1、 浅析深井巷道的围岩变形破坏机理与支护技术1 引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，己知含煤面积约55000 km2了，探明总储量在9000亿t以上，居世界前列。自1989年，我国一直是世界第一大煤炭生产国和消费国，煤炭产量占世界煤炭产量的1/4以上。随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相
2、继进入深部资源开采阶段。我国已探明的煤炭储量中， 埋深在1000 m 以下的为2.95 万亿t， 占煤炭资源总量的53%。根据目前资源开采状况，我国煤矿开采深度以每年812 m 的速度增加，东部矿井正以100250 m（10 a） 的速度发展。近年已有一批矿山进入深部开采。以煤矿为例，预计在未来20 a 我国很多煤矿将进入到1 0001 500 m 的深度。其中, 沈阳采屯矿开采深度为1197 m、开滦赵各庄矿开采深度为1159 m、徐州张小楼矿开采深度为1100 m、新汶孙庄矿开采深度为1055 m、北京门头沟开采深度为1008 m。近些年来，随着我国国民经济和科学技术的发展, 对复杂地质条
3、件下一些长深铁路、公路隧道的修建及深部开采事故的预防, 应用和发展了许多先进的科学技术和理论。在软岩支护、岩爆防治、超前控测、信息化施工等方面, 中国矿业大学、东北大学、重庆大学、同济大学、西南交通大学、辽宁工程技术大学等进行了大量的研究和实践, 积累了丰富的实践经验，且具有开展相关研究的基础与条件。目前该领域的研究主要集中在深部岩石的变形性质（如深部岩体的脆延性转化、深部岩石的流变特性、深部岩石的扩容性质）、深部岩石强度和破坏特征、深部岩石的破碎诱导机理等。 2 深井巷道支护研究现状及存在问题2.1深井巷道的研究进展2.1.1国外深井巷道的研究进展早在20世纪80年代初，国外已经开始注意对深
4、井问题的研究。1983年原苏联的权威学者就提出对超过1600 m的深（煤）矿井开采进行专题研究。当时的西德还建立了特大型模拟试验台，专门对1600 m深矿井的三维矿压问题进行了模拟试验研究。近20年来，国内外学者在岩爆预测、软岩大变形机制、隧道涌水量预测及岩爆防治措施、软岩防治措施等各方面进行了深入的研究，取得了很大的成绩。一些有深井开采矿山的国家，如美国加拿大澳大利亚、南非，波兰等。政府、工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结合深部开采相关理论和技术开展基础问题的研究。2.1.2国内深井巷道的研究进展近些年来，随着我国国民经济和科学技术的发展，对复杂她质条件下一些长深铁路、公路隧道
5、的修建。深部开采事故的预防，应用和发展了许多先进的科学技术和理论。在软岩支护、岩爆防治、超前探测、信息化施工等方面，隧道工程部门、中国矿业大学、中南大学、东北大学、重庆大学、同济大学、西南交通大学等进行了大量的研究和实践，积累了丰富的实践经验，且具有开展相关研究的基础与条件。如“九五”期间，中国矿业大学在深部煤矿开发中灾害预测和防治研究、武汉岩土所在峒室优化及稳定性研究、中南大学千米深井岩爆发生机理与控制技术研究，北京科技大学抚顺老虎台矿开采引发矿震的研究都做了许多有益工作，取得了重要成果。2.2深井巷道矿压显现的研究现状深井支护问题，是由矿井深度和岩性两个因素决定的。在深井条件下开采，原岩应
6、力大小相对巷道围岩力学性质表现出明显的巷道维护困难、变形难以控制的现象。深部开采的深度问题，因各国煤矿的地质条件，开采技术水平、以及矿井装备水平的差异而不尽相同。前苏联一部分学者将采深超过600 m的矿井归于深井，而另一部分学者把采深800 m作为统计深井的标准。原西德学者把采深8001200 m定为深部开采，把超过1200 m的定为超深开采。英国与波兰把煤矿深部开采的起点定为750 m，日本定为600 m。我国对深井的界定无明确的规定，有学者提出我国的深部开采标准为800 m，部分软岩矿井可定为800 m。一般在采深超过600700 m后，井下巷道开始出现深井巷道的矿压显现特征。随着开采深度
7、的增加深井巷道的矿压显现特征愈加明显，深井巷道的矿压显现特征主要表现为：1）巷道围岩变形速度大，变形量大且主要表现为底鼓。而顶板下沉量相对较小，巷道周边变形范围大；2）巷道持续变形，巷道围岩变形表现出明显的流变性。巷道反复维修，支护费用随时间而增加；3）采煤工作面回采加剧了巷道围岩变形，采深愈大，开采影响范围愈大，影响愈强烈：4）深部煤柱下方的多数巷道从掘进期间到使用期间围岩变形就不止并且变形速率也没有降低的趋势。2.3国内外在深井巷道支护方面的研究现状2.3.1国外深井巷道支护的研究现状从20世纪初以来，英国、德国这些采矿技术水平较高的国家对矿井深部开采的支护技术难题从理论及实用技术上进行了
8、很多研究。其中以奥地利工程师L.V.Rabcewicz为代表提出了诸多软岩工程的支护理论，主要成果、方法有：1）新奥法。该法是在岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法。其核心是利用围岩的自承作用来支撑围岩，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支撑环。2）应变控制理论。该理论认为巷道围岩的应变随支护结构的增加而减小，而允许应变则随结构的增加而增大。因此通过增加支护结构，能比较容易地将围岩应变控制在允许的应变范围内。3）能量支护理论。其核心是支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护
9、结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化，因而主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。4）数值计算法。是以有限单元法、边界元法、离散元法、有限差分法等为理论基础通过一些计算软件对现场情况进行有效模拟的一种计算方法。这些软件与一些支护理论相结合，在地下工程支护中得到了广泛应用。2.3.2国内深井巷道支护的研究现状一般的巷道支护多采用锚喷网技术，但对于深井巷道，往往单一的锚喷网尚不能解决问题。经过几十年的努力，我国深井巷道支护技术有了较大的进展，对软岩巷道的支护机理也有了一定的认识。近年来着重研究试验了锚网喷索、锚网喷索注浆加固、锚
10、网喷索二次支护、U型钢支架锚索、U型钢支架喷注、混凝土（料石）碹注浆加固、架后充填全断面封闭式U型钢可伸缩支架、架后充填钢管支架、架后充填大弧板支护、网壳支架及上述部分支护形式和卸压等组成的联合支护技术，并取得一定的成果。基本上形成了锚网喷或U型钢支架一次让压支护，二次加强支护围岩稳定性的支护思想。典型的深井巷道支护技术理论有：1）联合支护理论。其主要观点概括为：对巷道支护不能一味地强调支护刚度，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护，由此发展起来的支护形式有锚喷网索、锚喷网架、锚带网架、锚带喷架、锚喷弧板等联合支护技术。2）锚杆围岩强度强化理论。侯朝炯教授、勾攀峰教授深入地进行了锚杆支护控
11、制围岩稳定的实验及理论研究，提出锚杆与围岩相互作用组成锚固体，锚杆可改善锚固体力学参数，提高锚固体的强度使岩体强度特别是峰后强度和残余强度得到强化，形成共同承载结构，充分发挥围岩自承能力3）松动圈理论。其主要内容是坚硬围岩裸体巷道，其松动圈都接近于零，此时巷道虽然有变形但不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度越大，故支护的目的是防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。4）应力控制理论。该理论也称为围岩弱化法、卸压法等。原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改变围岩内的应力及能量分布，认为降低支撑压力区围岩的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移，来实现围岩稳定的目的。5）岩性
12、转化理论。该理论认为同样矿物成分、同样结构形态，在不同的工程环境条件下，会产生不同应力应变，以形成不同的本构关系。6）轴变论理论。该理论认为巷道坍落可以自行稳定，围岩破坏是由于应力超过岩体极限强度引起的，坍落改变巷道的轴比，导致应力重新分布；应力重新分布特点是高应力下降，低应力上升，并向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。7）锚喷弧板支护理论。其主要特点是对软岩总是强调放压不行，放压到一定程度，要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚决抵制和顶住围岩向中空位移。8）主次承载区理论。核心是说巷道开挖后，在围岩中形成拉压域；压缩域在围岩深部，体现了
13、围岩的自承能力，是维护巷道稳定的主承载区；张拉域形成于巷道周围，通过支护加固也能形成一定的承载区，但是较主承载区，只起辅助作用，称为次承载区，两区协调作用实现巷道的最终稳定。2.4深井巷道支护存在的问题我国地域广阔，煤层开采区域较多，赋存地质条件变化频繁，进入深部开采的矿井日益增多，深部的“三高一扰动”等导致掘进巷道采取不合理的支护方式时冒顶事故时有发生造成伤人事故，在煤矿五大自然灾害中所占比重非常高。严重影响着煤矿的安全生产和科技进步。许多专家学者对深部巷道的离层监测，顶板安全以及离层控制进行了研究并已取得很大成果，但目前仍存在一些未完全解决的问题：1）当前深井巷道的支护方式都尚处于试验阶段
14、，尚未形成真正适用于深部巷道的支护理论。2）深部巷道的支护技术往往都是根据在浅部支护技术的基础上进行加强，采用二次支护甚至是三次支护，往往是根据经验来进行支护的设计。3）深并巷道支护设计时一般没有具体的围岩物理力学性质测试和地应力测试作为设计依据，关于深部巷道的科学试验还需要进一步加强。3 深井巷道围岩变形破坏机理及支护研究3.1巷道变形破坏机理分析在深井巷道开挖之前，岩体处于三向受压的高地应力状态中，且处于平衡状态。巷道开挖后，巷道围岩的围压解除，围岩应力重新分布，切向应力增大而径向应力减小，应力差增大。在低围压、高应力差作用下，巷道围岩迅速发生破坏。随着破坏向围岩深部发展到一定范围，围岩又
15、处于平衡状态。巷道围岩破坏是逐渐进行的，破坏区从出现、扩展到最终稳定下来是一个渐进的过程。围压及应力差的大小对深井动压巷道围岩变形破坏有重大影响。随着围压的增加，岩石的峰值强度和残余强度相应增加，其差值逐渐缩小。在低围压的作用下，岩石呈现脆性，表现出明显的塑性应变软化特性；在高围压的作用下，岩石从脆性转为延性，表现出塑性强化特性。在深部开挖巷道后，引起大的应力差，造成浅部围岩应力重新调整，使巷道浅部围岩中原本闭合的结构面张开滑移，并产生新的裂隙，使围岩强度降低。高的应力差不仅改变浅部围岩应力状态和强度，而且也改变了浅部围岩的水文地质条件，水沿张开裂隙的渗流，进一步降低了浅部围岩强度，使巷道浅部
16、围岩破碎。在受到采动影响后，由于浅部围岩比较破碎，巷道支护所能提供的围压较小。因此，应力差进一步增大，引起巷道深部围岩屈服破坏，造成大的变形，见图3-1-1。图3-1-1 体积应变与围压关系曲线3.2深井巷道支护机理3.2.1提高围岩残余强度原则由于深井动压巷道在低围压、高应力差作用下，围岩普遍处于岩石峰后残余强度阶段，提高围岩残余强度主要有三个技术途径。1）提高支护阻力。由于支护阻力是支架对围岩提供的围压，使巷道围岩从二向应力状态转化为三向应力状态，从而提高围岩的残余强度。2）锚杆加固围岩。实验证明，锚杆能利用其锚固力将破碎围岩锚固起来，恢复和提高了破裂围岩的残余强度，形成具有较高承载能力和可塑性的锚固层。3）注浆加固。破碎严重的岩体，单纯依靠
