深部软岩巷道支护耦合转化技术研究(1).pdf

l j 2l l 2I l ；I i i2 I 嚣 。 。 。 。 ． 。 ．。 深部软岩巷道支护耦合转化技术研究 工 业技术 赵景民 耿清友 贾玉波。 1 ． 唐山马家沟矿业有限责任公司 河北唐山0 6 3 0 0 9 ；2 ． 开滦 集团 有限责任公司 河北唐山0 6 3 0 1 8 ； 3 ． 开滦 集团 有限责任 公 司唐 山矿矿业 分公司 河北 唐山0 6 3 01 8 摘要 通过 对深部 开采软 岩巷道 的 变形破 坏机 理的研 究 ， 巷 道 变形破 坏 主要 是 由于支 护体 力学特性 与围岩 力学特性在 强度 ． 刚度 以及 结构上出现不耦合所造成的； 且变形首先从关键部位开始， 进而导致整个支护系统的失稳。 因此， 要保证深部软岩巷道围岩的稳定性， 必须 实现 支护体 与围岩的耦合 ， 当锚杆 与围岩在刚度上 实现 耦合时 ， 能最 大限度 地发挥 锚杆 对 围岩的加 固作 用 ； 当锚 网与固岩在强度上 实现 耦 合 时， 将会使 围岩的应 力场和位 移场趋 于均 匀化 ； 当锚 索与 围岩在 结构上耦合 时 ， 可 以充分利 用深部 围岩 强度 来实现对 浅部围岩的支 护。 同时列举 了 部分复合型想单一型的耦合转化技术， 为巷道锚杆耦合支护技术的实施提供 了 依据。 关键 词 深 部开采 软 岩巷道 耦合支 护 耦合转 化 中图分类号 T D3 5 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 -- 3 7 9 1 2 0 1 4 o 5 b - 0 0 9 6 - 0 2 1 深部工程的现状 随 着经 济的不断 发展 ， 在 工业 发展 中 煤炭资源的开采是其 基本 的推动力 ， 同时 ， 煤 炭 开 采 也 逐 渐 成 为 一 门 重 要 的 技 术 学 科 。 在煤炭的开采过程 中， 巷道要如何维护 好 本 身 的 稳 定 性 能 ， 这 已 经成 为 采 矿 与 岩 土 这 两 个 工 程 之 间 要 解 决 的 问 题 。 近 些 年 来 ， 支 护 的 手 段 与 方 法 在 煤 炭 行 业 中得 到 了很 好 的 发 展 ， 从 被 动 的 棚子 支 护 转 变 为 主动的锚杆 支护 ， 并且根 据不同的 实际工 程 条件与地址 条件 ， 它们 都将在不 同的使 用范 围内出现 。 同时 ， 在支护的 发展中 ， 其 本身理论上 有 了相对完 备的发展 。 而现在 比较 先 进 的 支 护 方 式 则 是 锚 杆 支 护 方 式 。 它 可 以 很 好 的 适 用 于 不 同 的 地 质条 件 ， 在 劳动强度上也 比较低 ， 且经济效益很好⋯。 软 岩 巷 道 工程 成功 支护 的技 术 关 键 之 一 是 正 确 确 定 软 岩 的 变 形 力 学 机 制 及 其 复 合 型 。 深 入 研 究深 部 工 程 围岩 特 征 ， 掌握 深 部 围岩 的变形破坏机 理 ， 以有效地控 制 围岩 的变形与破坏 ， 在煤矿安全生产 ， 高产高效 中具有重要 的理论指导意义和现 实意义。 2 软岩巷道的变形力学机制的确定 每 种 变 形 力 学 机 制 有 其 独 特 的特 征 型 矿物 、 力学作用和结构特点 ， 其软岩巷道的 破坏特征也有所不同[ 2 - 3 ] ， 通过野外工程地 质研 究 和 室 内物 化 、 力 学 实 验 分 析 以 及理 论分 析 ， 可以正 确的确定软岩 巷道的变形 力学 机 制 类 型 。 1 I 型变形 力学机制 主要 依据其特征 矿物和微 隙发 育情况进行确定为物化膨胀 型， 根据特征可分为I A型 蒙脱石型分子吸 水膨 胀机制 、 I AB 型 伊一蒙脱石型分子吸 水膨胀 胶体膨胀 、 I B 型 高岭石型胶体膨 胀机制 、 I c型 微隙型微裂隙膨胀机制 。 其 中A类 软 岩 的控 制 性 因素 为分 子 吸 水 机制 ， 晶胞 之 间可 吸 收 无 定 量 水 分 子 ， 吸水 能 力 强 ； B类控制性 因素为胶体吸水机制 ， 晶胞 之间不允许进 入水分子 ， 黏粒表面形成 水 的吸附 层； C类控制性 因素为微 隙一毛细吸 水 机 制 。 2 I I 型变形力学机制主要根据受力特 点及在工程力作用下巷道的特征确定为应 力扩 容 型 ， 根 据特 征 可 分 I I A型 构 造应 力 机 制 、 I I B型 重 力机 制 、 I I C型 水 力机 制 、 I I D 型 工程偏应力机制 。 其中A类软岩控制性 因素为残 余构造应 力， 变形破坏与 方向有 关 ， 与深度无关 ； B类控 制性因素为 自重力 型 ； C 类控制性因素为地下水 ； D类控制性 因 素为工程开挖扰动 ， 变形破坏与设计有关 ， 巷 道 密集 ， 岩 柱 偏 小 。 3 I I I 型 变 形力 学 机 制主 要 是 指 受结 构 面 影 响 的 非 对 称 变 形 力 学 机 制 ， 要 求 先 鉴 别结 构面的力学性 质及其构造 体系 归属 ， 然后 再 依 据 其 产 状 与 巷 道 走 向 的 相 互 交切 关系来确定 ， 此类型为结构变形型 ， 根据特 征可 分 为 I I I A型 断 层型 、 I I I B型 弱 层 型 、 I I I C 型 层理型 、 I I I D 型 节理 型 、 I I I E 型 随 机节理 型 。 其控制性因素分别为断层断裂 带 、 软 弱夹 层 、 层理 、 优 势 节 理 、 随 机 节 理 。 软 岩 巷 道 的 变 形 力 学 机 制 不 是 单 一 的 ， 而是集 多种变形 力学机制于一体 的复 合型变形 力学机制 ， 复合型变形 力学 机制 是 软 岩 巷 道 难 支 护 的根 本 原 因 。 3 深部软岩工程耦合支护转化技术 3． 1深部软岩工程耦合支护的基本原理 深部 软岩工程 的耦合支护基 本原理 就是通过对深 部软 岩工程 中的关键部位进 行有 效合理的支 护 ， 并且在关键 部位上要 限制 围岩对 其产 生有 害变 形 与差异 性变 形 ， 使 得支护 的力学特性和结 构与深部软 岩工程 围岩的力学特性及结构之间达 到一 定的强度刚度与结构 的耦合 。 故而 ， 要通过 很 多次的支护 ， 才能使 围岩 与支护之 间得 到相应的耦合 ， 在进行初次的支护基础上， 在关键部位 中初次 引起 支护失稳 的地方 ， 9 6 科技 资讯 SCIEN CE ＆ TE CH N OL OGY I N FO RMAT I ON 进 行 二 次 或 者 多 次 耦 合 支 护 ， 从 而 达 到 对 深部软岩 的支护变形 、 破坏的有效控 制， 使 其达 到稳 定状态 。 3． 2 深部软岩工程耦合支护的基本特征 根据深部软岩工程 围岩的变 形破 坏特 征 ， 深 部 软 岩 工 程 实 现 耦 合 支 护 的 基 本 特 征在 于围岩与支护 体在强度 、 刚度及结构 上 的 耦 合 。 1 强度耦合 。 由于深部软岩工程 围岩本 身所具 有的 巨大 变 形 能 ， 单 纯 采 取 高 强 度 的 支 护 形 式 不 可 能 阻 止 其 围 岩 的 变 形 ， 从 而 也 就 不 能 达 到 成 功 进 行 软 岩 巷 道 支 护 的 目的 。 与 浅 部工程及硬岩不同 ， 深部软 岩进 入塑性后 ， 本 身仍 具 有 较 强 的 承 载 能 力 ， 因此 ， 对 于 深 部 软 岩 工 程 来 讲 ， 应 在 不 破 坏 围岩 本 身 承 载 强 度的 基 础 上 ， 充 分 释 放 其 围 岩 变 形能 ， 实 现 强 度 耦 合 ， 再 实 施 支 护 。 2 刚度耦合 。 由于深部软岩 工程的破坏主要是变形 不 协 调而 引起 的 ， 因此 ， 支 护 体 的 刚 度应 与 围岩 的 刚 度 耦 合 ， 一 方 面 支 护 体 要 具 有 充 分 的 柔度 ， 允 许 巷 道 围 岩 具 有 足 够 的 变 形 空 间 ， 避 免 围岩 由于 变 形 而 引起 的 能 量 积 聚 ； 另 一 方 面 ， 支 护 体 又 要 具 有 足 够 的 刚 度 ， 将 围岩 控制 在其 允 许 变 形 范 围之 内 ， 避 免因过 度变 形而 破 坏围岩 本 身的承 载强 度 。 这 样 才 能 在 围 岩 与 支 护 体 共 同 作 用 过 程 中 ， 实现 支护 一 体 化 、 荷 载 均 匀化 。 3 结 构 耦 合 。 对 于 围 岩 结 构 面 产 生 的 不 连 续 变 形 ， 通 过 支 护 体 对 该 部 位 进 行 加 强 耦 合 支 护 ， 限制其不连续 变形 ， 防止 因个别部位 的破 坏引起整个 支护体的 失稳 ， 达到 成功支护 的 目的 。 3 ． 3耦合转化技术 由于 各 软 岩 “ 综 合 征 ” 的 内 在 变 形 力 学 机 制 不 同 ， 其 耦 合 转 化 的 对策 有 所 不 同 。 对 应 的 转 化 技 术 也 不 同 。 I 型软 岩 耦 合转 化 技 工业技术 S C IEN C E ＆ T E C H N O L 0 G Y ． 2 0。1 4 N O ．．。1 4 ．1 j 圆 术 主要有 预留层卸 压锚杆技 术 、 柔性 喷层 技 术 、 柔 性 锚杆 技 术 、 底 锚 杆支 护 技 术 ； I I 型 软 岩 耦 合 转 化 技 术 主 要 有 巷 道 位 置 及 方 向 三 维优化技 术 、 锚 索关键部 位耦合 支护技 术 ； I I I 型软岩耦 合转 化技术主 要有锚网耦 合 支护 技 术 、 超 前 锚 杆 技 术 、 锚 杆 布 置 三 维 优化 技术 、 注浆锚 杆技 术。 4 应用实例 通 过 分 析 工 程 地 质 条 件 、 破 坏 原 因 及 对 现 场 破 坏 状 况 进 行 调 查 ， 充 分 结 合 现 场 的工程 条件 ， 确定 唐 山某矿 深部巷 道主要 变 形 力 学 机 制 有I AB 分 子 吸 水 膨胀 机 制 胶 体 膨 胀 机 制 ； I I B C 重 力 机 制 水 力 机 制 ； I I I CE 结 构 变 形 型 随 机 节 理 型 。 对 具 有I AB I I ABC I I I C E 复合型软岩巷道， 首先为 了减少 应力集 中程度 ， 要预 留一定 的变形 空 间释 放 变 形 能 和 塑 性 能 ， 并 及 时 对 围岩 进 行 封 闭 ， 防 止 胶 体 遇 水 膨 胀 和 泥 岩 吸 水 软 化 ， 使 其 转化 为 I I ABCI I I CE型 ； 其 次通 过 超 前 锚 杆 加 固顶 部 围岩 ， 再 采 用 锚 朴 三 维 优 化 优 化 和 底 角 注 浆 锚 杆 技 术 ， 使 锚 网 和 围岩在 强度和 刚度上达 到耦合 ， 使 得变形 能 充 分 得 到 释 放 的 基 础 上 ， 使 得 围 岩 的 自 承能力最 大限度 的发挥 ， 并及 时有效地 限 制围岩发 生有害 的变形损伤 ， 使其转化为 I I Bc； 再采用锚索 关键部位耦合支护技术 和 柔 层桁 架 支 护技 术 使 围 岩 的应 力场 和应 变场 均 匀化 ， 围岩 变 形 均 匀 ， 当 巷 道 围岩 变 形使得初 喷混凝土 喷层与桁架 接触时 ， 实 施全断面现 浇混凝 土支护 ， 形 成封 闭性永 久支护， 将不稳定 的I I B型变形 力学机制转 化为 稳 定 的I I B型 。 5 结语 综 上 所 述 ， 通 过 对 软 岩 的 多 年 开 采 ， 在 工程 实践 中对软岩 巷道的变形与破 坏机理 理 论 上 进 行 相 应 的 研 究 ， 深 部 开 采 软 岩 巷 道耦合支 护技术不 断得到完 善和发展 ， 解 决了所承担的煤炭等关键工程和国际合作 项 目中的软岩难题 ， 取得 了显著的经济效 益和社会效益同时列举了部分复合型想单 一 型 的 耦 合 转 化 技 术 ， 使 护 系 统 达 到 耦 合 的 最 佳 支 护 状 态 ， 为 巷 道 锚 杆 耦 合 支 护 技 术 的 实 施 提 供 了 依 据 。 参考文献 [ 1 ]康 红 普 ． 煤 巷 锚 杆 支 护 动 态 信 息 设 计法 及其应用[ J 】 ． 煤矿开采， 2 0 0 2 1 5 -8 ． [ 2 】何满潮 ． 深部工程 围岩特性及非线性动 态 力学 设 计 理 念[ J ] ． 岩 石 力学 与工 程 学 报 ， 2 0 0 2， 2 1 8 1 2 l 5 1 2 2 4． [ 3 ]何满潮 ， 孙晓 明 ． 中国煤矿软岩巷 道工 程 支护 设 计 施 工 指 南[ M] ． 北 京 科 学 出 版 社 ， 2 0 0 4． [ 4 ]李 占金 ． 鹤 煤五矿深部岩巷变形机理及 控制对策研究[ D】 ． 北京 中国矿业大学 ， 20 0 9． 上 接 9 5页 单片微 处理机处 理后 ， 以 数码形式 显示 出 称 量 值 。电子 台 秤 可 放 置 在 坚 硬 地 面 上 或 安装 在基 坑 内使用 。 具 有 自重轻 、 移 动方 便 、 功 能 多 、 显 示 器 和 秤 体 用 电缆 连 接 、 使 用时 可按 需要 放 置等特 点 。 除称 重 、 去皮 重 、 累计 重等 功能 之外 ， 还 可 与执 行 机 构 联 机 、 设定 上下 限 以控 制 快 慢 加 料 ， 可 作 小 包 装 配料 秤 或 定 量 秤 使 用 。 案秤 ， 台秤 由于制造上的缺陷 ， 正确 的 安 装 调 正 或 司 秤 人 员 工 作 上 的 马 虎 ， 以 及受 到外界 因素的影响等 原 因， 使 得在任 何一次 称量 中所得 到的称 量结果 ， 仪仅是 被称 量重量的近似 值 ， 而 与其真实 一定 程 度 的 偏 差 ， 这 种 偏 差 称 做 误 差 。 产 生 称 量 误 差 的 原 因 很 多 ， 主 要 分 为 人 为 误 差 ， 秤 本 身误 差 和 偶 然 误 差 等 三种 。 人 为 误 差 是 由于 司秤 人 员 工 作 5 虎 所 造 成 的 误 差 ， 因此 ， 这 种 误 差 所 做 疏 忽 误 差 或过失 误差。 例如 ， 读错 称量结果 ， 谈 增铊 重 量 等 。 秤 本身误 差是 由于制造 上 的缺 陷 ， 不 正 确 安 装 ， 安 装 基 础 变 形 ， 使 称 量 改 变 了准 确 这种 误 差可 从称 做 系统 误 差或 定 误 差 。 这 偶 然 误 差 除 上 述 二 项 误 差 外 ， 由于 称量过程 中秆 本身不知原因产生 变化 而引 起的误差 ， 这种误差值是不规则不固定的。 人 为 误 差 ， 秆 本 身 误 差 和 偶 然 误 差 是 使 用 中存 在 的 各 种 误 差 ， 因此 ， 在 消 除 这 几 种误差时 ， 还要提高杆修人 员的素质 ， 工作 精 度 的 高 低 。 二 是 秆 本 身 误 差 则 是 使 用 刻 秤进免不 了的误差 ， 因此 ， 秤误差的大小标 志 秤 本 身 精 度 的 高 低 。 案 秤 、 台 秤 是 进 行 质量 计量 的 器具 ， 要 想 消 除 它 的 各 种 误 差 ， 必 须 保 证 皮 有 一 定 的计量性 能 ， 主要是 使秤有 足够的稳定性 和灵敏性 。 有规定 的正确性 。 有一定的示值 不变性 。 检修人 员有足够的计量基础知识 ， 掌握 使用 衡器 ， 这样 才能使衡 器达到准 确 一 致 ， 正 确 使 用 。 3 结论 如 今 ， 懂 得 台秤 、 木 杆秤 的构 造 及 其 原 理 的人越来越少 ， 这都是一个不争的事实。 今天 的中国是 几千年历史长河中最富足时 期 ， 木杆秤对于人们来说不很重要 了， 但对 于 有几千 年文化 的中国历 史来说 ， 它凝结 着我们古 人的聪 明和智慧 ， 它从单一 品种 发 展到如 此丰富 多彩 ， 也是 一种历史 的延 续 ， 它还是我们的一个重要文化符号 。 中华 民族是一 个悠久 的民族 ， 我们 的文化从未 间断过 ， 更不希望在我们的手中间断， 民族 的 火 炬 ， 灿 烂 的 文 明 更 应 该 经过 每 一 个 人 的 手 生 生 不 息 传 承 下 去 。 参考文献 [ 1 ]姬 永 亮 ． 唐 代计 量 研 究 [ J 】 ． 物 理 学 物 理 学 史 ， 2 0 0 7 [ 2 ]王 喜 忠 ． 台 秤 的 检 定 测 试 和 注 意 事 项 [ J 】 ． 数字化用户 ， 2 0 1 3 1 4 ． [ 3 】张亚芹 ． 浅谈 台秤 的调修 方法[ J ] ． 计量 与测试技术 ， 2 0 l 1 ， 3 8 5 ． 科技资讯 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