1、专题部分浅谈深部巷道变形机理及支护技术摘 要：随着浅部资源储量的日益减少，国内外许多矿山进入深部开采，南非、印度金矿最深开采深度超过4000 m，俄罗斯金属矿最深开采深度超过2000m，我国煤矿开采深度以每年812 m的速度增加，徐州、平顶山、开滦、新汶等矿区部分煤矿开采深度已经超1000m。在深部高应力环境中，在浅部表现为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性，巷道围岩长期变形不止。目前，深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一，深部软岩巷道稳定问题已成为国内外研究的热点。深井高应力软岩巷道支护一直是国内外地下工程支护的难题之一。关键词：软岩；支护；深部开采，矿山压力；支撑压力Abstruct:
2、With the shallow part resources reserves reducing increasingly. many home and abroad mine have get in the period of the deep.The mining depth of GOLD DEPOSIT in South Africa and India are more than 4000m.Mine,metal minging of Russian Metal Matrix Composites are more than 2000m.The minging depth of C
3、oal Mines in China increase in the speed of 8m12m every year every .Part mines are more than 1000m in Xuzhou pingdingshan kailuan xinwen coal mining area. During the testing of various gamma backscatter sensors, it was observed that in many coal seams, the neighboring rock emits a “natural” gamma ra
4、diation 12. It has been shown that this gamma background results from the presence of traces of various radioactive isotopes in the rock. The background is generally high in shale, lower in sandstone, almost absent in limestone, and virtually undetectable in coal. Radiation from the roof rock is att
5、enuated by any coal left in place, according to the well-known exponential attenuation equation Keywords: soft rock; supporting;deep mining; ground pressure; Abutment pressure0引 言随着开采深度的增加，地质环境更加复杂，导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加、作业环境恶化、生产成本急剧加大，对深部资源开采过程中的工程支护提出了严峻的挑战。深部与浅部的明显区别在于深部岩石所处的特殊环境，即深部岩石的“三高”环境:高地应力、高
6、地温、高岩溶水压。正是由于“三高”环境，使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程相应均发生根本性变化，这也是导致深部开采中灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所在。特别是超千米埋深高应力极不稳定软岩巷道，如果不采取适当的维护措施，巷道围岩变形将会更加剧烈，最终将导致巷道失稳破坏;破坏后的巷道围岩将更加破碎，再生裂隙更加发育，巷道掘进与支护也变得更加困难。目前我国煤矿开采深度以812 ma-1的速度增加，预计在未来20年我国很多煤矿将进入10001500 m的深度。我国已探明的煤炭储量中，埋藏在1000 m以下的为2.95万亿t，占煤炭资源总量的53 %。我国现有煤矿的巷道总量有300万m，深井
7、高应力软岩巷道长达180万m。目前的支护方式，巷道服务期间，需多次翻修，每米巷道每年的修复费需要2000元左右，因此，深井高应力软岩巷道每年的修复费用要高达36亿元。所以对深井高应力软岩巷道破坏机制、支护理论与技术进行研究，对我国煤矿安全高效生产具有重要的理论意义与应用价值。随着时代的发展、科学的进步及其不断的开采实践和理论研究，围岩工程控制理沦取得了长足的发展，支护形式也随之发生了重大的变化。支护理念由被动转为主动，巷道的支护己由传统的棚式支护向锚杆支护转化。在地下工程领域，锚杆支护得到推广和普及。可以说，锚杆支护是可以充分利用围岩自承载能力的一种主动的支护形式，在各种地下工程中得到了大力的
8、推广和使用。长期以来 , 国内外众多学者就深井巷道围岩变形破坏机理进行了大量的研究工作, 结果表明 ,巷道围岩在浅部较低应力作用下表现为硬岩的变形特性 , 而在深部高应力环境中则可能表现为软岩的变形特性。巷道围岩变形呈现软岩特征 , 主要开拓及采准巷道支护困难 , 原有的支护技术与措施失效 , 巷道返修率高 , 巷道支护后存在经常性冒顶、片帮、底臌等现象,需要多次维护与加固,维护工作量大,支护成本高 , 施工作业不安全,严重影响了矿井的正常生产.在深部高应力环境中，在浅部表现为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性，巷道围岩长期变形不止。目前，深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一，深部软岩巷道
9、稳定问题已成为国内外研究的热点。1 软岩及巷道支护原理1.1 软岩的认识1.1.1 软岩的概念长期以来岩石力学与工程界仍未就软岩的概念达成共识,文献认为,在高地应力区经常遇到一类特殊岩体 ,当其处于地表浅部或低地应力条件下 ,岩体显示出较坚硬的特征;处于高地应力环境时 ,当围压较低时 ,岩体尚具有较高的强度和弹性模量,当围压较高时 ,岩体表现出“软岩”特征。显然 ,它有别于一般意义上的软岩,是一种特殊的、 在高应力环境下的工程软岩体 ,称这类软岩为高应力软岩。1.1.2 高应力软岩形成条件通过分析 ,高应力软岩形成的条件为:（1） 除少量岩石为较软弱岩石外 ,组成高应力软岩的大多数岩石均为较坚
10、硬的岩石 ,单轴饱和抗压强度R 25 MPa。（2） 岩体破碎 ,强度和弹性模量相对较低 ,流变性强。因为高地应力环境使开挖前的岩处于高围压环境 ,岩体结构面处于闭合状态 ,是稳定的 ,且有一定的强度和模量;开挖后围岩处于低围压环境 ,结构面不闭合 ,岩体强度和模量较低。（3） 埋深大、 水平应力大于自重应力。从目前全国煤矿开采深度来看 ,由自重产生的应力不足以使岩体达到高应力状态 ,只有在埋深很大且水平构造应力存在并大于自重应力条件下 ,才能使岩体达到高应力状态。1.1.3 高应力软岩巷道变形特征高应力软岩一旦形成 ,在这些软岩体中掘进的巷道和硐室显示出来的变形特征与硬岩 巷道的截然不同 ,
11、具体表现为:（1） 围岩变形量大。高应力软岩自身特征决定了该区域的巷道变形量大的特点,其中巷道的水平收敛量要比拱顶下沉量要大得多。一般为数厘米至数十厘米,表现形式有两帮内移、 尖顶和底鼓。（2） 初期变形速率大。由于水平构造压应力大于垂直应力,巷道在掘进时卸载迅速,来压快,表现为巷道的初期变形速率大。 （3） 巷道变形具有时效性。巷道围岩具有显著的流变性,表现为明显的时效性。当岩体流变所产生的围岩变形过大,使得巷道支护体无法适应而失效,围岩再次恶化并剧烈变形。1.1.4 软岩的力学属性软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的力学特性。显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点。软岩在工
12、程力的作用下，往往产生不可逆变形。这种性质，称为可塑性。膨胀性软岩的可塑性是由于软岩受力后片架状结构的泥质矿物发生滑移或泥质矿物亲水性引起的。节理化软岩是由于结构面滑动和扩容引起的，高应力软岩大多是上述两种原因共同引起的。软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象，其膨胀机理有:内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下，产生片状解体。膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合体在水作用下，膨胀应力不均匀造成的崩裂。节理化软岩的崩解则是在工程力的作用下，由于裂隙发育不均匀造成局部张力引起的崩裂。高应力
13、软岩则有可能多种崩解机制同时存在。软岩的流变性是指软岩受力变形过程中与时间有关，包括塑性流动，粘性流动，结构面闭合和滑移变形。膨胀性软岩主要是泥质矿物发生粘性流动，在工程力作用下，达到一定极限后，开始塑性变形;节理化软岩流变性主要指结构面的扩容和滑移;高应力软岩流变性多为诸形式的不同组合。岩石变形在应力状态不变的情况下不断增长，处于蠕变状态;或在约束变形条件下，软岩的强度随时间变化而降低。软岩的易扰动性指由于软岩软弱裂隙发育，吸水膨胀等特性，导致软岩抗外部环境扰动的能力极差。对卸荷松动、施工震动等极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。1.1.5 软岩的临界载荷随着应力水平的提高，特别
14、是围压的增大，岩石产生的塑性变形明显增加，使得在低应力水平下表现为硬岩特性的岩石，在提高了应力水平下显示出显著的塑性变形。对于给定的工程围岩，均由弹性变形为主的工程状态向以塑性变形为主的工程状态转化的临界点，我们称之为软化突变点，而与之相对应的应力水平称为软化临界荷载。岩石种类一定，其软化临界荷载也是客观存在的。围岩所处的地应力场的应力水平是否超过软化临界荷载是判断围岩是否为软岩的标准，当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时，则该岩石属于硬岩范畴;而只有当荷载水平高于软化临界荷载时，该岩石表现出了软岩的大变形特性，此时该岩石称之为软岩。1.2 软岩巷道支护原理根据目前所掌握的有关软岩力学属性、
15、变形力学机制 ,以及现场所观察到巷道大变形、大地压、难支护的特点 ,文献认为软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制 ,而是同时具有多种变形力学机制的复合变形力学机制。对于硬岩巷道的支护不允许围岩进入塑性状态 ,否则将丧失承载能力。软岩巷道开挖后 ,其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来 ,同时 ,处于塑性状态后其围岩仍具有一定的承载能力。假设巷道开挖后使围岩向临空区运动各种力的合力,如图 1所示。图1-1 PT 合力示意图软岩巷道支护原理可表示为PT=PD+PR+PS其中: PT表示巷道开挖后使围岩向临空区运动的合力(包括重力、 水作用力、 膨胀力、 构造应力和工程偏应力等 ); PD表示以变形
16、的形式转化的工程力 (可以包括:弹塑性转化、粘弹塑性转化、膨胀力的转化 ); PR表示围岩自撑力; PS表示工程支护力。巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力 PT并不是纯粹由工程支护力PS全部承担,而是由PD、PR和PS 3个部分共同分担。因为软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免 ,而且其巨大的塑性能必须释放出来 ,所以软岩支护设计时必须提供足够的变形能释放时间和释放空间。（4） 最佳支护时间和最佳支护时段岩石力学理论和工程实际表明 ,巷道开挖以后 ,巷道围岩变形逐渐增加。如果以变形速度区分 ,可以划分为3个变形阶段:减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时 ,围岩本身结构产生新的裂纹 ,强度就大大降低。这样 ,在加速变形阶段有PDMAX,PD但是却大大降低了PR,这不满足优化原则。解决这个
