1、专题部分高应力大变形巷道卸压机理及技术现状【摘 要】随着矿山地下开采深度的增加,地压问题对开采的影响也日趋严重。维护回采巷道的稳定性是开采能否顺利进行的关键。理论分析和工程实践表明,在高应力区或受采动应力影响严重的区域,可以采用卸压支护的方式来维护巷道的稳定性。因此,可以采用卸压开采的方式来降低开采区域的应力,并根据卸压后应力降低程度选择合理的支护形式和参数,从而通过卸压支护达到维护巷道稳定性的目的。现场工业试验表明,采用卸压支护技术可以有效协调巷道周围岩体的变形,达到维护巷道的稳定性。【关键词】 巷道；高应力;大变形; 卸压 ;技术1.卸压支护现状1.1卸压支护原理卸压支护是指卸压与支护相配
2、合的巷道维护方法。卸压指卸压开采,是运用应力转移原理将回采区的高应力通过一定的卸压措施转移到四周,使区内应力降低,改善矿岩体的应力分布状态,控制由于多次采动影响而造成的应力增高带相互重叠的程度,以实现顺利开采。卸压开采技术主要分垂直卸压和水平卸压工艺。垂直卸压是将回采区上部覆岩压力部分或全部转移到四周,从而使压力拱下的开采工程只承受矿岩自身重力,应力值显著降低而变得易于开采。水平卸压是将作用于开采矿体上的水平应力隔绝,形成水平应力降低区,以减小水平应力对采矿工程和人员的危害。目前国内外常用的卸压方法主要有: 巷道围岩中开槽、切缝、钻孔或松动放炮; 在受保护巷道附近开掘专用的卸压巷道; 从开采上
3、进行卸压或将巷道布置在应力降低区内。对于这3种卸压方式,可以简单称为周边卸压、巷道卸压和开采卸压。卸压开采并不是通过开采来降低回采区域的压力,而是通过卸压分段的回采来改变岩体应力的区域分布特征和规律,形成新的应力分布状态,即形成应力降低区域和应力升高区域。根据回采引起的岩体应力变化规律和分布特征,通过合理的结构参数选择和采场结构布置,使得卸压分段回采后其下分段回采工程处于应力降低区域,从而保证下分段回采工程的稳定性。而无底柱分段崩落法卸压开采技术主要包括2方面。其一是卸压,即通过卸压分段的回采,在下分段形成一定范围的应力降低区域;其二是开采,开采即包括卸压分段的回采,也包括卸压分段以下分段的回
4、采。因此,卸压支护即首先根据卸压开采原理进行卸压开采,形成应力降低区域并将主要工程布置在应力降低区,或通过卸压开采将主要工程区域的应力降低,之后根据卸压方式及效果,选择合理的支护方式和参数,从而达到共同维护巷道稳定性的目的。1.2卸压与支护关系分析为了研究卸压与支护之间的关系以及对巷道稳定性的影响,本研究根据卸压开采和不卸压开采时岩体应力场的变化情况,设计了不同的数值计算方案,分析锚杆支护机理以及锚杆支护参数与卸压开采之间的关系,为锚杆支护参数的选取及确定提供相应的理论依据。设计的锚杆支护数值计算方案见表1。不同计算条件下的最大下降位移、测点最大位移以及锚杆最大轴力见表2。从表2可以看出,在相
5、同应力条件下,不同锚杆支护参数下的巷道变形量相差较小。这表明锚杆支护并不能有效控制巷道顶板围岩的变形程度,也就是说,以锚杆支护为主的巷道支护手段,并不能有效地控制巷道的变形,其对巷道的支护作用不在于对巷道变形的控制,而在于协调巷道周围岩体的变形。表1锚杆支护数值计算方案m开采方式不支护支护卸压0.60.60.80.80.60.60.80.80.60.60.80.8不卸压0.60.60.80.80.60.60.80.80.60.60.80.8表2不同方案计算结果对比计算项目不卸压卸压0.60.60.80.81.01.0不支护0.60.60.80.81.01.0不支护最大下降位移/mm3.7804
6、.1504.1804.1202.4802.7102.7302.740拱顶测点/mm3.1203.2313.2903.7012.0732.1552.1952.469拱角测点/mm2.3762.3352.5182.6951.5861.5561.6911.800两帮测点/mm1.2141.2381.3191.3970.7850.8080.8710.923最大轴力/MPa3.5643.7854.779-2.6052.7253.540-虽然锚杆支护不能有效控制巷道顶板的围岩变形,但是对于改善顶板部位的围岩应力状态却有着明显的效果,如图1和图2。在相同的应力条件下,不支护时巷道拱顶部位的垂向应力降低范围和
7、降低幅度最大,在采用不同锚杆支护参数后拱顶部位的垂向应力降低范围和降低幅度都有所减小,而且支护参数越小降低范围和降低幅度越小,这就说明巷道顶板部位锚杆参数越小,锚杆越密集,其顶板应力变化就越小。可见,锚杆支护可以改善巷道拱顶部位岩体应力场的状态。表3是卸压前后不支护和相同锚杆支护参数下的顶板最大下降位移、测点位移和锚杆最大轴力的变化率。从表中的变化率可以看出,在卸压30%条件下,卸压后位移变化率基本在33%35%之间,锚杆所受的最大轴力变化率在25%28%之间。由此可见,卸压程度影响着巷道变形幅度及锚杆支护效果,巷道变形幅度和锚杆支护效果基本和卸压程度成正比关系,因此,卸压程度越高越有利于维护
8、巷道稳定性。将卸压前后在相同支护参数条件下的计算结果变化率和相同围压条件下的不同支护参数所引起的计算结果的变化率进行对比可以看出,卸压所引起的巷道变形率和塑性区分布大小比改变支护参数所引起的巷道变形率和塑性区分布大小要大。这说明在一定条件下,卸压对于维护巷道稳定性的效果要优于改变支护参数对巷道稳定性的维护效果。 图1不支护后时垂向应力分布图2支护后时垂向应力分布表3卸压前后锚杆支护计算结果变化率对比%计算对象0.60.60.80.81.01.0不支护最大下降位移34.3934.6934.6933.50拱顶测点位移33.5633.3033.2833.29拱角测点位移33.2533.3632.84
9、33.21两帮测点位移35.3434.7333.9733.93锚杆最大轴力26.9128.0125.93-数值分析结果表明,锚杆支护巷道并不在于控制巷道的变形大小,而在于协调巷道周围岩体的变形,并改善巷道拱顶部位岩体应力场的状态,从而最大限度地利用岩体自身的稳定能力。虽然卸压开采对于维护巷道稳定性有着重要的影响,但并不能忽视支护的作用,而应是卸压与支护协调并重来维护巷道的稳定性。2.深井高应力巷道卸压法防治底臌技术分析深埋巷道底臌现象是目前煤矿深部开采所面临的主要难题之一。大量的实际资料表明,在底板不支护的深部开采中,巷道底臌量约占巷道变形量(顶底板接近量)的70%左右,巷道维护工作量中有50
10、%是用于防治底臌。因此,长期以来防治巷道底臌一直是矿井巷道维护的重大问题之一。目前,防治底臌的方法有支护加固法和卸压法两类。现有研究多数是关注巷道的底板支护加固措施,但这种被动的防治方法在深井高应力软岩条件下往往花费巨大且效果不好,其主要原因是围岩自身不稳固,形不成自稳结构。卸压法的实质是采用一些人为的措施改变巷道围岩的应力状态,使底板岩层处于应力降低区,从而保证底板岩层的稳定状态,是一种抑制底臌的主动防治措施,特别适用于控制高地应力的巷道底臌。本文结合巩义某煤矿的实际进行了数值模拟试验,对卸压法防治巷道底臌的机理及其参数的选择进行了研究。结果表明,卸压方法可以改善围岩的受力状态,促进围岩形成
11、自稳结构,从而抑制或延迟底臌的发生,有助于选择最佳支护时间,为后期的巷道支护加固提供有利条件。2.1数值模型的建立2.1.1巷道工程地质条件巩义某煤矿开采二1煤层,21采区轨道上山布置在距煤层底板20m的砂质泥岩中,巷道顶板为石灰岩,两帮及底板为砂质泥岩,围岩的力学参数见表1。巷道原设计为锚网喷支护,关键部位加U型钢支架。轨道上山开掘后,底臌现象比较严重,最大处底臌量达到1m以上,经过几次落底后底臌现象仍然明显。2.1.2数值模型模型尺寸为20m20m,划分成200200个单元,每个单元格代表0.01m2的岩体,巷道断面为直墙半圆拱形(宽3.7m,高3.2m)。采用修正的库仑判据(可考虑拉伸破
12、坏)作为单元破坏准则。以该煤矿地质资料为基础建立上山巷道模型,模型两侧施加水平约束,垂直方向上施加上覆岩层重力H(H=750mm)。2.2巷道围岩变形分析2.2.1轨道上山变形及应力分布数值模拟结果轨道上山巷道帮、顶锚喷网支护而底版无支护条件下的围岩剪应力分布见图3。由于巷道底板岩层较为软弱,巷道底板最先破坏,而且破坏情况较为严重,应力向底板深处转移,造成巷道底板臌起。巷道底板强度较低,影响了围岩的整体结构,造成巷道两帮渐渐出现破坏,引起整个巷道变形量较大,围岩松动圈范围变大。图4为巷道底板在第2步开挖后和最终平衡(第22步)时的位移情况(垂直向下为正),可以看出,由于底板无支护,巷道开挖后迅
13、速底臌,底板最大位移达到30mm左右;巷道在最终计算到平衡状态时,仍是底板位移量最大,达到了60mm左右。因此,深井高应力软岩条件下,巷道开挖后底板变形很快,而一般情况下支护措施相对滞后,即使采用底板加固措施,也会因为巷道围岩完整性已受到破坏而导致支护效果较差。图3喷锚网支护下巷道围岩的剪应力分布图4巷道底板岩层位移曲线2.2.2采用卸压措施后巷道的变形及应力分布巷道掘进过程中在其底部开槽(槽深800mm)卸压条件的围岩应力分布见图5。刚开挖时(第2步)和模型平衡时巷道底板岩层Y方向位移曲线见图6。巷道底部开槽使底板应力转移到围岩深部,让底板浅部岩层处于低应力区,同时,底板的卸压槽能够吸收大部
14、分的巷道变形量,所以刚开挖后巷道底板Y方向位移量较小,只有4mm左右,在巷道模型计算平衡后,底臌量也只有10mm左右。巷道掘进时底部开卸压槽能够显著的抑制底臌,使底板处于应力降低区,从而保护底板岩层不受更大程度破坏。但是,与不开槽时(见图1)相比,巷道两帮围岩的应力集中程度较高,因此,巷道开挖后应及时对两帮及顶板进行有效支护。图5底部开槽卸压的巷道围岩应力分布图7和图8是两侧开槽时巷道围岩的应力分布及底板位移曲线。由于巷道两帮开侧卸压槽,使两帮的高应力向两侧围岩深处转移,巷道表面附近的围岩处于低应力区,底板岩层的受应力状态与不开卸压槽时(见图1)相比,变化不大。由于卸压槽的存在,能够吸收大部分
15、的围岩变形,因此,巷道底臌量也得到了明显抑制,底板最大位移量约12mm。但是,巷道两帮开槽后破坏了两帮围岩的完整性,不利于后期对巷道进行支护加固。图6开底板切槽的巷道底板岩层位移图7两侧开槽卸压的巷道围岩应力分布图8两帮开切槽的巷道底板岩层位移3底部开槽深度对巷道底板位移量的影响由前述模拟结果可知,巷道掘进时底部切槽与两帮切槽都能显著的抑制底臌。底部切槽施工方便,工程量较小,更为重要的是,两帮切槽对巷道围岩的完整性破坏较严重,不利于后期对巷道进行支护加固。因此,在相同条件下建议优先采用底部切槽的卸压措施。切槽的参数也是影响卸压效果的重要因素,一般情况下根据实际情况切槽宽度应在500600mm范围内。切槽深度与底臌量的关系见图9,在切槽深度小于1200mm时,巷道底板位移量随着切槽深度的增大而减少,当超过1200mm后,巷道底板位移量切槽深度增大的变化不明显。可见,底板切槽深度对卸压效果有很大的影响,
