深井巷道围岩稳定性分析.pdf

第 1 7 卷第 5 期 2 0 0 8年 5月中国矿业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo l _ 1 7，No ． 5 M a v 20 0 8 深井巷道围岩稳定性分析肖福坤，孙豁然 1 ．东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 1 1 0 0 0 4 ； 2 ．黑龙江科技学院资源与环境工程学院，黑龙江哈尔滨 1 5 0 0 2 7 摘要随着开采深度的增加。深井巷道围岩的稳定性也发生了变化。本文进行了深井巷道围岩稳定性的分析。认为影响深井巷道围岩稳定性的 3个主要因素是围岩性质、采深和支承压力。得到了根据围岩性质、采深和支撑压力来控制巷道稳定性的结论。关键词围岩应力；围岩强度；稳定性；深部开采中图分类号 TD 3 2 2 ． 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 8 0 5 0 0 9 7 0 3 S t a b i l i t y a n a l y s i s o f c o u n t r y r o c k i n d e e p mi n e t u n n e l XI A0 Fu - kun ～。 SUN H u o - r a n 1 ， S c h o o l o f Re s o u r c e s a n d Ci v i l En g i n e e r i n g，No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y ， She ny a ng 1 1 00 04， Chi na；2． I n st i t ut e of Re s o ur c e s a nd Env i r o nme nt En g i n e e r i n g ，He i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ha r b i n 1 5 0 0 2 7，Ch i n a Ab s t r a c t W i t h mi ni n g de p t h i nc r e a s e t he c ou nt r y r oc k s t a bi l i t y h a s a l s o a c ha n ge ． I n t hi s pa pe r ，t he s t a b i l i t y c o u n t r y r o c k o f d e e p mi n e t u n n e l i s a n a l y s e d ．An d t h i n k s t h a t t h e ma i n f a c t o r s i n f l u e n c e t h e s t a b i l i t y of c ou nt r y r o c k i n de e p mi ne ar e r o c k Pr op er t i e s an d t he d e pt h o f mi ne a n d t he s u pp or t pr e s s ur e ． The c o nc l us i o n i s we mu s t c o nt r ol t he s t ab i l i t y of c oun t r y r oc k ba s e d o n t h e r oc k Pr op e r t i e s a nd t he d ep t h of m ine a nd t h e s upp or t pr e s s ur e ． Ke y wo r d sc ou nt r y r oc k s t r e s s；c o unt r y r oc k s t r e n gt h；s t a bi l i t y；de e p m i ni n g 随着地下开采的不断深人，产生工程灾害的可能性将逐渐加大。如岩层压力大，巷道围岩变形量显著增大，变形速度快，支架损环严重，巷道翻修量剧增，巷道维护变得异常困难。由于受高温、高围压、高孑 L 隙压力的影响流变成为深部巷道变形的主要特征。采场矿压显现剧烈，采场易失稳，易发生破坏性的冲击地压。据相关的统计资料表明，随着开采深度的增加，巷道中岩爆危险性增加，瓦斯高度聚积、诱发严重的安全事故的可能性增加。深部开采条件下，岩层温度高，作业环境恶化。深部巷道由于受 “ 三高”的影响，使得巷道围岩变形呈现出了浅部巷道所没有的一些特点，对深部巷道稳定性的研究已显得尤为重要[ 1 ] 。国内外的许多科学工作者为此展开了大量的研究[ 2 ] ，也取得了一定收藕日期 2 0 0 8 0 1 0 4 基金项目黑龙江省自然科学基金 E 2 0 0 6 1 0 作者筒介肖福坤 1 9 7 1 一，男，黑龙江鸡西人，副教授，东北大学在读博士。的成果，但仍有大量深部开采问题需要解决。本文对深部开采中巷道的稳定性进行了研究和分析。 1 影响巷道围岩的主要因素 1 ． 1 围岩性质对深井巷道变形的影响表 1为从某矿埋深 8 0 0 m 石门测出的围岩变形量。另据对处在蠕变阻尼阶段的 8 1 0 m 采深的巷道中观测，泥岩、粉砂岩、砂岩巷道顶底板变形速度分别为 0 ． 7 2 2 、0 ． 4 0 6和 0 ． O O mm／ d ，依次处于极不稳定、不稳定和稳定状态。表 1围岩变形 ■ 岩性两帮移近量 r n r n 砂岩粉砂岩泥岩 2 0～ 33 4 0～ 65 l 1 3 ～ 2 6 5 根据原苏联的研究，工作面前方支承压力影响带内，巷道的顶板移近量与巷道围岩强度及采深存在表 2 所示的关系。维普资讯 9 8 中国矿业第1 7 卷表 2顶板移近■与巷道围岩强度及采深存在的关系围岩变形 u 由此可见，岩性不同，采深的影响不同。在软弱岩层中，开采深度对围岩变形的影响比对坚硬岩层的影响显著得多。在这里，起内在作用的是围岩应力与围岩强度的对比关系 ] 。当巷道围岩强度较高，巷道周边应力低于围岩长时强度时，围岩处在弹性状态下工作，不会出现破碎松动区，围岩变形随时间延长和空间增大而衰减，特性曲线如图 1 所示。当围岩周边应力大于周边围岩长时强度，但小于瞬时强度时，巷道周边出现塑性变形，围岩破碎，并伴有体积增大，但由于围岩具有一定的强度和自稳能力，以及离开巷道周边后应力衰减，应力状态变化，破碎松动在一定范围内停止，同时，巷道变形速度也随时间增长而渐趋稳定 [ 6 ] 。围岩变形量I J U。 U l 0 T a T 非稳定变形稳定变形巷道掘进时间图 1 围岩应力低于围岩长时强度时的围岩变形特性当巷道周边应力超过围岩瞬时强度时，随巷道掘进，围岩会出现明显破坏，并依次出现松动区、塑性区和弹性区。围岩变形表现为明显的流变性，如图 2所示。这种类型是深井巷道中的主要类型。在实际工程中，常表现为巷道呈周围来压趋势，升挖后长期不能稳定，变形严重，底臌量大等。据淮南九龙岗煤矿水平大巷观测，巷道位移剧增和缓增时间长达 6 0 9 0 d ，有的 1 8 0 d尚未趋于稳定。 Ub Ua 减速流变等速流变加速漉变T t 。 t b 巷道掘出时图 2 围岩应力高于围岩瞬时强度时的围岩变形特性 1 ． 2 采深对巷道围岩稳定性的影响据对煤系地区测试如图 3 ，随深度增加，垂深应力呈线性增加，这样必然导致深部围岩应力的增高，以及围岩应力与围岩强度对比关系的变化。顿巴斯煤炭科学研究院研究，从 6 0 0 m 开始，采深每增 1 0 0 m，顶底板移近量增加 1 O ％～ 1 1 ％。新汶矿务局孙村矿斜井及四煤上山巷道实际观测，从垂深 5 7 0 m 开始，采深每增加 1 0 0 m，顶底板移近量约增加 5 c m。另据对开滦矿务局的统计，随巷道埋深的增加，底臌巷道长占深部巷道总长的比例增加。采深由 4 0 0 m增加到 1 0 0 0 m时，回采巷道底臌比例由 3 2 增加到 7 O ％，准备巷道由 2 4 ％增加到 5 7 ，开拓巷道由 2 O 增加到 4 2 。深井巷道底臌已成为影响巷道稳定和巷道翻修工作量的主要变形形式 _ 7 ] 。 1 一a 2与 H关系 d 2 0 ．0 2 7 T H ；2 一d 2与 H 实测关系 o 2 0 ．0 2 9 T H ；3 一o H 与 H 实测关系图 3原岩应力与深度的关系 1 ． 3采动和支承压力对巷道稳定性的影响在深井巷道中，由于高应力作用，围岩多处在破坏和临界破坏状态，因此，任何采掘和支承压力 0 0 0 0 0 0 0 0 0 们∞舳们 ∞ 舳们∞ 舳维普资讯第 5期肖福坤等深井巷道围岩稳定性分析 9 9 的扰动，必然带来巷道稳定性较浅部更敏感的变化。据统计，在 5 0 0 l O 0 0 m埋深的开拓和准备巷道中，巷道失稳有 7 5 是受采动和固定支承压力影响造成的。受采动和支承压力影响破坏和严重破坏的巷道占 8 5 以上。可见，在 5 0 0 ～l O 0 0 m 深度下，采动和支承压力是影响巷道稳定的主要因素之一。随着深度的增加，支承压力影响范围和强度明显增大。新汶矿务局孙村矿观测，6 0 0 m 采深时，工作面前方支承压力影响范围平均为 1 0 0 、8 0 0 m 采深时，该范围增大到 1 2 0 m，且煤柱支承压力沿底板深度达 3 0 0 m左右，影响范围显著增大，应力成倍增加。实践证明，深部开采靠加大煤柱宽度来保持巷道稳定是十分困难的[ 8 ] ，表 3为巷道埋深与煤柱宽度及巷道稳定状况关系。深井中，应以调整开拓布局和巷道布置，改革开采程序，使巷道尽可能避开采动及煤柱等支承压力影响。另外，煤柱支承压力对巷道稳定性的影响并不是孤立的，其仍然与围岩性质有很大关系，据对某矿埋藏 8 0 0 m 煤柱中底板大巷的观测，泥岩、粉砂岩、砂岩的围岩变形速度依次为 3 ． 1 5 mm／ d 、2 ． O O mm／ d和 1 ． 4 0 mm／ d ，三者的比值为 2 ． 2 1 ． 4 1 ，再次说明岩性在深井巷道稳定性中的重要作用。表 3深度增加对深部围岩应力与围岩强度的影响 2 结论 1 及时改善和恢复围岩应力状态，减轻围岩破裂扩展程度，使围岩保持完整性，进而达到稳定围岩的目的。 2 在相同围压下，随孑 L 隙压力的增加，不仅岩石强度降低，而且岩石的脆性也增加，出现了由脆性向延性的过渡，孑 L 隙压力的影响相当于降低了围压。 3 工作面跨采时，跨采巷道应当超前 4 0 ～ 6 0 m 进行加固；工作而推过 6 0 ～ 7 0 m 后，巷道变形速度逐渐减小，巷道变形趋于稳定。 4 深部巷道围岩变形，是围岩应力与为围岩岩性共同作用的结果。当围岩应力超过围岩的瞬时强度时，巷道周边依次出现松动区、塑性区和弹性区，围岩处于流变状态。一参考文献 [ 1 ] 陈炎光，陆士良．中国煤矿巷道围岩控制 [ M] ．徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 4 1 2 1 4 ． 2 3 赵延峰，于志强，朱跃泉，齐明友．深部煤巷复合顶板锚索支护技术 [ J ] ．矿山压力与顶板控制，2 0 0 4 ， 1 2 4 2 8 ． [ 3 ] 王元龙，孙广京．深井煤层复合顶板控制技术[ J ] ．中国矿业，2 0 0 3 ， 1 2 5 3 5 6 ． [ 4 ] 何满潮．深部开采工程岩石力学的现状及其展望 E C3 ．见中国岩石力学与工程学会主编．第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集．北京科学出版社，2 0 0 4 8 8 9 4 ． [ 5 ] 李希勇，孙国庆，等．深部巷道围岩工程控制理论及支护实践 E M] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 02 4 2 5 ． [ 6 ] 杜计平，苏景春．煤矿深井开采的矿压显现及控制 [ M] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 0 2 3 2 5 ． [ 7 ] 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