論壓巷道圍巖變形與破壞機理

1、論壓巷道圍巖變形與破壞機理    1 引言 煤炭資源開發(fā)由淺部向深部發(fā)展是客觀的必然規(guī)律, 也是世界上許多產煤國家所面臨的共同問題。我國煤礦開采深度以812m/ 年的速度增加。國有大中型煤礦平均開采深度已達到400m 以上, 開采深度超過600m 的有117 個煤礦, 有10 余個煤礦開采深度超過1000m , 最深達到1300m。隨著煤炭科學技術進步, 礦山現代化促進了生產的高產高效, 進一步加速礦井深度的增加。淺礦井數目大

2、為減少, 中深礦井數目明顯增加, 深礦井將成倍增加, 并將出現更多的特深礦井。預計在未來20 年我國很多煤礦將進入到10001500m 的開采深度。 深部開采引起高地壓、高地溫、高巖溶水壓和強烈的開采擾動影響。深部礦井重力引起的垂直應力明顯增大, 構造應力場復雜, 地應力高; 礦井開采深度越大, 地溫越高, 同時由于熱脹冷縮, 溫度變化會引起地應力變化; 地應力與地溫升高, 巖溶水壓升高, 礦井突水嚴重。此外, 在高地應力作用下, 開采

3、擾動影響強烈, 圍巖破壞嚴重。 在高地應力環(huán)境下, 煤巖體的變形特性發(fā)生了根本變化: 由淺部的脆性向深部的塑性轉化; 高地應力作用下, 煤巖體具有較強的時間效應, 表現為明顯的流變或蠕變; 煤巖體的擴容現象突出, 表現為大偏應力下煤巖體內部節(jié)理、裂隙、裂紋張開, 出現新裂紋導致煤巖體積增大, 擴容膨脹; 煤巖體變形的沖擊性, 表現為變形不是連續(xù)的、逐漸變化的, 而是突然劇烈增加。高地應力環(huán)境和煤巖體變形特征決定了深部礦井會遇到一系列動力災害, 包括沖擊礦壓

4、、煤巖與瓦斯突出、瓦斯爆炸、礦井突水、礦壓顯現劇烈、巷道圍巖大變形、冒頂片幫等災害, 對深部礦井的安全、高效開采帶來巨大威脅。 上述災害主要發(fā)生在巷道, 可以說, 深部開采首要的、關鍵的技術是巷道支護。而目前一般的巷道支護技術、支護材料與設備無法滿足高地壓巷道支護的要求。因此, 在深入研究高地壓巷道支護理論的基礎上, 開發(fā)研制支護材料與配套設備, 為深部煤炭資源開采提供技術支持具有非常重要的意義。 2 國內外技術狀況 國外對深部礦井涉及的相關問題的認識與研究從上世紀80 年代就開始了。如1983年, 前蘇

5、聯學者就提出對超過1600m 的深礦井開采進行專題研究; 當時的西德還建立了特大模擬試驗臺, 專門針對1600m 深礦井的三維礦壓問題進行模擬試驗研究。1989年國際巖石力學學會在法國專門召開了深部巖石力學國際會議。近20 多年來, 美國、加拿大、澳大利亞、南非、波蘭等有深井開采的國家相繼開展了深部開采與支護研究。加拿大聯邦和省政府及采礦工業(yè)部門合作開展了為期10 年的深井研究計劃, 在沖擊地壓潛在區(qū)的支護技術和沖擊礦壓危險性評估等方面進行了卓有成效的研究工作; 南非政府、大學與工業(yè)部門合作, 

6、從1998 年啟動Deep Mine研究計劃, 旨在研究解決深部金礦安全、開采需要的關鍵技術。總之, 國外學者在深部圍巖大變形機理、圍巖支護與加固技術、圍巖應力控制技術、沖擊地壓預測與防治技術等方面做了大量工作,取得可喜成績。 近年來, 隨著我國國民經濟的快速發(fā)展和科學技術進步, 對深部開采遇到的問題進行了大量的研究與試驗。在高地壓巷道圍巖控制技術、沖擊礦壓預測預報與防治技術等方面, 北京開采研究院進行的沖擊地壓礦井巷道錨桿支護技術研究, 中國礦業(yè)大學開展的深部煤礦開采中災害預測與防治研究, 以及中南大學

7、開展的千米深井巖爆發(fā)生機理與控制技術研究等項目, 都做了許多有益的工作。 綜合國內外在高地壓巷道支護技術研究方面取得的成果, 歸納為以下幾方面:  提出了多種高地壓巷道支護理論,包括新奧法支護理論的改進與完善、松動圈支護理論、二次支護理論、聯合支護理論等, 這些支護理論在不同時期與不同條件下對生產實踐起到積極的指導作用。  在高地壓巷道圍巖控制技術方面,有錨噴支護、U 型鋼可縮性支架支護、注漿加固、聯合支護及卸壓技術等多種形式。 這些支護形式在高地應力、破碎圍巖巷道中得到應用, 取得一定的支護效果。 高強度錨桿、錨索支護技術

8、得到大面積推廣應用, 形成了包括地質力學測試、支護設計、支護材料、施工機具與工藝、工程質量檢測與礦壓監(jiān)測在內的錨桿支護成套技術, 成為巷道支護的主要形式。 高地壓巷道支護研究初步成果, 還遠不能滿足高地壓巷道圍巖控制的要求。歸納起來, 還存在以下問題: 盡管提出了多種巷道支護理論, 但任何一種理論都有缺陷, 不能全面解釋高地壓巷道圍巖變形與破壞的機理, 還缺乏對高應力環(huán)境下圍巖與支護體相互作用機理全面、系統的研究。目前, 國內大部分高地壓巷道采用二次支護理論, 即巷道支護分兩次進行, 一次支護在

9、保持巷道穩(wěn)定的前提下,允許巷道有一定的變形以釋放壓力; 隔一定時間后實施二次支護, 保持巷道的長期穩(wěn)定。但是, 這種理論目前已遇到了極大的挑戰(zhàn), 在深部動壓影響區(qū)、構造壓力帶、軟巖破碎帶等地點, 采用二次支護后仍出現變形破壞等問題, 甚至需要三次、四次支護, 巷道周而復始的發(fā)生破壞, 圍巖變形長期得不到有效控制。 雖然目前有多種巷道支護形式, 但各種支護形式都存在不足。對于高地壓巷道, 還缺乏有效的支護方法, 導致巷道變形與破壞劇烈, 需要多次維修與翻修。不僅支護成本很高,&

10、#160;掘進速度低, 而且?guī)砗芏喟踩[患, 嚴重制約采煤工作面的快速推進和礦井產量和效益的提高。 高強度錨桿、錨索支護技術在一般 條件下支護效果良好, 綜合效益顯著。但在高地壓巷道中, 出現了一系列問題: 錨桿預應力過低、強度不足、抗沖擊性能差, 造成錨桿拉斷或整體失效, 甚至錨桿尾部被彈射出去等破壞現象; 錨索直徑小、強度低、延伸率低, 與鉆孔匹配性差, 經常出現錨索被拉斷或整體滑動; 鋼帶強度和剛度小, 容易撕裂和拉斷, 護頂效果差。上述現象嚴重影

11、響了巷道支護效果和安全程度。 由于錨桿、錨索強度和剛度偏低,導致單位面積上錨桿、錨索數多, 間排距小, 支護密度大, 嚴重影響巷道掘進速度,造成采掘接續(xù)緊張。 綜上所述, 高地壓巷道支護問題, 已經成為制約深部煤炭資源安全、高效開采的關鍵技術瓶頸。如果支護問題得不到有效解決, 大量深部煤炭資源無法開采, 礦井的安全狀況將會進一步惡化, 煤礦的產量與效益受到嚴重影響。 3 深部巷道錨桿支護的作用分析 傳統的錨桿支護理論有懸吊、組合梁、加固拱等理論。本文在井下實測、數值計算等研究成果的基礎上, 針對

12、深部巷道圍巖變形的流變性、擴容性和沖擊性, 分析深部巷道錨桿支護的作用: 錨桿可不同程度地提高錨固區(qū)煤巖體強度、彈性模量、凝聚力和內摩擦角等力學參數。錨桿對煤巖體凝聚力的影響可用下式表示: c = c0 +nsd24 3 Scos (45o - / 2)(1)式中: c - 有錨桿巖體凝聚力;c0 - 無錨桿巖體凝聚力;n - 錨桿數;s - 錨桿屈服強度;d - 錨桿直徑;S 

13、;- 面積;- 內摩擦角。 由上式可知, 對于中等強度以上巖石,錨桿對巖石破壞前的強度和變形影響不大;對于強度較低的煤體, 錨桿在煤體破壞前對其強度有較明顯的影響。錨桿的主要作用是改善發(fā)生塑性變形和破碎煤巖的力學性質,顯著提高其屈服強度, 改變屈服后煤巖變形特性。 錨桿對節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的本質作用在于: 通過錨桿提供的軸向力與切向力, 提高不連續(xù)面的抗剪強度, 阻止不連續(xù)面產生離層與滑動。通過提高結構面的強度, 提高節(jié)理煤巖體的整體強度、完整性與穩(wěn)定性。 通過錨桿給圍巖施加一定的壓應力,可以改善

14、圍巖應力狀態(tài)。對于受拉區(qū)域, 可抵消部分拉應力, 提高圍巖抗拉能力; 對于受剪區(qū)域, 通過壓應力產生的摩擦力, 提高圍巖的抗剪能力。 在深部巷道中, 錨桿支護主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、張開裂隙等擴容變形與破壞, 在錨固區(qū)內形成次生承載層, 最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性, 避免圍巖有害變形的出現, 提高錨固區(qū)圍巖的整體強度和穩(wěn)定性。 在沖擊礦壓巷道中, 錨桿支護可改善錨固區(qū)煤巖體的沖擊傾向性指標; 通過保持錨固區(qū)圍巖的完整性, 提高圍巖承載能力,&#

15、160;使巷道圍巖應力分布趨于均勻化, 同時提高了對深部圍巖的約束能力?；谏鲜鲎饔? 錨桿支護對沖擊礦壓有較好的控制作用, 能降低沖擊礦壓的程度。 在深部巷道中, 應采用高強度、高剛度錨桿組合支護系統, 同時要求錨桿有一定的延伸率。高強度要求錨桿具有較大的破斷力, 高剛度要求錨桿具有較大的預緊力并實施加長或全長錨固, 組合支護要求采用鋼帶、金屬網等護表構件。應盡量一次支護有 效控制圍巖變形, 避免二次支護和巷道維修。 錨索的作用主要是將錨桿支護形成的次生承載層與深部圍巖相連, 充分調動深部圍巖

16、的承載能力, 使更大范圍內的巖體共同承載, 提高支護系統的整體穩(wěn)定性。 4 巷道圍巖地質力學測試 圍巖是巷道支護對象, 地質力學參數是巷道支護設計的基礎。一切與圍巖有關的工作, 如巷道布置、巷道支護設計, 采煤方法設備的選型等, 都離不開對圍巖地質力學特征的充分了解。 對于深部巷道, 最大的特點是巷道埋深增加, 導致地應力高、構造應力場復雜, 圍巖強度和變形特征發(fā)生明顯變化。因此, 在深部礦井中進行地質力學參數測試顯得更為重要。 為了快速、準確測定地質力學參數(包括井下地應力測量、巷道

17、圍巖強度測定、圍巖結構觀察) , 可采用巷道圍巖地質力學快速測試系統。 411 地應力測量地應力測量方法有多種類型, 常用的有應力解除法與水壓致裂法。地質力學快速測試系統中采用了水壓致裂法。該法有以下優(yōu)點: 能測量較深處的絕對應力狀態(tài);直接測量, 無需了解和測定巖石的彈性模量;測量應力空間范圍較大, 受局部因素影響小; 不需要套芯工序, 可利用其它工程的勘探孔進行壓裂。 地應力測量儀器為自行開發(fā)的SYY -56 型水壓致裂地應力測量裝置。采用小孔徑鉆孔( 56mm) ,

18、60;最大測量深度為30m ,可在井下進行快速、大面積地應力測量。同一鉆孔還可以用于巷道圍巖強度測量。如圖1 。該儀器由分隔器、印模器、定位器、手動泵、儲能器、隔爆油泵及記錄儀等部件組成。 412 巷道圍巖強度測試采用WQCZ - 56 型圍巖強度測定裝置進行井下圍巖強度測試(圖2) 。該儀器由圍巖強度測定儀、探頭、手搖泵、高壓管、延長桿等部件組成。探頭直徑54 mm , 測量深度30m , 非常適合井下快速測量。 圖2 巷道圍巖強度測量示意圖巖體強度的測定在井下巷

19、道圍巖鉆孔中進行。探頭內的活塞在高壓油的驅動下發(fā)生移動, 使端部頂針壓向鉆孔孔壁。根據頂針壓破鉆孔孔壁的臨界壓力, 經過計算, 便可得到該點的巖體單軸抗壓強度。 通過對30 余組巖石試樣同時用圍巖強度測定裝置及實驗室壓力機作了巖石單軸抗壓強度的對比試驗。測試結果表明, 巖石單軸抗壓強度Rc 與圍巖強度測定裝置臨界破壞壓力Pm 呈強相關關系, 可用下式描述: Rc = k1 Pm Pm 20 MPaRc = k2 + 

20、k3 log Pm Pm > 20MPa(2)式中: Rc - 巖體單軸抗壓強度, MPa Pm - 臨界破壞壓力, MPa k1 、k2 、k3 - 系數。為了測定整個鉆孔長度上巖層的抗壓強度, 每隔200300mm 取一個測試剖面。 413 巷道圍巖結構觀察巷道圍巖結構觀察采用KDVJ - 400 型礦用電子鉆孔窺視儀(圖3) ,

21、0;由CCD 攝像頭、圖像接收與存儲裝置、安裝桿等組成。儀器由攝像頭在鉆孔中接受圖像, 通過接收儀直接觀察、記錄圖像, 并可與計算機連接, 分析和處理圖像, 能直觀、清晰地反映巷道圍巖的結構情況。可窺視鉆孔的最小直徑為28mm , 長度為30m , 分辨率為011mm。 是井下巷道頂煤鉆孔的窺視結果,可清楚地觀察到煤體中的節(jié)理、裂隙分布狀況, 為分析結構面的分布提供了直觀依據。 5 煤巷錨桿支護設計方法與軟件 511 動態(tài)信息設計法根據煤礦巷道的特點, 提出錨桿支護

22、動態(tài)信息設計法。動態(tài)信息法具有兩大特點,動態(tài)性與信息性: 其一, 設計不是一次完成的, 而是一個動態(tài)過程; 其二, 設計充分利用每個過程中提供的信息。該設計方法包括五部分, 即試驗點調查和地質力學評估、初始設計、井下監(jiān)測、信息反饋和修正設計。 初始設計采用數值計算法, 目前應用效果比較好的數值計算程序為有限差分軟件FLAC 7  和離散單元法軟件UDEC。根據錨桿支護擴容- 穩(wěn)定理論, 確定支護參數選擇的原則為: 臨界支護強度剛度原則: 錨桿支護強度與剛度不能低于臨界值, 否則巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài);高預緊力原則: 錨桿應施加較大的預緊力, 達到桿體屈服載荷的3050 %;錨桿錨索匹配原則: 錨桿與錨索的力學性能應相互匹配, 保證支護整體效果;" 三高一低" 原則: 在高強度、高剛度、高可靠性的前提下, 降低支護密度。 512 適合工程技術人員使用的設計軟件為了使錨桿支護初始設計既簡單、方便,又具有較高的科學性和合理性,&#