1、专题部分大断面煤巷过断层围岩变形破坏机理及控制技术摘要:在我国煤炭开采中有着很多问题，其中大断面煤巷过断层是围岩破坏支护的问题也时常伴随着我们，如何更好的应对这个问题是我们一直都在探究，目前我国已经有了一些方法针对这个问题。本文以平朔井工三矿的一个工作面为案例简单的研究了煤巷过断层时围岩破坏机理及控制技术问题，采用锚杆锚索联合支护方式并做出了一些简易分析，为类似的情况提供了参考借鉴。关键词：过断层；围岩破坏；联合支护Abstract:In the coal mining in our country has many problems, including the big cross sect
2、ion through fault is damage of surrounding rock in coal roadway supporting is also often accompanied by us, how to better cope with the problem is that we have been exploring, at present our country has built up some methods for this problem. Based on the flat back three ore mining is a face for the
3、 case of simple coal roadway is studied through fault failure mechanism of surrounding rock and the control technology, USES the anchor and anchor rope combined support way made some simple analysis, provides the reference for the similar situation.Keywords: Through fault; Damage of surrounding rock
4、; combined support1绪论 1.1 研究意义我国是能源消耗大国，在我国能源资源中，煤炭是我国的主体能源和重要原料，也是国 家能源安全的基石，煤炭工业在我国国民经济发展中有举足轻重的地位。但就我国目前国情，我国煤炭开采主要是井工开采，所占比例高达 95%，相应的煤矿巷道掘进及支护工程量十分巨大。由于巷道处在断层的地质条件下，巷道围岩性质千变万化，所以大断面煤巷过断层的相关技术存在着难度大、安全性差、成本高等问题。因此，大断面煤巷过断层围岩变形破坏机理及控制技术的研究对实现煤炭资源的安全高效开采具有重要意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 断层及其结构相关研究现状 断裂构造的研究
5、已有上百年的历史了，而断裂构造岩带划分的工作，自六十年代起由于它在勘探实践和理论研究上的重要性，才越来越引起广大地质工作者的重视。随着野外调查和室内测试工作的深入开展，断裂构造学研究的课题，己从岩石组构的观察，扩展到应力矿物、动力变质、动热变质、显现构造、断裂机制、流变机理、成矿机构以及构造地球化学等广泛的领域。 李四光教授认为：不论断裂的深浅、大小，地质力学要求查明它们的性质，如压性，张性和扭（剪）性以及压极性和张扭性等。关于断裂构造类型的鉴定，主要还是依靠结构面或构造带所显示的形态特征的差别来决定的。按力学作用特征，李四光教授将断层分为压性断层、张性断层、扭性断层、压扭性断层、张扭性断层等
6、。孙岩，韩克从通过把不同断裂不同构造部位的构造岩带分析比较，把构造岩和所处的构造环境、边界条件和受力情况广泛联系起来，从断裂构造岩的分布和展布，其发生发展的过程中，探讨内在的规律性，进一步确定了各种破裂结构面中构造岩带的构造型式，并和结构面的显观构造相联系，提出了结构面的构造岩带。 孙广忠从岩体的力学效应出发，详细研究了断层带宽度、断层带的结构、断层带展布特征和断层组数等内容。并得出结论，断层带宽度是认识断层带的力学效应的十分重要的因素之一。断层带宽度特征表现在三个方面，即断层破碎带宽度、断层影响带宽度和断层交汇带宽度。谢众石，谭凯旋等对断裂构造的分形结构进行了研究，认为断裂构造具有明显的分形
7、结构特点，详细总结了断裂构造分形研究的理论基础及其在地质研究中的应用，并认为可以从活动断裂的分形分析来研究断层的活动性及其与区域地壳稳定性，进行地震预测。王玉汪，王元明等人就断层破碎带产状与围岩应力分布的内在联系作了定性定量分析、论述。结合大量实际现场观测资料作了分析论证，为巷道的设计布置与过断层碎带的施工提供了可靠依据并提出了有效的支护方式。 孙宗顾，张景和等人对全国 13 个大油区 86 个断块油田近千口钻井在正断层和逆断层地区进行了水压致裂测试地应力的试验。地应力测试结果表明，无论这些油田的断层是正断层还是逆断层，压裂裂缝的方向基本是垂直于断层走向的，即最小主应力均是平行于断层迹线的水平
8、应力。这与现有文献中介绍正断层和逆断层发生前主应力的方向显然是不同的。赵海军，马凤山等人采用理论与数值分析的方法，对断层上下盘开挖所引起的岩移机制进行了研究，得出结论：受断层影响，在断层上下盘开挖时具有不同的岩移机理。朱维申，阮彦最等人通过系统的数值试验研究了断层厚度、断层倾角、断层弹模、地应力侧压系数等主要因素对断层附近的应力与位移分布异常以及隧洞围岩应力场及其稳定性如何受断层的影响。尹立明，郭惟嘉等人应用相似模拟试验和 ANSYS 软件，分析了在采动和断层影响下覆岩变形破坏和矿压分布规律。得出结论:在采动影响下断层活化，断层带及其影响范围内的岩体破碎，表现为周期断裂步距小，冒落带高，尤其是
9、断层下盘，顶板稳定性差。贾晓亮，崔洪庆等人通过模拟断层端部地应力场分布情况。得出结论:断层倾角、断层性质、断层内摩擦角、煤层弹性模量、煤层泊松比和边界应力比是影响断层端部应力大小的主要因素。1.2.2 巷道过断层围岩破坏机理研究现状 巷道过断层围岩破坏机理研究现状迄今为止,人们对地下工程围岩变形破坏机理的研究大致经历了以下几个阶段: （1）弹塑性理论阶段20 世纪 50 年代以前,人们主要采用弹性及弹塑性理论分析和计算围岩的应力、变形和稳定性。基于 Mohr-Coulomb 准则,Fenner 于 1938 年最早将地下硐室围岩简化为各向同性、各向等压的轴对称平面应变模型,用于分析地下硐室在弹
10、塑性“极限平衡”状态下围岩的应力、应变、位移与支护强度、围岩应力与围岩强度的关系Fenner 和H.Kastner 基于经典的理想弹塑性模型和岩石破坏后体积不变假设得到了地下硐室围岩的特性曲线方程,即著名的 H.Kastner 公式,这一结果表明可以通过充分发挥围岩的自承载能力,以较小的支护阻力(强度)来获得围岩的稳定。于学馥等在考虑岩石在变形破坏过程中的弱化和残余变形,将围岩视为线性弱化的理想残余塑性模型。（2）岩性转化理论阶段20 世纪 60 年代,陈宗基从大量工程实践中总结出岩性转化理论,认为同种矿物成分及同样结构形态,在不同的地球物理环境下,会产生完全不同的应力和应变,并形成不同的本构
11、关系,即使坚硬的花岗岩在高温高压的工程条件下也会产生流变和扩容现象。指出岩块的各种测试结果与工程岩体的各种参数不是同一概念,在工程设计时应加以明显的区分。强调岩体的非均质性和非连续性,岩体在工程条件下形成的本构关系与试验条件下得到的本构关系并不一致,绝非简单的弹塑性、弹粘塑性等单一的变形理论特征,而是两种或多种变形特征通过不同方式融合在一起的非常复杂的变形理论特征。（3）轴变论阶段20 世纪 80 年代初期,于学馥等提出了巷道围岩变形破坏的“轴变论”理论,认为巷道坍落可以自行稳定,可以用弹性理论进行分析,围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的,坍落改变巷道轴长比,导致围岩应力重分布,其特点是
12、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。应力均匀分布的轴长比是巷道最稳定的轴长比,其形状为椭圆形。（4）应力支护理论阶段20 世纪 80 年代中期,郑雨天、陆家梁等提出硐室围岩的应力支护理论,其基本原理是通过一定的技术手段来改变部分围岩的物理力学性质,降低支承压力区围岩的承载能力,使支承压力向深部围岩转移,以此提高围岩的稳定性。（5）流变理论阶段20 世纪 90 年代初期,陈宗基将流变理论引入岩石力学,从理论解答了层状岩体中隧洞围岩应力的分布,提出了围岩应力场随时间而变化的概念;根据松弛试验结果,提出了确定软岩长期强度的本构方程,指出软岩扩容的膨胀效应问题,并把膨胀划
13、分为扩容引起的碎胀、物理化学作用产生的自由膨胀及弹性形变恢复引起的流变膨胀;于学馥等采用 Poynting-Thomson 模型对圆形地下硐室进行了粘弹性分析,得出粘弹塑性围岩与弹塑性围岩不同,围岩塑性区应力分布是一个时间过程,在塑性区由小到大的逐渐形成过程中,围岩表面的支护阻力不断增大,此时围岩压力主要是由围岩塑性位移产生;在塑性区形成后存在蠕变阶段,并由此对支护形成蠕变压力。（6）围岩松动圈理论20 世纪 90 年代中期,董方庭等27,28在大量实验室试验、理论分析及现场实测的基础上,提出了巷道围岩松动圈支护理论,认为围岩在弹塑性状态下支护不可能起到支护作用,只有当围岩松动圈产生之后,才能
14、产生能够作用于支护体之上的“碎胀变形压力”和“松动围岩自重压力”,其支护主要对象是“碎胀变形压力”和“松动围岩自重压力”,松动圈厚度是衡量围岩失稳程度与支护难度的关键性指标。松动圈越大,围岩收敛位移越大,支架损坏越严重,巷道越难支护。（7）软岩非线性大变形理论20 世纪 90 年代以来,矿产资源开采的深度不断加大,国内外专家学者加快了对硐室围岩变形破坏机理的研究。W.D.Drtlepp 等对深部井壁围岩在静荷载作用下以及深部巷道围岩受回采荷载作用下的变形机理进行了研究;A.Lionco 和 A.Assis对深部围岩的非线性大变形力学模型进行了研究,探讨了深部岩体开挖后的非线性大变形特性,指出弹
15、性模量与围压(开采深度)有很大关系;何满朝运用工程地质学和现代大变形力学理论相结合的方法。（8）围岩分区破裂化理论21 世纪以来,随着经济建设和国防建设的不断发展,深部岩体工程越来越多,如逾千米乃至数千米的矿山、核废料的深层地下存储及深部地下防护工程等。深部岩体工程在开挖硐室或巷道时,围岩除产生岩爆、围岩挤压大变形外,还出现了交替的破坏区和非破坏区的新现象,即围岩分区破裂化现象。近几年来,中国学者开始关注并开展了分区破裂化现象的系统研究,指出深部围岩分区破裂化是一个与空间、时间效应密切相关的科学现象,并归纳了分区破裂化现象的主要特征参数,定性分析了分区破裂化现象产生的机理和条件,指出了这一领域
16、的研究方向。1.2.3 巷道过断层围岩控制支护技术研究现状 1）金属支架支护发展现状 20 世纪 50、60 年代及以前，由于生产技术条件落后，木材容易获得，成本低等原因，我国煤矿巷道基本采用木支架支护。木支架的初撑力和工作阻力低，适应顶底板变形能力差，靠支柱压入顶底板来适应围岩变形，坑木消耗量大。同时，木材易燃，木支架容易引起矿井火灾，产生大量有毒有害气体，威胁矿井安全生产。20 世纪 70、80 年代，随着生产技术发展，刚性金属支架逐渐成为矿井巷道支护的主体。 刚性支架按照外形可分为拱形金属支架、拱顶金属支架、封闭型金属支架和梯形金属支架，前面三种支架能适应巷道自然冒落拱的形状，承载能力强且不易变形和损坏。刚性金属支架没有可缩性，具有较大的承载能力但是不能适应巷道围岩变形。20 世纪后期，随着煤矿开采深度的增加，矿山压力逐渐增大，刚性金属支架不能很好地维护巷道围岩体稳定，可
