专题-深部岩石巷道变形机理与支护技术综述.doc

1、专题部分深部岩石巷道变形机理与支护技术综述摘 要：随着浅部资源储量的日益减少，国内外许多矿山进入深部开采，我国煤矿开采深度以每年812 m的速度增加，徐州、平顶山、开滦、新汶等矿区部分煤矿开采深度已经超1000m。在深部高应力环境中，在浅部表现为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性，巷道围岩长期变形不止。目前，深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一，深部软岩巷道稳定问题已成为国内外研究的热点。深井高应力软岩巷道支护一直是国内外地下工程支护的难题之一。关键词：软岩；支护；深部开采，矿山压力引 言随着开采深度的增加，地质环境更加复杂，导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加、作业环境恶化、生产成本急剧

2、加大，对深部资源开采过程中的工程支护提出了严峻的挑战。深部与浅部的明显区别在于深部岩石所处的特殊环境，即深部岩石的“三高”环境:高地应力、高地温、高岩溶水压。正是由于“三高”环境，使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程相应均发生根本性变化，这也是导致深部开采中灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所在。特别是超千米埋深高应力极不稳定软岩巷道，如果不采取适当的维护措施，巷道围岩变形将会更加剧烈，最终将导致巷道失稳破坏；破坏后的巷道围岩将更加破碎，再生裂隙更加发育，巷道掘进与支护也变得更加困难。目前我国煤矿开采深度以812 ma-1的速度增加，预计在未来20年我国很多煤矿将进入10001500 m

3、的深度。我国已探明的煤炭储量中，埋藏在1000 m以下的为2.95万亿t，占煤炭资源总量的53 %。我国现有煤矿的巷道总量有300万m，深井高应力软岩巷道长达180万m。目前的支护方式，巷道服务期间，需多次翻修，每米巷道每年的修复费需要2000元左右，因此，深井高应力软岩巷道每年的修复费用要高达36亿元。所以对深井高应力软岩巷道破坏机制、支护理论与技术进行研究，对我国煤矿安全高效生产具有重要的理论意义与应用价值。随着时代的发展、科学的进步及其不断的开采实践和理论研究，围岩工程控制理沦取得了长足的发展，支护形式也随之发生了重大的变化。支护理念由被动转为主动，巷道的支护己由传统的棚式支护向锚杆支护

4、转化。在地下工程领域，锚杆支护得到推广和普及。可以说，锚杆支护是可以充分利用围岩自承载能力的一种主动的支护形式，在各种地下工程中得到了大力的推广和使用。长期以来，国内外众多学者就深井巷道围岩变形破坏机理进行了大量的研究工作， 结果表明，巷道围岩在浅部较低应力作用下表现为硬岩的变形特性 ， 而在深部高应力环境中则可能表现为软岩的变形特性。巷道围岩变形呈现软岩特征 ， 主要开拓及采准巷道支护困难， 原有的支护技术与措施失效 ， 巷道返修率高 ， 巷道支护后存在经常性冒顶、片帮、底臌等现象，需要多次维护与加固，维护工作量大，支护成本高 ， 施工作业不安全，严重影响了矿井的正常生产在深部高应力环境中，

5、在浅部表现为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性，巷道围岩长期变形不止。目前，深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一，深部软岩巷道稳定问题已成为国内外研究的热点。1 深部回采巷道围岩稳定的关键理论1.1软岩1.1.1软岩的概念长期以来岩石力学与工程界仍未就软岩的概念达成共识，文献认为，在高地应力区经常遇到一类特殊岩体 ，当其处于地表浅部或低地应力条件下 ，岩体显示出较坚硬的特征；处于高地应力环境时 ，当围压较低时 ，岩体尚具有较高的强度和弹性模量，当围压较高时 ，岩体表现出“软岩”特征。显然 ，它有别于一般意义上的软岩，是一种特殊的、 在高应力环境下的工程软岩体 ，称这类软岩为高应力软岩。1.

6、1.2 高应力软岩形成条件通过分析 ，高应力软岩形成的条件为:（1） 除少量岩石为较软弱岩石外 ，组成高应力软岩的大多数岩石均为较坚硬的岩石 ，单轴饱和抗压强度R 25 MPa。（2） 岩体破碎 ，强度和弹性模量相对较低 ，流变性强。因为高地应力环境使开挖前的岩处于高围压环境 ，岩体结构面处于闭合状态 ，是稳定的 ，且有一定的强度和模量；开挖后围岩处于低围压环境 ，结构面不闭合 ，岩体强度和模量较低。（3） 埋深大、 水平应力大于自重应力。从目前全国煤矿开采深度来看 ，由自重产生的应力不足以使岩体达到高应力状态 ，只有在埋深很大且水平构造应力存在并大于自重应力条件下 ，才能使岩体达到高应力状态

7、。1.1.3 高应力软岩巷道变形特征高应力软岩一旦形成 ，在这些软岩体中掘进的巷道和硐室显示出来的变形特征与硬岩巷道截然不同 ，具体表现为:（1） 围岩变形量大。高应力软岩自身特征决定了该区域的巷道变形量大的特点，其中巷道的水平收敛量要比拱顶下沉量要大得多。一般为数厘米至数十厘米，表现形式有两帮内移、 尖顶和底鼓。（2） 初期变形速率大。由于水平构造压应力大于垂直应力，巷道在掘进时卸载迅速，来压快，表现为巷道的初期变形速率大。（3） 巷道变形具有时效性。巷道围岩具有显著的流变性，表现为明显的时效性。当岩体流变所产生的围岩变形过大，使得巷道支护体无法适应而失效，围岩再次恶化并剧烈变形。1.1.4

8、 软岩的力学属性软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的力学特性。显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点。软岩在工程力的作用下，往往产生不可逆变形。这种性质，称为可塑性。膨胀性软岩的可塑性是由于软岩受力后片架状结构的泥质矿物发生滑移或泥质矿物亲水性引起的。节理化软岩是由于结构面滑动和扩容引起的，高应力软岩大多是上述两种原因共同引起的。软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象，其膨胀机理有:内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下，产生片状解体。膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合

9、体在水作用下，膨胀应力不均匀造成的崩裂。节理化软岩的崩解则是在工程力的作用下，由于裂隙发育不均匀造成局部张力引起的崩裂。高应力软岩则有可能多种崩解机制同时存在。软岩的流变性是指软岩受力变形过程中与时间有关，包括塑性流动，粘性流动，结构面闭合和滑移变形。膨胀性软岩主要是泥质矿物发生粘性流动，在工程力作用下，达到一定极限后，开始塑性变形；节理化软岩流变性主要指结构面的扩容和滑移；高应力软岩流变性多为诸形式的不同组合。岩石变形在应力状态不变的情况下不断增长，处于蠕变状态；或在约束变形条件下，软岩的强度随时间变化而降低。软岩的易扰动性指由于软岩软弱裂隙发育，吸水膨胀等特性，导致软岩抗外部环境扰动的能力

10、极差。对卸荷松动、施工震动等极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。1.1.5 软岩的临界载荷随着应力水平的提高，特别是围压的增大，岩石产生的塑性变形明显增加，使得在低应力水平下表现为硬岩特性的岩石，在提高了应力水平下显示出显著的塑性变形。对于给定的工程围岩，均由弹性变形为主的工程状态向以塑性变形为主的工程状态转化的临界点，我们称之为软化突变点，而与之相对应的应力水平称为软化临界荷载。岩石种类一定，其软化临界荷载也是客观存在的。围岩所处的地应力场的应力水平是否超过软化临界荷载是判断围岩是否为软岩的标准，当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时，则该岩石属于硬岩范畴；而只有当荷载水平高于软化

11、临界荷载时，该岩石表现出了软岩的大变形特性，此时该岩石称之为软岩。1.2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，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）。图1.1 大理岩强度及变形特性随围压变化规律因此，要维护巷道的稳定，首先必

12、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，而且支护力必须达到足够的量值。1.3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

13、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。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

14、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。1.4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

15、，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

16、。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机制，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。1.5软岩巷道问题分析软岩巷道的矿压控制与巷道支护一直是长期困扰着地下采矿工业发展的难题之一。地压大、难支护的巷道已被列入软岩巷道研究之列，软岩已成为软弱、破碎、松散、膨胀、流