1、专题部分 第15页深部巷道变形机理及支护技术分析摘要:我国国有大中型煤矿开采深度每年约以812m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。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变形机理进行分析，采用有效的支护控制技术，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，能取得良好的支护效果。关键词：深部巷道；变形机理；支护技术1引言人类对矿产资源的获取大多是通过地下开采方式获得的，随着浅部资源的逐渐减少和枯竭。地下开采的深度越来越大，我国煤矿开采深度以每年812m的
2、速度增加，预计在未来20年我国很多煤矿将进入10001500m的深度。我国已探明的煤炭储量中，埋深在1000m以下的为2.5万亿t，占煤炭资源总量的53。因此煤炭的深部开采采间题已逐渐摆在我们面前。随着开采深度的增加、地质条件恶化、破碎岩体增多、地应力增人、涌水量加大、地温升高，导致提升难度加大、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧等增加等一系列问题题，为深部资源开采提出了严峻的挑战。人们发现深部开采的巷道和采场的维护及机理、出发点与浅部开采有明显的区别，人们认识到这种区别的根源在于岩石所处的应力环境的区别以及由此导致的岩体力学性质的区别。煤矿开采实践说明，在浅部十分普通的岩石在深部可能表现出
3、软岩的特征一一变形容易、蠕变性强，但是否遇水膨胀却仍取决于岩石的成分。另外，浅部的岩石大多处于弹性应力状态，而深部的岩石处于“潜塑性”状态，即由各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力力超过岩石压强，造成岩石的潜在破坏状态。2 国内外研究现状2.1国外研究现状深部资源开采一直是国内外采矿工程界个十分重要的研究课题国外从20世纪80年代初期开始深部开采问题的研究：以南非为代表，其他国家如美国、加拿大、澳大利亚、波兰、俄罗斯等政府、工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结合，进行深部资源开采相关的基础课题研究。南非政府、入学与工业部门密切合作，于1998年开始启动“深部采矿”研究计划，耗资约1
4、300万美元，旨在解决30005000开采深度的生产系列问题。加拿大从20世纪80年代至今开展了两个为期十年深井研究计划。美国爱达荷大学、密歇根大学、西南研究院和美国国防部合作，就岩爆引发的地震信号进行了研究。西澳大利亚学在深部开采方面也进行了大量工作。2.2国内研究现状我国20世纪80年代也进行了这方面的研究，一些高校和研究所对深部资源开采的理论和技术进行一些研究取得了大量有价值的研究成果。但总体来看，我国深部开采方面的经验还十分欠缺，尤其是井下支护、通风降温、一些重大井下事故如顶板来压、岩爆、煤与瓦斯突出、工作面突水等方面的机理、预测与防治还缺乏必要的基础研究。为保证我国国民经济的持续发展
5、，尤其是保证我国东部矿区能源资源的高产、稳产，十分有必要开展这方面的研究工作。3深部岩体变形机理深部岩体围岩变形破坏机理是与其原岩的高地应力状态(原岩应力)以及工程岩体的低围压状态(围岩应力)和高应力差相联系的。原岩应力较高,故一旦开挖,随即发生内应力释放和回弹，并引起相应的应力调整和变形。巷道开挖卸载后相当于在原岩应力状态上叠加相应反向拉应力，于是工程岩体(尤其是层状和似层状岩体)在类似横弯或纵弯作用下发生挠曲，或者沿结构面发生剪胀滑移变形，岩体强度降低，围岩发生体积膨胀变形（扩容）。应力释放引起的回弹和应力调整引起的扩容使岩体中原本闭合的结构面张开滑移，在改变岩体应力状态和强度的同时，也改
6、变了围岩水文地质条件，工程用水沿张开裂隙渗流，进一步降低了岩体强度或者加剧了具有膨胀性岩石的物理化学膨胀和力学膨胀，从而使围岩产生较大的收敛位移，表现为侧墙鼓出、底鼓和顶压等。变形的进一步发展导致巷道破坏失稳，如侧墙内移(侧向张裂、片帮)、尖顶(拱顶剪裂)底鼓和冒顶等。破坏最严重的部位多在拱顶和拱墙交界处，在这些部位常见巷道剪裂和张裂，钢筋因过大位移而扭弯屈曲，甚至刚拱架也被扭弯或剪断的现象。当巷道布置在构造应力、复杂应力和高应力区域时，围岩在很大的水平挤压应力作用下，其顶板与底板岩层直接承受着水平构造应力的作用，而巷道两帮的围岩由于巷道开挖解除了水平应力作用处于弹性恢复状态。因此，构造应力主
7、要引起巷道顶板岩层的挤压破坏，巷道底板岩层发生屈曲破坏。顶板的大范围破坏(鼓出)使得构造运动残余水平应力得到充分释放。重力应力场随着围岩构造应力的释放(解除)而发展成为促使围岩向已采空间运动的主动力。随着围岩周边破坏向深部发展,岩石破裂范围不断增大，应力高峰相应向深部转移，支撑压力分为由明显运动的岩层重力作用的内应力场和由巷道围岩结构整体重力作用的外应力场两个部分。构造应力作用的结果导致顶底板岩体发生破坏，在一定范围内的构造应力得到释放。巷道围岩主要承受重应力场的作用，在巷道两帮形成支承压，两帮出现压缩破坏两帮的破坏随着支承压力向深部转移而逐渐发展,直到支承压力达到稳定后两帮围岩才趋于稳定。深
8、部巷道地应力增加导致围岩岩性恶化、围岩塑性区和破碎区范围大，尤其煤巷两帮的煤层强度小，在采动支承应力作用下塑性区和破碎区更大、两帮相对移近剧烈，降低了两帮对顶板的支护。高应力通过两帮传递到底板，因施工困难。巷道底板一般不支护或支护强度较小，因此，深部巷道底鼓严重。深部煤层巷道在两帮相对移近过程中，作用于顶板和底板，导致顶板下沉和底板鼓起。两帮相对移近与底鼓相互作用，即两帮相对移近促进底鼓，底鼓又加剧两帮移近，与浅部巷道支护显著的差别。深部巷道不仅要加强顶板支护，也要重视控制两帮相对移近和底鼓。4深部岩石的变形性质4.1深部岩体的脆延转化岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性，在较低围压下表现为脆
9、性的岩石可以在高围压下转化为延性。自Von. Karman(1911年)首先用大理岩进行不同围压条件下的力学试验以来，人们针对围压对岩石力学性质的影响进行了大量试验研究。有学者曾经在室温下对大理岩进行了试验，证明了随着压力增大岩石变形行为由脆性向延性转变的特性。后来又发表过类似的试验结果，并指出脆延转化通常与岩石强度有关。但对于诸如花岗岩和大理岩这类岩石，在室温下即使围压达到1000MPa甚至以上时，仍表现为脆性。而有的现场观测资料表明，像花岗闪长岩这种极坚硬的岩石在长期地质力作用下也会发生很大延性变形。岩石破坏时在不同的围压水平上表现出不同的应变值，当岩石发生脆性破坏时，通常不伴有或仅伴有少
10、量的永久变形或塑性变形，当岩石呈延性破坏时，其永久应变通常较大，因此，人们一般用岩石破坏时的应变值作为脆延转化判别标准。国际学者根据亚洲、欧洲、美洲和非洲的101个砂岩试件的试验数据，对岩石的脆延转化规律进行了深入研究，系统分析了脆延转化临界条件，并研究了脆延转化过程中的过渡态性质，认为过渡态中，通常具有脆性破坏的特征，也具有延性变形的性质。岩石脆延转化临界条件的诸多成果还来自于地壳岩石圈动力学中，普遍认为，随着深度的增加当岩层中压力和温度达到一定条件时，岩石即发生脆延转化，所以存在转化深度的概念，当然该深度还与岩石性质有关。当摩擦强度与蠕变强度相等时岩石即进入延性变形状态。总之，脆延转化是岩
11、石在高温和高压作用下表现出的一种特殊的变形性质，如果说浅部低围压下岩石破坏仅伴有少量甚至完全没有永久变形的话，则深部高围压条件下岩石的破坏往往伴随有较大的塑性变形，目前的研究大多集中在脆延转化的判断标准上，而对于脆延转化的机理却研究较少，目前还没有比较成熟的成果。4.2深部岩石的流变特性在深部高应力环境中，岩石具有强时间效应，表现为明显的流变或蠕变。在研究核废料处置时，研究了核废料储存库围岩的长期稳定性和时间效应问题。一般认为，优质硬岩不会产生较大的流变，但南非深部开采实践表明，深部环境下硬岩同样会产生明显的时间效应。对于软岩巷道，有学者提出了一个非常简单的参数岩体的承载因子(即岩体强度和地应
12、力的比值)来衡量巷道围岩的流变性。通过对大量日本的软岩巷道调查后发现，发生明显流变的巷道围岩承载因子都小于2。该结论是针对典型软岩如泥岩、凝灰岩、页岩和粉砂岩等得出的，且埋深都小于400 m，该准则是否适用于深部硬岩目前尚无定论。外国学者系统地研究了南非金矿深部硬岩的流变性，发现高应力导致围岩流变性十分明显，支护极其困难，巷道最大收缩率曾达到了500mm/月的水平。岩石在高应力和其他不利因素的共同作用下，其蠕变更为显著，这种情况在核废料处置中十分普遍。例如，即使质地非常坚硬的花岗岩，在长时微破裂效应和地下水力诱致应力腐蚀(water inducedstress corrosion)的双重不利因
13、素作用下，同样会对存贮库近场区域的岩石强度产生很大的削弱作用。蠕变的发生还与岩体中微破裂导致的岩石剥离有关，根据瑞典 Forsmark 核废料候选场址的观测记录以及长时蠕变准则的推测，预计该硐库围岩经历1000a后，岩石剥落波及的深度将达到3m。4.3深部岩石的扩容性质在单轴压缩试验中可以观测到岩石破裂前出现体积增大现象。不过，随着围压的增大，扩容的数值会降低。在低围压下，岩石往往会在低于峰值强度时由于内部微裂纹张开而产生扩容现象，但在高围压下，岩石的这种扩容现象不明显甚至完全消失。5 深部巷道围岩控制原理围岩强度、围岩应力和支护技术是决定巷道稳定性的3大因素,所以应从这3个方面来考虑,实现深
14、部巷道围岩稳定。5.1提高围岩强度1）锚杆支护强化围岩强度破碎围岩中锚杆支护的作用在于提高围岩强度,随锚杆支护强度提高,锚固体极限强度、残余强度增大,残余强度增大更为显著,因此采用高强锚杆支护可显著提高围岩的承载能力。研究表明,在一定范围内支护阻力与围岩变形量呈负指数关系,提高支护阻力可大大减少围岩变形量,有利于巷道围岩稳定。2）围岩注浆由于深部巷道围岩比较破碎,采用围岩注浆加固可明显改善围岩力学参数,充填裂隙,提高岩体强度和锚杆锚固力,并且可以封闭水源、隔绝空气,保护围岩免受风化。注浆材料可选用化学类、水泥类、高水速凝材料等。注浆对象主要是软弱、破碎围岩。3）加固帮、角关键部位目前我国巷道支
15、护重视顶板、忽视两帮和底板,顶板锚杆支护强度较大、两帮支护强度较小、底板一般不支护,造成深部巷道两帮及底角破碎区、塑性区很大,大范围的破碎区围岩发生碎涨变形,两帮变形和底鼓十分严重。通过对两帮及底角加强支护、注浆加固,提高两帮及底角破碎区围岩的残余强度和锚杆锚固力,可有效阻止破碎区围岩的碎涨变形,对深部围岩起到支护作用,而且两帮有效支撑顶板,阻止顶板下沉,保持围岩稳定,因此,控制两帮下沉和底角破坏是深部巷道支护的关键。5.2减小巷道围岩应力合理布置巷道,从时间、空间减少采动支承应力对巷道作用的强度和次数,减小围岩应力、减小采动支承应力对巷道围岩破坏;合理设计煤柱尺寸,既要保持煤柱稳定,又要使巷
16、道受到的集中应力尽可能小,将巷道布置在应力降低区内。对于深部巷道来说,采取应力转移、减小浅部围岩应力是减小巷道围岩变形量、保持巷道良好维护状态的重要技术途径。5.3采用合理的锚杆支护技术1）高强度、大延伸量锚杆支护阻止深部回采巷道围岩发生较大变形既不经济也不合理。高强度锚杆支护可提供较大的支护阻力,控制围岩塑性区及破碎区发展、降低塑性区流变速度,提高支护阻力可以大大减小围岩变形;大延伸量锚杆支护允许围岩有一定变形,降低围岩应力、减少锚杆载荷,防止锚杆破断,改善巷道维护状况。2）增大锚杆预紧力增大锚杆预紧力显著减小深部巷道围岩强度弱化、减小围岩塑性区及破碎区的范围,提高深部巷道稳定性。3）改善锚索性能目前煤矿锚索使
