深部巷道变形及控制方法研究应用现状.docxVIP

深部巷道变形及控制方法研究应用现状【摘 要】 文章提出了将统计建模融入统计预测与决策的教学过程中，并引入案例教学法，以实现理论与实际的无缝连接，从而引起学生学习的积极性，实现将学生培养成应用型、创新型人才的目标。 【关键词】教学现状；教学改革；统计建模 1绪论 1.1国内外深井开采的现状 随着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，国内外矿山都相继进入了深部资源开采阶段。在南非、加拿大等矿业发达国家，矿井深度达到800-1000m时称为深井开采。德国将埋深超过800-1000m的矿井称为深井，而将埋深超过1200m的矿井开采称为超深井开采；日本则把深井的“临界深度”界定为600m，而英国和波兰则将其界定为750m。深部开采中的煤矿与金属矿有明显的差异。考虑我国当前矿山开采的客观实际，并结合未来的发展趋势，大多数专家认为，我国的深井开采的深度可界定为：煤矿800-1500m，金属矿山l000-2000m。 随着开采深度的不断增加，工程灾害日益增多，如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现加剧以及巷道围岩产生大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁1；深部“三高一扰动”(即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动)的复杂地质力学环境，使得深部岩体表现出明显的非线性大变形力学特征2，从而严重影响了深部资源的安全、高效开采。因此，深部资源开采过程中所产生的岩石力学问题已成为研究的焦点3。 1.2深井巷道国内外研究现状 进入深部开采以后由于岩层压力大，巷道因岩石变形量显著增大。支架损坏严重，巷道翻修量剧增，巷道维护变得异常困难。深井巷道的矿区控制已经成为深部开采能否顺利进行的制约因素之一4。为此，进入深部开采的世界各国都做了大量研究，取得了可喜的成果。 1.2.1国外的研究 原西德、前苏联、波兰、英国、比利时、荷兰和日本等国都对深部开采的巷道矿压及其控制措施进行了大量研究。而尤以较早进入深部开采的原西德和前苏联的研究最为突出。同时，前者也是侧重深并巷道矿压控制实用技术研究的代表，而后者是侧重深并巷道矿压控制理论研究的代表。早在60年代原西德就已经开始研究8001200 m的，深部开采问题。70年代开始研究12001500m、80年代开始研究1600 m的深部开采问题(原西德将开采深度超过1200m称为超深开采或大深度开采)，并且建立起了集现场实测、模型实验和理论计算于一体的“岩层控制系统”。前苏联紧接其后，己着手研究1000-1400m的深部开采问题。 从总体上看，国外的研究一方面是将已有的岩石力学与矿山压力成果应用于深部开采，但同时还结合深部开采的特殊性和本国国情对深井巷道矿压控制迸行了专门研究。通过现场观测、相似材料模拟实验、计算机数值模拟计算和理论分析等多种手段对深部开采纳应力、巷道矿压显现规律和深井巷道矿压控制技术等进行了大量研究。 1.2.2国内的研究 与深部开采的历史和现状相适应，由于我国进入深部开采较晚，因此与前苏联和德国等相比，我国在深井巷道矿压控制的理论研究和实践方面部有较大差距，还没有一套较为系统、完善的深并巷道矿压控制体系。 目前，国内虽然在深井巷道矿压控制方面做了一些工作，但大多沿用中、浅部开采的经验，很大程度上具有盲目性。 可喜的是，虽然我国对于深井巷道矿压控制的研究起步较晚，但这个问题已经引起了越来越多人的重视。近几年发展较快，已有不少成果公开发表。 1.3深井开采的主要特征 1.巷道变形量大 深井巷道矿压显现的显著待点之一是巷道开挖就产生大的收敛变形量。这一特点是由深并巷道围岩处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的破裂范围决定的。前苏联的研究表明，随开采深度加大，巷道变形量呈近似线性关系增大；从600 m开始开采深度每增加lOOm，巷道顶底板相对移近量平均增加10一11。理论分析表明，深部开采的巷道变形量随开采深度增大里近似直线关系增大，开采深度每增加lOOm的巷道变形增量与岩体强度有关。国内外深部开采的实践表明，开采深度为800一1000m时，巷道变形量可达10001500皿n甚至更大，与开采深度和岩石力学性质(破裂区厚度)等因素有关。2、捆巷初期变形速度大深劳巷道矿压显现的另一个显著持点是，巷道剐掘出时的变形速度很大。巷道围岩破裂区的形成经历了一个时间过程(此时间过程的长短与围岩破裂范围即破裂区厚度有关)；深并巷道围岩破裂的发展速度在巷道刚开掘时较快，以后逐渐衰减，直至破裂区完全形成。原因是巷道刚开掘(爆破或机械切削)时由于应力乎衡状态被突然打破，原来由巷道掘进断面轮廓内岩石支撑的上覆岩层重量转加给巷道围岩，在巷道围岩中形成文承压力。深部开采的巨大支承压力与巷道周边处于单向应力状态的巷道围岩强度之间辽宁工程技术大学毕业论文的极大反差很快使巷道周边的围岩遭到破坏，应力继续向巷道围岩深部转移。远离巷道周边，应力状态逐渐改善，围岩强度不断提高，同时支护也将由于巷道围岩产生的大的变形而逐渐起作用，因此，巷道围岩破裂的发展速度逐渐减小，最后完全停止，达到新的应力平衡状态3、地压大(1)原岩应力大原岩应力包括自重应力、构造应力以及赋存在岩体中的水和瓦斯对岩体的压力等。自重应力随埋藏深度的增加而增大。构造应力实际上是构造残余应力，当开采深度大时，构造应力由于释放困难，残余构造应力大。地下水和瓦斯赋存在岩体中，一般情况下，其赋存量和压力随赋存深度增大而增大。因而，在深矿井开采中原岩应力大。 (2)岩体塑性大岩石的变形特性与受力状态有关：当侧向压力由零(单向受力)逐渐增加时，岩石的塑性会逐渐增加。在深矿井开采中，由于原岩应力大，主要是侧向应力的增加使岩体的塑性增大。当开采到一定深度时，岩体会进入完全塑性状态，此时，原岩应力为三向等压，即所谓的静水压力状态。 (3)矿山压力显现剧烈矿山压力显现剧烈是深矿井开采中原岩应力大和岩体塑性大的主要表现。矿山压力显现剧烈表现为：冲击地压发生频度高，冲击能量大冲击地压是发生在巷道或采场围岩中的一种复杂的动力现象，以围岩的突然破坏为特征，当岩石受力达到岩石强度极限时，岩石将出现破坏，对于脆性大的岩石，其破坏伴随着弹性能的突然释放，而这种弹性能的突然释放，又会加速岩石的破坏，形成煤(岩)炮或煤(岩)抛出或片帮。这就是冲击地压发生的机理和冲击地压显现。在深矿井开采中岩体受力大，在脆性大的岩层，就可能发生冲击地压。 ，4、变形趋于稳定的时间长和长期蠕变变形趋于稳定要经历一个较长的时间过程是深并巷道矿压显现的又一大持点5、巷适底臌量大底臌量大是深并巷道矿压显现的又一个显著特点。而且，从国内外的有关报道看，深部开采的巷道底臌现象具有普遍性。据前苏联对部分深井资料的统计分析：随开采深度增大，易于产生底臌的巷道比重越来越大；底臌量及其在顶底板相对移近量中所占的比重随开采深度增大而增大。6、地温高辽-7r程技术大学毕业论文地温是指井下岩层的温度。一般情况下，地温随深度增加而呈线性增加，其增高率用温度梯度(hm，hm-lOOm)表示。地温决定着井下采掘工作面的环境温度，即矿井温度。在深矿井开采中，矿井温度一般都比较高，会影响人体健康，有时甚至会远高于 人体所能承受的最高温度。7、矿井瓦斯大(1)矿并瓦斯(绝对)涌出量大矿井瓦斯(绝对)涌出量随开采深度增加而增大，其原因是：一般情况下，煤层埋藏深，煤层瓦斯含量大。煤炭开采强度随采深增加而增大。(2)瓦斯突出(煤与瓦斯突出)频度大。突出的量大影响瓦斯突出的因素有：瓦斯赋存量和压力；煤(岩)的物理力学性质和所受地压；地质条件等。这些因素随开采深度增加而增大。因此，一般情况下，瓦斯突出的频度和突出物量也随采深增加而增大。14煤矿深井开采存在的问题141矿压显现加剧，巷道维护困难随着矿井采深的不断增加，矿井逐渐出现矿压显现强烈，巷道维护困难，地温升高和勘探困难，开采条件恶化，生产技术效果和经济效益下降等问题。一方面，巷道断面必需加大，据对开滦矿区统计，近10年间采深平均增加lOOm,岩石巷道断面平均增加81，煤、半煤岩巷平均增加32；另一方面，地压增大，在深部高应力作用下，围岩移动更为剧烈，巷道产生变形破坏更为严重。在调查的超过700m的深井中，巷道矿压问题普遍严重，底臌成为常见的地压现象，特别在采准巷道中尤其严重。失修和严重失修巷道比例增加，井深1000m时巷道失修率约是同条件下500600m埋深巷道失修率的315倍，部分矿井巷道失修和严重失修率达20以上。深井巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中 的最薄弱环节。142煤岩破坏过程强化，冲击地压危险性增加我国发生冲击地压的深度在2001000m，由于开采深度的增加，煤岩体应力升高，有冲击地压危险的煤层数量增加，有冲击地压的矿井逐渐增多。发生冲击地压矿井50年代为7个，60年代为22个，目前已增加到33个。经调查发现，冲击地压发生的次数、强度 和危害程度随深度的增加日趋严重。143瓦斯压力增高，煤与瓦斯突出危险严重辽宁工程技术大学毕业论文我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，截止1986年，已发生突出的矿井200多个，突出次数约为12000次，约占世界发生总突出次数的13。从国内外开采实践上看，矿井深部开采时瓦斯涌出量一般比较大，煤与瓦斯突出的问题已成为深部开采中不容忽视的重要问题。经研究表明，我国煤矿煤与瓦斯突出有随采深增加而瓦斯压力增高，瓦斯涌出量增大的趋势。144深热矿井增加，气候条件恶化随着矿井向深部开采，许多国家都遇到了不同程度的热害问题。德国、俄罗斯掘进工作面温高达50，部分高达60。矿井气温过高严重影响人体健康，引发各种疾病，造成事故率上升，劳动生产率下降，甚至被迫停产。我国深井热害问题相当严重，而我国热害的治理工作由于缺乏技术、资金等问题，大部分矿井热害治理仅靠通风降温、洒水降温，部分矿井采用机械制冷降温方法。总的现状是技术落后、效果较差，应引起有关方面的高度重视。 145矿井生产费用升高，经济效益下降随着采深的增加，勘探强度加大，地压、地温升高，冲击地压及煤与瓦斯突出危险增大，相应的要采取一系列措施，如增加设备，加强支护等。同时，井下需要维修的巷道长度增加，到工作地点的距离和时间增加，提升高度大、时间长，主副井提升系统、排水系统环节增多，通风系统趋于复杂。这些都导致煤炭生产成本增加，吨煤成本生产费用提高，经济效益迅速下降。I5主要研究内容和预期达到的目标及研究意义在已有研究成果的基础之上。本文主要研究以下几个问题；(I)深并巷道围岩变形影响因素及其变形规律；(2)深井巷道围岩变形机理：(3)深井巷道围岩变形控制的支护对策及锚杆支护参数设计；采取的研究方法：在广泛阅读收集资料的基础上，采用数学力学理论分析综合对比等方法，以期得出深部巷道围岩变形的机理及其制约因素，进而得出巷道支护设计参数。我国是世界第一产煤大国，据煤炭资源开发和资源保护研究指出，在我国预测总储量中732埋深在1000m以下，浅部储量较少。随着我国煤矿开采规模的扩大，开采深度的逐渐增加，深部开采已经成为煤矿生产的必然过程。深部开采中遇到的矿压、地燕、瓦斯等主要技术问题日益增多，对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严重。因此，如辽宁工程技术大学毕业论文何面对深部开采的复杂地质条件，及时解决深部开采所涉及的技术性问题，从长远看，它将对安全、经济，合理地开发深部煤炭资源有重要的战略意义。 2深井巷道压力特点及变形规律21深井巷道矿压显现的基本特点开采深度的增加是矿井生产的自然规律，随之而产生岩石温度增加，地压增大，岩石破坏过程强化，巷道围岩变形剧烈，冲击地压强度增大和频度增加等自然现象。它将严重影响着煤矿的安全生产和经济效益。深部煤层开采复杂化的主要影响因素是矿山压力，在高应力作用下，围岩移动更为剧烈，巷道产生变形和破坏也更为严重，巷道围岩变形速度快、变形量大，巷道周边变形范围大；巷道对支架的工作特性要求高，初撑力、工作阻力和可缩量均大，即使开掘在底板岩石中的巷道，用拱形金属支架和各种结构封闭式支护的巷道有时也遭巨大变形。巷道从使用期间维护困难已发展到掘进期间维护困难，掘出后废弃的巷道增多，巷道掘好后不久将失稳。围岩收缩变形较大，其巷道稳定性随深度增加而逐渐恶化，使深部巷道的维护费用剧增。22深井巷道围岩变形规律在重力、工程偏应力、地质构造、岩性、动压等诸多因素的影响下，深井岩石巷道围岩具有如下的交形规律：(1)深井巷道围岩具有软岩流变特性巷道围岩变形区分为松动带和塑变带，区别在于易控带和不易控带。围岩表层的松动带是易控带，丽塑变带是不易控带。因为塑交带是上覆岩层地压和采动集中压力造成的。对于深部地下开采而言，特别是有采动影响时，支护体无法抗衡集中压力，防止围岩产生塑性变形，而只能使支护性能适应塑变带的岩移，且支护体要有相应的可缩性。对松动带来说，支护体要控制其移近量，保持其相对完整性，使移近量控制在支护结构所能承受的范围内，保持松动带的相对稳定，不使其解体坍塌。(2)深井巷道围岩变形具有明显的时间效应。深井巷道掘出后，围岩交形速度随掘出时间的变化而变化的性质称为时间效应。具体表现为巷道掘出后围岩变形速度较大，随时问增加，变形速度递减。但围岩仍以较大速度变形，且持续时间较长。遇到动压影响，此现象还会加剧。如不采取有效的支护措施，当变形量超过支护结构的允许变形量时，辽宁工程技术大学毕业论文支护结构承载能力下降，围岩变形速度加剧，最终导致巷道结构失稳。(3)深井动压巷道围岩自稳时间短，收敛变形量大。围岩从暴露到冒落的时间，取决于围岩暴露面的形状和面积、岩体强度和原岩应力。深井巷道在高应力作用下，围岩出现应变软化现象。在巷道掘出后。围岩变形速度较大，交形量剧增，当交形量超过围岩允许变形量时，围岩开始松动、塌落。围岩自稳时间短，一般仅几十分钟到十几小时。巷道围岩收敛变形具体表现为顶底板移近、两帮内移。其中铅直方向顶底板移近量以底臌为主，顶板下沉量仅占很小比例。这种现象在高佐煤矿表现尤为突出。23深井巷道变形特点?231巷道变形量大深并巷道矿压显现的显著特点之一是巷道开挖就产生大的收敛变形量。这一特点是由深井巷道围岩处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的破裂范围决定的。前苏联的研究表明，随开采深度加大，巷道变形量呈近似线性关系增大，从600re开始，开采深度每增加lOOm，巷道项底板相对移近量平均增加1011，如图2-1所示。理论分析表明，深部开采的巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大，如图2-2所示，开采深度每增加loom的巷道变形增量与岩体强度有关。国内外深部开采的实践表明，开采深度为800lOOOm时，巷道变形量可达10001500恤n甚至更大，与开采深度和岩石力学性质(破裂区厚度)等因素有关。由于深井巷道变形量大，若支护不合理(如采用刚性支架或支架的可缩量不足)时，巷道变形、破坏严重j因此，深井巷道的维修工作量大，维护费用高。实践表明，深部开采的巷道翻修率(损坏率)可达4080(部分是由于支护不当造成的)，甚至高达100，与开采深度、岩石力学性质、支护方式、支架力学性能与参数，特别是可缩量等有关。、辽宁工程技术大学毕业论文顶 底 扳 移 近 量 m巷 道 变 形 量 C 图21顶底板移近量与开采深度的关系图22巷道变形量随采深变化的理论曲线1一疋=38MPa盯，=o2MPa 矿=25。I=l 2一疋=98MPa吼。=049MPa=30。k-1232掘巷初期变形速度大深井巷道矿压显现的另一个显著特点是，巷道刚掘出时的变形速度很大。根据现场观测表明，深井巷道刚开挖时的变形速度可达50md以上m。观测巷道为赵各庄矿13水平东翼阶段运输巷(现场称为电车道)，埋深1159m，围岩为煤至半煤岩，锚喷网支护。巷道掘出后，变形速度随时问的延续呈负指数曲线急剧衰减，经过一定时间后趋于稳定，如图2-3所示。巷道收敛变形主要是由于处于残余强度状态的破裂区围岩破裂膨胀变形的结果。因此，深井巷道变形速度的上述规律表明：(1)巷道围岩破裂区的形成经历了一个时间过程(此时间过程的长短与围岩破裂范围即破裂区厚度有关)：(2)深井辽宁工程技术大学毕业论文巷 50 道 变 40 形 速 3。 度 20薯 10 气o20 40 50 50 10u 1zu 巷递担出时阿td图23深井巷道变形速度特点巷道围岩破裂的发展速度在巷道刚开掘时较快，以后逐渐衰减，直至破裂区完全形成。233变形趋于稳定的时间长和长期蠕变变形趋于稳定要经历一个较长的时间过程是深井巷道矿压显现的又一大特点。从图23可见，赵各庄矿13水平东运输大巷的变形稳定期(变形趋于稳定经历的时间)约两个月。巷道变形稳定期与围岩破裂范围大小有关破裂区厚度越大，巷道变形稳定期越长。虽然深井巷道开掘后要经过较长时间变形才能趋于稳定，但巷道的收敛变形大部分发生在开掘后较短的一段时间内。掘巷引起的巷道围岩变形趋于稳定后，变形速度维持在一个较低水平。此后，巷道围岩保持这一速度不断变形，长时期处于蠕变状态，直至受采动影响。234巷道底臌量大 ，底臌量大是深井巷道矿压显现的又一个显著特点。而且，从国内外的有关报道看，深郝开采的巷道底臌现象具有普遍性。据前苏联对部分深并资料的统计分析：(1)随开采深度增大，易于产生底臌的巷道比重越来越大：(2)底臌量及其在项底板相对移近量中所占的比重随开采深度增大而增大。235冲击地压发生的频率和强度增大理论研究和生产实践都表明，矿山冲击地压的发生、发生的频率和冲击强度与开采深度有密切的关系。随开采深度增加，煤、岩体因变形而积聚的能量呈二次方关系增加。因此，在深部开采条件下，煤、岩体中积聚了巨大的能量，当采矿活动引起的能量释放速度大于煤、岩体破坏消耗的能量速度时，导致冲击地压的发生。实践表明，深部开采发生冲击地压的频率大大增加，冲击的强度显著增大。深部开辽宁工程技术大学毕业论文采的冲击地压问题在岩体强度较大的矿山更为突出。24深井巷道破坏机理及流变分析241深并动压巷道破坏机理随着开采深度的增加，巷道围岩处于高地应力的作用之下，还要受到采动的影响，在浅部表现为硬岩的岩石会逐渐过渡到软岩范畴，会呈现大地压、难维护局面。此种意义上的围岩变形主要指在重力作用下巷道围岩的变形破坏。而且，这种破坏具有与深度有关而与方向无关(构造应力作用时除外)的特点。即在开挖浅部巷道时，按常规的支护方式巷道变形不明显，随着深度的增一230下山，在开挖时选用直墙半圆拱断面，部分地段全断面架设槽钢棚、部分地段两帮浇注混凝土、半圆拱砌破支护。按理说支护强度已经很高，但是从开采至今破坏严重。虽然经过多次翻修，仍不能满足使用断面，只能报废，这充分说明刚性支护不能适应围岩的无休止的流变变形。另一方面，巷道在开挖后，围岩应力状态发生了较大的改变，切向应力在巷道壁附近出现局部集中，距巷道壁愈远则愈接近原岩应力状态。这时巷道围岩中任一点其应力状态可用二阶应力张量表示，而此二阶应力张量为f o”可分解为两部分，球应力张量和偏应力张量即anoc tq ffH aHoc t#t4 t oto球应力张量不引起形变，它是种三向均压状态。偏应力张量引起巷道围岩的变形破坏，因此工程开挖引起的偏应力局部集中是深井巷道围岩变形破坏的另一主要原因。一 巷道在掘进工程中，不可避免的要遇到地质构造，如断层破碎带、背斜、向斜轴、褶皱带等由于煤层群的开采，巷道围岩还要受到重复采动的动压影响，虽然有煤柱保护，但实践证明，由于开采方法的不合理，巷道多数遭到破坏。研究表明，深井动压巷道，特别是围岩强度相对较弱的巷道，围岩的主要破坏形式和变形机理为挤压流动变形，其特点是巷道的围岩为己经遭受过变形破坏的软弱破碎岩体，在受采动影响或随时间流变时，这些软弱破碎围岩的再变形破坏过程中的体积碎胀导致巷道发生大的变形。 242流变分析流变性包括弹性后效、流动、结构面的闭合和滑移变形。弹性后效是一种延迟发生的弹性变形和弹性恢复，外力卸除后最终不留下永久变形。流动又可分为粘性流动和塑，jOO吒O吼O吒O O-L+，。，厂龟行和锄J辽宁工程技术大学毕业论文性流动。它是一种随时间延续而发生的永久变形，其中粘性流动是指在微小外力作用下发生的永久变形，塑性流动是指外力达到极限值后才开始发生的塑性变形。闭合和滑移是岩体中结构面的压缩变形和结构面的错动。从微观和细观分析，弹性后效是晶体群和晶格的滞后变形，粘性流动是颗粒间的非定向转动，而塑性流动是沿微观滑移面的滑动，闭合和滑移则是细观和宏观结构面的变形方式。尽管其机理各不相同，但表现形式一致，且往往发生在同一物体上，因此在研究时很少加以区分单纯的粘性材料是很少的，常见的工程材料在外力作用下，瞬时出现弹性或弹塑性，以后才逐渐呈现粘性，即多为弹性材料或粘、弹、塑性材料。所以在研究实际工程问题时，必须同时进行弹性分析或粘，弹、塑性分析。对地下硐室而言，由锚杆和所支护部分的岩体组成承载拱，其本身强度和刚度特性都比较好，故具有约束国岩变形、保持硐室稳定的功能。锚杆支护技术应用的长期实践已经揭示出软岩巷道由于岩性差或高应力的作用，巷道围岩较大范围的岩体发生破坏导致巷道变形，此时支护系统必须有足够的承载能力才能够控制围岩变形，保持巷道的形状及其正常使用，锚杆支护作为一种主动支护方法，可以锁紧破碎岩体，使之强度提高，将锚固体变一为承载结构，以抵抗大范围的围岩应力，从而保持巷道的稳定性。此时，可以把锚固体看成是一种新型的等效材料。在实际工程中，当锚杆间排距比地下建筑物的ll缶界尺寸小得多时，可以把锚杆的作用分布到岩体的一定体积上，从而用等效材料的方法研究加固围岩的力学动态。25深井巷道围岩破坏范围的影响因素围岩普遍处于破裂状态是深井巷道矿压的主要持点之一。巷道围岩破裂范围破裂区厚度是围岩应力与围岩强度共同作用的结果可以作为评价深并巷道稳定性和支护难易程度的指标。并且，围岩破裂是深井巷道变形量大的根本原因，破裂区厚度是巷道变形量的主要决定因素。显然巷道围岩破裂范围破裂区厚度是深井巷道矿压控制 的一个重要的基础参数。目前确定巷道围岩破裂范围主要有两种方法，即现场实测和理论计算方法。现场实测有多种方法，比较常用的是声波法和多点位移计法现场实测对于解决具体地下工程的支护问题无疑是有效酌，尽管实测中还有一些影响实测结果的问题需要迸一步解决。然而，实测数据只能综合反映围岩应力与围岩强度相互作用的结果，不能建立起测试结辽宁工程技术大学毕业论文果与二者之间的确切关系。而这种关系对于指导深井巷道矿压控制实践，如确定巷道矿压控制原则和确定合理的巷道位置等都是必须的。建立在某种数学力学模型基础上的理论计算方法由于对实际问题进行了适当简化，而且具有岩石力学参数和原岩应力等难以准确确定的缺陷。因而计算结果与实际情况有一定距离。然而，理论计算法的主要贡献在于，它建立起了巷道围岩破裂区厚度与尽可能多的影响因素之间的关系，从而有可能采取相应的技术措施减小甚至完全消除某些因素对围岩破裂范围的影响。即使是用今天的观点看来与实际相去甚远的围岩破裂范围(塑性区半径)的Fenner解答仍然不失有对实践的指导意义，大量实践已经证明了这一点。由于两种方法都有其局限性，因此，最好是两种方法同时使用。半个多世纪以来，一直采用Fenner公式确定围岩破裂范围(实际上是塑性区半径，用该公式不可能确定破裂区半径。Fenner公式将岩石视为金属那样的理想弹塑性材料，并且假定岩石的体积应变为零，结果与实际严重不符。当然这是由时代的局限性决定的。刚性试验机的问世使人们有可能全面了解和认识岩石变形破坏的全过程从而揭示了岩石不同于金属材料的重要持性，这就是岩石的应变软化和体积破裂膨胀性。即岩石破裂(应力超过强度极限)后，强度随应变增大而衰减直至残余强度，同时伴随体积的塑性膨胀(体积应变不等于零)。与岩石的破裂膨胀性相比，岩石扩容引起的巷道收敛变形在深部开采巷道围岩破裂范围较大的情况下只是一个小量。研究表明，岩石的应变软化性对围岩破裂范围影响较大，而二特性对巷道变形都有显著影响。251影响巷道围岩破裂范围破裂区厚度的因索有：岩石应力，包括开采深度H和采动影响等；岩石力学性质，主要有岩体单向抗压极限强度0 c、残余强度0 c和应变软化程度(系数)k；支护方面的因家，包括支护阻力P。和巷道掘进半径r。1开采深度的影响随开采深度增大，围岩破裂区厚度开始时呈非线性增大，速度较快以后逐渐变缓呈近似线性关系增大；开采深度(原岩应力)对围岩破裂区厚度的影响程度与岩石力学性质关系密切一岩体强度越大，影响越小，反之，则影响越大必须指出的是，岩体强度不仅仅是指岩体的极限强度，而且还包括它的残余强度和应变软化程度。不难理解在一定的应力(开辽宁工程技术大学毕业论文采深度)条件下，围岩处于弹性状态还是塑性状态，决定于其极限强度大小；而图岩处于塑性状态还是破裂(松动)状态，则不仅取决于它的极限强度，而且取决于它的残余强度和应变软化程度，特别是残余强度。分析表明与岩体极限强度相比，残余强度对巷道围岩破裂区厚度的影响更为突出。】00 Z3卯0 J，一日o，m图24破裂区厚度随开采深度变化的规律l一吒=4SMPa,以。=02MPa, 妒=25。；2一以=9SMPa,以。=049MPa,妒=30。； 3一=196MPa,以。=O9$MPa,9=45。；4一吼=49OMPa,。=245MPa,尹=45。；图24的计算结果表明，开采深度每增加100 m，破裂区厚度的增量Lb并不是一个常量，而是与岩体强度等因素有关。岩体强度越小、，L击越大，反之，则Lb越小。因此，对于强度较低的岩石，当开采达到一定深度以后，常常出现新开采水平的巷道维护突然变得困难的现象。而对于强度较高的岩石，即使达到较大的开采深度巷道维护也不困难。事实上，南非金矿的开采深度已达到4000m，但巷道支护问题并不突出，而煤矿则不然。现场实测得出的巷道围岩破裂区厚度随开采深度(原岩应力)变化的规律与上述理论分析相同如图25和图2_6所示。仉4 lO 1S t 量5 丑Ok圈2-5 L与Poo。关系的实测拟合曲线目-t图26 Lb与H关系的实测结果辽宁工程技术大学毕业论文2j极限强度的影响如图2_-8所示，在开采深度、岩体残余强度和应变软化程度等条件一定时，巷道围岩破裂区厚度随岩体单向抗压极限强度增大而减小。图2吨岩体极限强度对破裂区厚度的影响3、残余强度的影响当岩体单向抗压残余强度一小于其极限强度o。的5-10BP盯：o。020时，围岩破裂区厚度的减小不明显，如图29所示。岩石力学性质的实验室试验表明，岩石(体)的残余强度一般远小于其极限强度，因此，加固图岩，提高其残余强度应作为深井巷道矿压控制的一个重要内容。0 寸。2 ，图29残余温度对破裂区厚度的影响4、应变软化程度的影响应变软化系数是描述岩石破裂(应力超过强度极限)后强度随应变增大衰减幅度辽宁工程技术大学毕业论文大小的参数。应变软化系数k越大，说明岩石的应变软化程度越大。 应变软化程度对巷道围岩破裂区厚度的影响如图2一lO所示。当其它条件一定时岩石的应变软化程度越大即k越大巷道围岩破裂区厚度越大，反之，则越小。图2一lO应变软化程度对破裂区厚度的影响5、支护的影响支护(这里指以被动受力为特征的巷道支架，不包括对围岩具有加固作用的支护方式，如锚杆支护、锚喷支护、锚注支护等)在巷道围岩破裂中的作用是一个相当复杂的闯题，这里主要从理论上讨论支护阻力(支护反力)Pi对深井巷道破裂范围的影响。从理论上讲提高支护阻力可以减小巷道围岩破裂范围因21l是绘制的Lb与Pi的理论曲线。从因2一ll可见文护阻力Pi对破裂区厚度的影响很大，这种影响在支护阻力较小(同时岩石残余强度也较小)时尤为突出。B jC l 2 3 4吏护诅力#ttdlh图211支护阻力对破裂区厚度的影响根据IE Farmer的研究，岩石的单向抗压残余强度通常很低，有的接近于零甚至等于零，而岩体的单向抗压残余强度将更低。从理论辽宁工程技术大学毕业论文上讲，若支护对巷道围岩破裂(的发展)不起作用，即通常认为Pi-0，在趋于零或等于零时，围岩破裂区厚度将趋于无穷大。显然，这不符合实际情况。毫无疑问，支架不可能改变围岩的状态，即支架不可能控制围岩破裂的发生。因为：现有的支护(架)还没有控制深井巷道围岩使之不破裂的能力；支护不及时，不可能在围岩破裂前实施支护措施；支架架设时与围岩不能密切接触只有在围岩产生较大变形并作用于支架时支护才能反作用于巷道围岩，而此时围岩已经破裂。然而，由于深部开采的巷道围岩破裂范围较大，而破裂区的形成要经历较长的时间过程，在此过程中支架将由于围岩变形而产生较大的支护阻力(支护反力)，从而必然对深井巷道围岩破裂区的最终形成产生影响。因此，支护在深井巷道围岩破裂中的作用是，它不能阻止围岩破裂的发生，但能对围岩破裂区的形成产生影响、从而在一定程度上减小围岩破裂范围。围岩破裂范围的减小必然使得巷道收敛变形减小。前苏联学者的研究表明，巷道围岩的膨胀量(体积应变)随支架阻力增大呈双曲线衰减，即 P， 毛2er+Sg=托+口) 式中e坤积应变(围岩膨胀量)； co，a无量纲参数支护阻力对围岩提供一个侧压力，使围岩应力状态得以改善，从而使围岩强度提高，破裂范围减小。倘若认为支护阻力的提高只能约束和限制围岩变形，那是不全面的。6、开采的影响开采对巷道围岩破裂范围的影响是显著的。当其它条件一定对，开采相当于使巷道的埋深(开采深度)成倍增加，因而使围岩破裂范围明显增大。 4图212应力集中系数对破裂区厚度的影响辽宁工程技术大学毕业论文26深井巷道的矿压控制261优化巷道布置采准巷道的布置应避开煤柱集中应力、构造集中应力、采动应力的影响，选择在岩性较为稳定的岩石中。深部采区主要准备巷道应以岩巷为主或至少布置一条岩巷。随着深度的增加，回采工作面推进后煤体塑性区增加，致使区段煤柱留设宽度随之增加，为保证采区回收率，减少巷道维护，工作面回风(运输)平巷宜采用无煤柱护巷的形式。巷道施工在遇到以压应力为主的褶曲、逆断层时，巷道方向尽量与褶曲轴或断层走向垂直或斜交：在遇到以拉应力为主的正断层时，巷道方向则与断层走向一致或斜交，从而达到减小矿压显现的目的。回采巷道布置的方位应使工作面离开断层推进，使采区一翼内工作面同向推进。避免巷道相向掘进和巷道近距离平行布置，减少相交巷道(或避开锐角)，从而减小应力集中，减少发生冲击地压的危险性。262改革巷道支护形式对国内外大量深井开采矿井的研究表明，布置在中硬以下岩层中的巷道变形破坏严重(特别是受采动影响后)，当采深在8001000m以上时，在中硬及中硬以上岩层内布置的巷道，若采用传统的支护方式，巷道维护仍很困难。因此，深井中，除要求合理布置巷道位置外，还应根据深井矿压特点，巷道支护必须满足既能加固围岩又能提供较大的支护力、具有较大的可缩性和一定的初撑力等要求，根据围岩状况和巷道条件。采用不同的支护形式。目前，深井巷道应采用的主要支护及控制措施有以下几方面嗍。(I)在采准巷道中发展多种形式的u钢可缩性支架，是解决围岩高应力、大变形的有效支护形式。提高支架架设质量，加强壁后充填，改善支架受力状况。(2)发展以锚杆为主体的新型支护，即锚喷支护、锚梁网组合支护、锚杆与可缩性支架联合支护以及可缩性锚杆等。合理选择支护形式和参数，加强质量管理，完善检测手段等是锚杆支护应用的重要问题。(3)针对采准巷道不同时期，采动影响引起的不同围岩移动特征，采用改变巷道支护方式、调节巷道支护强度的非等强多次支护工艺，对改善深井巷道的技术经济效益有重 要意义。(4)锚喷网联合支护在服务年限长，围岩较稳定的深井巷道中广泛应用，这一支护形式能充分发挥围岩自承能力，防止水及空气对围岩的风化作用。辽宁工程技术大学毕业论文27深井回采工作面的矿压控制271深井回采工作面矿压控制的特点深部采场矿压控制特点由深部采煤工作面顶板岩性变化特点和可能发生的冒顶事故类型决定。经调查，深矿井开采煤层的顶板岩性变化随着采深增加，顶板岩层有逐渐变碎和强度降低的趋势；随采深增加，断层、裂隙、层理和节理逐渐发育，同一层位的岩层分层厚度逐渐变薄，弱面增多，采场顶板悬顶长度逐渐减小，由不容易垮落变得容易垮落；在顶板岩层变碎和强度有所降低的情况下，深井采场出现漏垮型冒顶事故的可能性加大。272深井回采工作面矿压的控制措施(1)对工作面前方已产生裂隙的煤、岩体，超前工作面注浆，注入树脂类粘结剂，使其固化，提高煤岩体自身强度，保证其稳定性：也可采用深孔树脂锚杆加固顶板和煤壁。(2)尽量缩小端面空顶距，减小无支护面积。若液压支架前探梁有伸缩功能，更有利于新暴露顶板的及时维护，特别有利于片帮后裸露顶板的管理。(3)提高前梁支撑力，及早地使支撑力与顶板压力取得平衡，减小新暴露项板的离层、挠曲机率。加强移架工序的管理，尽力减少破碎顶板的活动程度。(4)对单体支柱工作面，顶梁上尽量铺笆或金属网，若有漏顶，应及时构顶填实，以防顶板失控，导致支架的失稳。(5)要有合理的开采顺序和回采方向，避免应力叠加造成煤壁压酥，顶板破坏。(6)工作面上、下出口及上、下顺槽超前支承压力的应力叠加带，应优先选用稳定性较好的十字铰接顶梁支护系统。(7)要踏实地做好测压工作，掌握初次垮落、初次来压、周期来压步距、超前支承压力的有害影响范围、支柱载荷及巷道围岩变形规律，以便针对性地做好量化管理“。辽宁工程技术大学毕业论文3深部巷道支护技术研究31深部开采支护技术围岩状态是巷道矿压控制的基础。由于开采深度大，深井巷道围岩普遍处于破裂状态，这与中浅部开采有所不同。并且，现有支护不可能改变深井巷道围岩的破裂状态因此，深部开采巷道矿压控制原则的确定和控制措施的采用都应建立在围岩破裂状态的基础上。 ； 支护不能改变深并巷道围岩破裂状态的含义是支护不能控制围岩破裂的发生，这有理论和实践两方面的原因。开采深度越大，岩体强度越小，欲控制围岩不破裂从理论上应提供的支护阻力就越大，如图3一l所示。从图3一l可见，即使支架能提供IMPa的支护阻力(通常达不到)，支架从理论上控制围岩不破裂的可能性对于泥岩在开采深度超过260m时已不存在，砂页岩只在开采深度小于490m、砂岩只在开采深度小于约900m时存在这种可能性。支护阻力越小、巷道围岩强度越低支架从理论上能控制围岩不破裂的开采深度就越小。 耋j t； 1地图3-1 Pm与开采深度和岩性的关系 泥岩；吒=38MPa以“=02MPa 毋=250 k=l； 沙页岩，o-e=98MPa以”=049MPa=300 k=1； 砂岩：吒=196MPa吒4=O98MPa矿=35。k=l；其次，在实践上，由于支护不及时以及支护时支架通常不能与围岩密切接触，只有在巷道产生较大变形后支护才起作用而此时围岩无疑已经破裂。事实上，深井巷造一开掘时围岩就处于破裂状态，产生了破裂区。可见，与中浅部开采不完全相同，深部开辽宁工程技术大学毕业论文采面对的必然是开巷后围岩处于破裂(残余强度)状态。这就是深井巷道矿压控制的基础。311深井巷道控制的原则巷道围岩破裂范围(破裂区厚度)是深井巷道围岩稳定性、变形量大小和支护难易程度的决定因索。虽然深井巷道围岩的破裂状态不能改变，但采取包括支护在内的一切矿压控制措施，控制围岩破裂的发展、减小围岩破裂范围是可能的。矿山压力的任何控制措施都是建立在矿山压力的影响因素基础上的；影响围岩破裂范围的主要因素也就是影响深井巷道矿压的主要因累。这些因素包括；巷道所处应力场包括开采深度和采动影响等；巷道围岩的力学性质主要有岩体的极限强度、残余强度和应变软化程度，此外，岩体弹性模量对巷道变形有较大的影响；巷道支护与维护方式等。通常，开采深度是不可选择的，只要人类继续有对矿产资源的需求，开采就必然向深部发展，或迟或早。而其它因素的影响都可以通过采取适当的措施降低到一定程度，有的则完全可以消除它们的影响例如，采用前进式采煤法可以避免超前支承压力的影响而掘前预采则可以完全消除采动的影响。1、深并巷道矿压控制的总体原则深井巷道矿压控制总的原则是：采取一切可能的措施，减小巷道围岩的破裂范围。这是由深井巷道围岩状态的特点决定的。减小巷道围岩破裂范围可以采取多方面的技术措施，如图32所示。这些技术措施归根结底是通过降低应力和保证巷道围岩有较高的强度或提高岩体强度，从而达到减小巷道围岩破裂范围、提高巷道稳定性的目的。， 图3_2巷道保护方式 1无煤桂；卜小煤柱；3大煤柱I破裂区： 塑性区，Ivv-m-弹性(应力升高)区；原岩应力区 选择适当的巷道位置和巷道保护方法是深井巷道矿压控制的基本要求和原则，合理的巷道支护是深井巷道矿压控制的根本保证。通常，岩层卸压和单纯的岩层加固(支护如辽宁工程技术大学毕业论文锚喷支护、锚注支护等也具有加固围岩的作用)作为深并巷道矿压控制的辅助措施。然而，在围岩条件相当差的情况下，岩层加固是必须的：在岩层压力(开采深度)很大的情况下，岩层卸压是必须的；有时，岩层卸压和岩层加固都是必要的。深井巷道矿压控制的难点依然是采准巷道，特别是不得不布置在煤层中的回采巷道，在深部开采条件下当受到数倍于原岩应力的支承压力作用时将变得很难维护。改善煤层平巷酌维护条件应采取多方面的措施，最根本的措施是改变开采体系即改后退式回采为前进式回采。目前，我国普通采用后退式采煤法，在深部开采中也不例外。由于区段平巷在工作面回采前一次掘出，在深部开采条件下掘巷时就会产生较大变形，受采煤工作面超前文承压力的影响，巷道维护状况将进一步恶化，产生严重变形甚至破坏，结果不得不翻修。采用前进式采煤体系时，区段平巷随采随掘，不仅维护时间短，而且不受工作面前方移动支承压力的影响，对深部开采的煤层平巷维护比较有利。原西德的研究表明，前进式采煤法的巷道变形量比后退式采煤法小得多。在开采深度为1600m的情况下，提前掘进(后退式采煤法)的工作面巷道受一侧采动影响后，其顶底板相对移近量高达巷道原始高度的89而随工作面开采同时掘进(前进式采煤法)的巷道项底板相对移近量仅46若用建筑材料充填则可以降低到35。开采深度越大，前进式采煤体系的优点越 突出。 。目前，不少采煤国采用前进式采煤法的比重都比较大，如英国达80，德国为60，波兰占40，法国为50。从深部开采的煤层巷道维护问题出发我国也应推行前进式采煤体系。国外的实践表明通过采取适当的技术措施，前进式采煤法的通风安全问题是可以解决的。然而，需要指出的是，由于前进式采煤法必然要与沿空留巷相结合，而在厚煤层中沿空留巷通常比较困难，特别是在深部开采的条件下，因此前进式采煤法应首先在薄煤层和厚度较小的中厚煤层中推广应用。 。2深井巷道布置原则同中浅部开采一样深部开采的巷道也应布置在；开采形成的应力降低区，强度高、整体性好的稳定岩层中。就巷道位置而言不外乎巷道的埋藏深度、巷道与采场(采空区)或其它巷道的相对位置以及巷道所处的岩层层位。开采深度是不可选择的，因而从这种意义上说，巷道埋辽宁工程技术大学毕业论文藏深度也不可选择。然而，巷道与采空区的相对位置和巷道的岩层层位通常有较大的选择余地。岩石力学性质是影响深井巷道矿山压力的一个主要方面。好的围岩条件能在一定程度上甚至大大削弱开采深度和采动对深井巷道围岩稳定性的影响，因为巷道围岩稳定性取决于围岩应力与围岩强度相互作用的结果即围岩状态或围岩破裂范围。国外不少金属矿山的开采深度达20003000m，世界上开采深度最大的南非金矿达4000m，但巷道支护问题并不突出，而煤矿的开采深度达到8001000 m后巷道支护问题通常变得很困难，原因就在于金局矿床特别是内生矿床的围岩强度比煤矿床的图岩强度高得多。煤矿开采的实践也表明，若巷道围岩为厚层砂岩或整体性好的石灰岩，即使开采深度超过1000m，巷道变形量也很小，用一般支护方法也能成功地维护。相反，若巷道围岩为节理裂隙发育、强度低的松散软弱岩层，即使开采深度仅300400 m，巷道变形量也很大，常规支护方法已很难维护。因此，可以认为，在深部开采条件下，岩性对巷道围岩稳定性的影响比中、浅部开采突出。此外，由于以下多方面的原因，使得深部开采的