1、专题部分软岩巷道变形机理研究摘 要：软岩巷道支护技术是当前煤炭系统亟待解决的关键问题，是我国岩石力学发展战略的首要任务之一。本文首先说明了国内外对煤矿软岩巷道变形机理的学术理论、研究现状和存在的问题，根据相关理论，结合现场施工实践着重阐述煤矿软岩巷道变形机理，并以之为指导进行现场施工实际效果监测，最后通过总结施工效果，结合软岩巷道变形机理的研究结果，提出了预防和控制软岩巷道变形的相应措施。 关键词：软岩巷道；变形机理；施工监测；预防控制Research on the Mechanism of Deformation of Soft Rock RoadwayAbstract: The suppo
2、rting technology of soft roadway is the key problem in the field of coal mining, as the primary objective of the rock mechanics development strategy in China. In this paper, the academic theory, the status of research, and the still-existing problem are talked. According related theory, adding the o
3、n-site construction practice, the mechanism of deformation of soft rock roadway in coal mine is elaborated as the core problem. On-site construction practice effect is monitored based on the theory, and is fed back to the theory of the deformation. Lastly, related prevention-control measures are put
4、 forward to the mechanism of deformation of soft rock roadway.Key words: Soft roadway; Mechanism of deformation; Construction practice monitoring; Prevention and control 第145页 共165页1 绪论煤炭，作为我国的主要能源，在国民经济建设中占重要地位。随着我国煤炭资源的不断消耗，赋存较浅的煤层已不能够满足我国煤炭消耗量，煤矿开采中的深井化发展方向日趋明显。同时，随着大规模的矿山开采和采深的加大，深部高应力软岩巷道支护问题日益
5、突出，如淮北、淮南、龙口、徐州、肥城、枣庄等矿区。软岩工程支护是当前国内外学术界、工程界甚至政府部门共同关注的煤矿安全重要问题之一，由于软岩引起的矿山井巷的破坏现象非常普遍，严重影响着煤矿生产安全、效率及效益的提高，因此，已引起国内外学术界和相关部门的高度重视。国际岩石力学学会（ISRM）委托日本岩石力学学会于1981年9月在东京召开了国际软岩学术讨论会，1987年12月，中国岩石力学与工程学会在北京召开扩大理事会，组织讨论“岩石力学发展战略”，提出：“软岩巷道支护技术是当前煤炭系统亟待解决的关键问题，是我国岩石力学发展战略的首要任务之一”，“七五”期间国家又将“软岩支护工艺和设备”列为重大科
6、研攻关项目。由此可见，国际国内学术界、工程界已经把软岩巷道支护作为重点的研究攻关目标。1.1 研究软岩巷道变形机理的目的和意义2007年中国原煤产量为25.23亿t，居世界首位，与之配套的巷道掘进量每年达到6000 km,其中10%以上的巷道为软岩巷道。全国有30多个矿区存在着软岩巷道支护问题，如吉林舒兰和辽源梅河、辽宁沈阳、内蒙古平庄、山东龙口和济宁 、安徽淮南和淮北、河南义马、青海大通、贵州六盘水、浙江长广、陕西王石凹以及广东茂名等数百个矿井的开发和建设，都遇到了软岩巷道支护这个技术难题。而且，今年来，随着开采深度的增加，许多原来软岩很少的矿区，如开滦、平顶山、徐州、新汶等矿区深部巷道工程
7、均呈现出软岩工程特征。除了煤炭系统外，冶金矿山系统以及三峡工程、小浪底工程、城市地下工程、道路交通等、均遇到了越来越突出的软岩滑坡、软岩隧洞及隧洞群稳定问题。在软岩内布置巷道，开挖后围岩变形速度快，持续时间长，变形量大，巷道产生底鼓，稳定性差，极难维护，支护费用直线上升，给煤矿的生产、建设造成很大的损失，甚至有些矿区的软岩巷道（断面1520 m2）每米支护成本大2万多元。即使这样，一些工程还不得不反复维修，甚至停产待修，严重影响煤矿的安全生产和经济效益。因此，有效地控制软岩巷道变形，才能提高煤矿安全生产效率，降低软岩巷道支护的成本费用。而有效控制软岩巷道变形，最基本的就是搞清楚软岩巷道变形的基
8、本机理，根据巷道变形机理，采取相应的控制措施，进而达到有效控制软岩巷道变形的目的。所以说，软岩巷道变形机理研究目的和意义所在，就是弄清楚煤矿软岩巷道变形机理，并以之为软岩支护设计基本依据，采取相应的软岩支护措施，提高煤矿软岩巷道的整体稳定性，保证煤矿安全生产，使煤矿生产获得更大的经济效益。1.2 国内外研究现状及存在问题从20世纪80年代开始，煤矿开采深度日益增大，如新汶矿业集团的开采深度已超过1300 m,深部高应力软岩普遍出现，使得软岩工程支护的理论、技术的研究与开发更为迫切，其中，以中国矿业大学“松动圈支护理论”为代表的软岩支护理论在中国煤矿得到广泛应用。2007年中国矿业大学“深部岩土
9、力学与地下工程”国家重点实验室申报成功，集中体现了国家对深部软岩工程基础研究的重视。尽管国内外学者对软岩工程进行了大量的研究工作,并取得了很多成果,但由于软岩问题的复杂性,目前不仅软岩工程支护设计仍停留在经验的工程类比及盲目的试验基础上,而且软岩工程判定及分类方法也缺乏可行的量化指标,造成工程实践中的浪费。在原岩中开挖巷道,破坏了围岩原有的三向应力平衡状态,围岩中的应力将重新分布,同时伴随应力集中现象出现。如果集中应力小于围岩强度,围岩虽有变形出现,但巷道整体处于稳定状态,不存在支护问题;只有当集中应力大于围岩强度,围岩发生破坏时,巷道才产生非线性变形.如果这种非线性变形得不到有效控制,巷道就
10、会冒落或断面尺寸缩小而不能满足使用要求,因而须进行加固或返修。1.3 研究内容与方法本文在探讨软岩巷道工程，尤其是软岩巷道变形特征的基础上,结合围岩与支护共同作用原理，提出合理巷道支护设计与调动围岩自身承能力等因素相结合,共同抵制软岩巷道的变形，并进一步分析其变形破坏机理,重点研究了软岩巷道碎胀变形机理及其支护参数设计方法,并且经过工程实践证实其可靠性。2 煤矿软岩巷道的变形特征2.1 工程软岩工程软岩是指在工程力作用下产生显著塑性变形的工程岩体。工程力是指作用工程岩体上的力的总和，他可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等；显著塑性变形是指塑性变形为主的变形量超过了工程
11、设计允许的变形值并影响了工程的正常使用，包含显著的弹塑性变形、粘弹性变形、连续性变形等；工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面极其空间组合特征。该定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程里水平的大多表现为硬岩的力学特性，强度低于工程里水平的则可能表现为软岩的力学特性。而对同种岩体，在较低工程力的作用下，则表现出硬岩的小变形特性；在较高工程力作用下，则可能表现为软岩的大变形特性。2.2 软岩巷道变形特征理论和实践表明，围岩的力学性质是软岩工程稳定性的重要决定因素，而围岩的变形又是研究围岩性
12、质以及确定支护技术的重要依据，如松动圈支护理论就是根据巷道围岩变形破裂范围来确定支护方案的。根据众多煤矿井下的观测资料，可归纳处软岩巷道的围岩变形有以下特征：由于煤矿软岩巷道处在较为复杂的赋存环境当中，因而，其受力、变形特征也更为复杂。根据大多数软岩工程研究结论，煤矿软岩巷道变形特征：高地压、大变形、持续时间长、底臌现象明显。 软岩工程的地压大,致使一般刚性支护不能进行有效的维护,甚至多达3层料石砌碹也遭到破坏；软岩工程的围岩变形量大,变形持续时间长,一般达13个月；软岩巷道工程的底臌现象相当明显。综合起来，煤矿软岩巷道变形表现为支护难度大,因此在选择支护时必须摒弃各种刚性支护,而选择各种支撑
13、力较强的可缩性支护。同时，积极调动巷道围岩的自我承载能力，也是软岩巷道支护能否成功的关键所在。3 软岩巷道变形机理研究3.1 项目研究的试验对象本项研究的试验与观测巷道是皖北煤电集团的祁东煤矿南部轨道下山，该巷道的基本情况如下：3.1.1 巷道断面特性该试验巷道断面形状为半圆拱形，巷道净宽4.6m、净高3.9m，S净15.7m2，S掘17.3m2，位于该矿500m左右的位置；巷道喷浆厚度5090mm，砼强度等级C20。巷道直接顶、直接底及煤层的f值均小于2.5；按围岩松动圈分类法，属于大松动圈（类）；按围岩变形量分类属于类。整个巷道处于软岩地质条件下，且巷道围岩长期处于流变、蠕变状态，顶底板移
14、近量较大，两帮变形严重，返修率高，巷道断面不能满足生产需要，造成采掘接替紧张。3.1.2 巷道围岩、煤层特征根据设计南部轨道下山自西总回联巷W4点拨门施工，根据钻孔及周边巷道资料预计施工范围内，（1）构造情况：该处煤岩层产状变化较大，施工范围内基本为北北东向，倾角516。（2）煤层及岩性情况：预计拨门点处巷道底板距离10煤法距25m，巷顶距9煤法距34m，施工过程中巷道主要揭露岩性为：泥岩厚约8m，灰色、块状、含植物化石碎片，局部较破碎。细砂岩厚约5m，浅灰色、薄层状、坚硬，含石英及暗色矿物，水平状层理。预计拐1点前59m巷底距离10煤法距10m。巷道与南部回风下山贯通位置处巷底距10煤法距1
15、0m，巷顶距9煤法距49m。（3）煤（岩）层综合柱状图（见图1）（4）水文地质情况该区域水文地质条件简单，主要为顶板砂岩裂隙水，预计巷道施工过程中巷道顶板有轻微淋滴水现象。（5）瓦斯地质情况根据补297孔瓦斯资料分析：该区域9煤瓦斯含量为12.6ml/g，根据补295孔瓦斯资料分析：该区域10煤瓦斯含量为9.6 ml/g。图1 煤（岩）层综合柱状图3.1.3 掘进范围内采掘情况巷道东部为正在施工的南部回风下山及已施工的西三变电所、西翼总回风巷东段；西部为已施工的92回风上山，以及正在的施工的南部运输石门。以上巷道的采掘活动对南部轨道下山及联巷施工均无影响。3.2 巷道施工监测内容根据该矿地质勘
16、探报告，以及对与该巷道相邻的巷道、硐室施工时变形情况的参考，经过支护设计之后，施工阶段要对其变形进行观测，以便及时掌握巷道变形的特点，采取诸如调整巷道支护参数、巷道补强支护等相关措施来保持巷道的稳定性。本巷道施工监测主要包括以下内容：3.2.1 巷道表面位移观测巷道围岩移动常用移动量来表示，它可分为相对移近量和绝对移近量。巷道围岩相对移近量是指不分巷道顶板、底板或巷道两帮各自的单独移动量，而只计其最后的相对移动结果。巷道围岩绝对移近量是指测定巷道顶板、底板或两帮某一部位实际移动值。通常只测相对移近量就可以满足对支护结构设计和支护形式选择的要求。1）观测参数的确定由于本矿巷道围岩特性比较复杂，巷道变形量也比较大，所以对该巷道进行绝对移近量观测时十分必要的。因此，我们选择观测巷道绝对移近量的方法来分析巷道的变形特性，
