1、专题部分矿井深部巷道围岩变形机理及支护技术研究摘 要：随着矿井开采逐渐向深部发展，在浅部呈现中硬岩变形破坏特征的工程岩体，进入深部后转化为高应力软岩，矿压显现强烈，巷道位移显著增大，支架损坏严重，巷道返修量剧增，巷道维护变得异常困难，深部巷道围岩稳定性控制己成为煤矿开采面临的重大课题之一，引起了世界各国采矿界的高度重视。另外深部高地压导致冲击地压危险加大，瓦斯涌出量增加以及地温升高等一系列新问题，这对深部巷道的支护产生了很大影响，因此深井开采问题是采矿界面临的一个重要课题。关键词：软岩；支护；深部开采，矿山压力；冲击地压引 言随着煤炭工业的发展，地壳浅部煤炭资源不断枯竭，矿井开采深度逐年增加。
2、据有关资料:我国预测煤炭总储量的70%以上埋藏在600m以下，煤炭资源从浅部开始，随着煤炭的采出，开采煤层的埋藏深度必然要增加，开采规模的扩大和机械化水平的提高又加速了生产矿井向深部发展，我国生产矿井1980年的平均深度为288m，而1995年的平均深度为428m，相当于每年以1012m的速度向深部发展。而东部矿井正以每10年100250m的速度发展，预计在未来20年很多煤矿将进入到10001500m的深度。因此，煤矿深部开采是大多数主要采煤国家目前和将来要面临的问题。同时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
3、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。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
4、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，深部软岩巷道稳定问题已成为国内外研究的热点。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
5、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推广和使用。1 概述1.1国内外现状1.1.1 巷道稳定性与采深关系方面原西德和前苏联对深部开采的巷道矿压及其控制的研究较为突出，西德侧重于深井巷道矿压控制实用技术的研究，前苏联侧重于巷道控制理论的研究。前苏联采用H/c (其中c为岩石的单轴抗压强度，为上覆岩层容重)作为指标来评价深井巷道的稳定性，将巷道分为稳定(.025)、中等稳定(0250.4)和不稳定(0.40.65)3
6、类。原西德学者认为:当岩石压力超过一定极限后，巷道掘进时就会产生掘进移近量，开始产生掘进移近量的压力值表达式为: H=3.46。式中为底板岩层强度。从而推出在不受开采影响的岩体中巷道失稳的极限深度表达式为: Hmax=138。国内深井巷道研究起步相对较晚，但也引起了足够的重视，近年来也取得了许多积极的成果。付国彬教授等人对开滦赵各庄(1994年12月生产水平埋深1056m)不受采动影响的巷道围岩松动圈随采深变化的规律进行了实测，得出松动圈范围岩性和采深的相关关系式为Lp=1.3151（P0/c-0.4510）。式中Lp为松动圈厚度，m;P0为原岩垂直应力，MPa; c为单向抗压强度，MPa。杜
7、计平博士用解析的方法分析了岩石的力学特性、采深、开采影响、服务时间和支护对巷道围岩松动碎胀圈半径、巷道围岩及支架变形的影响，得出不同掘进和布置方式的回采巷道围岩变形随采深增加的规律。勾攀峰教授应用弹塑性力学理论建立了巷道围岩系统的势能函数，进而用突变理论方法建立了巷道围岩系统尖点突变模型，从而提出了确定深井巷道临界深度的方法。1.1.2 巷道围岩控制方面（1）理论研究1907年俄国学者普罗托吉雅可诺夫提出普氏冒落拱理论，该理论认为：在松散介质中开挖巷道，其上方会形成一个抛物线形的自然平衡拱，下方冒落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。该理论的最大贡献是提出巷道具有自承能力。20世纪50年代以
8、来，人们开始用弹塑性力学解决巷道支护问题，其中最著名的是Fennerl公式和Kasnte:公式。20世纪60年代，奥地利工程师LVRbaeewicz在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥法N(ATM)，它既不是单纯的施工，也不是单纯的支护方法。它的核心思想是调动围岩的承载能力，促使围岩本身成为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成为坚固的支承环。它的特点是通过许多精密的测量仪器对开挖后的巷道及铜室进行围岩动态监测，并以此指导地下支护结构设计和施工的全过程。此方法自诞生以来，在很多国家得以成功应用。20世纪70年代，M.D.Salmano等人又提出了能量
9、支护理论。该理论认为：支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。同济大学孙均院士、淮南矿院朱效嘉教授、东北大学郑雨天教授等提出的锚喷一大弧板支护理论，通过壁后软性固化充填及接头处可压缩垫板而使支架具有一定的可缩让压特性，让压到一定程度，要坚决顶住，以满足软岩支护“边支边让，先柔后刚，柔让适度，刚强足够”的特点。董方庭教授提出的围岩松动圈支护理论，认为巷道在开挖前后，岩体由三向应力状态转变为二向应力状态，岩体强度急
10、剧下降，由于应力的转移，巷道周边出现应力集中，使周边岩体受力增加，如应力超过岩体强度，岩体发生破坏，使其承载能力变低，应力向深部转移，直到应力低于岩体的塑性屈服应力为止。在巷道周边依次形成破裂区、塑性区和弹性区。通过现场实测围岩松动圈的大小来选择合理的支护参数。何满潮教授运用工程地质学和现代力学相结合的方法，提出了工程地质学支护理论。该理论认为：软岩巷道的变形力学机制通常是三种以上的变形力学机制的复合类型，支护时要“对症下药” ，合理有效地将复合型转化为单一型。方祖烈教授提出了主次承载区支护理论，该理论认为：巷道开挖后，在围岩中形成拉压域，压缩域在围岩深部，处于三向应力状态，围岩强度高，是维护
11、巷道稳定的主承载区。张拉域在巷道周围，围岩强度相对较低，通过支护加固，也有一定的承载力，称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。（2）控制技术国外针对深井巷道压力大、变形量大的特点，发展了深井巷道的专门文护技术。概括起来，主要有：1）采用结构复杂的全封闭系统;2）采用锚喷网联合支护系统;3）采用特种钢和加大型钢质量(达44蛇m/甚至更大);4）采用硬石膏、水泥沙浆、聚氨醋或其他建筑材料壁后充填。总之，国外深井巷道支护都有一个共同点，即具有可缩装置或让压结构，允许支架或支护系统可缩，以适应深井巷道压力大、变形量大的特点。同时，巷道支护设计时预留大的变形量。近年来，我国以利用围岩自
12、稳能力采用先进支护技术为特征。采用跨采和沿采空区布置巷道，使巷道维护再度改善。回采巷道采用组合锚杆支护、可缩J巴金属支架支护和无煤柱护巷技术，以及准备巷道的锚喷支护技术。在软岩巷道矿压控制中研究试验了壁后充填技术、注浆锚固技术，并进行了沿空留巷的高材料巷旁充填技术。蒋金泉教授从巷道围岩结构思路出发，根据围岩结构各部分的稳定性特征不同，在整体稳定性基础上进行结构稳定性亚分类来反映巷道稳定性的具体特征，并建立了系统的巷道支护参数定量设计体系。陆家梁、郑雨天、冯豫、朱效嘉教授等提出的联合支护技术，在支护过程中实行“先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护”的原则，该理论在软岩支护方面是对新奥法的发展。
13、何满潮教授、王俊臣博士提出了软岩巷道关键部位二次祸合支护技术，根据支护体和围岩的祸合状态，将关键部位分为四类，以反分析高应力腐蚀作为确定关键部位的基础，合理地确定最佳二次藕合与支护时间。我国对跨采卸压、掘前预采和开卸压槽等卸压技术也取得了阶段性成果。1.1.3 数值计算方面目前，数值计算方法的发展日趋成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法等，以此为理论基础的计算软件大量涌现，如ADNIA、NOLM、F州AL、UDEC、SAP;FLAC等程序都为广大用户所熟知，这些软件与一些支护理论相结合，在地下工程支护得到了广泛的应用。1.2存在的问题由于锚梁网索支护具有许多优越性，受到了国内外普遍重视，特别
14、在深井巷道支护中得到了快速发展和广泛的应用。目前，锚梁网索支护理论尚不完善，支护设计理论不成熟，与现场应用过程有一定差距，因此进一步深化锚梁网索支护理论研究显得十分必要。针对我国目前支护理论和实践的现状，有些问题还有待于进一步研究，主要表现在：（1）对回采巷道的控制方向不够明确，巷道围岩一般是从局部的软弱结构面开始破坏，现有的设计方式几乎都是为了巷道局部的稳定而采取保守的设计，没有针对性地控制局部稳定，充分发挥稳定部分的自承能力，从而造成了大量不必要的浪费。（2）锚梁网索支护时，对锚索支护的认识还不够准确和全面，现有的锚索支护理论具有一定的局限性，对锚索作用机理的综合效果还难以做到定性把握，限
15、制了锚索的推广发展。1.3软岩的认识1.3.1 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。1.3.2 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硬的岩石 ,单轴饱和抗压强度R 25
16、 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。1.3.3 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 ,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
