（采矿工程专业论文）深部高应力膨胀性软岩巷道喷锚注支护研究.pdf

论文题目：深部高应力膨胀性软岩巷道喷锚注支护研究 专业： 硕士生： 指导教师： 采矿工程 黄超慧 伍永平 摘要 深部开采是煤矿和非煤矿未来发展的必然趋势。深 。签名继丝 是当 前矿业工程深部采掘活动的难点问题之一，能否解决好深部软岩巷道的支护问题，是矿 井开采向纵深发展和安全生产的关键。喷锚注支护是注浆加固滞后于传统支护的一种新 的支护技术，系统研究其支护能力及工程应用，具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文通过x 射线衍射( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 、岩石物理力学行为实验研究、 围岩收敛和矿压监测分析，界定了软岩巷道的类型：在对深部软岩巷道变形破坏特征和 变形破坏形态分析的基础上，系统地研究了围岩变形破坏力学机制，并成功实现了力学 机制其由复合型向单一型转化，提出了喷锚注支护；同时，通过对喷锚注支护机理与支 护原则分析，提出了最佳支护时间的概念与确定方法。根据深部高应力膨胀性软岩巷道 支护原则和控制技术，结合石嘴山一矿深部软岩巷道的特点，按组合拱支护理论设计， 采用喷锚注全断面支护，采用工程类比法对支护参数进行优化，利用有限差分f l a c 3 d 软件对支护效果进行模拟分析。 论文研究成果在石嘴山一矿极难支护的深部高应力膨胀性软岩巷道支护中得到了 应用，成功地控制了深部软岩巷道的变形及破坏，确保了该巷道的稳定性，验证了喷锚 注支护的合理性与可行性。 关键词：深部开采：高应力；软岩巷道；喷锚注支护 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ns p r a y i n g - b o l t i n g - g r o u t i n gc o m b i n e ds u p p o r to f s w e l l i n gs o f tr o c kr o a d w a yu n d e rh i g hs t r e s si nd e e pm i n e s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：h u a n gc h a o h u i ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：w uy o n g p i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) d e e pm i n i n gw i l lb ed e v e l o p e db yt h ec o a lm i n ea n dt h en o n c o a lm i n et h ei n e v i t a b l e f i e n di nf u t u r e t h ec o n t r o lo fd e e ps u r r o u n d i n gr o c k s s t a b i l i t yi ns w e l l i n gs o f tr o c kr o a d w a y u n d e rh i g hs t r e s si so n eo ft h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fm i n i n ge n g i n e e r i n gi nd e p t ha tp r e s e n t i ti s t h ek e yo ft h em i n et ot h ed e p t hd e v e l o p m e n ta n dt h es a f e t y , w h e t h e rc a nw es o l v et h e p r o b l e mo fs u r r o u n d i n gr o c k si n s o f tr o c kr o a d w a yt os u p p o r t s u p p o r to fg r o u t i n ga f t e r s p r a y i n ga n db o l t i n gn a m e ds - b - gi san e w m e t h o do fs u p p o r t i t sc a p a b i l i t yo fs u p p o r ta n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i sr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y , w h i c hi s v e r yi m p o r t a n tt h e o r y s i g n i f i c a n c ea n dv a l u a b l ea p p l i c a t i o n t y p eo fs o f tr o c kr o a d w a yi sd e f i n e db yi t sb e h a v i o re x p e r i m e n t 、v i mp h y r s i c sa n d m e c h a n i c s ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，a n a l y z i n go nm o v e m e n t a n dm o n i t o ru n d e r g r o u n dp r e s s u r eo fs u r r o u n d i n gr o c k s b a s e do nt h ea n a l y s i so ff a i l u r e f e a t u r e s ，d e f o r m a t i o ns h a p e sa n df a i l u r em e c h a n i s mo fs o f tr o c kr o a d w a yi nd e e pi ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y f a i l u r em e c h a n i s mo fm e c h a n i c si sc h a n g e df r o mc o m p l e xt os i n g l e n e s sa n d s - b gi sg i v e n a tt h es a l n et i m e ，i t sm e c h a n i s ma n dp r i n c i p l ei sa n a l y z e di nd e t a i l ，t h e c o n c e p t i o na n dj u d g e m e n to fo p t i m a ls u p p o r t i n gt i m ei sa d v a n c e d s u p p o r to fs - b gw i t h e n t i r ec r o s si sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt o s u p p o r t i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y s w e l l i n gs o f tr o a d w a yu n d e rh i g hs t r e s si nd e e pa n di t sc h a r a c t e r i s t i ci nn o1m i n eo f s h i z u i s h a n i t sp a r a m e t e ri sc a l c u l a t e do nc o m b i n e da r c ht h e o r ya n do p t i m i z e db yc o n s u l t i n g s i m i l i t u d ep r o j e c t s ，a n dr e s u l to fs u p p o r t i n gi ss t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hf l a c p r o d u c t i o no ft h ea r t i c l ew a sa p p l i e di nn o1m i n eo fs h i z u i s h a n ，a n dc o n t r o l l e d s u c c e s s f u l l yt h eg r e a td i s t o r t i o na n df a i l u r es o f tr o a d w a yi nd e p t h i t ss t a b i l i t yi se n s u r e d ， w h i c hh a sb e e np r o v e dr a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo f s u p p o r to fs b g k e y w o r d s ：d e e p m i n i n g ；h i g hs t r e s s ；s o f tr o a d w a y ；s u p p o r to f s b g t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 压要错技夫学 学位论文独创性说明 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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签日期：“争- 刁 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西安科技大学。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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签 日 1 绪论 1 1 研究的背景及意义 1 绪论 深部开采是煤矿和非煤矿未来发展的必然趋势。随着开采深度的加大，我国大部分 煤矿都出现了不同程度的软岩灾害，常导致矿井停产、停建等事故。煤炭资源在我国一 次性能源构成中占7 0 ，煤矿深部软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一 【l j 。我国已探明的煤炭资源占世界总量的1 1 1 ，而埋深在1 0 0 0 m 以下占煤炭资源总量的 5 3 【2 j ，大于6 0 0 m 的约占7 3 川。巷道掘进速度约6 0 0 0 k m a ，深部软岩巷道的占年巷道 总量2 8 3 0 【4 j ，而软岩巷道的返修率高达7 0 以上【5 】，尤其是深部软岩巷道破坏更加严 重，据顿巴斯煤炭科学研究院研究，从6 0 0 m 开始采深每增加1 0 0 m ，顶底板移近量增加 1 0 1 l 1 6 j 。我国煤矿部分已进入深部开采，如沈阳采屯矿采深达11 9 7 m 、长广煤矿达 1 0 0 0 m 、新演孙村矿1 0 5 5 m 、北票冠山矿1 0 5 9 m 、徐州张小楼矿1 1 0 0 m 、开滦赵各庄矿 1 1 5 9 m 等【7 4 j 。目前，煤矿采深以8 1 2 m a 的速度增加，东部矿井正以1 0 - 2 5 m a 的速度发 展，预计未来2 0 a ，很多煤矿将进, a 1 0 0 0 1 5 0 0 m 的丌采深度 1 0 , 1 1 1 ，深部开采的问题将越 来越突出。 软岩巷道支护仍是当今世界地下工程中一项重要而复杂的技术问题【1 2 1 ，深部软岩巷 道支护是一个重要的研究方向，它是老矿井向纵深发展的关键性技术之一。长期以来， 我国煤矿处于浅部开采阶段，与德国、前苏联、日本、波兰等国相比，深部开采经验不 足。近年来，我国大部分矿井已进入深部开采，许多专家、学者为此进行了大量的理论 研究和工程实践取得了一些成果，但深部软岩巷道支护依然面临新的难题与挑战。因此， 加大深部软岩巷道稳定性控制研究，加快试验适合深部软岩巷道的支护方式，为我国矿 山深部开采提供支护技术保障，对矿山可持续发展具有重要理论意义和工程应用价值。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 深部软岩是随着采矿及地下工程活动的不断深入出现的，尤其是煤矿软岩问题更加 突出，已成为国内外共同关注的焦点。国外深部开采现状：英国、日本、德国、波兰等 煤矿采深为11 0 0 1 4 0 0 m ，俄罗斯、印度及南非等国的金属矿山已深达3 8 0 0 m ，平均延伸 速度为8 - 1 6 m a ：而我国重点煤矿平均采深变化趋如图1 2 i l 。近年来，我国统配煤矿大 部分矿井的采深已达5 0 0 1 0 0 0 m ，个别矿井深达1 1 0 0 m d a 上l “j ；德国开采深度在 7 0 0 - 1 5 0 0 m ，平均采深接近9 3 0 m b s ；南非金矿开采深度达3 8 0 0 m ，据预测南非在2 0 1 0 年 开采深度达3 0 0 0 m 的矿井将占3 0 b 6 】，都不同程度地出现了软岩问题，造成巨大的经济 损失。据淮南矿务局不完全统计，由于巷道变形造成的维修费，每年都在千万元以上。 西安科技大学硕士学位论文 对全国重点煤矿的调查表明，近l o a 的支护费用增加了1 4 倍，但一些矿井的复修量仍超 过4 0 ，甚至更耐7 1 。因此，深部软岩巷道稳定性控制是制约煤矿纵深发展的瓶颈。 j m j 4 o 2 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 州恤l 旭 9 献j 1 9 9 5 2 0 ( m2 0 1 0 2 0 2 0 图1 1 国内重点煤矿平均采深变化趋势 1 2 1 国内外深部软岩巷道支护理论研究 国外以南非为代表的深部开采研究从2 0 世纪8 0 年代初期开始，其他国家如俄罗斯、 波兰、英国、德国、印度、日本等都进行过深部开采的研究 2 1 。大量的工程实践使软岩 支护有了比较系统、全面的发展，各种支护理论和技术都得到了不断完善和推广【1 ”。1 9 5 8 年我国开始软岩巷道支护系统研究，因北京市西部九龙山向斜北翼安家滩井田发生巷道 失稳而报废带来了软岩支护的萌芽l l ”。2 0 世纪8 0 年代末开始深部开采研究，“八五” 和“九五”期间都曾作过系统研究o ，1 8 】。尤其在2 0 世纪9 0 年代初，中国岩土力学与 工程学会软岩工程专业委员会以及全国煤矿软岩工程技术研究推广中心的成立，推动了 软岩巷道支护理论的快速发展【l9 1 。其基本的支护理论是以海姆( a h a i m ) 、朗金 ( w j m r a n k i n e ) 和金尼克( a h 1 4 h h k ) 为代表的古典压力理论、太沙基( k t e r z a g h i ) 和( m m r i p o t o 耶h k o 肿b ) 理论、芬纳( f e n n e r ) 公式和卡斯特纳( k a s t n e r ) 公式【1 0 、日 本同山地宏和樱井春辅的应变控制理论【2 ”、陈宗基院士的岩性转化理论、于学腹教授的 “轴变论”理论及方祖烈教授的主次承载区支护理论等。综合国内外软岩巷道支护的研 究与发展，主要支护理论如图1 2 。 ( 1 ) 新奥法( n e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ，n a t m ) 。新奥法是奥地利学者 l v r a b e e w i c z 在2 0 世纪5 0 年代提出的一套隧道设计、施工新技术。经不同国家工程 实践和理论发展，随后应用于煤矿软岩支护。目前，己成为软岩支护最基本的理论之一 捌。1 9 8 0 年奥地利土木工程学会地下工程分会把新奥法定义为：“在岩体或土体中设 置的以使地下空间的周围围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的隧道设计施工 方法” 2 3 1 。此定义揭示了新奥法的核心问题利用围岩自承能力，使围岩本身形成支 2 1 绪论 承环。然而，新奥法对软岩流变、蠕变性等问题考虑甚少，需进一步完善。 软 山 石 巷 道 支 护 理 论 定性支护理论 定量支护理论 新奥法理论 联合支护理论 锚喷一弧板支护理论 松动圈支护理论 软岩工程力学支护理论 考虑流变、软化、损 伤、断裂等作用的围 岩力学模型研究理论 图1 2 软岩巷道主要支护理论 ( 2 ) 能量支护理论。2 0 世纪7 0 年代的萨拉蒙( m d s a l a m o n ) 等提出了能量支护 理论【l ，2 l j ，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，但总能量没有发生变化。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。 ( 3 ) 联合支护理论。联合支护理论是由陆家梁，冯豫，郑雨天，朱效嘉等结合软 岩实际，在新奥法理论的基础上发展起来的【1 8 ，其观点概括为：软岩支护要先柔后刚， 先让后抗，柔让适度，稳定支护，不能一味地追求加强刚度。 ( 4 ) 锚喷一弧板支护理论。在联合支护理论基础上郑雨天教授、孙钧院士和朱效嘉 教授提出锚喷一弧板支护理论【2 3 ，该理论认为：对软岩总是强调放压是不行的，放压到 一定程度，要坚决顶住，即采用先柔后刚的刚性为“钢筋混凝土弧板”的支护限制和顶 住围岩向中空的位移。 ( 5 ) 围岩松动圈理论。董方庭教授提出了围岩松动圈支护理论，其主要内容是： 凡是坚硬围岩的裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然 存在，但并不需要支护【2 4 j 。围岩松动圈越大，其收敛变形越快，支护越困难。巷道围岩 支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。 ( 6 ) 软岩工程力学支护理论。何满潮教授提出了软岩工程力学支护理论，应用工 程地质学和现代非线性大变形力学相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出了 以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论 1 , 3 , 2 5 , 2 6 。它涵盖了从软 岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续性到软岩变形力学机制的确定、软岩支护荷载 的确定及软岩非线性大变形力学设计方法等内容。 西簧科技大学硕士学位论文 ( 7 ) 数值计算法。在工程实践中，常用的计算方法有有限单元法、边界法、离散 元法等1 2 ”。随着计算机的发展，以此为理论基础数值模拟计算软件大量涌现，如a d i n a 、 n o l m 、f i n a l 、u c d e 、s a p 、f l a c 、a n s y s 等程序都已为用户熟知，这些软件与 支护理论相结合，在巷道支护设计中得到广泛的应用。同时，因无法测试到准确的岩体 力学参数，使人们开始怀疑计算机模拟的可靠性。 1 2 2 国内外深部软岩巷道支护技术发展 英国、德国、法国、俄罗斯、波兰等西欧国家直到2 0 世纪8 0 年代仍以金属支架为 主，以其良好的支护效果，在浅部开采中得到了发展【28 1 。随着采深的增大，赋存条件的 复杂化，深部软岩巷道采用传统支护已不能控制其稳定性，需不断进行翻修处理，甚至 报废，已不适应煤矿深部开采的需求。后来，引进美国、澳大利亚的锚杆支护技术。目 前，西欧大多数国家各类不同类型的锚杆、组合锚杆、锚杆桁架及锚索支护约占支护总 量的9 0 ；而比利时在软岩巷道支护中利用全断面掘进机掘进，并使用高强砼一弧板，并 且大弧板支架的成本不到u 型钢可缩性支架的一半，而其承载能力比后者高约2 倍【2 9 1 ， 因施工中壁后充填缓冲层预留大变形层的施工工艺及设备的不配套，未能得到大力推 广。美国、澳大利亚在近几十年的煤矿深部开采中，一直以锚杆支架为主体进行联合支 护1 2 。深部围岩一般采用锚网、组合锚杆( 网) 、高强超长锚杆( 网) 等支护形式；对 于极不稳定围岩主要采用组合锚杆桁架、锚索支护、锚喷网与锚索联合支护等形式。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国从支护材料、支护形式和支护工艺改革等方面着手对深 部软岩巷道支护进行研究，发展形成了锚喷支护、可缩性金属支架和高强混凝土弧板支 架系列及锚杆、锚索和注浆等联合支护系列等软岩巷道支护体系。 ( 1 ) 深部软岩巷道支护技术的发展 深部软岩巷道的支护技术按支护一围岩相互作用关系与实质来看【3 0 】，分为3 个阶段。 通过提供外力的方式直接作用于巷道围岩表面，如金属支架、砌碹等，其主要特点是 都属于刚性支架，通过支架产生被动的径向约束力来平衡围岩的变形压力，减少围岩变 形；而可缩性支架则有利于实现让支平衡，对软岩的适应性有所提高，但随着采深不断 加大，需要控制围岩大变形，而支护费用增加很多，支护效果却得不到明显改善。大量 的实践证明，单纯依靠增加支架刚度已经不适应深部软岩巷道变形的要求。锚杆、锚 索等联合支护，不仅能提供施加于巷道表面的力，而且能与巷道围岩内部建立某种相互 作用关系。常用锚喷支护以不同的锚固长度直接作用于巷道周边一定范围内的岩体，约 束杆体周围岩体的相对变形，常和围岩表面喷射混凝土结合，具有及时性、密贴性、封 闭性和经济的特性被广泛采用1 3 ”。因工程特点、锚固材料、施工等影响，在软岩巷道中 应用，其可靠性、安全性及支护效果不很理想。锚注加固技术直接作用于巷道围岩结 构，根本上改善围岩性质，提高围岩力学性能，改善围岩应力分布状态【3 2 l 。通过浆液渗 4 1 绪论 入岩体中，提高弱面抗变形性能，提高岩体整体抗变形刚度，增强弱面连续性，改善岩 体内应力分布，减缓应力集中，增高岩体强度。强化原支护结构体，加长锚杆的约束长 度，强化锚固区岩性，锚固力得以提高，同时对表面破裂岩体也减少了锚固失效现象； 还能改善围岩赋存环境，常用于较难维护的软岩巷道，封闭弱面及裂隙，阻止水对岩体 的水理作用和风化影响，确保软岩的承载能力。 ( 2 ) 我国煤矿深部软岩巷道常用支护技术 锚喷支护。锚喷支护先后形成了单一的木锚杆、金属锚杆、砂浆锚杆支护，到喷 砼支护并进行光面爆破；在此基础上形成了锚喷支护技术，在煤炭工业部大力支持，锚 喷支护相继在淮南、开滦、阜新、抚顺、鹤壁、大同、新汶等软岩巷道中得到了广泛应 用。工程实践使锚喷支护得到不断完善，开展针对性的软岩巷道支护试验研究，最大成 功就是锚喷支护与光面爆破得到了有机结合，最大限度地保护围岩的强度和整体性，充 分发挥围岩的自承能力。锚喷支护对浅部巷道仍发挥起重要作用，但对于深部软岩巷道 的非线性大变形的特性已不相适应。 可缩性金属支架。可缩性金属支架广泛应用于铁法、兖州、徐州、开滦、平顶山 等矿区使用【33 1 ，主要采用矿用工字钢、u 型钢支架。采用钢性支架提高了支护力，而支 架的可缩性又适应了围岩的大变形特性，同时不仅改善巷道的稳定性，而且减少了维护， 提高使用率，过高的支护成本，没有配套的机械设备，增加了劳动强度，己不相适应煤 矿高产高效的发展。 高强砼弧板支架。在煤矿深部地层中，有断层及其它地质构造利用高强砼弧板支 架能有效控制围岩大地压、小变形及流变引起失稳。全断面封闭和密集连续式的高强钢 筋砼板块结构巷道支架，首先在淮南矿区得到成功利用并在东北大桥煤矿、广西右江矿 务局加以推广【3 4 1 。其缺点是安装机械手不配套，壁后充填缓冲层预留大变形层的施工不 配套，不能适应软岩巷道的大变形规律。 锚注加固技术。注浆技术在工程上第一次应用是2 0 0 a 前的法国土木工程师查理 斯贝里格尼( c h a r l e s b e r i n g ) 进行地基加固【3 5 j 。我国对注浆技术的研究和应用起步较晚， 2 0 世纪5 0 年代初期开始矽化法在矿山行业中采用井巷注浆技术实践应用。“八五”重 大科技攻关课题提出了将锚杆和注浆结合的锚注一体化支护技术。锚注加固技术实用性 强、应用范围广，己广泛应用于矿山、地下建筑、大坝、隧道、地铁、桥梁和土木工程 等各个领域。锚注支护是一种新型支护加固方法，在深部软岩巷道应用中能充分发挥和 调动围岩的承载能力【3 ”，为巷道稳定性控制提供良好的围岩环境，是深部软岩巷道支护 一种重要技术。2 0 世纪8 0 年代以来，以支护为目的的巷道围岩注浆技术在苏联、德国 等地开始研究与推行，我国同期也在深部复杂和不良岩体的巷道工程中采用注浆技术。 典型的实例有金川镍矿用注浆法后取得了良好效果【3 ”；山东龙口矿区采用注浆加固与锚 喷支护或锚喷架联合支护治理深部软岩巷道取得实效；徐州旗山矿采用锚注支护技术维 西安科技大学硕士学位论文 护巷道取得成功；抚顺矿区采用卸压加固注浆取得成功；徐州矿务局朱仙庄煤矿、芦岭 煤矿的新掘巷道、修复岩巷和煤巷中应用注浆加固技术控制围岩变形取得明显效果 3 8 l 。 随着全球煤矿支护技术交流的加强，国际间合作的扩大，形成了适应深部软岩巷道 高地压、大变形、难支护的特点的综合控制技术。从软岩巷道支护开始研究到现在，软 岩巷道支护形式多种多样，发展为多次支护、联合支护、并形成了不同系列支护技术， 如锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架等系列技术、钢架支护系列技术、钢筋混凝土支 护系列技术、料石碹支护系列技术、注浆加固系列技术和预应力锚索支护系列技术【1 9 l 。 我国深部软岩综合支护技术体系可概括为：综合治理，联合支护，长期监控，因地制宜。 1 3 研究的内容及方法 1 3 1 技术路线 根据深部高应力膨胀性软岩巷道围岩稳定性控制的需要，更好地解决其变形破坏问 题，拟采取的技术路线如图1 3 所示。 图1 3 技术路线图 1 绪论 1 3 2 研究内容及方法 论文结合石嘴山一矿深部软岩巷道的特点及变形破坏特征，采用理论分析、数值模 拟计算、矿压监测及工程实践相结合的研究方案，具体进行以下研究工作： ( 1 ) 以宁夏石嘴山一矿复杂的软岩巷道为背景，进行资料收集，矿压及围岩收敛 监测、深部岩石物理力学特性实验、扫描电镜( s e m ) 和x 射线衍射仪对深部岩石做物 理成份及微观结构分析，总结深部软岩的特点。并根据深部软岩巷道赋存条件，给出该 矿深部的临界深度及其巷道类型。 ( 2 ) 分析深部软岩巷道的围岩非线性塑性大变形破坏特点及其影响因素，并对深 部软岩巷道的稳定性控制理论和进行技术进行系统的研究和探讨，结合深部软岩变形破 坏机理，确定其变形力学机制，依据深部软岩巷道支护对策，实现力学机制由复合型向 单一型转化，提出喷锚注联合支护。 ( 3 ) 系统分析喷锚注支护机理、最佳锚注支护时间，提出最佳锚注支护时间段及 其确定方法，控制喷锚注支护效果，充分发挥喷锚注支护控制深部软岩巷道的优越性。 ( 4 ) 利用有限差分f a l c 3 d 软件对石嘴山矿区深部软岩巷道进行锚网喷、喷锚注支 护数值模拟计算，深入认识喷锚注支护机理及其支护效果，并进行喷锚注支护设计与工 程实践，验证该支护的合理性与可行性。 西安科技大学硕士学位论文 2 1 软岩定义及分类 2 深部软岩的物理力学特性 2 1 1 软岩定义 软岩的定义名目繁多，定义各异 1 , 1 1 , 1 2 ，总括起来，大体上可分为描述性定义、指 标化定义及工程定义3 类。 ( 1 ) 描述性定义 陆家梁工程师提出：松软岩层系指松散、软弱的岩层，特点是成岩时间短、结 构疏松、胶结程度差，自身强度低。 郑雨天、王明恕、何修仁教授等认为，软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、 强风化蚀变及高应力的岩体之总称。 朱效嘉教授提出，松软、破碎、膨胀及风化的岩层称为松软岩层。 1 9 8 4 年1 2 月，在昆明举办的煤矿矿山压力名词讨论会上提出，松软岩层是强度 低、孔隙度大、胶结程度差，受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物 的松、散、软、弱岩层。 ( 2 ) 指标化定义 i s r m ( 国际岩石力学学会，1 9 9 0 ，1 9 9 3 ) 定义：软岩是指单轴抗压强度盯，在 0 5 也5 m p a 之间的一类岩石。 g r u s s o ( 1 9 9 4 ) 定义：软岩指单轴抗压强度小于1 7 m p a 的岩石。 盯。，日 2 的岩层为软岩( o c - 单轴抗压强度：7 - 岩石容重；佴岩石埋深) 。 ( 3 ) 工程定义 董方庭教授提出，围岩松动圈( l p ) 厚度大于1 5 m 的围岩为软岩，而鹿守敏教 授认为满足松动圈( l p ) 大于1 5 m 且用常规支护不能适应的围岩。 松软岩层指“难支护的围岩”或“多次支护，需要重复翻修的围岩”。 2 1 2 软岩分类 ( 1 ) 按岩体内在特性分类 软岩的“软”体现了岩石的硬度欠缺，“弱”体现了承受外载荷的能力，其承载能 力和抗变形能力都较差，据此可将软岩分为地质软岩和工程软岩。 地质软岩是指单轴抗压强度小于2 5 m p a 的松散、破碎、软弱及风化膨胀一类岩体 的总称。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质粘土岩等强度较低的岩石。在较大荷 2 深部软岩的物理及力学特性 载作用下会出现流变性，对岩层的赋存地质条件以及岩石自身的物理及力学特性而言。 工程软岩指在工程力( 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) 作用下能产生显著塑性变形的工程岩体口5 m 】。它不仅重视软岩的强度特性，而且 强调软岩所承受的工程力荷载的大小，从软岩强度和工程荷载的对立统一关系中分析其 相对性。对同种岩体，在较低工程力作用下，表现为硬岩的变形特性，而在较高工程力 作用下，则可能表现为软岩的变形特性。因此，工程软岩的变形特性是由工程力与岩体 强度共同决定的。 地质软岩与工程软岩的关系：当工程载荷相对于地质软岩的强度足够小时，地质软 岩不产生显著塑性变形特征：只有在工程力作用下，发生了显著塑性变形的地质软岩， 才视为工程软岩。 ( 2 ) 按变形机理工程分类 软岩的固有特性表明，它既有“软”的形态，又有“弱”的特点。在工程力的作用 下，具有明显的塑性变形或粘塑性变形特征。根据软岩的强度特性、泥质含量、结构面 特点及其塑性变形力学特点的差异和变形机理，将软岩分为4 类1 1 】：膨胀性软岩( s 低 强度软岩) 、高应力软岩( h ) 、节理化软岩( j ) 、复合型软岩、( h s 、h j 、h j s ) 。 ( 3 ) 按软化程度分类 衡量软岩软化程度是判别支护难易程度的关键【”。研究成果表明：软化指数可以合 理地进行软岩软化程度的分类，如表2 1 所示。 表2 1 软岩的软化程度分类 软化指数工是软岩的软化临界荷载盯。与工程岩体中的最大应力g m 。的比值，即： 六：旦 盯m “ 式中：z 一软化系数； 仃。一软化临界荷载，m p a ； 口。一工程岩体中最大应力，m p a 。 ( 2 1 ) 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 按综合指标分类 根据影响的综合指标与我国当前煤矿技术水平，建议煤矿巷道软岩分类判别指标如 表2 2 4 0 j 所示，分为三类。 表2 2 煤矿巷道软岩分类标准 注：斤为围岩载荷强度 w 为岩块饱和吸水率 y 为围岩容重h 为围岩埋深 2 2 软岩力学属性及其工程特性 2 2 1 软岩力学属性 软岩力学属性揭示了软岩的相对性实质，包括软化临界荷载和软化临界深度。 ( 1 ) 软化临界荷载 对于给定的工程围岩，由弹性变形为主的工程状态向塑性变形为主的工程状态转化 的临界点，称之为软化突变点，而与之相对应的应力水平称为软化临界荷载。岩石种类 一定时，其软化临界荷载也是客观存在的。围岩所处的地应力场的应力水平是否超过软 化临界荷载是判断围岩是否为软岩的标准。当岩石所受荷载水平高于软化临界荷载时， 岩石表现出了软岩的变形特性，此时称之为软岩；反之，属于硬岩范畴。 ( 2 ) 软化临界深度 软化临界深度与软化临界荷载是相对应的。一般来讲，对于给定矿区软化临界深度 也是一个客观量。当巷道位置大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性的大变形、高 地压和难支护的现象；但当巷道埋深较浅，小于某一开采深度时，大变形、高地压现象 明显消失。这一临界深度称之为岩石软化临界深度。 ( 3 ) 软化临界荷载和软化临界深度之间的关系 软化临界荷载和软化临界深度可以相互转化的。在工程实践中常用的经验公式法、 实验法及现场观察法，其经验公式为i ij ： 2 深部软岩的物理及力学特性 oc s = k r c ( 2 2 ) 式中：r c 一岩石单轴抗压强度，m p a ； 丘一经验系数，膨胀性软岩k = 0 3 o 5 ，高应力软岩k = 0 5 0 7 ，节理化软岩 k = 0 4 o 8 。 2 _ 2 2 软岩工程力学特性 软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的力学特性，易产生显著的塑性变形。通 常情况下，软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性。 可塑性是指软岩在工程力的作用下产生变形，变形不可逆性的现象。 膨胀性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下产生体积变化的现象。 崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下产生片状解体的现象。 流变性是指软岩受力变形过程与时间因素有关，流变性主要表现为软岩的蠕变性、 松弛性和流动极限的衰减性质。 易扰动性是指由于软岩由于岩性软弱、裂隙发育、吸水膨胀等特性，导致软岩抗外 界环境扰动的能力极差的特性。 2 3 深部高应力膨胀性软岩的相关概念及特征 2 3 1 深部软岩定义及分类 深部是相对浅部而言的，深部工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的 单轴抗压强度大于2 5 m p a 的工程岩体【4 ”。深部软岩是指开采深度大于一定值，具有围 岩大变形，难支护等软岩特性的岩体。根据深部工程软岩的特性差异及产生显著塑性变 形的机理，深部软岩可分为四大类，见表2 3 。 表2 3 深部软岩分类 西安科技大学硕士学位论文 2 3 2 深部软岩地质力学特性与工程力学特点 图2 1 深部软岩的地质力学特点 深部软岩与浅部相比，更突显出漫长地质历史背景和现代地质环境特点的复杂地质 力学特点如图2 1 i l3 1 。深部岩体产生冲击地压、岩爆、瓦斯突出、流变、底板突水及及 底臌等非线性力学现象的原因，归根结底是由于深部岩体因其所处的地球物理环境的特 殊性和应力场的复杂性所致，深部岩体的受力及其作用过程所属的力学系统是非线性力 学系统。 深部软岩工程力学特点主要有：“三高一扰动”的恶劣环境；力学特性转化特 点；深部开采导致矿井转型；工程灾害多样化，程度加剧，频度提高；岩石变形 破坏或灾害发生时间与开挖活动有一定的延时性，但灾害发生的速度极快。 2 3 3 煤矿深部软岩特点及变形特征 ( 1 ) 煤矿深部软岩特点 抗压强度低。煤矿深部软岩的抗压强度通常小于2 0 m p a ，由于其深度较大，围 岩应力也比较大，致使部分岩体的抗压强度变的更小。地温可以使岩体热胀冷缩破碎， 而且岩体内温度变化l 。c 可产生0 4 0 5 m p a 的地应力变化 4 2 l 。当巷道开挖时围岩的应 力状态发生改变，在一定范围内围岩因开挖卸荷而松动，岩石内部会出现损伤，从而导 致深部软岩的抗压强度降低。浅部的原岩大多处于弹性应力状态，而深部的原岩处于“潜 塑性”状态，导致在浅部的“硬质”岩石，在深部表现出蠕变性强的“软岩”特征，也 是个重要原因。 具有膨胀性。内部膨胀是层间膨胀、外部膨胀是颗粒间膨胀，扩容膨胀则是集 合体间隙或更大的微裂隙的受力扩容。前者的间隙是原生的，后者主要是次生：前两者 是水作用下的物理化学机制，而后者属于力学机制，即应力扩容型。 无可选择性。对于给定的矿区，软化临界深度与软化l 临界载荷都是客观存在的。 2 深部软岩的物理及力学特性 当巷道位置大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护现象。 目前，随着浅部资源的减少和开采技术的提高，煤矿深部开采势在必行，深部软岩问题 将更加普遍，且无法回避，具有强不可选择性。 围岩埋藏深。近年来，大部分软岩生产矿在深度转移，部分老矿井开采深度 5 0 0 7 0 0 m ，新建矿井深度多在6 0 0 9 0 0 m 。随着深度的增加，深部软岩巷道的支护问题 将愈加显著。 围岩应力高。许多矿井围岩应力已经达到1 0 2 0 m p a ，甚至更高。一般认为，岩 层自重引起的垂直应力随深度增加呈线性增大。而水平应力的变化规津比较复杂，根据 世界范围内1 1 6 个现场资料的统计【4 3 l ，埋深在1 0 0 0 m 范围内时，水平应力为垂直应力 的1 5 5 0 倍；埋深超过1 0 0 0 m 时，水平应力为垂直应力的0 5 2 0 倍。 ( 2 ) 深部软岩变形特征 深部工程岩体分为3 类：泥质岩类、泥质或钙质胶结的砂岩类；铁质或硅质胶 结的砂岩类、结晶岩类；结构面岩体。 泥质岩类、泥质或钙质胶结的砂岩类在深部主要为挤出大变形。铁质或硅质胶结的 砂岩类、结晶岩类在在深部状态下为岩爆和片帮；结构面岩体在深部状态下主要表现为 结构面法向拉一压大变形和沿结构面剪切大变形。深部工程岩体的破坏特征主要分为两 类：猛烈的岩爆破坏和相对缓慢的塑性大变形和剪切大变形，其中塑性大变形包括挤出 一膨胀大变形和结构面拉压大变形。 2 3 4 深部软岩巷道分类及工程特征 依据不同开采深度所表现出的岩石力学破坏现象和特点，把深部巷道分为3 类【4 1 】， 如表2 4 所示。 表2 4 深部软岩巷道分类 深部与浅部的主要区别在于围岩所处的应力环境的不同，导致围岩强度和变形性质 的明显差异，如表2 5 。就煤矿而言，在浅部岩石大多处于弹性状态；而深部表现出软 岩特征：易变形并具一定延性、蠕变性强，当岩石中含有蒙脱石等粘土矿物时遇水还会 发生膨胀，处于潜塑性甚至塑性状态。 西安科技大学硕士学位论文 表2 5 深部与浅部岩体受力特点对比 深部软岩巷道破坏发展过程为：发生大变形一破裂一碎裂一整体失稳。深部巷道掘 出后，在空间上四周围岩向巷道内移动，在时间上可分为非稳定变形区和稳定变形区。 适应深部巷道围岩变形的特征，以提高支架控制底臌为目的的全封闭型支护形式。同时， 二次支护是深部巷道支护的主要原则【1 ”，它要求支架在巷道围岩非稳定变形区内可缩， 在稳定变形区内具有一定的刚度，支架、围岩组成承载体，提供支撑力，达到巷道围岩 稳定。根据谢一矿【3 、潘三矿、柳河矿、华丰矿、台吉矿、祁南煤矿【4 0 】等深部软岩工程 实践，总结分析深部软岩巷道的工程特征：围岩变形量大，收敛速度快，持续时间长； 垂直应力高，底臌严重约8 0 0 m m 以上：高温与热害现象、煤与瓦斯突出和冲击地压等 较为突出，也是深部软岩的一个重要特征。 2 - 3 5 深部巷道i 临界深度的界定 深井临界深度即深井的起始下限深度。由于“深部”这一概念带有比较性和很大的 模糊性，因此，应用模糊数学方法处理为宜。根据问题的性质，选择偏大型k 次抛物函 数【4 钔，如图2 2 ，计算公式如式2 3 。 摊f 等 。， 式中： “( ) 矿井开采深度h 隶属深井的程度； h 矿井实际开采深度，m ； 口，b ，k 待定常数。 目前，根据石嘴山一矿的不同水平的开采深度， 参考石嘴山矿区以及西部各矿区不同矿井的临界深度 【1 4 】，确定待定常数如下： 当h 7 5 0 m 时，“( ) = 1 ； 当h = 5 0 0 m 时，“( ) = o 5 ； 代入上式得：a = 2 0 0 ，b = 7 5 0 ，k = 1 1 1 4 2 ，即有： 4 图2 2 抛物线偏大型分布曲线 2 深部软岩的物理及力学特性 甜叫h - 5 5 2 。0 0 1 诵 ( 2 4 ) 用阈值“例- 0 5 5 作为控制隶属“深部”的起始值下限，得h = 5 2 5 m ，为了使用方便， 取石嘴山一矿“深部”的临界深度为5 5 0 m 。 2 4 石嘴山一矿深部软岩物理力学特性实验 对石嘴山一矿3 8 区+ 6 0 0 m 轨道巷围岩取样，利用偏光显微镜、扫描电镜( s e m ) 对 试样细观结构与微观结构特征观测，x 衍射对矿物成分分析以及岩石物理力学性质实 验。根据实验要求制作砂岩、泥岩试件各2 2 个，试件规格如表2 6 。 表2 6 岩石试件规格情况表 岩石试件及力学特性实验系统如图2 3 。 图2 3 试件及力学特性实验系统 实验过程中，分别对自然状态与饱和状态下的砂岩、泥岩试件所测量数据计算分析， 得出砂岩在两种状态下容重分别为2 5 8 9 e m 3 、2 6 1 9 c m 3 ，吸水率为0 9 2 ，而泥岩在两 种状态下容重分别为2 5 4 9 c m 3 、2 5 8 9 c m 3 ，吸水率为1 8 9 ，详见表2 7 。 西安科技大学硕士学位论文 表2 7 岩石试件的物理性质 岩性 直径高度 体翟 干重量湿重量 干容辱湿容鼍 吸水率 c mc m c m gg g c m 1g c m 4 臃 4 9 0 4 砂岩4 8 9 4 4 8 6 4 4 8 9 0 泥岩4 8 7 0 8 6 9 4 8 8 9 2 9 0 7 0 7 - 3 5 1 6 3 3 2 1 6 4 2 1 6 7 ：3 1 6 8 5 1 3 8 1 1 7 9 4 2 1 4 3 0 8 4 3 9 8 4 0 7 3 0 1 7 4 2 4 5 4 3 5 4 4 4 4 0 8 3 0 7 8 2 5 6 2 5 8 2 6 1 2 9 5 2 5 6 2 5 9 2 6 0 2 6 4 2 9 6 2 6 l 0 8 3 0 9 7 o 9 5 0 2 4 2 o o ! ：!