深部巷道采掘后的围岩破坏演变分析.pdf

深部巷道采掘后的围岩破坏演变分析 陈宗泰 高东忍 刘慧洁 1 ． 山东科技大学 资源与环境工程学院， 山东 青岛 2 6 6 5 9 0 ； 2 ． 山东新巨龙能源有限责任公司， 山东 菏泽 2 7 4 9 1 8 摘要 本文基于理论分析， 分别从围岩应力、 变形等方面对巷道开挖后的破坏演变过程进行了分析， 指出了开挖后的围岩经历 弹性、 塑性再到应变软化的残余破裂状态的演变且复杂高应力状态下的围岩出现塑性区是不可避免的， 塑性区是围岩破坏控制成功 的关键点 ， 理论上提出了围岩破坏控制的耦合支护方法 ， 为深部巷道围岩的支护、 开采的顺利进行等提供了理论依据。 关键词 深部开采； 破坏演变 ； 耦合支护 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． is s n ． 1 0 0 8一 O 1 5 5 ． 2 0 1 4 ． O 1 ． 0 7 8 中图分类号 F 4 0 3 ． 7； T D 3 2 5 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 0 1 5 5 2 0 1 4 0 1 0 1 3 2 0 2 1 ． 引言 深部巷道围岩开挖后 ， 打破了原岩应力平衡状态 ， 应力重新分布。从岩石 的应力应变 曲线 中可知 ， 开挖 后的围岩 状态 已进 入到弹性 、 塑性 、 应变 软化性 的 阶 段 ， 围岩 由浅 向深部依次分为松动破坏 区、 塑性区、 弹 性区。围岩破坏 的演变过程 为 巷道随开挖空 间的 出现应力得以释放 ， 围岩发生瞬时弹性变形 ； 由岩石 内 部不均一性而产生的应力促使 岩石 微裂纹的产生 、 扩 展 ， 围岩又会发生损伤扩容 ； 扩展 的微裂纹发展为破 裂 面， 峰后 围岩沿破裂面发生剪切 、 错移变形 。 2 ．深部巷道围岩破坏演变理论分析 深部巷道围岩开挖后 ， 打破 了原 围岩应力平衡 状 态 ， 应力重新分布， 巷道周边 围岩将经历变形、 破坏、 失 稳 的发展过程 。从 岩石的应 力 一应变 曲线 中看 出， 开 挖后的围岩状态 已进入到弹性 、 塑性 、 应变软化性 的阶 段， 巷道围岩由浅向深部状态分布依次分为松动破坏 区 围岩峰后区， 即松动 圈， 破碎岩体不能形成 自稳 、 塑性区 围岩峰前的屈服阶段 ， 产生不可逆 的塑性变形 且能形成 自稳 、 弹性 区 应力应变 曲线的弹性阶段 ， 包 括原岩应力 区 ， 如图 1 所 示 。 巷道 围岩 破坏 过 程为 1 巷道开挖看 作是 卸 载 的过 程 ， 部 分原 始地应力 随开挖 空 间 的 出 现 而 释 放 ， 围岩发生瞬 时弹性 变 形 ； 2 由岩石 内部结 图 1 岩石全应 力 一 应 变曲线 构不均一性产生的应力促使岩石微裂纹的产生 、 扩展 ， 围岩又会发生损伤扩容 ； 3 扩展 的微裂纹发展为破裂 面， 峰后围岩沿破裂面发生剪切 、 错移变形。 2 ． 1围岩峰前 区弹塑性 区理论分析 2 ． 1 ． 1应力分析 弹性区域围岩的弹性应力解 为 1 A 导 1 or0 J r 边界条件 r _ ∞， or or o or 1 H R 塑 性 区 半 径 时 ， 盯 l A B 2 0 J 塑性 区围岩应力解 库仑准则方程 1s i n 0 2c o s 0 ⋯ 。 盯 r i _ 二 而 j 边界条件 r R K 时， or 盯 ， 叮 叮 ； r R 。 时 ， P 支护阻力 式 中 盯 、 盯 。 分别为某点的径向应力 、 切向应力 ； 盯 为初始地应力 ； 0为该点径 向方 位角； 为 围岩 内摩擦 角 ； C为围岩的内聚力 ； e 、 P分别 表示 弹、 塑性 区的量。 R 。 、 R 分别为巷道开挖半径、 塑性区半径 由上式通过边界条件 ， 解出如下方程 弹性区 l Or l c c o s 6 叩in 巾 盯0 J [ C c o t 6 ] 4 【 J 、 塑性区 Or r _ p c 0 t ㈡ _ C c 0 t 5 p C c o t ㈦。。 _ C c 。t 6 R 。 [ ] 7 上式可知， 弹性区范围有增大趋势且与半径 r 成反 比， 巷道 围岩深部支承压力呈负指数关 系递 减至原始 压力 ； 塑性区应力均与半径 r 成正相关分布 ， 随 r 增大 ， 应力呈指数 函数递增至弹塑交界处峰值应力 ； 巷道深 部支承压力范 围随开采深度增大而增大_ 2 ； 由于支承 收稿日期 2 0 1 31 0 0 8 作者简介 陈宗泰 ， 男， 福建人 ， 山东科技大学在校硕士研究生 ， 从事矿山压力与岩层控制的研究。 基金项目 山东科技大学科研基金资助项目 Y C 1 3 0 3 0 2 。 l 3 2 压力在交界处 的叠加作用 ， 应力集 中系数增大 ， 致使该 处岩体超出抗压强度而破坏。塑性范围的确定与巷道 开挖半径 的大小 R 。 、 原岩应力 盯 成正 比， 与支护反力 P成反 比关系 ， 可通过调节支护反力 ， 来控制塑性 区的 范围。 2 ． 1 ． 2围压分析 不同支护强度对围岩变形 、 应力分布影响不同 ] 。 低 围压状态下开挖后 围岩演 变破坏 表现为 回弹变形 、 损伤变形 塑性变形 、 剪胀变形。支 护阻力 对破坏 围 岩处于峰后 状态 的稳定 性有 明显影 响。无 支护 阻力 时 ， 径 向压力 较小 ， 当小到某一 临界值时 ， 处 于塑性 状态的围岩就会发生恶性变形 以至失 稳破坏 ； 增大支 护阻力 P ， 塑性状态下的围岩与支护体形成共同承载 体 ， 阻止 了塑性区的发展 ； 而且支护阻力增大了破裂 区 围岩的内摩擦角和黏聚力， 稳定性必会提高， 自承能力 有所改善 。由此可知 ， 塑性 区是 围岩破坏失稳 的关键 点 ， 该时刻由巷道周边的应力集 中引发 了非 均质结构 围岩内部微裂纹 的产生 、 扩展 ， 直至失稳破坏 。 专 1 0 篓 。8 4 2 O {o 0 詈 一 一 由弹性变形继续发展 ， 一方 面表现为持续 的稳定 塑性 变形但仍保持连续性的情形， 承载能力随围岩变形的 持续增大而大幅度下降， 围岩仍能承受一定的承载力； 另一方面稳定塑性 区在低强度围岩处转化为出现松动 破坏的非稳定塑性区 ， 由此引发巷道 围岩破碎 十分发 育， 直至坍塌、 崩溃， 而实际破碎岩体在支护结构与围 岩耦合下却具有再次稳定的能力， 由此塑性状态是控 制围岩变形成功与否的关键 。 2 ． 2围岩峰后 区松动 圈理论分析 松动 圈内的力学条件符合 Mo h r - - - C o u l o mb准则 T T T 一 t a n c 9 式中， 为破裂面上的正应力 ； T为剪应力 ； C为黏 结力 ； 为摩擦 角； 当上式满 足时， 围岩就会 由塑性态 向剪切破坏 转变。可通过支 护增大接 触面 的支护 阻 力， 来提高 r m a x 值， 提高围岩的稳定能力。 3 ． 围岩破坏控制理论 传统被动支护以及单一主动支护均无法满足复杂 力学环境下 围岩稳定性控制 问题。 。 ， 其 主要原 因是深 部围岩非线性变形的力学特性使围岩与支护体力学特 性出现不耦合 ， 巷道周边围岩变形量、 变形速度差异较 大， 导致整个巷道破坏。理论说明了复杂高应力状态 下的围岩出现塑性 区是不可避免 的， 塑性 区是 围岩破 坏控制成功的关键点 ， 即塑性 区的存在 ， 一方面围岩得 到了适当的变形， 释放了巨大储存的变形能， 降低了围 岩作用于支护体的荷载 ， 充分利用 围岩的 自承能力； 一 方面应力降低有利于支护 的最优化 ， 防止松动破坏区 的扩大 ， 为深部巷道 围岩成功支护创造有利条件。 锚网索耦合支护技术 的广泛采用对复杂环境下的 巷道围岩控制取得 了较为成功的支护效果。围岩变形 的时间效应与锚 网索 的柔性让压特性相适应 ， 耦合支护 的实质是通过支护体与围岩间的力学特性耦合来实现围 岩破坏的有效控制。耦合理论融合了以下理论思想 1 开挖后瞬时回弹变形使低强度围岩进人塑性 状态， 锚杆、 索的预紧力使围岩整体刚度增大， 将不稳 定岩层锚固在稳定岩层 中， 整体结构达到耦合 ， 从源头 上控制变形进一步恶化 ； 2 由原来 的三向受压转变为单 向受压 ， 当达到塑 性围岩自承能力时， 受力状况急剧恶化， 巷道周边岩体 处于破裂状态 ， 一方 面释放 巨大 的变形能 ， 另一方面张 紧锚 网与破碎 围岩紧密接触 ， 阻止 了进一步 的破碎 ， 支 护与围岩呈现一体化、 受力均匀化， 实现了“ 让压” 功 能。 3 围岩深部强度最大 ， 浅部最弱 ， 锚索 的作用是 调动深部岩体强度来承担浅部破碎岩体的载荷， 让围 岩变形与支护阻力达到一个协调水平 ， 最 大限度的实 现锚网索耦合支护。 4 ． 工程实例 上述巷道围岩控制理论应用于兖州南屯煤矿九采 区巷道 中， 深部 9 3上 0 2工作面顺槽采用锚网索耦 合支护 ， 巷道顶底板 、 下转第 1 4 2页 1 33 层探测和底板探测三种。 2 ． 2 ． 3数据处理 瞬变电磁仪所得到的数据是各个测点 中测到的瞬 变感应电压， 对数据进行分析时， 要将其换算成视电阻 率等参数。其处理过程主要分为三步 滤波 消除噪声 ， 对资料进行去伪存真 。 时深转换 将直接 观测到的数据转换成 电阻率 随 深度 的变化。 绘制等视 电阻率 电性 断面图 首先绘制各测线视 电阻率断面图 ， 然后依据地质勘探等已知地质成果 ， 提 取目的层的埋深， 最后根据该埋深地层电阻率绘制顺 层切片图。 [ ] 目前， 计算矿井多匝小回线装置视电阻率大多采 用通用的早、 晚期视电阻率换算公式， 晚期视电阻率依 然沿用经典半空间均匀场计算公式 J ， 通常所得到的 数值偏小 ， 与实际有较大差 异， 需要人为去校正 ， 不利 于对异常特征分析。 2 ． 2 ． 4富水 区的确定 从瞬变 电磁法所得到的视 电阻率断面图以及顺层 视 电阻率切 片图上可 以知道 ， 低 阻异 常特征 区域 即为 富水异常区。地质构造发育地 区， 相应富水性较强 ， 使 得该区域视电阻率也有所 降低。在现场 实际应用 中， 要综合分析断面图和顺层切片 图中低阻异常 的表现形 式 ， 准确划分富水区的范围。 2 ． 2 ． 5瞬变电磁仪现场使用技术问题 瞬变电磁仪本身是应用 于探测金属矿床 的一种高 科技仪器装备 ， 原理上能够根据水与煤 岩 的电阻值不 同， 探测工作区域周边的积水情况 ， 起到提前预防的作 用 。但在实际应用中， 主要受 以下几方面因素的影响 1 、 多匝小 回线线圈容易产生 自感及 互感现象 ， 会 造成发射电流关断时间过长， 导致早期数据缺失， 使得 浅层数据丢失 。 2 、 巷道掘进时 ， 需尽量避 免使 用金属类 的支护材 料， 避免探测过程中带电设备的运行， 掘进机与工作面 保持足够的距离 ， 减少掘进机对瞬变电磁仪 的影响。 实践中， 作业人员发现工字钢、 U型钢甚至锚杆锚 索 、 钢筋梯等金属类支护材料 ， 对瞬变电磁仪 的工作有 一 定影响。降低 了瞬变 电磁仪 的探测精 度 ， 影 响煤岩 与水的电阻值区别 ， 较难准确界定 积水 区范 围。若 能 采用树脂或玻璃钢锚杆等 非金属类支 护材料 ， 更有利 于瞬变电磁仪正常工作 。 3 、 数据分析处理过程 中， 核心处理过程是 为了得 到更合适的电阻率数据 ， 在 电阻率计算 、 深度换算、 关 断时间处理 等问题上极易 出现偏差 ， 造成分析结果失 效 。 3结 论 通过瞬变电磁仪在东峰煤矿防治水工作中的应用 可 以看出， 与其他电法勘探相 比有 以下优点 瞬变电磁法观测的是纯二次场， 这就使得频域方 法 中的装置耦合噪声被 自动消除。 岩体电阻率随压力的变化显著， 主要与岩石的岩 性及含水性有关。这就使得岩体中富水区分界相对明 1 4 2 显 ， 易于分析。 瞬变电磁法属于时域方法， 测量方法简单快捷 ， 并 且对于导电围岩的分辨能力要优于频域方法。 瞬变电磁法以其方 向性好 、 探测深度大 、 探测精度 高等优点， 为矿井防治水工作提供了一种更为有效的 技术手段 。 参考文献 [ 1 ] 庄建平． P R O T E M 6 7 D瞬变电磁仪在矿井水文探测中的应用 [ J ] ． 中国高新技术企业， 2 0 1 1 ， 0 7 1 0 71 1 0 ． [ 2 ] 李新云， 等． 瞬变电磁仪在煤矿巷道探测中的应用[ J ] ． 中国 科技信息 ， 2 0 1 1 ， 0 6 6 5 6 8 ． [ 3 ] 张平松 ， 等． 矿井瞬变电磁探测技术系统与应用[ J ] ． 地球物 理学进展 ， 2 0 1 1 ， 2 6 3 1 0 71 1 4 ． 责任编辑 焦蓬华 上接第 1 3 3页 两帮的最大位移分别为 4 5 6 m m、 5 1 8 m m， 两帮位移速度 大于顶底板的位移速度， 巷道总体变形量均满足巷道 回采期间的使用要求， 表明锚网索耦合支护对开挖后 破坏演变能够有效控制， 并保证深部巷道的稳定， 支护 效果较显著。 5 ． 结 论 1 围岩由弹性变形 向塑性状 态发展 时一 方面表 现为稳定塑性变形特性但仍保持连续性， 围岩仍能承 受一定承载力 ； 另一方面稳定塑性 区在集 中应 力作用 下 ， 在低强度围岩处转化 为非稳定塑性 区， 由此引发巷 道围岩破碎却十分发育， 直至坍塌、 崩溃。 2 经过弹、 塑性变形 的演化 ， 围岩 自承力 逐渐减 低 ， 自承力的降低又反过来 引起 围岩应力 的改变 ， 促使 围岩沿破裂面发生剪切 、 错移变形 ， 围岩就会 由塑性态 向剪切破坏转变。 3 塑性区一方面围岩得到 了适 当的变形 ， 释放 了 巨大的储存的变形能， 降低了围岩作用于支护体的荷 载 ， 充分利用围岩的 自承能力 ； 一方面应力的降低有利 于支护的最优化 ， 防止松动破坏 区扩大。 参考文献 [ 1 ] 李世平 ，等．岩石力学简明教程 [ M] ．煤炭工业 出版社， 1 9 9 6． [ 2 ] 苏海健， 等． 软化与膨胀作用下深部巷道围岩黏弹塑性分析 [ J ] ．采矿与安全工程学报 ， 2 0 1 2 ， 2 9 2 1 8 51 9 0 ． [ 3 ] 樊克恭 ， 翟德元．巷道围岩弱结构破坏失稳分析与非均称 控制机理[ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 漆泰岳．大变形巷道锚杆与围岩的相互作用及数值模拟 [ D ] ．徐州 中国矿业大学 ， 2 0 0 1 ． [ 5 ] 沈明荣 ， 陈建峰． 岩体力学 [ M]． 上海同济大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 何满潮 ， 钱七虎．深部岩体力学基础 [ M] ． 北京 科学出版 社 ， 2 0 1 0 ． [ 7 ] 孙晓明， 等．深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律研 究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 7 ， 2 6 5 8 9 59 0 0 ． 责任编辑 熊红婴