1、 深部围岩变形机理及控制技术研究摘 要：我国国有大中型煤矿开采深度每年约以812 m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，深部软岩的大变形、大地压、难支护等非线性软岩力学特性表现显著，深部软岩巷道支护问题日益突出。在围岩压力已定的条件下，仅有改变巷道围岩性质，研究合理最佳支护方式，才能解决深部巷道的支护问题的结论。工程实践表明：锚注联合支护技术既保持了深部软岩巷道的长期稳定，又节约了支护成本，取得较好的支护效果，具有较大的推广应用价值。关键词 深部 软岩巷道 变形机理 锚注支护 0 引言 煤炭作为自然赋予人类的主要化石能源资
2、源 ，长期以来支撑着人类社会的进步和发展。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，煤矿的开采深度不断增加，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态。随着开采深度的加大，我国大部分煤矿都出现了不同程度的软岩灾害，常导致矿井停产、停建等事故。煤矿深部软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一 。有关统计表明，巷道掘进速度约为6000 kma，其中深部软岩巷道占年巷道总量的2830，软岩巷道的返修率高达70以上，尤其是深部软岩巷道破坏更加严重。随着开采深度增加，深部岩体处于“三高一扰动”的复杂力学环境 (“三高”指高地应力、高地温、高岩溶水压；“一扰”指采矿扰动)，使深部岩体的
3、结构特征和力学行为更加复杂，浅部开采中表现为硬岩特性的岩体进入深部开采后相继表现出大变形、大地压、难支护等非线性软岩力学特性；并产生了一系列的工程响应，如 ：矿井冲击地压，煤与瓦斯突出，工作面突水矿压显现加剧、巷道围岩大变形、流变等，随着开采深度的增加，矿山井巷工程及采场的地应力水平也越来越高，特别是在构造活动强烈地区，残余构造应力更大，水平地压往往大于垂直地压，形成高水平地应力，这些都增加了软岩巷道地压显现及巷道围岩破坏的剧烈程度，使软岩巷道支护更加困难。 软岩巷道支护仍是当今世界地下工程中一项重要而复杂的技术问题，深部软岩巷道支护是一个重要的研究方向，它是老矿井向纵深发展的关键性技术之一。
4、近年来，我国大部分矿井己进入深部开采，许多专家、学者为此进行了大量的理论研究和工程实践取得了一些成果，但深部软岩巷道支护依然面临新的难题与挑战，研究深部软岩巷道支护理论和技术已势在必行。就问题的实质而言，深部与浅部的主要区别在于围岩所处的应力环境的差别，进而导致围岩强度和变形性质的明显差异。就煤矿而言，在浅部十分普通的岩石，在深部可能表现出软岩的特征易变形并具一定延性、蠕变性强，当岩石中含有蒙托石等粘土矿物时遇水还会发生膨胀。另外，浅部原岩大多处于弹性状态，而深部原岩处于潜塑性甚至塑性状态，巷道开挖后，由于巷道自由面一侧应力减为零，围岩由开挖前的三向应力状态调整为二向应力状态，如不及时有效地支
5、护，表面围岩受到的压剪应力超过围岩强度，围岩很快由表及里发生大变形破裂碎裂整体失稳。 1 开采深度与巷道围岩的变形关系（深部） 开采深度对巷道围岩的影响十分复杂，除与巷道的围岩性质密切相关外，如受采动影响的巷道，则与护巷方式和周围采动状况等也有密切关系。根据我国的研究成果，可得开采深度与巷道维护之间的一般关系如下： （1）岩体的原岩应力即上覆岩层重量，是在岩体内掘巷时巷道围岩出现应力集中和周边位移的基本原因。因此，随开采深度增加，必然会引起巷道围岩变形和维护费的显著增长。（2）巷道的围岩变形量或维护费用随采深的增加近似的呈线性关系关系增长。 （3）巷道围岩变形和维护费用随开采深度的增长的幅度，
6、与巷道围岩性质有密切关系，围岩愈松软，巷道变形随采深增长愈快，反之，围岩愈稳定，巷道变形随采深增长愈慢。（4）巷道围岩变形和维护费用的增长率还与巷道所处位置及护巷方式有关，开采深度对卸压内的巷道影响最小，对位于煤体内巷道及位于煤体-煤柱内巷道的影响次之，对两侧均已采空的巷道影响最大。2 深部巷道围岩稳定的理论基础2.1.1 围岩稳定基础理论 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。 深部围岩巷道由于受三高(高温、高围压、高孔隙压力)的影响而产生与浅部围岩巷道所没有的大变形、强蠕变等特征。如：巷道变形量显著增大和变形速度加快、巷道维护异常困难、 支架损坏特别严重，巷
7、道翻修量急剧增加。虽然深部岩体本身强度较高， 但由于井巷在大地应力的作用下极易发生类似软岩的问题。围岩松动圈大于1.5 m时，即可认为该巷道需要按软岩支护要求进行设计和施工。岩体单元体所在位置及应力状态示意图见图1。,图 1 岩体单元体所在位置及应力状态示意图单元体上的垂直应力等于上覆岩层的重量： 式中:-上覆岩层的平均体积力， ； H-单元体距地表深度，m。 在均匀岩体中， 岩体的自重应力状态为： , ,式中 ： -侧压系数； -主应力。 式中： - 岩体的泊松比。2.1.2，结合东海矿，分析深部巷道围岩变形机理东海煤矿位于鸡西煤田北部条带东端，基底是元古界麻山群，含煤地层为中生界上侏罗统鸡
8、西群，包括滴道组、城子河组和穆棱组，地层总厚度1250 m。东海煤矿采用斜井多水平开拓方式，年生产能力150万t。目前开采二水平下山阶段，其中二水平下山32、35层五采区四段开采深度已经达到 1050 m。该矿从二水平上山阶段开始出现巷道支护困难，维修量大。随着开采深度的增加，巷道围岩变形更加严重，维修更加困难，严重影响正常生产，属于典型的深部开采矿井。1.巷道破坏主要形式东海煤矿二水平下山32、35层五采区巷道破坏主要形式为 ： （1）巷道顶板层状破碎岩石层理发育，巷道顶底板粉砂岩中夹杂多层页岩。在浅部压力不大时，表现为整体岩层，但在高应力作用下明显分层。巷道顶板岩层沿弱面分层后强度非常低，
9、巷道掘进后顶板破碎严重，维护工程量大。由于开采深度达到1000 m以上，巷道围岩压力大，两帮向巷道内移动，使顶板岩层挤压破坏。顶板岩层出现挤压脱落破坏，大部分锚杆出现脱落失效。经过多次维修，一般半年时问需要维护一次，甚至有些巷道顶板岩层出现明显的折曲形状，最大冒落高度达到5 m以上。（2）巷道两帮围岩向巷道内挤出由于巷道围岩压力大，巷道两帮严重向巷道内部挤出。两帮岩体在高应力作用下，沿与层理垂直方向发生与巷道走向成一定角度(角度不大)的分层断裂，裂隙间距大，最大裂隙达 到300 mm以上。围岩松动范围大，部分断面围岩松动破坏范围达到3.0 m。在维修过程中，甚至出现夹钎子，锚杆锚索无初锚力的现
10、象 (围岩裂隙多，锚杆药卷锚固时大部分进入裂隙中，锚杆无初锚力)。（3）巷道底臌巷道普遍出现底臌现象，多次进行卧底维修。其中，35层五采区变电所采用料石砌碹支护，巷道最大底鼓量达到l m以上，碹胎破裂严重。该变电所维修困难，被迫报废，重新开掘变电所。（4）巷道支护失效东海煤矿开采深度达到1050 m，二水平下山五采区巷道一般全部出现破坏现象。巷道原始支护失效 ，主要体现在喷浆层、砌碹层破碎脱落；管缝式锚杆失效，端头锚固式螺纹钢锚杆锚索托盘范围内破碎、脱落，导致锚杆、锚索失效；局部锚杆、锚索被拉断。由于巷道围岩层状破坏，导致岩体本身强度大大降低。巷道围岩中存在大量裂隙，锚、注艰难。新掘巷道锚杆、
11、锚索支护困难且易失效。2.东海煤矿围岩变形破坏影响因素 （1）岩石性质的因素岩性是影响围岩稳定性的最基本因素。东海煤矿五采区巷道围岩，经过实验室试验主要表现为脆性岩石，同时围岩软硬岩层存在互层，大大降低了围岩强度。顶板受两帮挤压力影响出现破碎脱落破坏 ，两帮出现劈裂破坏。巷道围岩破坏时，表现出脆性一延性性质，围岩变形时间长，巷道变形时间长达几年还不稳定。由于东海煤矿五采区石门存在硬软层互层，特别是采区下山巷道有煤与页岩等互层，岩石试件的抗压强度差别较大，见表1所示。巷道围岩抗压强度。围岩有砂岩、页岩、煤等，存在硬弱岩层互层。硬岩层的岩石式样结果取0.8系数 ，软岩抗压强度值不变，然后按表-1取
12、算术平均，围岩的抗压强度平均为：= 31.782 MPa从上述数据可以看出，东海煤矿五采区下山围岩强度接近工程软岩的强度（2）上覆岩层压力因素随着开采深度的增加，上覆岩层压力也增大。巷道所处地层越深，巷道所受围岩静压就越大，且巷道如果不受其它因素的影响，其四周围岩静压力是均匀的，可按静压力来研究。因此，巷道支护体的破坏，总是在强度最薄弱的地方开始的(如直墙拱顶断面的直墙底角处，喷浆最薄处等)。一旦巷道支护体破坏失效，巷道变形急剧加速。可以看出，要控制巷道的严重失修，必须防止巷道变形的急剧加速。巷道围岩垂直压力 P： P = r H=2.51000= 25 MPa式中：r-岩石容重；H-埋深。
13、岩体的软化临界深度：式中：h-分岩层厚度 。 即东海煤矿开采深度达到630 m时，开始进入深部开采范围，采深达到740 m时，矿井已属于工程软岩矿井范畴。岩体的平均泊松比为：按弹缩性理论计算，巷道侧压系数为：根据sheorey假说，提出巷道侧压力经验公式，巷道侧压系数为：=0.2 5+ 710.91(0.001+ 0.001)= 0.40274式 中：E为变形弹性模量，实验确定平均值为10.91。巷道的侧压力 为：巷道围岩缩性松动范围 R (从巷道帮)。采用上述数据两种计算方法(没有考虑支护阻力)为 ： R =7.88 m( 3 )采动压力因素 东海煤矿二水平五采区下山巷道，一些布置在煤层中，
14、一些布置在岩层中，受回采工作面动压影响比较大，同时下山受两侧工作面的动压影响。在开采过程中，回采工作面前方120 m 就有动压影响。因此，为了维护采区下山的稳定性，原设计下山保护煤柱达到100 m 以上，最大达到130 m。受动压影响的采区下山表现如下：巷道破坏速度快。当巷道支护体承载达到极限时，受采动压力影响，可以在两个月内使巷道无法正常运输甚至行人困难。回采工作面距离下 山1 2 0 m时，下山出现动压反映；巷道破坏严重。巷道受采动压力影响时，巷道的破坏是全断面的，有时很难分清以顶、帮 、底哪部分先破坏 。不过从总体上看，靠采空区一侧巷道的帮部最先破坏；巷道破坏区域相对位于工作面下部。在高
15、应力作用下，岩石在宏观上具有一定的流体特性。（4）断层构造的影响穿过断层的巷道，在开掘时压力大，变形大，难以维护。经卸压后，在一段时间内巷道相对稳定，但一旦支护体破坏后，巷道变形很快，且在断层下盘容易发生局部冒顶。沿断层掘进的巷道，靠断层侧巷帮变形特别严重。如果是锚喷巷道，锚杆往往不受拉力，破开巷道帮后，会发现许多锚杆是弯曲的。由于上述特点 ，断层内或断层附近的巷道 ，应尽量避免采用挂网锚喷支护形式，而采用可缩性金属支架支护。 3. 巷道变形破坏机理分析东海煤矿的巷道破坏形式主要为：巷道顶板在自重的压力下、同时受巷道两帮移动挤压变形一顶板岩石局部屈服变形一节理弱面发生破坏一顶板低位岩层发生弯曲变形(伴有局部岩块脱落)一岩层局部发生剪切破坏一巷道顶板变形破坏。巷道顶板压力大(自重压力25MPa)，使巷道两帮水平压力大(10.011.5MPa)，引起两帮向巷道内挤压，顶板受较大的剪应力而变形破坏。巷道顶板岩层显示为延性破坏，两帮显示为脆性的劈裂破坏为主。巷道底板在两帮的挤压与压力作用下，底臌变形破坏。巷道围岩首先由巷道顶板压力与回采工作面超前压应力引起巷道
