（采矿工程专业论文）高应力软弱碎胀复合型围岩巷道控制技术研究.pdf

摘要 摘要 论文采用实验室实验与现场观测相结合方法研究确定了章村矿一2 0 0 西翼工程水 平穿层巷道工程软岩的属性和工程地质特征，判定了该巷道属高地应力作用下软弱 膨胀、硬岩层破碎后碎胀、巷道松动范围大的松软岩层与硬岩层交织的复合型工程 软岩，分析了围岩的基本工程地质特点和变形破坏的力学机制。确定了巷道变形破 坏发生及发展的基本模式。提出了与复合型工程软岩相适应的动态非同一支护、非 等强支护、高强度、可缩性、协调支护和预留断面的综合技术支护指导原则。采用 计算机数值模拟、理论分析及工程类比等方法，确定了合理的支护参数，在一2 0 0 西 翼工程施工中进行了现场工业性试验，同时进行了现场观测。结果表明，根据穿层 巷道围岩性质的差异，在巷道不同地段，因地制宜，分别采用了粗尾等强锚网喷( 注) 和u 3 6 方环联锁支护等不同的支护方式，支护效果好，能很好的控制围岩变形，达 到了预期的目的，实现了该巷道大断面一次复修成巷、一次支护成功的目标。 关键词：高应力复合型工程软岩非等强支护动态非统一支护 a b s t r a c t s t u d yo nc o n t r o lt e c h n o l o g yo fh i 曲s t r e s sb r o k e n d i l a t a n c yc o m p l e xw a u r o c k ，i 、l n n e l a b s t r a c t r o a d w a v 附i b u t e ra i l dp r o j e c tc h a r a c t e ro fl e v e l 2 0 0i nz h a n g c u nm i n ei s d 曲n e d 、v i t hl a bt e s t i n g 蛆df i e l do b s e r v a t i o n j u d g i i l gt h i ss e c t i o no fr o a d w a yb e l o n g t om eu i l s t a b l es o f cr o c k ，a n dt 1 1 er o c km a s se x p a n d sw e a h y ，b r c a k st 0p i e c e sb l o a t e d u n d e r1 l i 曲c r y s t a l ss 廿e s s a n a l y z i n gp r o j e c tb 觞i c 砌b u t e ra n di n e c h 撕c so f d e f o m l i n g l a m a g i n g d 酏瞰n 证证gb 雒i cp 础旧mo fr o a d w a yd e f o 咖i n gd a m a g i n g p r e s 卸t i n gs y n n l e s i st e c l l i l i q u ep r i i l c i p l e ，w h i c ha r ed y n 锄i ca r l du n i f o r m l e s ss u p p o r t 、 u i l e q u i c o h e s i v es u p p o r t ，l l i 曲一i n t e n s 时，r c 廿剃b l e ， c o o r d i n a t i o n s u p p o r t 趾d p r e f o r m e d c r o 豁- s e c t i o n d e f l 血gp r o p e rs u p p o r tp a 姗a e t c r 谢t l lm m e r i c a l s i l l m l 撕o n 、m e o r ya n a l y z i n g 姐dp m j e c ta n a l o g r e s u ho fo b s e r v a t i o ni nm e r o a d w a y i n d i c a t et h a ts u p p o r tm e 吐l o d 恤tt l l i c kt a i ls 廿0 n ga i l c h o rs p r a ya n c h o r n e t w o r kb r a c i n ga n du 3 6s q u a r er i n gg a i l lb 吐t c re 丘b c t i o n 锄dc o n 仃o ld e f o r n lo f 也e r o a d w a y ，觚dr e a c hp r o s p e c t i o nt a 略e tt l l a tr c p a i r e db i g c m s s - s e c t i o nr o a d w a y 埘t h o n c cs ) p o r t k | e y w o r d s ：h i 曲s 廿e s s ；c o m p l e xe 晒n e e 血gs o rm c k ；u n e q l l i c o h e s i v es u p p o r t ； d ”1 a l i ca n du n i f o 皿【l l e s s 跚p p o n 河南理工大学 学位论文原! 创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者鼢司采 砌雪年乡月红日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 獗 砌雪年6 月年日 指导教师签名：垂仉 年6 具| b 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的及意义 1 绪论 巷道是煤矿生产的咽喉，巷道支护和维护技术是煤炭地下开采中的一项关键 技术，安全、合理、有效的巷道支护是保证矿井安全高效生产的基本条件。“1 国内外采矿工程界和相关学者长期以来都在积极地致力于研究探索适合不同 条件下的科学合理( 经济) 的巷道支护和维护技术。“”。一个较大的进展是近年来 锚、喷、网加锚索技术的成功应用，在适宜的条件下取得了很好的技术经济效益， 对改善煤矿地下巷道支护和维护起到了十分重要的作用。 然而，我国煤矿分布广泛，条件各异，围岩地质条件复杂。一些巷道受较高的 原岩应力作用( 这不仅由于巷道原岩应力的非均匀性，而且主要由于围岩性质及 开采等因素的影响而导致的非稳定、非均匀应力场) “”“1 。在同一条巷道或同一 断面内巷道围岩组成十分复杂，岩层厚度和性质差异明显，岩层强度相差几倍到 十几倍甚至更多，变形性质极不一致：其次，组成围岩的岩层强度较低，属于软 岩情况。导致巷道围岩变形强烈，支护维护困难，一般的支护方式难以适应，甚 至多次维修仍不能稳定。因此，要求具体条件具体分析，探讨其围岩特点和变形 破坏力学机制，并在此基础上提出相应的控制方法，而不是照搬。 章村矿一2 0 0 西翼工程主要包括西大巷、西大巷付巷以及车场及联络巷道，巷 道总长度超过1 0 0 0 m ( 其中破坏最严重部分为一2 0 0 西大巷) 。巷道设计断面( 2 0 2 8 m 2 ) 穿层巷道，松软破碎岩层与硬岩层交织、软岩遇水膨胀，属复合型工程软岩，地 应力高，水平构造应力明显，硬岩在高地应力作用下破碎形成碎胀，巷道形成超 大松动圈，和高冒大断面( 断面超过5 0 m 2 ) 情况，部分地段曾三次翻修，形成巷 道支护变形破坏一翻修一再破坏的恶性循环，使约近1 2 0 0 万吨西翼工程开拓煤 量无法准备，矿井新区生产准备严重滞后，采区接替紧张。 1 2 国内外研究现状 软岩工程技术的研究属于岩石力学的范畴，而岩石力学这门学科是在2 0 世纪 5 0 年代开始的岩石物理的基础研究，到6 0 年代，才逐渐发展成为门具有独立体 系的学科，并在工民建、采矿业得到了广泛的应用【7 】【8 l 。在岩石力学的发展进程中， 有其明显的研究重点，在6 0 年代，重点研究完整岩块；7 0 年代的研究重点是岩体 河南理工大学硕士学位论文 和不连续面：8 0 年代，计算机数值模拟蔚然成风：9 0 年代以后十分强调综合分析 研究，即将岩石材料性质的确定、大尺寸原位测试、计算机分析和工程作用规律 相结合。 我国煤矿软岩工程技术的发展起始于矿产资源开发工程。6 0 年代，煤矿软岩 问题在部分矿区开始出现，7 0 年代就更为广泛，并引起了有关部门的高度重视， 原煤炭部从“六五”开始，继“七五”、“八五”均有计划地将软岩巷道支护与监 测技术列入煤炭部科技发展规划，组织各方面力量进行科技攻关。中国科学院地 质研究所及其它众多科研院所在软岩巷道围岩控制的基础理论、软岩的岩性分析 及工程地质条件、软岩巷道围岩变形力学机制、软岩巷道围岩控制、软岩巷道支 护设计与工艺及施工和监测方面都进行了试验研究1 9 】，并取得了一定的研究成果， 国内其他涉及到软岩的生产建设单位也都在软岩巷道和软岩隧道支护方面进行了 大量的试验工作，积累了丰富的生产实践经验【。进入8 0 年代，由于煤矿开采深 度日益加大，深井高应力软岩的普遍出现，更加推动了煤炭系统的软岩研究向纵 深层次发展，产生并形成了以“联合支护理论”圈和“松动圈理论”嘲为代表的多 个学派，9 0 年代以后，除煤炭系统又有新的研究成果外，其他相关单位也对此进 行了广泛而深入的研究并取得了长足发展。 从6 0 年代到9 0 年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不休，软岩的定 义多达几十种，到9 0 年代末期，由中国原煤炭部软岩专家组和煤矿软岩工程技术 研究推广中心组织专家专题讨论，提出了地质软岩和工程软岩的概念，提出了二 者的区别和联系，并建议在软岩工程中应用工程软岩的含义。地质软岩是指单轴 抗压强度小于2 5 m p a 的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。该类岩 石称为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质岩石等强度较低的岩石是天然形成的复杂的地 质介质。而工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体，这种 定义方法不尽重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力载荷大小，强 调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对实质。同 时，由于不同的软岩在工程荷载的作用下，产生塑性变形的机理不同，这也将导 致其在今后的工程支护中采用的方法也大不相同 】。为此，也很有必要再次对软 岩进行详细的分类。由此，根据软岩产生塑性变形的机理不同，将软岩分为四类， 即膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩，在此基础上，又对各类 软岩进行了分级i i 。同时又有众多学者对我国煤矿生产中常见的膨胀性软岩的力 学及化学特性进行了深入的研究【1 3 】，为以后的软岩支护工作提供了可靠的资料。 2 第1 章绪论 对于几百米甚至上千米埋深的煤矿软岩巷道，其支护荷载的确定也一直是一大难 题，通过科技攻关，也已基本解决，为定量化设计提供了可靠的数据。 近些年来，煤矿软岩工程支护在理论和实践上都取得了较大的进展。新奥法理 论、联合支护理论、围岩松动圈理论、高强度弧板支护理论、位移反分析理论、 以及软岩工程地质力学理论等不同学术理论在我国软岩工程实践中普遍采用，形 成了百花齐放、百家争鸣、不断完善的空前繁荣局面。在工程实践中，形成了锚 喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架系列技术、钢架支护系列技术，钢筋混凝土支 护系列技术、料石砌碹支护系列技术等，并取得了良好的支护效果【1 4 】f 1 5 】。 8 0 年代出现的计算机数值模拟计算，也为煤矿支护的设计提供了一种更为准 确、快速的设计方法。同时巷道围岩变形监测等施工检测及信息反馈，都为软岩 支护的正确设计及支护效果的评价提供了有效的途径。 总之，软岩以其大变形、高地压、难支护的特征引起了采矿工程和岩石力学工 作者的普遍关注。国内外许多学者在这方面做了大量的研究工作，主要研究成果 体现在以下几个方面【1 6 】【1 7 】【1 8 】： ( 1 ) 明确了软岩的概念并进行了工程分类，为不同软岩的支护技术与研究工 作奠定了基础； ( 2 ) 对软岩的工程特性和力学特性进行了大量试验研究和地质调查，初步确 定了软岩巷道的支护荷载； ( 3 ) 提出了多种软岩工程支护理论如新奥法理论、联合支护理论、围岩松动 圈理论、位移反分析理论等。并在我国软岩巷道支护实践中普遍采用。在软岩巷 道支护方面形成了锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架注系列技术以及钢架支护 系列技术。钢筋砼支护系列等； ( 4 ) 在软岩巷道支护设计方面，初步形成了一套比较成熟的类比定性、定量 计量和施工位移反馈相结合的动态综合设计方法，特别是施工监测和反馈设计在 实践中得到了广泛应用，非线性大变形力学设计理论和方法的应用，为软岩巷道 支护提供了一种新的有效途径。 1 3 主要研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 围岩物理力学特性及工程响应研究 河南理工大学硕士学位论文 周岩物理力学性质实验； 围岩松动圈测试： 锚固力、粘结力测试； 地质力学评估。 ( 2 ) 稳定性分析及控制策略研究 高应力、软弱、碎胀、泥化、复合型工程软岩多次翻修后力学机制分析； 支护形式选择与稳定性分析； 支护方案设计。 ( 3 ) 方案实施与效果评价 观测内容与观测方案制定； 方案实施与优化。 1 3 2 技术路线 技术发展状况调研一试验地点地质力学等评估一巷道变形破坏的力学机制分 析一巷道控制对策及基本方案一方案具体化及工程实施、改进一总结、推广。 第2 章工程概况及巷道围岩地质力学评估 2 工程概况及巷道围岩地质力学评估 2 1 工程概况 章村矿为斜井开拓，主采2 # 煤层，分水平上、下山开采。西翼改造工程位于 第二水平即2 0 0 m 水平西翼，上部为4 2 2 2 采区，下部为4 2 2 4 、4 2 2 6 采区，是西翼 开发的咽喉要道。西翼工程巷道为穿层布置，总工程量1 0 0 0 m ，围岩为极难维护 的碎胀岩层，多次变形整修，维护十分困难，其中主要大巷为机、轨合一，断面 较大。由于东翼采区开采即将结束，急待开发西翼接替采区，所以解决西翼工程 支护技术研究势在必行。 西翼工程巷道标高为一2 0o i i l ，地面标高+ 1 7 5 巷道埋深3 7 5 m 。西翼工程位于区 域向斜轴一侧，并靠近西部r 大断层，地质构造较为复杂，巷道穿过断层，该走 向为n e 及n w 向，落差o 3 2 8 m ，一2 0 0 西翼工程上部受已开采的老空区影响， 该采空区边界距西大巷为4 0 m ，下部也有已开采区，但距离西翼工程较远( 2 2 0 m ) ， 影响较小。 由于煤岩层变化，一2 0 0 水平西翼工程巷道穿层布置，自2 # 煤顶板1 9 m 处到底 板8 m 处。2 # 煤直接顶为复合顶板，夹有多层煤线，软硬互层，穿越岩层厚度约为 2 7 m 左右，主要岩性为砂质泥岩及粉细砂岩，层理极为发育，分层厚度为o 1 1 o 米，且岩石结构松软，煤层顶板张性裂隙发育，岩石较破碎；煤层底板为黑色泥砂 岩，泥质胶结，硬度较低。由于煤层顶、底板松软破碎，软硬互层交织，作为穿层 巷道的西翼工程围岩条件恶劣，给支护带来了极大的困难。 该巷道初次掘进为1 9 9 3 年，施工部分巷道，巷道断面规格尺寸为4 2 3 o m 直墙半圆拱断面，掘进方式为炮掘。掘进断面1 1 7 m 2 ，净断面l o 7 m 2 ，支护形式 有两种，在围岩相对完整的岩巷中为锚喷网联合支护，锚喷厚度为0 1 2 m ，锚杆长 度为2 0 0 0 m m ，间排距为8 0 0 8 0 m n m 。在冒顶较严重的部位和煤层中为u 2 5 型钢 支护，2 0 0 3 年初翻修，翻修巷道部分采用u 2 5 型钢支护，支架间距7 0 0 呦。采用 上述支护方式，掘进及翻修后效果不好。巷道变形量较大，3 4 天的两帮移近量达 到2 9 8 m m ，平均8 8 础n d ，顶底板移近量达到3 1 5 m m ，平均9 3 1 r n d ，此后的变 形无降低的趋势，如图2 1 所示，巷道变形破坏情况如图2 2 。在部分地段( 交叉 点及附近) 采用锚索加固方法，锚索长度为7 m ，间排距为1 5 m ，然而由于巷道变 形、锚杆变形与锚索变形不协调，围岩变形产生的力( 变形力) 与锚杆和锚索的 河南理工大学硕士学位论文 承载能力不协调，5 0 以上的锚索要么被拉断，要么被拉出来，造成巷道变形破坏 一翻修一再破坏，安全程度低，并造成新的开拓准备滞后，采掘接替紧张的被动 局面，严重影响矿井的正常生产和经济效益的提高。 2 2 地质力学评估 2 2 1 巷道围岩性质 围岩条件复杂，西翼工程巷道穿层布置，自2 # 煤顶板1 9 m 处到底板8 m 处。2 # 煤直接顶为复合顶板，夹有多层煤线，软硬互层，穿越岩层厚度约为2 7 m 左右，主 要岩性为砂质泥岩及粉细砂岩，层理极为发育，分层厚度为0 1 1 0 米，且岩石 结构松软，煤层顶板张性裂隙发育，岩石较破碎：煤层底板为黑色泥砂岩，泥质胶 结，硬度较低。由于煤层顶、底板松软破碎，软硬互层交织，巷道掘进素描如图2 3 。 岩性综合柱状如图2 4 。 为了进一步了解围岩强度情况，对该范围内的岩层进行取样试验，试验按中华 人民共和国煤炭工业部部标准岍3 8 4 8 8 7 煤与岩石物理力学性质测定方法进 行。在穿过的岩层当中，只有较厚层细砂岩、砂质泥岩取样后能加工成标准试样 进行试验，其它岩层如炭质泥岩、粉砂岩等岩层由于分层厚度较小或松软破碎而 无法加工成标准试样。 经试验细砂岩单向抗压强度为5 7 9 1 0 d a ，抗拉强度为1 2 3 7 肋d a ，弹性模量e ，为2 3 2 g 砌，变形模量艮为1 4 6 0g 砌，泊松比为0 2 4 7 ：砂质泥岩单向抗压 强度为1 3 2 9 庸物，抗拉强度为o 4 6 唐阮，弹性模量e 。为8 5 1g | 砌，变形模量氏 为2 6 0g 阮，泊松比为o 2 6 4 。 1 8 、2 4 煤试验采用捣碎法测定。将煤样用小锤制成块度为2 0 一3 0 m m 小块， 用孔径为2 0 3 0 咖的筛子筛选，称5 0 9 为一份，每5 份为一组，共分3 组。然 后将捣碎筒置于水泥地上，放入试样一份，将2 4 公斤的重锤提高到6 0 0 m m 高度， 是其自由落下冲击试样，每份冲击3 次，把5 份捣碎后一起倒入孔径为o 5 m m 的 分样筛中进行筛分。将筛分下的粉末倒入计量筒内，轻轻敲打使其密实，然后轻 轻插入具有刻度的活塞尺，计量粉末的高度。煤的坚固性系数按下式计算： 第2 章工程概况及巷道围岩地质力学评估 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 测站3 两帮变形蛔 3 s o 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 涮站3 顶底变形量( 皿) 图2 1原返修巷道围岩变形情况 f i g 2 ld e f o m l a t i o nc o n d i t i o ni nr e p a i rt u n n e l 2 0 刀 ，= 一 。 工 式中；f - 一煤的坚固性系数；n 一一每份冲击次数，次：l 一煤试样筛下的粉 末的计量高度，啪。 煤样试验结果为：l 。煤、2 煤的坚固性系数f 平均分别为0 3 和0 6 。 煤岩样试验结果表明，该巷道围岩强度从最软的煤层到较坚硬的细砂岩层强 度差异约为2 0 倍，试验表明，该巷道岩性不属于纯粹的松软围岩变形性质，而是 薄、厚、软硬交织的工程软岩，围岩势必表现出极不一致的变形特征m 。 2 2 2 地应力 该区域应力条件复杂，根据此前在一2 0 0 水平进行的原岩应力测量，最大主应 力方向与巷道轴线基本垂直，垂直应力。产1 5 8 解) a ，水平应力口，= 1 8 o 由r 尸a ，o x z = 8 3 埘d a ，主应力比值为1 ：1 1 4 ：o 5 3 ；可见，该区域受构造应力控制；受其影 响巷道两帮变形严重( 图2 一1 ) ，部分巷道成尖项型破坏。上部有工作面开采，受 一g一蚓繁制 河南理工大学硕士学位论文 固定支撑压力影响巷道周边应力集中系数大于2 。 2 2 3 地质构造及开采影响 自井底车场联络巷以西4 2 2 6 采区西部边界，有一落差7 0 m 一2 0 0 m 的大断层， 在井底车场联络巷以西1 6 0 m 处有一小断层，落差2 8 m ( 见图2 1 ) ，岩层倾角较 缓。一2 0 0 水平西大巷处由于受该区大的构造控制，煤岩层呈现一宽缓背斜。西翼 工程上、下部均有已经开采的采空区，而上部为2 1 1 3 采区的采空区，距离西翼大 巷距离为4 0 m ，下部为2 5 采区，采空区距大巷距离为2 2 0 m 。该区构造及开采活 动对西翼工程围岩应力有直接影响。 2 2 4 水文地质 该巷掘进主要水源为2 。煤层顶板砂岩水，外段预计涌水量1 5 m 3 h 。据调查前 方可能有小窑采空区，空区内有积水。静水量及积水范围不详，有待进一步调查， 并进行防探水工作。4 2 2 l 巷道相对位置往前预计涌水量4 0m 3 h 。涌水对巷道维护 特别是对底板稳定产生严重的影响，在巷道中，受水侵蚀的巷道底鼓严重( 见图 2 2 ) 。 2 ，2 5 重复返修遗成多处高冒区 由于巷道多数经过两次返修，部分三次返修，使部分地段形成冒顶高度5 m 8 m 及8 m 以上的高冒顶区，且含两个交叉点，工程难度较大。 8 第2 章工程概况及巷道围岩地质力学评估 豳2 2 巷道实际变形破坏图片 f i g 2 2p i c t u r eo f t u n n e ir e a id e f o r m a t i o n 翻i u 他 图2 3 2 0 0 大巷掘进素描及巷道平面图 f i g 2 3p l a i l e6 9 u r ea i l ds k 毗c hi nd r i v 堍m a j o rt u n n e l 9 河南理工大学硕士学位论文 2 3 小结 编号名称厚度 l 细砂岩 4 2 2 粉砂岩 2 2 3 细砂岩 1 o 41 # 煤2 5 l 5 粉砂岩0 3 6 6 细砂岩 6 0 7 粉砂岩5 8 8 2 1 煤 1 9 9 粉砂岩 3 o l o 炭质泥岩 o 4 1 l 粉砂岩 o 9 1 22t 煤0 5 1 3 炭质泥岩 0 3 1 4 粉砂岩 o 4 1 5 2 - f 煤 o 7 瓣 1 6 砂质泥岩 3 6 黧懋 渊 蔡攀 簟 黧 褥勰 黛 麓 a 础 曼 蚕 羞觜 m m 1 7 粉砂岩 2 6 1 8 中粒砂岩 6 6 1 9 粉砂岩 6 6 图2 4 钻孔柱状图 f 培2 - 4 幽1 1c o l u m n 根据以上分析，一2 0 0 西大巷工程具有如下特点： ( 1 ) 围岩性质复杂，围岩强度低。一2 0 0 西大巷为穿层巷道，2 # 煤顶板1 9 m 处到 底板8 m 处。2 # 煤直接项为复合项扳，夹有多层煤线，软硬互层，穿越岩层厚度约 为2 7 m 左右，主要岩性为砂质泥岩及粉细砂岩，层理极为发育，分层厚度为o 1 第2 章工程概况及巷道围岩地质力学评估 1 0 米，且岩石结构松软，煤层顶板张性裂隙发育，岩石较破碎；煤层底板为黑色 泥砂岩，泥质胶结，硬度较低。泥岩、炭质泥岩、粉砂岩取样困难，难以成型。 煤岩样试验结果表明，该巷道围岩强度从最软的煤层到较坚硬的细砂岩层强 度差异约为2 0 倍，该巷道岩性不属于纯粹的松软围岩变形性质，而是薄、厚、软、 硬交织的工程软岩”3 。 ( 2 ) 围岩应力高，应力条件复杂。该区域受构造应力控制：受侧压影响，巷道 两帮变形严重。上、下部有工作面开采，受固定支撑压力影响也较明显，巷道周 边应力集中程度较高。 ( 3 ) 受水侵蚀的巷道底鼓严重。2 # 煤层顶板砂岩含水。巷道有淋水现象，水 对巷道维护特别是对底板稳定产生了严重的影响。 ( 4 ) 巷道经两次翻修，部分地段经历三次翻修仍未稳定，围岩松动范围大于3 m 。 河南理工大学硕士学位论文 3 翻修巷道围岩变形破坏机理及控制思路 3 1 2 0 0 西翼工程巷道的基本特点 如第2 章所述，- 2 0 0 西翼与其它一般巷道相比较，有其以下的基本的特点。 ( 1 ) 该巷道为多次翻修巷道。巷道多次翻修引起巷道周边围岩重复松动、重 复破坏。从围岩周边破坏情况来看，与新开巷道相比较，返修巷道周边围岩松动 范围的发展变化有其自身的特点。因而决定了新开巷与返修巷在支护对象上的差 异。 巷道开挖前，巷道周边的岩石处于原岩应力平衡状态；开挖以后，围岩应力 将发生两个重要变化：一是巷道周边径向应力为零：二是围岩产生切向应力集中， 其结果使巷道周边形成定的松动范围。图3 1 所示为巷道围岩松动范围变化示意 图。0 h = 为巷道变形后实际半径。_ c = 三为松动范围的厚度，址为需返修扩 挖的宽度。 在巷道返修过程中，当巷道刷大时，a b 之间的岩石被挖去，破坏了原巷道的 力学平衡体系，围岩松动圈的起始点由a 点变成b 点，因而b 点有如下应力特征 d 出= o 堡垒o 图3 1 扩巷围岩松动范围变化情况示意图 f i 9 3 - 1c h 柚g ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f a d j o m i n gr o c k sl o o s er a n g ei 1 1e x p a r i dt u n n e j 由围岩松动范围的性质可知，当a b 之间的岩体被挖掘后，巷道的松动范围重 新发展，最终松动范围的外边界由c 点发展到d 点。c 点到d 点的松动圈的变化 过程，伴随着b 、c 、d 之间的岩体各向应力的调整，结果是b c 问的岩体进一步 1 2 第3 章翻修巷道围岩变形破坏机理及控制思路 碎胀，c d 间的岩石发生破坏。可以用松动范围内围岩的碎胀应变的变化来描述巷 道返修时的支护对象，如图3 - 2 所示。 图3 2 围岩松动范围内碎胀应变曲线 f i g 3 2b r o k e ne x p 蛐ds 廿试nc u r v ei n1 0 0 s er 狮g eo f a d j o i n i n gr o c k 图3 2 中，占，为围岩松动范围内各点的碎胀应交，占，为巷道返修前围岩松动 范围内的碎胀应变，占。：为巷道返修后松动范围内的碎胀应变【1 9 】【2 0 1 。 ( 2 ) 穿层巷道。围岩强度差异很大，交形性质不一致( 属薄、厚、软、硬交 织的工程围岩) ，引起围岩应力及变形差异性，从而导致在巷道不同位置、不同部 位产生应力集中，致使巷道破坏。翻修时巷道打开后可以看出，巷道周边的软岩 被挤压、挤出，部分成饼状。失去约束力，硬岩则受不均匀变形的影响，出现大 大小小的裂缝。 ( 3 ) 巷道围岩受较高水平应力作用，出现明显的非对称性变形，在u 2 5 半圆 拱形支护的情况下，巷道一侧向内积压变形严重，同时，由于围岩的高应力、低 强度及受水的影响，底鼓明显。由于岩层倾角的影响，巷道两帮围岩性质不同， 变形也有较大不同，上帮围岩松散，因而变形量大：下帮相对硬岩层较厚，变形 量较小，在第一及第二次维修后，上帮变形量约为下帮的2 - 3 倍。 ( 4 ) 岩体整体强度低，巷道围岩中岩层分层厚度最薄的小于0 1 m 。弱面夹层 十分发育，围岩体总体承载能力低，围岩结构承载能力取决于围岩结构中软弱夹 层的承载能力。在高围岩应力作用下，围岩应力超过岩体长期强度，甚至达到和 超过岩体的破坏强度【2 ”，即： o 【o 】 u 叫 式中：o 为工程荷载似p 口) ， o 】为岩体整体强度( 护，u 为巷道变形( m m ) ， u 】 为巷道允许变形( m m ) 。致使脆性围岩龟裂碎胀、软弱层围岩破碎后遇水膨胀，造 成变形持续不止，巷道围岩变形具有明显的时间效应，第二次翻修后，4 0 天围岩 河南理工大学硕士学位论文 变形达到3 0 0 m m 以上，平均日变形速度超过7 5 “l m d ，变形不易得到控制，流变 变形显著，长期难以稳定，最终导致巷道破坏。 某一断面的围岩结构强度实际取决于巷道中软弱夹层的强度。研究表明，当 巷道中软弱夹层占巷道内层厚的1 3 后，围岩结构的破坏则受软弱夹层的控制。 从巷道修复开挖过程看到，巷道周围岩体中微裂缝的形成导致容积增大，微 裂缝的形成和非弹性变形的继续增长，使局部变形破坏逐步发展成较大的裂隙、 裂缝，加剧巷道的破坏过程，导致岩石向巷道中部移动。 微裂缝的出现说明长期加载时岩石强度降低，岩体强度的下降导致大大小小 裂缝出现。由于切向应力随岩体深度降低，距巷道周边某一距离处岩石不再发生 破坏。 巷道周边应力超过岩石瞬时强度o 。，即当应力强度达到最大值时围岩立即发 生破坏这在一2 0 0 西翼工程围岩变形过程中随处可见。 ( 5 ) 巷道的破坏特征。翻修巷道采用半圆拱u 钢支护时，巷道支架扭曲破坏， 四周来压，其中，以上帮来压最为明显，变形显著，断面规格为4 2 3 0 m 直墙半 圆拱巷道，不到一年即成为爬行巷道。 翻修巷道采用锚喷网+ 锚索加固支护。其中相当一部分锚索被拉断或被拉出， 维护效果差，说明支护特性不适应巷道围岩变形特性，围岩的变形量大于支护允 许的最大变形量，支护同时围岩产生的变形压力大于支护系统的极限承载力 1 7 1 。 即： n e 且t p 式中，n 为一定支护条件下的围岩变形量， e 为该支护允许的最大变形量， t 为一定支护条件下围岩产生的变形压力，( p 为该支护系统的极限承载力。 综上所属，该巷道具有高地压、总体强度低，变形差异大、难维护、重复开 挖重复变形破坏等特点。这主要是由于受多种因素影响所致，因此，其变形机制 也必然是集多重机制于一体的复合型变形力学机制，是一种综合症和并发症。 3 2 2 0 0 西翼工程巷道的支护基本对策 不同的力学机制应采取不同的支护维护，对策也必然不同，鉴于该巷道的基 本地质条件及围岩变形破坏特征，因此在修复支护时应与该巷道的基本围岩特征、 工程特征、变形破坏特征相适应，其基本对策包括以下两个方面：一是支护方式 基本要求；二是施工质量基本要求。 1 4 第3 章翻修巷道围岩变形破坏机理及控制思路 3 2 1 支护方式基本原则 ( 1 ) 支护要能够提供足够高的支护强度。该巷道多次支护都没有维护住，而且 从此前的翻修支护方式看，存在的主要问题之一是支护强度低，因此，本次翻修 方案首要的是要提高支护强度，保证向围岩提供足够的支护抗力，限制可能对巷 道产生破坏的流变变形吲。 ( 2 ) 支护应允许围岩有足够的变形。特别是在重复翻修后，围岩松动范围很大 ( 超大松动圈) ，必然属大变形巷道，因此，支护方式应能适应大变形的要求。即 应采用可缩性强的支护方式】。 ( 3 ) 动态非同一支护、非等强支护。对予穿层巷道不同部位其巷道围岩性质不 同，要能够根据巷道岩性的变化适时调整支护方式及支护强度，实现动态支护； 另外，同一断面不同部位由于岩性差异较大，因此，应考虑采用不同的支护强度。 实现非等强支护。如改变锚杆锚固端长度，采用局部注浆加固等方法。 ( 4 ) 协调支护。此前翻修采用锚网+ 锚索，由于支护之间以及支护与围岩之间 变形不匹配，导致支护失败，因此，无论采用什么样的支护方式，都应使其做到 如下几点：a 支护之间的受力与变形协调，如锚、喷、锚索之间的协调；b 巷道断 面内不同部位之间的受力与变形协调，防止出现局部变形过大，从而导致整个巷 道失稳。 ( 5 ) 能比较有效的控制底鼓。 ( 6 ) 预留断面。根据可以接受的最大围岩变形，将其变形空间事先留出，保证 在围岩变形后仍能保证巷道正常功能的使用。 3 2 2 施工质量基本要求 ( 1 ) 现场施工时，应不放或少放炮，若放炮时应采取增加炮眼数量减少装药 量，最大限度地降低放炮震动对围岩造成的影响，尽景保证围岩的整体性。 ( 2 ) 支护时紧跟迎头，减少悬顶时间； ( 3 ) 加强施工质量管理，特别是支护质量管理。 3 3 2 0 0 西翼巷道的支护基本技术方法 前两次翻修均未成功，支护方面的原因一是采用的锚喷网支护系统参数不合 理，锚杆使用不当，支护不协调，未能实现高强等与围岩条件相适应的技术要求： 河南理工大学硕士学位论文 二是采用了非封闭被动支护，支护强度低，抗水平变形和控制底鼓的能力差等。 根据该巷道实际条件，本次主要采用以下两种支护方式。 ( 1 ) 采用粗尾等强、可延伸、超长、锚网喷支护系统o ” 为了提高支护强度，同时，保证锚杆有足够的延伸率，有效控制围岩变形， 拟采用最新研制的金属粗尾锚杆。”( 专利号：z l9 921 6 9 2 1 6 ) 。 大量研究结果表明，锚杆在井下实际应用中，锚尾部分的受力十分复杂，不 但承受轴向拉应力，还要受到弯曲应力的作用，工作条件恶劣，受力大，因此， 要求锚杆尾部的螺纹强度有效截面直径不小于杆体的实际公称直径，这样锚尾处 的极限度才能大于杆体强度。但是，由于生产技术水平和成本的限制，目前使用 的锚杆尾部螺纹强度有效截面直径比锚杆杆体实际公称直径小，导致锚杆尾部破 断载荷较小，在尾部发生破断时往往达不到螺纹钢钢筋的屈服载荷，锚杆杆体部 分不能产生延伸，降低了锚杆的整体延伸率，这样在巷道围岩变形量较大时容易 在尾部破断雨导致冒顶事哉和人身伤亡事故，给矿井的安全正常生产带来巨大隐 患。 采用粗尾锚杆可有效的克服上述问题，它主要由杆体及锚尾组成，杆体与锚 尾为同一材质的整体。该锚杆在结构上区别于其它锚杆的最大特点是：锚尾的螺 纹强度有效截面直径大于杆体实际公称直径，且杆体与锚尾为整体式连接而非焊 接方式。因而，锚杆整体抗拉强度高。试验表明，公称直径2 0 啪的杆体，杆体材 料为a 3 圆钢，粗尾锚杆的极限破断载荷比普通锚杆提高6 l ；当锚杆材料为 2 0 m n s i 螺纹钢时，提高了2 0 。锚杆整体延伸率大。锚尾不易首先发生断裂。因 为锚杆尾部经过加热、锻粗与冷却过程，使锚尾部分的组织晶粒进一步细化，组 织更加致密，提高了强韧性和综合机械性能，这样当锚尾横截面上某点应力过高 时通过塑性变形自动释放一部分过高的应力，及时调整整个截面上的应力分布状 态，使其接近受纯拉伸时锚杆截面上的应力值，避免了锚尾从某点首先出现裂纹， 从而导致尾部全断面断裂现象的发生。因此，无论锚尾处的受力状态如何，粗尾 锚杆锚尾的破断载荷都大大高于杆体的屈服极限，锚杆整个自由段的延伸率都能 充分发挥，克服了普通锚杆尾部破断载荷过低，在锚杆杆体发生屈服前就断裂的 缺陷，同时也提高了锚杆整体强度。在经济上更有优越性。金属粗尾锚杆除具有 优良的可延伸防破断性能外，在相同破断力条件下，比普通金属锚杆节约成本2 0 以上。因此，决定采用尾部镦头金属粗尾锚杆。 1 6 第3 章翻修巷道围岩变形破坏机理及控制思路 圈3 一l 金属租尾锚秆生产过程 f 嘻3 - 1p r o d u 嘶o np r i 摧燧o f m e t a l l i cl a r g e dp a r tb 0 1 t 采用科学的设计方法，以确定合理有效的锚喷网支护系统参数。 在锚喷网支护系统设计中应用计算机模拟技术。进行数值模拟计算，可以方便 地改进锚喷网支护系统参数，分析不同参数对围岩稳定性的影响程度及敏感性，进 行多方案选优，这是一种基于数值模拟的锚喷网支护系统设计方法，与初期的理论 计算、工程类比以及工程信息反馈相结合，以获得理想的结果。 根据工程需要确定合理的巷道断面形状及大小。由于该巷道为机轨合一的主要 运输大巷，使用过程中的翻修对生产影响较大，而高应力软岩巷道围岩变形量大， 因此，巷道断面设计时预留断面尤为重要。同时，设计采用可延伸锚杆及柔性网喷 系统，即喷层厚度及采用二次喷层方式，一次喷网厚度不大于5 0 m m ，形成柔性喷 层，允许巷道有较大的变形，让巷道在有约束的条件下使应力得到一定的释放。二 次喷射混凝土的时间根据巷道变形监测结果而定，待巷道变形基本稳定后再进行二 次支护。 ( 2 ) 可缩性方环型3 6 u 支护【2 6 】 由于该巷道为穿煤层巷道。部分地段穿越煤层，围岩松软破碎，且经几次翻 修，部分巷道已经造成高达8 m 以上的冒顶，底鼓严重，为了确保巷道支护有效、 安全、经济，在这些地段，一般应采用高强封闭式u 钢支护。采用工程类比方法 确定采用3 6 u 可缩性方环型金属支架( 该支架己在淮南成功应用) 。因为，该支架 具有承载能力强，能承受较大的不均衡压力，断面形状合理等优越性。 该支架由4 节支架( 构件) 组成，节与节间用连接件连接。当拧紧连接件的螺母 或打紧连接件的楔子后，连接秆将支架节间搭接的型钢压紧，提供预紧力( 锁紧力) 。 1 7 河南理工大学硕士学位论文 要推动支架节间搭接部分滑动必须克服搭接部分型钢与型钢之间、型钢与连接件 之间的摩擦阻力。巷道掘进以后，围岩发生变形，压紧支架，支架承受载荷、产 生内力。内力中对支架力学性能最有影响的是轴力( 压力) 和弯矩。轴力推动支架节 间搭接型钢的滑动，而弯矩则阻止其滑动。支架内产生弯矩以后，就会造成支架 挠曲。设支架挠曲处中性层的陷率为i ，曲率半径为p ，弯矩为m ，型钢弹性模 量为e ，惯性矩为以，根据材料力学的推导，得到以下关系： 七：土；一旦 p日h 规定凹面向里的曲率为正，凹面向外的曲率为负，正弯矩产生负曲率，负弯 矩产生正曲率，因而式( 3 6 ) 中有负号。当彤。一定时，七与m 成正比，m 越大， 越大，型钢搭接处位移越加困难。从整体看，轴力是支架的内力，但将型钢从搭 接处切开来看，轴力则是推动型钢滑移的力。当轴力推动型钢时，连接件将发生 歪斜，连接件受力后也要产生交形，再加上弯矩产生的曲率，这些都使连接件与 型钢间的压力加大，这就是附加压紧力，预紧力加上附加压紧力就形成了型钢搭 接部分之间的摩擦阻力，当轴向推力小于这个摩擦阻力，支架不可缩，若轴向推 力大于摩擦阻力，型钢之间产生相对滑动，支架缩短。支架缩短以后，减少了支 架承受的外载，轴向推力小于摩擦阻力，型钢之间出现相对稳定，支架不再缩短， 与外载处于相对平衡状态。此后围岩继续变形，外载增加，弯矩和轴力又继续加 大，当轴向推力大于摩擦阻力时，两型钢搭接处又产生相对滑动，支架缩短，如 此反复。由于型钢第一次产生相对滑动以后支架形状发生了变化，两型钢搭接处 产生了错动，迫使连接件与型钢之间的挤压力加大，再加上支架、连接件变形加 大等原因，使得第二次滑动前的附加压紧力比第一次的要大，摩擦阻力也就增加， 需要更大的轴向推力才能使型钢搭接处产生相对滑动。由于产生滑动所需要的轴 向推力一次比一次加大，可出现了井下支架实际工作阻力的增阻现象池3 。 环形支架形成一个闭合体，一方面增加了支架本身的承裁能力，减少了支架 的变形损坏，另一方面由于支架底部封闭，对底鼓有良好的控制作用，对巷道两 帮的移近也有较强的控制能力。因此适应在该条件下的围岩松软、压力大、底鼓 严重、两帮移近量大的要求。 第3 章翻修巷道围岩变形破坏机理及控制思路 3 4 完善施工管理和监测 巷道支护特别是锚喷网支护是一项隐蔽性较强的工程技术，监测技术十分重 要，其中巷道表面位移测量、顶板离层指示仪监测锚固范围内外的顶板离层，以及 锚杆锚固力的测定是巷道普遍应用的常规监测技术。 在采用锚网喷施工地段，通过测试锚杆受力和巷道围岩位移，比较全面地了解 巷道支护的工作状态，尽而验证或动态修改锚杆支护初始设计，确保巷道修复成功。 3 5 小结 ( 1 ) 巷道为多次翻修巷道。巷道多次翻修引起巷道周边围岩重复松动、重复破 坏。巷道周边围岩松动范围由于返修而不断发展变化。与新开巷相比支护维护难 度较大。 ( 2 ) 巷道为穿层巷道。巷道围岩中弱面夹层和泥化夹层十分发育，围岩强度 差、变形性质不一，引起围岩应力及变形的差异，导致巷道不同位置、不同部位 产生应力集中，最终致使巷道破坏。 ( 3 ) 巷道围岩受较高水平应力作用，出现明显的非对称性变形。巷道一侧向 内积压变形严重，同时受围岩的高应力、低强度及受水的影响，底鼓明显。 ( 4 ) 岩体整体强度低巷道围岩中弱面夹层和泥化夹层十分发育，围岩应力 超过岩体长期强度，甚至达到和超过岩体的破坏强度。某一断面上的围岩结构强 度取决于巷道中软弱夹层的强度。研究表明，当巷道中软弱夹层占巷道内层厚的 l 3 后，围岩结构的破坏则受软弱夹层的控制。该段巷道软弱夹层厚度一般占巷道 总层厚的1 2 以上，因此，围岩结构失稳与软弱夹层有直接关系。 ( 5 ) 巷道的破坏特征。四周来压，其中，以上帮来压最为明显，变形显著。 这主要是由于受多种因素影响所致，因此。其变形机制是集多重机制于一体的复 合型变形力学机制，是一种综合症和并发症。 ( 6 ) 一2 0 0 西翼巷道的支护基本主要拟采用粗尾等强和可延伸、超长、锚网喷 支护系统和可缩性方环型3 6 u 支护。 ( 7 ) 为了保证技术的有效实施。必须完善施工管理和监测。 1 9 河南理工大学硕士学位论文 4 西翼工程复修控制设计方案 根据设计基本思路，控制设计主要包括以下三个方面的内容，一是锚网喷段 巷道设计；二是方环型支架设计：三是注浆加固方案设计。 4 1 锚网喷段巷道设计 4 ，1 1 断面选择 一2 0 0 西大巷，该巷道为机轨合一巷道，用于运输和通风，服务年限较长，围 岩松软，因此马蹄形和圆形巷道为主要选择对象。马蹄形巷道断面利用率较高。 施工相对容易。从保持巷道稳定性角度，圆形巷道受力较均匀。此段巷道围岩压 力大，和巷道主轴有很大夹角，使用圆形巷道较理想。考虑到巷道底鼓严重，巷 道断面选择圆缺形田1 。在围岩冒高可控的岩石段巷道，支护形式采用强力锚喷网 支护，锚杆采用粗尾等强、可延伸、超长锚杆，加长锚固。该支护方