论压巷道围岩变形与破坏机理

1、论压巷道围岩变形与破坏机理    1 引言 煤炭资源开发由浅部向深部发展是客观的必然规律, 也是世界上许多产煤国家所面临的共同问题。我国煤矿开采深度以812m/ 年的速度增加。国有大中型煤矿平均开采深度已达到400m 以上, 开采深度超过600m 的有117 个煤矿, 有10 余个煤矿开采深度超过1000m , 最深达到1300m。随着煤炭科学技术进步, 矿山现代化促进了生产的高产高效, 进一步加速矿井深度的增加。浅矿井数目大

2、为减少, 中深矿井数目明显增加, 深矿井将成倍增加, 并将出现更多的特深矿井。预计在未来20 年我国很多煤矿将进入到10001500m 的开采深度。 深部开采引起高地压、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动影响。深部矿井重力引起的垂直应力明显增大, 构造应力场复杂, 地应力高; 矿井开采深度越大, 地温越高, 同时由于热胀冷缩, 温度变化会引起地应力变化; 地应力与地温升高, 岩溶水压升高, 矿井突水严重。此外, 在高地应力作用下, 开采

3、扰动影响强烈, 围岩破坏严重。 在高地应力环境下, 煤岩体的变形特性发生了根本变化: 由浅部的脆性向深部的塑性转化; 高地应力作用下, 煤岩体具有较强的时间效应, 表现为明显的流变或蠕变; 煤岩体的扩容现象突出, 表现为大偏应力下煤岩体内部节理、裂隙、裂纹张开, 出现新裂纹导致煤岩体积增大, 扩容膨胀; 煤岩体变形的冲击性, 表现为变形不是连续的、逐渐变化的, 而是突然剧烈增加。高地应力环境和煤岩体变形特征决定了深部矿井会遇到一系列动力灾害, 包括冲击矿压

4、、煤岩与瓦斯突出、瓦斯爆炸、矿井突水、矿压显现剧烈、巷道围岩大变形、冒顶片帮等灾害, 对深部矿井的安全、高效开采带来巨大威胁。 上述灾害主要发生在巷道, 可以说, 深部开采首要的、关键的技术是巷道支护。而目前一般的巷道支护技术、支护材料与设备无法满足高地压巷道支护的要求。因此, 在深入研究高地压巷道支护理论的基础上, 开发研制支护材料与配套设备, 为深部煤炭资源开采提供技术支持具有非常重要的意义。 2 国内外技术状况 国外对深部矿井涉及的相关问题的认识与研究从上世纪80 年代就开始了。如1983年, 前苏

5、联学者就提出对超过1600m 的深矿井开采进行专题研究; 当时的西德还建立了特大模拟试验台, 专门针对1600m 深矿井的三维矿压问题进行模拟试验研究。1989年国际岩石力学学会在法国专门召开了深部岩石力学国际会议。近20 多年来, 美国、加拿大、澳大利亚、南非、波兰等有深井开采的国家相继开展了深部开采与支护研究。加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为期10 年的深井研究计划, 在冲击地压潜在区的支护技术和冲击矿压危险性评估等方面进行了卓有成效的研究工作; 南非政府、大学与工业部门合作, 

6、从1998 年启动Deep Mine研究计划, 旨在研究解决深部金矿安全、开采需要的关键技术。总之, 国外学者在深部围岩大变形机理、围岩支护与加固技术、围岩应力控制技术、冲击地压预测与防治技术等方面做了大量工作,取得可喜成绩。 近年来, 随着我国国民经济的快速发展和科学技术进步, 对深部开采遇到的问题进行了大量的研究与试验。在高地压巷道围岩控制技术、冲击矿压预测预报与防治技术等方面, 北京开采研究院进行的冲击地压矿井巷道锚杆支护技术研究, 中国矿业大学开展的深部煤矿开采中灾害预测与防治研究, 以及中南大学

7、开展的千米深井岩爆发生机理与控制技术研究等项目, 都做了许多有益的工作。 综合国内外在高地压巷道支护技术研究方面取得的成果, 归纳为以下几方面:  提出了多种高地压巷道支护理论,包括新奥法支护理论的改进与完善、松动圈支护理论、二次支护理论、联合支护理论等, 这些支护理论在不同时期与不同条件下对生产实践起到积极的指导作用。  在高地压巷道围岩控制技术方面,有锚喷支护、U 型钢可缩性支架支护、注浆加固、联合支护及卸压技术等多种形式。 这些支护形式在高地应力、破碎围岩巷道中得到应用, 取得一定的支护效果。 高强度锚杆、锚索支护技术

8、得到大面积推广应用, 形成了包括地质力学测试、支护设计、支护材料、施工机具与工艺、工程质量检测与矿压监测在内的锚杆支护成套技术, 成为巷道支护的主要形式。 高地压巷道支护研究初步成果, 还远不能满足高地压巷道围岩控制的要求。归纳起来, 还存在以下问题: 尽管提出了多种巷道支护理论, 但任何一种理论都有缺陷, 不能全面解释高地压巷道围岩变形与破坏的机理, 还缺乏对高应力环境下围岩与支护体相互作用机理全面、系统的研究。目前, 国内大部分高地压巷道采用二次支护理论, 即巷道支护分两次进行, 一次支护在

9、保持巷道稳定的前提下,允许巷道有一定的变形以释放压力; 隔一定时间后实施二次支护, 保持巷道的长期稳定。但是, 这种理论目前已遇到了极大的挑战, 在深部动压影响区、构造压力带、软岩破碎带等地点, 采用二次支护后仍出现变形破坏等问题, 甚至需要三次、四次支护, 巷道周而复始的发生破坏, 围岩变形长期得不到有效控制。 虽然目前有多种巷道支护形式, 但各种支护形式都存在不足。对于高地压巷道, 还缺乏有效的支护方法, 导致巷道变形与破坏剧烈, 需要多次维修与翻修。不仅支护成本很高,&

10、#160;掘进速度低, 而且带来很多安全隐患, 严重制约采煤工作面的快速推进和矿井产量和效益的提高。 高强度锚杆、锚索支护技术在一般 条件下支护效果良好, 综合效益显着。但在高地压巷道中, 出现了一系列问题: 锚杆预应力过低、强度不足、抗冲击性能差, 造成锚杆拉断或整体失效, 甚至锚杆尾部被弹射出去等破坏现象; 锚索直径小、强度低、延伸率低, 与钻孔匹配性差, 经常出现锚索被拉断或整体滑动; 钢带强度和刚度小, 容易撕裂和拉断, 护顶效果差。上述现象严重影

11、响了巷道支护效果和安全程度。 由于锚杆、锚索强度和刚度偏低,导致单位面积上锚杆、锚索数多, 间排距小, 支护密度大, 严重影响巷道掘进速度,造成采掘接续紧张。 综上所述, 高地压巷道支护问题, 已经成为制约深部煤炭资源安全、高效开采的关键技术瓶颈。如果支护问题得不到有效解决, 大量深部煤炭资源无法开采, 矿井的安全状况将会进一步恶化, 煤矿的产量与效益受到严重影响。 3 深部巷道锚杆支护的作用分析 传统的锚杆支护理论有悬吊、组合梁、加固拱等理论。本文在井下实测、数值计算等研究成果的基础上, 针对

12、深部巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲击性, 分析深部巷道锚杆支护的作用: 锚杆可不同程度地提高锚固区煤岩体强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数。锚杆对煤岩体凝聚力的影响可用下式表示: c = c0 +nsd24 3 Scos (45o - / 2)(1)式中: c - 有锚杆岩体凝聚力;c0 - 无锚杆岩体凝聚力;n - 锚杆数;s - 锚杆屈服强度;d - 锚杆直径;S 

13、;- 面积;- 内摩擦角。 由上式可知, 对于中等强度以上岩石,锚杆对岩石破坏前的强度和变形影响不大;对于强度较低的煤体, 锚杆在煤体破坏前对其强度有较明显的影响。锚杆的主要作用是改善发生塑性变形和破碎煤岩的力学性质,显着提高其屈服强度, 改变屈服后煤岩变形特性。 锚杆对节理、层理、裂隙等不连续面的本质作用在于: 通过锚杆提供的轴向力与切向力, 提高不连续面的抗剪强度, 阻止不连续面产生离层与滑动。通过提高结构面的强度, 提高节理煤岩体的整体强度、完整性与稳定性。 通过锚杆给围岩施加一定的压应力,可以改善

14、围岩应力状态。对于受拉区域, 可抵消部分拉应力, 提高围岩抗拉能力; 对于受剪区域, 通过压应力产生的摩擦力, 提高围岩的抗剪能力。 在深部巷道中, 锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏, 在锚固区内形成次生承载层, 最大限度地保持锚固区围岩的完整性, 避免围岩有害变形的出现, 提高锚固区围岩的整体强度和稳定性。 在冲击矿压巷道中, 锚杆支护可改善锚固区煤岩体的冲击倾向性指标; 通过保持锚固区围岩的完整性, 提高围岩承载能力,&#

15、160;使巷道围岩应力分布趋于均匀化, 同时提高了对深部围岩的约束能力。基于上述作用, 锚杆支护对冲击矿压有较好的控制作用, 能降低冲击矿压的程度。 在深部巷道中, 应采用高强度、高刚度锚杆组合支护系统, 同时要求锚杆有一定的延伸率。高强度要求锚杆具有较大的破断力, 高刚度要求锚杆具有较大的预紧力并实施加长或全长锚固, 组合支护要求采用钢带、金属网等护表构件。应尽量一次支护有 效控制围岩变形, 避免二次支护和巷道维修。 锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生承载层与深部围岩相连, 充分调动深部围岩

16、的承载能力, 使更大范围内的岩体共同承载, 提高支护系统的整体稳定性。 4 巷道围岩地质力学测试 围岩是巷道支护对象, 地质力学参数是巷道支护设计的基础。一切与围岩有关的工作, 如巷道布置、巷道支护设计, 采煤方法设备的选型等, 都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。 对于深部巷道, 最大的特点是巷道埋深增加, 导致地应力高、构造应力场复杂, 围岩强度和变形特征发生明显变化。因此, 在深部矿井中进行地质力学参数测试显得更为重要。 为了快速、准确测定地质力学参数(包括井下地应力测量、巷道

17、围岩强度测定、围岩结构观察) , 可采用巷道围岩地质力学快速测试系统。 411 地应力测量地应力测量方法有多种类型, 常用的有应力解除法与水压致裂法。地质力学快速测试系统中采用了水压致裂法。该法有以下优点: 能测量较深处的绝对应力状态;直接测量, 无需了解和测定岩石的弹性模量;测量应力空间范围较大, 受局部因素影响小; 不需要套芯工序, 可利用其它工程的勘探孔进行压裂。 地应力测量仪器为自行开发的SYY -56 型水压致裂地应力测量装置。采用小孔径钻孔( 56mm) ,

18、60;最大测量深度为30m ,可在井下进行快速、大面积地应力测量。同一钻孔还可以用于巷道围岩强度测量。如图1 。该仪器由分隔器、印模器、定位器、手动泵、储能器、隔爆油泵及记录仪等部件组成。 412 巷道围岩强度测试采用WQCZ - 56 型围岩强度测定装置进行井下围岩强度测试(图2) 。该仪器由围岩强度测定仪、探头、手摇泵、高压管、延长杆等部件组成。探头直径54 mm , 测量深度30m , 非常适合井下快速测量。 图2 巷道围岩强度测量示意图岩体强度的测定在井下巷

19、道围岩钻孔中进行。探头内的活塞在高压油的驱动下发生移动, 使端部顶针压向钻孔孔壁。根据顶针压破钻孔孔壁的临界压力, 经过计算, 便可得到该点的岩体单轴抗压强度。 通过对30 余组岩石试样同时用围岩强度测定装置及实验室压力机作了岩石单轴抗压强度的对比试验。测试结果表明, 岩石单轴抗压强度Rc 与围岩强度测定装置临界破坏压力Pm 呈强相关关系, 可用下式描述: Rc = k1 Pm Pm 20 MPaRc = k2 + 

20、k3 log Pm Pm > 20MPa(2)式中: Rc - 岩体单轴抗压强度, MPa Pm - 临界破坏压力, MPa k1 、k2 、k3 - 系数。为了测定整个钻孔长度上岩层的抗压强度, 每隔200300mm 取一个测试剖面。 413 巷道围岩结构观察巷道围岩结构观察采用KDVJ - 400 型矿用电子钻孔窥视仪(图3) ,

21、0;由CCD 摄像头、图像接收与存储装置、安装杆等组成。仪器由摄像头在钻孔中接受图像, 通过接收仪直接观察、记录图像, 并可与计算机连接, 分析和处理图像, 能直观、清晰地反映巷道围岩的结构情况。可窥视钻孔的最小直径为28mm , 长度为30m , 分辨率为011mm。 是井下巷道顶煤钻孔的窥视结果,可清楚地观察到煤体中的节理、裂隙分布状况, 为分析结构面的分布提供了直观依据。 5 煤巷锚杆支护设计方法与软件 511 动态信息设计法根据煤矿巷道的特点, 提出锚杆支护

22、动态信息设计法。动态信息法具有两大特点,动态性与信息性: 其一, 设计不是一次完成的, 而是一个动态过程; 其二, 设计充分利用每个过程中提供的信息。该设计方法包括五部分, 即试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈和修正设计。 初始设计采用数值计算法, 目前应用效果比较好的数值计算程序为有限差分软件FLAC 7  和离散单元法软件UDEC。根据锚杆支护扩容- 稳定理论, 确定支护参数选择的原则为: 临界支护强度刚度原则: 锚杆支护强度与刚度不能低于临界值, 否则巷道将长期处于不稳定状态;高预紧力原则: 锚杆应施加较大的预紧力, 达到杆体屈服载荷的3050 %;锚杆锚索匹配原则: 锚杆与锚索的力学性能应相互匹配, 保证支护整体效果;" 三高一低" 原则: 在高强度、高刚度、高可靠性的前提下, 降低支护密度。 512 适合工程技术人员使用的设计软件为了使锚杆支护初始设计既简单、方便,又具有较高的科学性和合理性,&#