专题-深埋高应力回采巷道变形破坏规律及支护对策研究.doc

1、专题部分深埋高应力回采巷道变形破坏规律及支护对策研究第 11 页 共 143页深埋高应力回采巷道变形破坏规律及支护对策研究摘要：由于深部巷道应力构成复杂、环境影响加剧、围岩类型多变，深部巷道的破坏变形依然严重，对一深部复杂高应力条件下巷道围岩的变形破坏机理、支护对策等仍需深入研究。本文采用实验室研究、 理论分析、及现场观测等方法，对深部开采围岩的微观组成、力学特性、变形破坏机理、支护技术等进行了研究。从围岩对巷道工程支护对策选择及方案设计思路的影响出发，把深部围岩分为高应力完整围岩、高应力较完整层状围岩、高应力破碎围岩、高应力软弱围岩四种类型，并将深部复杂条件下的四类围岩归为离层断裂型和压力释

2、放型工程软岩进行变形破坏特性、机理研究，进而提出支护对策及“刚柔互补、长短结合、及时主动、协调在控”支护原则。针对离层断裂型工程软岩巷道提出“及时抗压、一次到位”高强支护技术，并在现场应用，取得良好效果。关键词: 深部巷道支护；压力释放；协调在控Study on deformation and failure law of deep buried high stress mining roadway and its supporting measuresAbstract: The breakage and deformation of deep roadway still serious si

3、nce stress forming complex, theconditions influencing on surrounding rock aggravating and the vary surrounding rock. So it is stillnecessary to research on deformation, damaging mechanism and supporting countermeasure for allkinds of surrounding rock in deep high complex stress conditions. In this d

4、issertation, combined the ways such as laboratory research, model test, theoretical analysis, numerical calculation and situobservations etc，to research the micro-components, mechanical parameters; deformation and damaging mechanism, the using main construct model, supporting technology and optimizi

5、ngscheme for the vary deep rock mass. Based on the influence of wall rock to supporting form and effect, it classified the deep wall rock to four kinds of high stress integral surrounding rock, more integral bedded surrounding rock, loosened surrounding rock, and soft surrounding rock. Based on the

6、classified scheme, -compartmentalized the four kinds wall rock to apart bedding rupture and pressure releasing engineering soft rock, and research their deformation characteristic and destroy mechanism, and bring foreword the supporting countermeasure and the theory of firm and flexible coupling lon

7、g and short supporting material integrating, active and in-time supporting corresponding and deformation controlling. The once in-time support resisting high strength supporting technology was advanced to deal with the apart bedding rupture engineerig soft rock. These technologies applied in represe

8、nted mines and gained well effect.Key words: deep roadway supporting；pressure releasing；corresponding and deformation controlling1绪论本章主要论述了深部复杂条件下巷道围岩特性及支护技术研究的必要性，总结了国内外深部巷道支护工程的不同发展阶段开发研制的设备、材料、技术等，分析其能解决的问题及存在的缺陷。对国内外深部巷道支护技术、支护理论的适用条件及研究方向进行了分析，针对深部复杂高应力巷道支护存在的问题，确定了本文的研究内容、研究方法、技术路线及预期研究目标。1.1研

9、究背景煤炭是目前我国国民经济赖以生存和发展的主要能源。随着国民经济的快速发展，我国经济进入重工业化阶段，处于工业化中期和新一轮经济周期的上升期。主要耗煤行业的一些基建项目也将陆续投产，将增加对煤炭的需求。虽然近年来国家能源结构正处调整时期，但是，受资源条件限制，我国以煤炭为主的能源格局较长期内不会有大的变化。由于深井开采引发的灾害日趋严重，对深部复杂高应力条件下巷道支护技术研究将是相当长时间内研究的重点。由原始沉积作用和后期构造作用造成的含煤岩系的非连续性和非均质性，随着煤炭开采深度的增加引起围岩自重压力的增大和构造应力的增强，表现为围岩发生剧烈变形、巷道和采场失稳，并易发生破坏性的冲击地压，

10、给巷道支护和顶板管理带来许多困难。对全国重点煤矿的调查表明，近10年的支护费用增加了1.4倍，但一些矿井的翻修率仍超过40%甚至更高，深部巷道的支护将是影响深部开采的主要因素。深部围岩条件发生了很大的变化，高地应力与采动影响将更加显著，深部固有软岩特性将更加突出，即使坚硬岩石也会呈现明显的软化和弱化现象，即硬岩软化、围岩条件极破碎、强膨胀、流变时间效应的影响，呈现大面积冒落破坏特性等，巷道维护方面存在的困难将无疑要超过上部其他水平直接影响煤矿安全生产。显然，开采深度的增加必然导致开采成本的增加，因此，如何解决深部高地应力、强构造应力围岩巷道的支护问题就成为亟需研究的难题。本论文主要研究内容是深

11、部复杂高应力条件下巷道变形破坏规律及支护对策研究。1.2国内外研究现状1）国外研究自20世纪80年代进入深部开采以后，德国、俄罗斯等对深部回采巷道围岩变形破坏进行了大量研究，获得成果颇丰。鲁尔矿区先后对260个工作面回 采巷道的矿压观测数据统计处理分析得到顶底板收敛量与开采深度、开采厚度、巷旁充填指数、底板岩性指数的多元回归公式，该回归公式的标准方差为03，实测巷道收敛量与平均值的偏差约为9：同时就巷道底鼓量与这四种因素影响之间关系进行了定性定量分析。前苏联对顿巴斯矿区的大量深部巷道矿压实测资料分析得出了巷道掘进期间顶板、两帮位移量的经验公式，与此同时前苏联的Ar普洛托谢尼雅等还采用理论分析计

12、算深井巷道的变形量。除德国和俄罗斯外，国外其他主要采煤大国的开采深度远没达到我国中东部地区，随着我国深部开采工程量的逐年增加，深部开采回采巷道围岩变形破坏 机理研究成果渐多，总体可归为两大类：一类是开掘初期考虑损伤、扩容对深部回采巷道围岩稳定性的影响；另一类是回采期间支承压力对回采巷道围岩结构稳定性的影响分析。 国外己经历深部回采巷道工程并进行过深入研究的国家有前苏联、德国、波兰、日本、澳大利亚、美国、英国、加拿大、瑞典、意大利、南非等。研究的主要突破点是支护新材料支护设备方面，在支护材料方面主要研发了锚杆支护、喷射混凝土支护、钢结构支护等，在围岩变形及地质规律研究方面开展了软岩物理力学特性及

13、微观结构的初步研究，但没有进入实质性应用阶段，研究进展不明显。在复杂高应力围岩变形破坏特性、地质规律等方而的研究只处于探索阶段。2）国内研究深部巷道应考虑(粘)弹塑性、损伤、扩容等影响。孙钧、陈宗基等从(粘)弹塑性角度分析围岩的变形、失稳问题，贺永年、蒋斌松、张强采用非关联法则对巷道受力变形进行弹塑性分析，获得了应力和变形的完整解，潘阳分析了基于MC准则的不同侧压系数对圆形巷道的变形影响，张小波基于DP准则分析了峰后应变软化与扩容对圆形巷道围岩弹塑性影响，董方庭提出巷道围岩松动圈失稳破坏规律，并针对深井巷道围岩松动圈开展预分类研究，李铀通过塑性力学求解新体系确定深部开采圆形巷道的塑性斟，于学馥

14、认为巷道围岩破坏的原因是由于应力超过岩体弹性极限，轴比因塌落改变，从而导致应力的重新分布，在工作面回采期间，常布置于煤层巷道中的回采巷道因顶板、巷帮、底板的 岩性、结构及工程条件的差异影响，其围岩变形破坏的机理更加复杂。深部开采巷道支护而临两个方而的问题，一方面矿山压力及构造应力增大、影响烈度加大、作用方式更复杂，另一方而是深部围岩条件发生了变化，表现为泥岩、页岩、粉砂岩等软岩组成比例增加，深部巷道所处环境越来越对软岩及工程软岩不利。目前，国内对深部巷道工程软岩的研究进展主要体现在围岩变形特性及联合支护技术的研究。联合支护技术主要包括:锚杆+喷射混凝土(以下简称“锚喷”)，锚喷网，锚喷网+锚索

15、，锚喷网+锚索+锚注，U型棚+锚索+锚注。围岩变形特性方面主要研究成果是:认为深部工程软岩及软岩巷道具有典型的流变特性，须采用因地制宜、联合多次支护、新奥法综合治理措施及施工技术。以上支护技术大部分是对软岩及工程软岩巷道支护技术做了定性研究，缺乏对深井巷道围岩进行分类、施工具体措施不明确。1.3研究的内容(1)围岩变形破坏机理对于深部复杂高应力岩体工程来说，单凭增强支护强度，而不注重围岩与支护体的变形协调和祸合难以达到理想的支护效果。(2)从围岩对巷道工程支护对策选择及方案设计思路的影响出发，对深部复杂高应力围岩进行分类;从巷道围岩变形破坏过程及机理出发，将深部巷道归为两类进行研究，即深部复杂

16、高应力压力释放型工程软岩巷道、深部复杂高应力离层断裂型工程软岩巷道。(3)支护对策深部复杂高应力巷道所表现出的工程软岩特性与一般软岩巷道的不同在于应力场的大小、方向、组成不同，围岩的变形诱因及作用机理不同，围岩的变形、破坏形态不同。2深井巷道围岩应力分布规律及破裂范围分析2.1深井巷道围岩应力分布规律及破裂范围分析深部巷道开挖引起的围岩力学形态是复杂的过程，由于采深的增加引起的矿压显现也与浅部开采时有很大不同。在一定地质条件下，巷道的稳定性取决于采动引起的围岩应力的分布范围和集中程度，深井巷道原岩应力大，形成的支承应力增高，巷道的变形及破坏的程度增大，且在高地应力作用下，巷道变形要经历一个比较长的时间过程后逐渐趋于一个较稳定的变形速度，巷道围岩长期处于蠕变状态，因此应分析巷道在动压影响下其围岩的受力状态，计算巷道围岩的