专题-深部回采巷道围岩稳定机理分析及控制技术.doc

1、专题部分深部回采巷道围岩稳定机理分析及控制技术摘要: 我国国有大中型煤矿开采深度每年约以812 m 的速度向深部增加，一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段1。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，巷道围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重，严重影响矿井安全生产。通过对深部回采巷道围岩稳定机理进行分析，采用高预紧力锚杆全长锚固支护和高帮上部及时支护控制技术，加强巷道或硐室周边围岩稳定性，充分发挥围岩的自身承载能力，取得了良好的支护效果。关键词： 深部巷道；围岩应力；全长锚固；高帮及时支护0 引言 我国是世界产煤大国，同样也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于6

2、00 m 和1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。而随着开采深度的加大，巷道周边围岩应力呈近似线性关系的增长，巷道围岩变形少则几百毫米，多达1.02.0 m。2巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修，特别是它们的两类或三类的复合型，问题更为突出。严重时，在巷道掘进或使用期间将会在巷道中引发煤与瓦斯突出，甚至岩爆等动力灾害，严重威胁矿井的安全生产。这不但造成巷道支护成本高，而且造成煤炭资源开采的极端困难，严重威胁着矿井的安全生产。对深部资源开采提出了一系列严峻挑战。就问题的实质而言，深部与浅部的主要区别在于围岩所处的应力环境的差别，进而导致围岩强度和变形性质的明显差异。就

3、煤矿而言，在浅部十分普通的岩石，在深部可能表现出软岩的特征易变形并具一定延性、蠕变性强，当岩石中含有蒙托石等粘土矿物时遇水还会发生膨胀。另外，浅部原岩大多处于弹性状态，而深部原岩处于潜塑性甚至塑性状态，巷道开挖后，由于巷道自由面一侧应力减为零，围岩由开挖前的三向应力状态调整为二向应力状态，如不及时有效地支护，表面围岩受到的压剪应力超过围岩强度，围岩很快由表及里发生大变形破裂碎裂整体失稳。1 深部开采深度与巷道围岩的变形关系 1.1 中国的研究 开采深度对巷道围岩的影响十分复杂，除与巷道的围岩性质密切相关外，如受采动影响的巷道，则与护巷方式和周围采动状况等也有密切关系。根据我国的研究成果，可得开

4、采深度与巷道维护之间的一般关系如下： （1）岩体的原岩应力即上覆岩层重量，是在岩体内掘巷时巷道围岩出现应力集中和周边位移的基本原因。因此，随开采深度增加，必然会引起巷道围岩变形和维护费的显著增长。 （2）巷道的围岩变形量或维护费用随采深的增加近似的呈线性关系关系增长。 （3）巷道围岩变形和维护费用随开采深度的增长的幅度，与巷道围岩性质有密切关系，围岩愈松软，巷道变形随采深增长愈快，反之，围岩愈稳定，巷道变形随采深增长愈慢3。 （4）巷道围岩变形和维护费用的增长率还与巷道所处位置及护巷方式有关，开采深度对卸压内的巷道影响最小，对位于煤体内巷道及位于煤体-煤柱内巷道的影响次之，对两侧均已采空的巷道

5、影响最大。 1.2 德国的研究 （1）德国提出掘巷引起的围岩移近量与开采深度和巷道底板岩层强度之间的关系为： = - +式中：K掘巷引起的围岩变形量占巷道原始高度的百分率，%； p岩层压力， 地板岩层的单轴抗压强度，MPa。 利用该式计算结果如图 1.1 所示，由此可见，掘巷引起的围岩变形随开采深度的增加而增长，其增长率与巷道围岩性质有关。开采深度每增加100 m，在煤层（=14 MPa）中掘进，围岩移近量增加8.9%；在软岩（=28 MPa）中增加6.3%；在页岩（=45 MPa）中增加5%；在砂岩（=97 MPa）增加3.4%。同时取K=0，可以知道在掘巷过程中引起围岩明显变形的临界深度，

6、在煤层中为512 m，软岩中为732 m，页岩中为930 m，砂岩中为1360 m。 （2）德国埃森采矿中心还对 100 条前进式开采的采准巷道进行了系统观测，得出巷道围岩移近量占巷道原始的高度的百分率与开采深度关系式为既开采深度每增加100 m，回采巷道围岩移近量占原始高度的百分率增加6.6%，与上述统计值相似。矿井开采深度由300 m 增加到800 m 时，移近量要增加1000 余mm，巷道从较易维护变为难以维护，可见开采深度对巷道矿压显现的影响之大4。 图 1.1 巷道围岩移近量与岩石压力 p（深度 H）和底板岩层强度的关系 1-砂岩（=97MPa）；2-页岩（45MPa）；3-软岩（2

7、8MPa）；4-煤（14MPa） 1.3 前苏联的研究 前苏联对矿井开采深度与巷道稳定性的关系进行过大量研究，认为深部巷道矿压显现的一个主要特点是在巷道掘进时就呈现围岩强烈变形，且在掘进后围岩长期流变，使巷道支架承受很大压力。浅部开采时表现不明显的掘巷引起的围岩变形，在深部开采时显现十分强烈。根据在顿巴斯矿区进行的大量巷道矿压观测，提出了深部巷道掘进初期围岩移近量的计算公式为： 式中：、 顶板、两帮在掘进后t 时间内的位移量，cm； t时间，d； 、顶板、两帮作用在支架上的压力，kN/m2； r 岩石容重，kN/m3； H巷道所处的深度，m； R岩石单轴抗压强度，kPa； 寻求常数时引入的单轴

8、抗压强度，3000kPa； b巷道所处的深度，cm； h巷道高度，cm。 由此可以看出随着开采深度的增加，维护时间的增长，巷道变形将逐渐增加，维护也将越来越困难。前苏联学者舍斯勒夫斯基认为，当r/HRg0.3 时，既开采深度相对比较小或围岩强度相对比较大时，开采深度对巷道围岩变形影响较小，反之，围岩稳定性系数愈大，开采深度对巷道围岩变形的影响就也愈大5。 2 深部回采巷道围岩稳定的关键理论 2.1 围岩稳定理论 围岩的稳定性既取决于围岩的完整性和岩体强度，又取决于其所处的应力状态。根据岩石力学试验结果，任何岩石在三向应力状态下的强度高于二向应力状态或单向应力状态下的强度；当围岩处于三向应力状态

9、时，随着侧向压力增大，其峰值强度和残余强度都会得到提高，并且峰值以后的应力-应变曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡，岩石由脆性向延性转化6，如右图所示（图中显示了大理岩强度及变形特性随围压的变化，该图引自Von Karmon，曲线上的数字是围压，单位为MPa）。 因此，要维护巷道的稳定，首先必须在巷道开挖后尽快恢复和改善围岩的应力状态，将巷道开挖后因二次应力调整形成的二向应力状态恢复到三向应力状态。改善和恢复应力状态的措施越及时，围岩破裂扩展的程度越轻，围岩的完整性保持得越好，围岩越稳定；巷道自由面上的压应力恢复得越高，围岩强度越高，自我承载能力越高，围岩越稳定。这就要求巷道开挖后必须立即支护，

10、而且支护力必须达到足够的量值。 2.2 深部围岩岩爆理论 岩爆也叫冲击地压，是世界范围内煤矿及岩石工程遇到的最严重的自然灾害之一，是目前国际深部采矿工程和岩石工程中迫切需要解决的难题。其详细的发生机理尚没有完全清楚，但按煤岩体的失稳类型，可分为压缩冲击地压， 剪切冲击地压和拉伸冲击地压。它是一种瞬间发生的岩体脆性破坏，它必须满足一定的应力积累和一定范围内的能量积聚。在巷道周边围岩和矿柱存在高应力区是岩爆发生的先决条件7。 通过长期的探索，提出冲击地压的形成机理不下几十种，较有代表性的有： （1）单纯强度理论。早期南非的冲击地压研究者认为冲击地压是局部应力超过了煤岩强度而发生的。显然，应力超过强

11、度只是其中因素之一。 （2）单纯能量理论。由于单一强度理论不能完全反映其机理，在对金矿的冲击地压研究中发现，在采矿过程中， 能量的增加率超过能量的耗散能力时， 发生了冲击地压。因此就认为单纯的能量控制了冲击地压的发生，能量理论解释了有关冲击地压现象，但把煤岩体看成纯的弹性体，这与实际是有区别的。 （3）刚度理论。通过实验和井下矿柱的对比，对井下单个矿柱的冲击地压研究发展了刚度理论，将其发展到研究多个矿柱冲击地压计算。该理论只适用于矿柱问题。 （4）倾向性理论。通过试验和调查认为，产生冲击地压是煤岩固有的性质，并把这种固有的性质称为冲击倾向性。提出了衡量这种倾向性强弱的两个指标： 弹性指数和冲击

12、能量指数。当这两个指标大于某个值时，就会产生冲击地压。但在实践中发现，冲击倾向性大的煤岩出现冲击地压的次数并不比倾向性小的煤岩次数多。因此，这一理论存在明显的不足。 2.3 深部软岩非线性大变形理论 在深部巷道围岩受地压作用下，除脆性岩体产生岩爆外，另一种表现是围岩体软化， 从而进入大变形软岩状态。在我国地下煤矿中，随着开采深度的加大，绝大部分煤矿都出现了软岩灾害。深部软岩灾害导致矿井停产、停建屡见不鲜；造成隧道、涵洞无法使用的情况， 在水电、铁路等方面经常见到。深部软岩巷道围岩的地压表现特征是其在工程应力的作用下产生显著的塑性大变形。 当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表现为

13、硬岩的力学特性，强度低于工程力水平的则可能表现为深部软岩的力学特性：而对同种岩石，在较低工程力的作用下表现为硬岩的小变形特性，在较高工程力的作用下则可能表现为深部软岩的大变形特性。根据工程深部软岩的特性差异及产生显著塑性变形的机理，深部软岩可分为四大类，即膨胀性深部软岩、高应力深部软岩、节理化深部软岩和复合型深部软岩8。 根据理论分析和大量的工程实践，初步将深部软岩的变形力学机制归纳为3 大类，即物化膨胀类（I）、应力扩容型类（II）和结构变形类（III）。各类中又依据引起变形的严重程度分为A，B，C，D 四个等级，共l3 亚类。显然，I 类机制与深部软岩本身分子结构的化学特性有关，II 类机

14、制与力源有关，III 类机制则与硐室结构与岩体结构面的组合特性有关。这三类机制基本概括了深部软岩膨胀变形的主要动因。深部软岩巷道之所以具有大变形、大地压、难支护的特点，是因为深部软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学而是同时具有多种变形力学机制的“并发症”和“综合症”复合型变形力学机制，复合型变形力学机制是深部软岩变形和破坏的根本原因。 3 深部回采巷道围岩稳定控制技术 3.1 深井巷道锚杆支护理论基础 传统的悬吊、组合梁、组合拱等锚杆支护理论是根据处于弹性状态的完整岩体提出的，而且只适用于特定的条件，对于围岩处于峰后强度和残余强度的破裂岩体。上述理论不能解释锚杆支护的作用机理。近期国内外一些学者

15、研究了锚杆支护对岩石力学性质的改善，但仅限于岩石处于峰前弹性状态下对内聚力C、内摩擦角a、弹性模量E 的作用，未涉及岩石处于峰后的情况9。围岩强度强化理论认为： （1）巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载机构。 （2）巷道锚杆支护可提高锚固体的力学参数（E、C 、a）改善被锚固岩体的力学性能。 （3）巷道围岩存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区的岩体则处于破碎区或处于上述23 个区域中，相应锚固区的岩石强度处于峰后强度或残余强度。锚杆支护使巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度。 （4）煤巷锚杆支护可以改变围岩的应力状态，增加围压，从而提高围岩的承载能力。 （5）巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。 运用极限平衡理论，在各向等压的情况下，圆形巷道的塑性区半径和周边位移计算： 式中：u巷