1、专题部分深部骑跨大巷变形破坏机理及控制技术研究摘要：以垞城煤矿-750大巷为试验巷道，综合运用理论分析、数值模拟、实验室试验、现场工业性试验等方法，研究了深部骑跨大巷变形破坏的机理，进而寻求研究一种有效的骑跨采高应力软岩巷道支护技术。关键词：骑跨大巷变形，矿压显现特征，支承压力分布，顶板控制，锚杆支护1 概述1.1研究目的由于历史原因，垞城深部采区的开拓系统大部分将受到骑跨采的动压影响，再加上断层多，顶板砂岩遇水软化，所以相当一部分巷道处在高应力软岩中。如果采取不适当的维护措施，巷道围岩变形愈加剧烈，支护也会愈加困难，最终将导致巷道失稳破坏；进而破坏全矿的运输系统、通风系统、行人系统以及管路系
2、统，严重威胁全矿的正常生产和人员安全。为此寻求研究一种有效的骑跨采高应力软岩巷道支护技术，是彻底改变垞城煤矿安全被动局面的一个重要手段。1.2国内外研究现状和发展趋势目前，煤矿井下高应力区、软岩条件、采动影响下巷道支护方式、支护参数的确定是一个世界性难题，尤其是开掘在既是高应力区又是软岩中的巷道支护难度更大，国内外都对此进行了大量的研究工作，取得了一定的研究成果，为高应力、软岩等复杂条件下的巷道支护提供了比较可靠的安全保证。现在国内外普遍采用加大支护密度，锚架联合支护、卸压等方式来增加支护强度，力求减少巷道使用过程中的破坏变形量，但效果不是很理想，在巷道服务年限内仍需要翻修多次。近年来随着锚网
3、索支护技术的推广，由于锚网索支护方式在支护强度上有了很大的提高，支护效果显著改善，但仍未彻底解决问题。其支护成本高、施工速度慢，巷道表面变形破坏不可避免，尤其在软岩中仍存在安全威胁。采用注浆材料和注浆锚杆支护方式加固巷道围岩，增加围岩自身承载能力，在支护理论上是先进的，在材料、设备供应、施工工艺上已有成功的先例。结合垞城煤矿的具体条件，可进一步引进试用，研究几种支护加固方式，摸索出适合垞城煤矿的巷道支护技术和方式，很有必要。1.3研究内容与技术路线1.3.1研究内容以垞城煤矿-750大巷为试验巷道进行支护技术的研究，主要内容包括：（1）理论分析研究，包括：深井骑跨采巷道变形规律、巷道底鼓机理及
4、防治对策、深井动压巷道的锚固机理与支护技术；（2）骑跨巷道变形与破坏规律与支护方案的数值模拟与相似模拟实验研究， （3）提出受骑跨采影响的-750m南大巷加固支护对策。1.4试验研究区域概况试验地点选择750大巷。750大巷是垞城煤矿煤炭运输的主要巷道，巷道处于八煤底板中，底板岩性主要为海相泥岩及砂质泥岩，巷道受上方22107综采工作面动压以及断层等综合因素的影响，巷道变形破坏严重，顶底板两帮移近量较大，局部甚至发生冒顶。2 深部骑跨采大巷围岩破坏失稳机理2.1浸水软化机理与风化效应2.1.1浸水软化机理为分析水理作用下岩石物理力学性质的变化及其对巷道维护的影响，对具有代表意义的粉砂岩和泥岩进
5、行了关于岩石物理力学性质、水理性质、物质组成成分及内部结构等方面的测试分析工作，从中得出了一些非常有意义的结论。（1）浸水宏观裂隙和宏观物理力学性质的变化浸水后，宏观裂隙显著增生与扩张的结果，直接导致岩石的各主要物理力学参数指标的急剧恶化，如表2.1所列。表2.1 岩石主要物理力学参数及其变化实 验条 件物理性质力学性质水理性质体积力/ MPa孔隙度/ %抗压/MPa抗拉/MPac/MPa/(o)膨胀压力/MPa膨胀力/MPa天然泥岩2.525.113.71.412.3326岩石浸水泥岩饱和2.554.62.60.3833.2砂岩饱和2.556.510.30.2124.4天然砂岩2.475.9
6、28.23.217.1734备 注岩石失水再浸水后，岩样完全碎化，未再进行参数测量（2）浸水后软岩物质成分与微结构的变化岩石浸水后，宏观裂隙及及物理力学参数的变化，实际上是同岩石在水的作用下，组成岩石的物质成分及内部结构的变化紧密相关的。为进一步分析岩石浸水的崩解软化机理，利用扫描电子显微镜、930型微孔结构分析仪等先进的仪器和设备，通过X射线衍射分析等方法和手段，系统地对组成岩石的物质成分及内部结构等进行测试与分析。通过岩石的X射线衍射图谱分析（Cu靶，K辐射，石墨弯晶单色器，X射线管电压35kW，X射线管电流30mA）,组成泥岩的物质成分以黏土矿物为主（含84%-92%），其余为石英钾长石
7、等。黏土矿物中高岭石占31%，伊利石/蒙脱石混层（以下简称伊/蒙混层）占66%；组成粉砂岩的物质成分以石英为主（含52%）、胶结成分为黏土矿物（含37%）及钾长石等其他矿物。在泥质胶结物中高岭石占34%，伊/蒙混层占64%，并含有少量的菱铁矿物成分。由于钾长石与水作用、或钾长石与溶有CO2的水作用形成高岭石，使原样中的钾长石在水的作用下崩解而消失，并相应地提高了岩样中的高岭石含量，如图2.1示。 3 20 40 60 70 由于高岭石、伊/蒙混层等黏土矿物颗粒较小，亲水性很强，当水灌入岩石的孔隙、裂隙中时，细小岩粒的吸附水膜便会增厚，岩石体积将膨胀。由于这种体胀是不均匀的，使得岩石内产生不均匀
8、的应力，部分胶结物会被稀释、软化或溶解，于是导致岩石颗粒的碎裂解体。如伊利石吸水膨胀、可使原来的体积增加50%-100%左右，其化学反应过程为：K0.9Al2.9Si3.1O10(OH)2+nH2OK0.9Al2.9Si3.1O10(OH)2nH2O表2.2 孔隙测试结果一览表岩 石状 态视密度/gcm-3体积力/kNm-3空隙度/%孔隙体积/cm3g-1孔隙表面积/m2g-1砂 岩天 然2.626524.725.90.02412.4714水 解2.721025.4526.50.02543.2454泥 岩天 然2.655925.2135.10.02042.8559水 解2.671025.494
9、4.60.01793.4236备 注图2.2 岩石孔隙中各种孔径的百分比图A-砂岩;B-泥岩;1-天然岩样;2-水理作用岩样伴随着软岩在水的作用下组成岩石的矿物成分、化学成分的变化，和岩石的孔隙、裂隙有关的物理力学参数也在相应的发生变化。表2.2是在9310型微孔结构分析仪上，测出的有关岩石孔隙方面的数据参量，而图2.2则是孔隙中各种孔径的孔隙所占的百分比情况。分析表2.2中的数据和图2.2中的孔隙百分比曲线我们可以看出：组成岩石的矿物成分不同，岩石浸水的崩解软化机理也不尽相同。以石英为主要成分，黏土矿物为胶结成分的粉砂岩类软岩，水理作用下，岩石的孔隙体积和孔隙表面积分别增加了11.3cm3/
10、g和0.774m2/g，且微孔中大孔径孔隙所占的比例相应增加，岩石的宏观孔隙度增加了0.6%岩石的致密程度下降，岩石崩解碎化是造成这类岩石强度降低，浸水软化的主要因素之一。同粉砂岩类软岩浸水后、孔隙度、孔隙体积、孔隙面积和大孔径孔隙所占的比例普遍增加的崩解软化机理有所不同，以黏土矿物为主要矿物组成成分的泥岩类软岩，在水的作用下，岩石的孔径体积和孔径度分别减少了2.5和0.5,岩石的孔隙表面积增加了0.5667m2/g，这可以解释为：泥岩浸水后，岩石内部增生了大量的微孔隙，在这些微孔隙中，一些孔隙小到测试仪器无法测出其体积，而只能测量出表面积（如一些微开裂面）；这些微孔隙的出现破坏了天然岩样的内
11、部结构，原来的一些大孔径孔隙被泥化物所充填，反而减少了孔隙度和孔隙体积，增加了小孔径孔隙所占的比例，泥化是导致该类岩石强度降低、崩解软化的主要机制。浸水的崩解软化特征，对煤矿井下巷道的维护直接产生不利的作用和影响。巷道掘出后暴露出来的软弱围岩，短期内（几天到几十天，最短的甚至几小时）就在表面形成像地面河塘泥一样的泥化层和碎砂层，体积膨胀，挤入巷道自由空间。并且在小断层比较密集、巷道淋水比较严重的地段，巷道的挤压变形破坏明显地高于围岩比较干燥的地段。2.1.2风化效应风化作用对岩石的物理性质的影响已逐步引起人们的重视。在水利电力等岩土工程领域里，风化程度已成为评定岩石类别所必须考虑的4个主要因素
12、之一，但在煤炭系统，人们对岩石风化，特别是岩石风化引起的围岩强度对巷道维护等方面的影响还缺乏足够的重视。许多情况下，把岩石风化引起的强度降低同岩石浸水的软化效应混淆在一起，在确定围岩类别、设计巷道支护等方面的影响确是现实存在的。(1)岩石风化的微观效应将从井下取出的新鲜岩样放置在大气中进行自然风化。一方面用肉眼和普通照相机观察和记录岩石宏观裂隙的发展变化情况，一方面用扫描电子显微镜等观测仪器，观测岩石内部微孔隙、微结构等的变化规律。测试结果表明：软岩的种类不同，软岩风化的难易程度也不相同。透水性较好的粉砂岩，透气性也相对较好。岩样表面和内部的风化程度比较接近，岩石内外的风化程度比较均匀；而透水
13、性较差的泥岩，透气性也较差，岩样表面和内部的风化程度往往表现出较大差异。因此不能简单地用风化时间的长短来作为衡量岩石风化程度的量化依据。为便于确切地表达岩石的风化程度，便于对不同种类岩石的风化性能进行比较，参照描述岩石浸水软化方式，以岩石吸水饱和时的物理力学参数来为量化依据的描述方式，这里，以风化岩样的含水率同自然新鲜岩样含水量的百分比为衡量岩石风化情况的量化标准，来讨论不同风化程度下岩石微观和宏观两方面的变化规律。表2.3中的数据是在93110型微孔结构分析仪和普通万能试验机上测出的，当风化岩石的含水率下降到新鲜岩样含水率的15%左右（出现肉眼可见宏观裂隙时）的岩石微孔隙及强度方面的相关数据
14、，而图2.3则是孔隙中各种孔径的孔隙所占的百分比情况。表2.3 风化软岩的主要物性参数岩石状 态Pky/MPaRkx/%vkx/cm3g-1As/m2g-1砂岩天 然28.02.47205.90.02412.4714风 化9.592.324712.50.05362.9955泥岩天 然13.702.52135.10.02042.8559风 化3.152.53635.60.02224.8552图 2.3 软岩风化前后不同孔径的孔隙率变化图A-砂岩;B-泥岩;1-天然岩样;2-风化岩样分析表2.3中的数据及图2.3所示的不同孔径的孔隙所占的百分比曲线，我们可以看出：无论是黏土质胶结的粉砂岩还是泥岩，风化作用的结果是普遍增加了岩石的微孔体积和孔隙表面积。特别是增大了大孔径孔隙在总孔隙中所占的比例；所不同的是，砂岩主要增加的是孔隙体积，而泥岩增加的主要是孔隙表面积。表明砂岩增加的多是通道状孔隙，而泥岩增加的则多是面状孔隙。这同扫描电镜下所反映出的岩石微结构的变化完全一致。(2)风化的宏观效应对巷道维护的影响随着岩石风化程度的增加，微孔隙体积和孔隙表面积、
