设方案示意图 1 锚杆支护。永久 支护采用锚 网喷 支护 。锚 杆采用 0 2 2 mm 2 4 0 0 m m无纵筋螺纹钢树脂锚杆 ， 每根锚杆用2支 M S Z 2 8 5 0树脂锚固剂固定， 锚固力 不小于 8 5 k N。锚杆 间排距为 8 0 0 m m 8 0 0 mm， 在 巷道拱顶正中打设第 1 根锚杆后， 其余锚杆均匀 2 0 1 1 年 l 2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 8卷第6 期 布 置 。 2 锚索支护。锚索采用 q b l 7 ． 8 m m左旋预应 力钢绞线截制， 强度 1 8 6 0 M P a ， 锚索长度为 7 IT I ， 每 根锚索用 3支 MS Z 2 3 5 0型树脂锚 固剂 固定 ， 锚索预 紧力不小于 1 0 0 k N。锚索外露长度不超过 3 0 0 m m， 托盘规格 为 4 0 0 m mx 4 0 0 m mX 2 0 m m。间排距 为 1 3 0 0 m mx 1 6 0 0 mm， 在巷道拱顶正 中及两拱肩关键 部位打设锚索后， 其余锚索自顶至帮均匀布置。锚 索起悬 吊作用 ， 调动深部围岩形成大 的加固圈层 ， 充 分发挥围岩的 自承能力。 3 金属网支护。金属网用 ． 5 mm钢筋焊制 ， 规格为 1 7 0 0 m mx 9 0 0 m m， 网格 1 0 0 mmx 1 0 0 m m， 网 片搭接长度为 1 0 0 m m。金属网一方面可提高喷层强 度， 另一方面可提高混凝土柔性抵抗变形的能力 刚 度 。 4 喷射混凝土支护。喷射混凝土强度等级 C 2 0 ， 2 3 0 采区扩容泵房及吸水井壁龛硐室断面喷浆 厚度 1 5 0 m m， 泵房硐室初喷 5 0 m m， 及 时封闭围岩， 保证壁面光滑， 避免应力集中造成围岩及喷层破裂， 硐室底板浇注 1 0 0 mm厚混凝土。 优化后 的施工顺 序 光面爆破硐 室成 型一 临时 支护一铺金属 网 初喷 5 0 m m混凝土一锚杆支护 挂 金 属 网 一 及 时 全 断 面 锚 索 加 强 支 护 一 复 喷 1 0 0 m m混凝土。 4 工程应用效果分析 4 ． 1 泵房硐室测点布置 为了及时掌握试验硐室在采用锚网索耦合支护 条件下表面收敛和深部 围岩运移规律 ， 以及锚杆索 工况等矿压规律， 进行了支护监测分析研究。共布 置 2个监测断面。 4 ． 2 监测结果分析 监测期间顶底板 移近量仅为 l 2 ． 5 m m， 两帮 内 移量为 7 ． 5 m m， 锚网索喷支护方式有效提高了围岩 自承能力， 保证了支护结构的整体性 ， 硐室正常使用 后 ， 围岩一直保持稳定状态 ， 没有出现 明显的变形。 围岩收敛变形情况如图 2所示 。 董 ； 回2 0 5 1 O1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 O 硐 室掘进 后时间／ d 图2 扩容泵房第 1 监测断面围岩收敛变形曲线 分别对监测断面 3根顶板锚杆和 2根锚索受力 情况进行监测 ， 结果 如图 3 所示 ， 观测表 明锚杆 索受力均正常 ， 其中锚杆主要承担的载荷约为 8 0 9 0 k N， 锚索主要承担的荷载约为 8 51 1 5 k N， 且受 力较稳定， 硐室左侧发挥了较大拉力作用， 而硐室右 侧处 F 5号锚杆所发挥的作用较小 。锚杆 索 均在 硐室支护后前 1 5 d内拉力变化较大， 1 5 d后 随着时 间的增加逐渐趋于稳定， 表明泵房硐室支护体系受 力趋于稳定 露 蔫 图3 扩容泵房锚杆受力曲线 硐 笙 掘进 后 时 间／ d 图4 扩容泵房锚索受力曲线 2 3 0采 区扩容泵房的顶板 围岩锚 固区 内、 外 的 离层值 见图5 均较小， 锚固区内的最大顶板离层值 为2 ． 9 m m， 锚固区外的最大顶板离层值为 3 ． 2 m m。 随着时间的推移， 2 3 0扩容泵房大断面硐室群的顶 板围岩离层运动趋于稳定， 硐室的整体稳定性得到 了全面控制。 l 嚣 逍 咄 髓 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 O 硐室掘进后时间／ d 图5 扩容泵房顶板离层曲线 5 结论 1 通过对煤矿深部构造复杂 区域大断面硐室 工程地质条件与深部力学特征的分析， 得出深部高 地应力、 围岩强度低、 裂隙发育、 膨胀性黏土矿物、 应 力集中、 高水平应力、 支护时空关系、 立体交叉硐室 群的空间效应、 硐室跨度效应是煤矿深部泵房硐室 群破坏的主要影响因素。 下转第3 O页 2 7 2 0 1 1 年1 2 月 矿 业安 全 与环保 第3 8 卷第6 期 型。每一个输入向量的取值范围为[ 0 ． 1 ， 0 ． 9 ] ， 隐含 层有 1 0个神经元 ， 输出层有一个神经元 ， 隐含层 的 激活函数为 l o g s i g ， 输 出层的激活函数为 t a n s i g ， 网络 期望误差设为 0 ． 0 0 0 1 ， 网络学 习速率 ， 为 0 ． 1 ， 利 用 M a t l a b提供 的神经 网络工具箱进行可视 化操作 ， 其具有直观、 迅速的特点 J ， 经过多次试验， 使用训 练函数 t r a i n l m ． n l 收敛速度最快， 拟合效果最好。 2 ． 3结果分析 基于以上 B P神经网络模型分析结果 ， 选取关联 度好的 4个钻孔 ， 采用 当月钻 孔水位预测 当月 的矿 井涌水量 ， 预测结果见表 3 。由表 3看 出涌水量实测 值与预测值之间， 最小误差仅为 0 ． 0 1 2 ％， 最 大误差 为 1 ． 2 2 6 ％ ， 平均误差为 0 ． 2 5 9 ％。说明用水位预测 涌水量能较好地排除其他因素的干扰， 预测精度高， 能较好地满足生产的需要， 所建立的灰色 B P 神经网 络预测模型正确。 表 3 涌水量预测结果 3 结语 在矿井涌水量与钻孔水位背景资料分析的基础 上， 结合灰色关联度分析 了钻孔水位与涌水量 的关 系， 运用 B P神经 网络技术对 矿井涌水量进行 了预 测。从新集二矿来看 ， 预测结果精度较高 ， 证 明该方 法是有效的， 可为矿井排水方案的设计提供依据。 参考文献 [ 1 ]张本臣， 刘喜信， 孙传斌． 矿坑涌水量预测的影响因素分 析[ J ] ． 吉林地质， 2 0 0 6 ， 2 5 1 5 8 6 1 ． [ 2 ]王金国， 江洪清， 高永奎． 基于 M A T L A B R的矿井涌水量 神经网络预测方法及应用[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 4 ， 2 3 7 6 7-68． [ 3 ]陈佩佩， 刘鸿泉， 朱在兴， 等． 基于人工神经网络技术的 综放导水裂隙带高度预计[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 5 ， 3 0 4 43 84 42． [ 4 ]郭江龙， 张树芳， 陈海平． 汽轮机性能预测 B P神经网络 输入层神经元筛选方法[ J ] ．汽轮机技术， 2 0 1 0 ， 5 2 2 1 4 71 4 9． [ 5 ]庞庆， 闫洪囡． 灰色关联系数理想解决策方法研究[ J ] ． 机械设计与研究， 2 0 0 8 ， 2 4 2 1 9 - 2 4 ． [ 6 ]郝彬彬， 李冲， 王春红． 灰色关联度在矿井突水水源判别 中的应用[ J ] ． 中国煤炭， 2 0 1 0 ， 3 6 6 2 0 2 2 ． [ 7 ]赵延明． 基于改进 B P神经网络的瓦斯含量预测模型 [ J ] ． 工矿自动化， 2 0 0 9 4 1 1 1 3 ． ． [ 8 ]吴翠娟． 基于神经网络的矿井涌水量预测研究[ J ] ． 中国 煤炭， 2 0 0 9， 3 5 1 0 1 0 5 1 1 3 ． [ 9 ]任欣， 万新南． 基于 M A T L A B的A R及 B P模型在矿井涌水 量预测中的应用与比较[ J ] ． 煤炭技术， 2 13 0 9 ， 2 8 3 6 4 6 6 ． 责任编辑 卫 蓉 上接第2 7页 2 采用关键部位耦合支护控制技术 底脚锚杆 全断面锚索加强支护对深部大断面硐室进行抗让 结合 的强力支护方式， 充分发挥围岩的 自承能力 ， 在 2 3 0扩容泵房应用取得 良好效果 ， 围岩顶底 板移近 量仅 1 2 ． 5 m m， 两帮 内移量 7 ． 5 m m， 锚杆索受力均 匀， 内外离层较小， 完全满足矿井安全生产需要。 参考文献 [ 1 ]郭平业， 赵菲菲， 林万旭， 等． 深部硐室群破坏机理及其 稳定性控制[ J ] ． 煤炭工程， 2 0 0 9 3 8 7 - 8 9 ． [ 2 ]孙晓明， 何满潮， 杨晓杰． 深部软岩巷道锚网索耦合支护非 线性设计方法研究[ J ] ． 岩土力学， x o 6 7 1 0 6 1 1 0 6 5 ． [ 3 ]何满潮． 深部的概念体系及工程评价指标[ J ] ． 岩石力学 与工程学报， 2 0 0 5 ， 1 6 8 2 8 5 4 - 2 8 5 7 ． [ 4 ]孙晓明， 郭志飚， 蔡峰． 深部泵房硐室群破坏原因及控制 3 0 对策研究[ J ] ． 煤炭工程， 2 0 0 9 3 2 8 3 0 ． [ 5 ]刘文涛， 何满潮， 齐干， 等． 深部全煤巷道锚网耦合支护 技术应用研究[ J ] ． 采矿 与安全工程学报， 2 0 0 6 9 2 72-2 73． [ 6 ]苏士龙， 靖洪文， 梁军起． 高应力软岩大断面硐室破坏机理 分析及对策[ J ] ． 矿业研究与开发， 2 O 0 9 1 0 3 1 3 2 ． [ 7 ]乔卫国， 孟庆彬， 林登阁． 彭庄煤矿主排水泵房的整体加固 技术与数值模拟[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 0 9 2 6 - 2 9 ． [ 8 ]刘业献， 邵昌尧， 杨瑞斌． 唐 口煤矿千米埋深岩层中大跨度 硐室群施工技术[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 6 1 2 3 5 - 3 7 ． [ 9 ]何满潮， 张国锋， 王桂莲． 深部煤巷底臌控制机制及应用 研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 9 ， 2 8 1 2 5 9 3 2 5 9 8 ． [ 1 0 ]朱维申， 李勇， 张磊． 高地应力条件下硐群稳定性的地质 力学模型试验研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 8 7 l 3 0 9 1 3 1 0 ． 责任编辑 陈玉涛