深部高应力软岩巷道破坏机理与支护技术
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当代化工研究99Modern Chemical Research丿丿2019•06技术应用与研究深井软岩巷道支护技术研究*刘廷(汾西矿业正佳煤业有限责任公司山西041399)摘要:正佳煤矿巷道围岩属于软岩巷道,巷道掘进支护后围岩变形量大,且难以控制,基于此,笔者在对巷道破坏影响因素分析的基础上,对矿井的软岩巷道支护方案进行了设计,并对巷道支护效果进行监测分析,结果表明:采用锚网索喷支护+底板采用注浆锚杆联合支护方式进行巷道支护在控制围岩变形和治理软岩巷道底臓等方面具有良好的效果”关键词:煤矿;软岩巷道;底鼓;围岩控制中图分类号:T文献标识码:AStudy on Support Technology of Soft Rock Roadway in Deep MineLiu Ting(Fenxi Mining Zhengjia Coal Industry CO.,LTD.,Shanxi,041399)Abstracts The surrounding rock of Z hengjia Coal Mine roadway belongs to soft rock roadway,and the deformation of s urrounding rock after roadway excavation and support is large and difficult to control.Based on the analysis of i nfluencing f actors of r oadway damage,the author designs the supporting scheme of s oft rock roadway in mine,and monitors and analyses the supporting effect of r oadway.The roadway support with bolt-mesh-cable-shotcrete support and f loor combined with grouting-bolt support has good effect in controlling surrounding rock deformation and controlling floor heave of s oft rock roadway.Key words:coal mine;soft rock roadway;floor heave\surrounding rock control1•矿井概况正佳煤矿巷道围岩属于I类软岩,矿井主采的煤层为3号煤层,埋藏深度在600〜800m之间,平均深度在700m,矿井属于深部开采矿井,地应力较高。
深部矿井软岩巷道布置及支护技术研究摘要:大采深矿井最大的特点就是矿压大,地质条件复杂,支护难度大,特别是对于深部软岩巷道的支护,一直是近年来煤矿技术工作者研究的重点。
软围岩强度和稳定性较差,在开采扰动和较大的矿压作用下易发生变形和破碎,巷道维护工作量很大,对深井煤矿开采带来了很大影响。
生产实践证明,对于大采深软岩巷道,某种单一的支护方式是难以起到有效支护作用的。
对此应采取“锚、网、索、喷”联合支护的方式,以维持大埋深巷道掘进软围岩的稳定。
关键词:深部矿井;软岩巷道;布置;支护软岩是地质岩体的中的一部分,是特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质。
按照软岩的自然特性和工程力学作用下的变形机理,软岩可分为以下几类:即节理化软岩、高应力软岩、膨胀性软岩和复合型软岩。
相比于硬岩,软岩具有更强的可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性特征,软岩不仅质地松软、强度低,而且易于受到风、水、开采扰动等因素的影响而发生软化、膨胀、裂隙和变形,物理特性不稳定。
软岩的以上特性给软岩巷道的掘进和支护带来了很大的困难,特别是在大采深、高地应力的作用下,巷道围岩易产生失稳变形,掘进期间易出现冒顶和片帮。
1软岩的工程特性1.1软岩的力学属性软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的力学特性。
显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点。
软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下,产生体积变化的现象,其膨胀机理有:内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。
工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。
1.2软岩的临界载荷随着应力水平的提高,特别是围压的增大,岩石产生的塑性变形明显增加,使得在低应力水平下表现为硬岩特性的岩石,在提高了应力水平下显示出显著的塑性变形。
1.3软岩的临界深度与软化临界荷载相对应,岩石亦存在着一个软化临界深度。
对给定矿区,软化临界深度也是一个客观量。
当地下工程埋深大于软化临界深度时,围岩出现大变形,大地压和难支护现象;当地下工程埋深小于该临界深度时,则围岩的大变形,大地压现象消失,巷道支护容易。
软岩巷道的破坏机理与控制李乃頔(安徽理工大学土木建筑学院ꎬ安徽㊀淮南㊀232001)收稿日期:2018-04-27作者简介:李乃頔(1994-)ꎬ男ꎬ江苏徐州人ꎬ硕士研究生ꎬ主要研究方向:岩土工程ꎮ摘㊀要:在工程实践中ꎬ巷道施工发生变形破坏的现象十分常见ꎬ尤其是在深井软岩巷道中更为频繁和突出ꎮ越来越深的采深ꎬ采动压力以及越来越复杂的围岩地质情况ꎬ不仅加大了挖掘难度ꎬ而且为巷道安全质量带来了十分大的隐患ꎬ为确保巷道环境安全稳定ꎬ专家学者们也做了大量研究ꎬ几十年来也取得了丰硕的成果ꎮ本文主要介绍了一些常见的软岩巷道破坏机理和工程常用支护和控制稳定的方法ꎬ在保证巷道环境安全稳定的前提下选择最合理的施工方法ꎬ满足井下设备基础正常使用ꎬ减少二次支护合理降低造价ꎮ关键词:软岩巷道ꎻ破坏机理ꎻ稳定ꎻ支护方式中图分类号:TD353文献标志码:A文章编号:1672-4011(2018)10-0090-02DOI:10 3969/j issn 1672-4011 2018 10 046DestructionMechanismandControlofSoftRockRoadwaysLINaidi(SchoolofCivilEngineeringandArchitectureꎬAnhuiUniversityofScienceandTechnologyꎬHuainan232001ꎬChina)Abstract:Intheengineeringpracticeꎬthephenomenonofdeformationanddestructionofroadwayconstructionisverycommonꎬespeciallyinthesoftrocktunnelsofdeepwells.Deeperanddeeperminingꎬminingpressureandcomplexgeologicalconditionsofthesurroundingrocknotonlyincreasethedifficultyofdiggingꎬbutalsobringgreathiddendangerstothesafetyandqualityoftheroadway.InordertoensurethesafetyandstabilityoftheroadwayenvironmentꎬexpertsandscholarsWehavealsodonealotofresearchandachievedfruitfulresultsfordecades.Thisarticlemainlyintroducessomecommonsoftrockroadwayfailuremechanismsandthemethodscommonlyusedforsupportingandcontrollingthestabilityoftheroad.Underthepremiseofensuringthesafetyandstabilityoftheroadwayenvironmentꎬthemostreasonableconstructionmethodisselectedtomeetthenormaluseofthedownholeequipmentfoundationandreducethesecondarybranch.Safeguardingreasonablecostreductions.Keywords:softrockroadwayꎻfailuremechanismꎻstabilityꎻsupportmethod1㊀软岩巷道常见的破坏现象巷道变形破坏的特性有顶板下沉㊁变形㊁扩容㊁冒顶ꎻ两帮变形㊁收敛㊁扩容㊁位移ꎻ底板变形破坏㊁底臌ꎮ复杂应力区会引起巷道位置发生时空变化㊁偏移走向㊁倾向㊁倾角等破坏形式ꎮ这些复杂的破坏形式给巷道的安全稳定㊁生产带来了一系列的影响ꎮ引起巷道发生变形的原因是多方面的ꎬ总体来说有三大决定因素ꎻ①地应力ꎻ②岩性ꎻ③支护强度ꎮ埋深巷道中地应力与深度呈线性关系ꎬ地应力随着开采深度的增大而增大ꎬ地应力也是造成工程事故发生最主要的因素ꎻ由于采动而形成的采动应力也会造成巷道破坏ꎻ当巷道布置过于集中ꎬ形成应力相互叠加的巷道群时ꎬ围岩也易发生破坏ꎮ一般来说ꎬ硬岩的强度较高ꎬ通常做一次支护便可以较好地控制变形ꎬ但软岩的物理力学性质十分复杂ꎬ膨胀性泥岩遇风㊁遇水㊁震动等都极易造成围岩破坏与变形ꎮ支护类型分为刚性支护㊁柔性支护㊁加固支护ꎮ支护方式有砌碹支护㊁棚户支护㊁喷锚㊁注浆等ꎬ支护强度与巷道变形相耦合才能有效地控制变形ꎮ2㊀软岩巷道破坏产生的原因在深井软岩巷道中ꎬ顶板下沉㊁两帮收敛㊁片帮内移㊁底臌导致巷道断面的形变ꎬ带来大量的维修工作ꎬ增加巷道维护费用ꎬ严重影响着矿井的安全与生产ꎮ由于软岩的独特性质以及深度增加而带来的采动影响ꎬ导致各类巷道破坏的原因都不相同ꎬ所以到目前为止仍有许多问题需要进一步探索与研究ꎮ2.1㊀软弱岩层的物理原因软岩一般由固相㊁液相㊁气相三相组成ꎮ其中ꎬ大小不一ꎬ形状不同的固体颗粒按照不规则的排列组合方式聚集构成了软岩的骨架部分ꎬ经过漫长的时间通过与其余两相物质相互作用ꎬ最终形成了软弱岩层ꎮ构成固相部分的颗粒实际上是矿物颗粒ꎬ主要分为:①原生矿物ꎻ②次生矿物ꎻ③有机质ꎬ其中原生矿物是由岩石风化㊁沉积成岩而形成的软岩ꎬ形成的软岩会保留风化前母岩中的矿物成分ꎬ其特性也各不相同ꎬ比如云母类矿物白云母㊁氧化类矿物石英㊁极易风化的硫化物类矿物等ꎮ次生矿物是由原生矿物在一定条件下进一步风化㊁分解而形成更细的矿物ꎮ其中黏土矿物是构成软弱岩层的重要组成部分ꎬ主要有蒙脱石㊁伊利石㊁高岭石等ꎮ有机质是通过动植物在微生物分解的情况下而形成的亲水性极强的矿物ꎬ对软岩的影响很大ꎮ总之ꎬ矿物成分的固有特性影响着软岩的地质情况ꎮ2.2㊀软弱岩层的力学特性2.2.1㊀可塑性可塑性指软岩经过外力作用之后无法恢复的塑性变形ꎮ不同应力的软岩有着不同的可塑性机理ꎮ低应力软岩一般是泥岩遇水软化甚至液化ꎮ高应力软岩是根据亲水性和结构面共同引起的ꎬ因其机理较为复杂ꎬ所以目前为止研究甚少ꎮ节理化软岩是根据其结构面变化而引起的ꎬ与吸水性没有关系ꎮ2.2.2㊀膨胀性膨胀性是指软岩在水或外力作用下发生膨胀的现象ꎮ内部膨胀是指水分子进入矿物元素层间而发生的膨胀ꎮ外部膨胀是指水分子在颗粒之间发生的膨胀变形ꎬ扩容膨胀是09指受力后体积因裂隙扩大而发生的变形ꎮ2.2.3㊀崩解性不同应力的软岩对应的崩解机理也各不相同ꎮ低应力软岩因遇水软化造成裂隙变形而导致应力不均ꎬ从而发生崩解现象ꎬ高应力软岩和节理化软岩因在受力作用下发生局部应力不均而发生崩解现象ꎮ2.2.4㊀流变性在荷载作用下ꎬ随着时间的变化而发生的应变称之为蠕变ꎮ在应变不变的前提下ꎬ应力随时间的变化而减小称之为松弛ꎮ蠕变和松弛现象都是软岩具有流变性的具体体现ꎮ2.3㊀软弱岩层的水理作用巷道底板积水是煤矿生产最常见的现象之一ꎬ岩层浸水后强度降低ꎬ当软岩以高岭石㊁伊利石为主的黏土矿物岩层时ꎬ浸水后还会泥化崩解甚至液化ꎬ直至丧失强度ꎮ巷道底板裂隙浸水从而使水进入底板内部致使裂隙扩大ꎬ加速丧失底板围岩强度ꎮ3㊀软岩巷道破坏的有效控制3.1㊀软岩巷道锚喷支护(新奥法)在巷道开挖过程中ꎬ由地应力引起的围岩应力总是使开挖空间径向变形ꎮ喷锚支护就是在开挖后及时地向围岩喷射5~20cm厚的混凝土ꎬ必要时再设立锚杆以达到控制变形的目的ꎮ由于开挖洞室后及时喷锚ꎬ混凝土可以与围岩紧密贴合ꎬ并且其本身具有柔性特性ꎬ所以充分利用了其材料性能ꎬ使围岩既能变形又能很好地控制ꎬ使锚杆㊁混凝土㊁围岩三者稳定地受力工作ꎮ这也是与刚性支撑只能被动承受力的最大区别ꎮ但是由于围岩的强度各不相同ꎬ因此锚杆设计也会有所差别ꎮ现根据围岩可分为以下四类ꎮ3.1.1㊀整体围岩整体围岩强度高㊁整体性好㊁围岩裂隙少ꎮ这类围岩开挖过后可以保持其自身稳定ꎬ无需锚杆支撑ꎬ将围岩表面打磨平整后喷射3~5cm混凝土即可ꎮ3.1.2㊀块状围岩块状围岩强度高ꎬ但整体性差ꎮ这类围岩开挖过后强度可保持自身稳定ꎬ但因整体性差ꎬ巷道内部时常会有岩石掉落ꎬ所以开挖过后需及时喷射混凝土保证其稳定性ꎬ防止裂隙发育致使更多岩石掉落ꎬ必要时可配合锚杆支撑ꎮ3.1.3㊀层状围岩层状围岩的岩体内有一组结构面特别发育ꎮ开挖过程中不易成拱形ꎬ若不加固则会大大减少其抗弯性能逐渐破坏ꎮ对于层状围岩ꎬ应以锚杆为主要支护手段ꎮ用锚杆把各岩层连接在一起可大幅度增加顶板的抗弯性能ꎮ3.1.4㊀软弱岩层软弱岩层强度低㊁整体性差㊁裂隙结构面发育ꎮ难以保持稳定ꎮ开挖后需及时喷射混凝土ꎬ防止围岩表面掉落ꎬ通过成组有规律地布置径向锚杆来提高岩体强度和稳定性ꎮ如遇到上方荷载较大ꎬ以上方法不足以抵抗变形时ꎬ则使用锚杆喷进行一次支护ꎬ待能量释放后进行第二次支护ꎬ选择合适的支护时间和强度是这个方法的关键ꎮ3.2㊀软岩巷道钢结构支护3.2.1㊀工字钢支护工字钢翼缘宽㊁腹板厚㊁稳定性好㊁抗弯能力强㊁使用灵活ꎬ可以应对井下围岩复杂的应力ꎮ工程中常使用9号㊁11号㊁12号三种规格ꎮ与一般型钢比其成本低㊁精度高㊁残余应力小ꎮ与混凝土相比工字钢可增大使用面积ꎬ减少自重带来的二次破坏ꎬ充分发挥其力学特点使巷道稳定ꎮ3.2.2㊀U型钢可缩性支护U型钢刚度大㊁支撑效果好㊁安装灵活方便ꎬU型钢比工字钢承载能力更强ꎬU型钢可提供较大的变形量和承载力ꎬ但它无法使围岩充分发挥其自承能力的特点ꎬ并且其造价较高ꎬ需经常维护ꎮ3.2.3㊀其他支护钢材除了工字钢和U型钢ꎬ矿井常用支护钢材还有扁钢角钢以及带钢等ꎮ卡揽是支架接头处的连接件ꎬ它会直接影响支架的稳定ꎮ底梁连接板可以使两根底梁搭接成一根ꎬ有效地支撑巷道底板ꎮ钢背板可以均匀地分散围岩压力以及防止块石掉落ꎮ钢支撑在巷道施工过程中可以充分发挥刚度大㊁稳定性强㊁灵活多变等特点ꎬ使安全系数显著提高ꎬ巷道布置支护形式更加合理化ꎮ3.3㊀锚注支护对于普通支护无法维护围岩稳定的巷道中ꎬ为确保安全施工ꎬ杜绝安全隐患ꎬ可使用锚注技术施工ꎮ在开掘开采空区之前ꎬ通过锚杆向开采区打设空心锚杆ꎬ将浆液扩散至岩体内使松散的围岩提高强度ꎬ提高整体化ꎬ增加内摩擦角和内聚力ꎬ为后期掘进创造良好的施工条件ꎮ4㊀结㊀论深井巷道普遍处于高地压㊁高地温的环境ꎬ地质环境复杂ꎬ支护困难ꎮ本文主要阐述了巷道工程中破坏的主要原因ꎬ还有一些常见的支护方式ꎮ长期以来巷道支护一直是矿井工程的技术难题ꎬ经过国内外专家学者的不懈努力ꎬ取得了众多学术成果ꎬ为整个巷道工程也指明了研究方向ꎬ但因井下地质条件复杂多变ꎬ工程支护也不能墨守常规ꎬ灵活多变是巷道支护工程的特点ꎬ在探索未知复杂的工程仍需不断努力ꎬ不断丰富巷道支护工程的研究史ꎮ[ID:006707]参考文献:[1]㊀何满潮.中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南[M].北京:科学出版社ꎬ2004.[2]㊀李绍春ꎬ李仲辉.跨采软岩巷道支护技术[J].煤炭科学技术ꎬ2000ꎬ28(10):1-3.[3]㊀王焕文ꎬ王继良.锚喷支护[M].北京:煤炭工业出版社ꎬ1989.[4]㊀刘建庄ꎬ张农ꎬ郑西贵ꎬ等.U型钢支架偏纵向受力及屈曲破坏分析[J].煤炭学报ꎬ2011ꎬ36(10):48-52.[5]㊀郭健卿.软岩控制理论与应用[M].北京:冶金工业出版社ꎬ2011.[6]㊀康红普.软岩巷道底臌的防治[M].北京:煤炭工业出版社ꎬ1993.19。
深部高应力软岩巷道支护技术周俊林;林登阁;王迎东【摘要】近年来,煤炭等矿产资源的开发利用逐步向深部发展,深部软岩巷道大变形、大地压、难支护等特征表现明显,支护问题日益突出。
根据具体情况,安居煤矿千米埋深软岩硐室井下中央泵房,拱墙设计采用锚网索喷+锚注+现浇混凝土加固方案,底板采用抗让结合的反底拱及底板注浆治理方案,有效地控制了硐室变形破坏,取得了预期效果。
实践表明,以锚注为核心的锚注联合支护体系,可有效控制深部软岩巷道围岩变形,保证巷道长期稳定。
【期刊名称】《建井技术》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】4页(P29-32)【关键词】高应力软岩巷道;深部;锚注加固技术;数值模拟【作者】周俊林;林登阁;王迎东【作者单位】冀中能源峰峰集团九龙煤矿,河北邯郸,056500;山东科技大学,山东青岛,266510;山东科技大学,山东青岛,266510【正文语种】中文【中图分类】TD353+.9深部软岩巷道稳定性控制一直是国内外矿山工程支护加固的难题之一[1]。
近年来,煤炭等矿产资源的开发利用逐步向深部发展,深部岩体的结构特征与力学性能越来越复杂。
浅部矿井开采中,表现为硬岩特征的岩体,进入深部开采后,往往表现出大变形、大地压、难支护等软岩力学特征[2],产生了一系列的工程问题。
巷道地应力增大,且水平地应力明显大于垂直地应力,形成高水平地应力[3]。
这些都加剧了软岩巷道围岩变形破坏程度,增大了支护难度[4]。
因此,开展深部高应力软岩巷道支护技术研究,势在必行。
1 深部高应力软岩巷道支护技术20世纪80年代,世界各国巷道支护大多以金属支架为主。
金属支架在浅部矿井开采中,发挥了良好的支护作用,得到了广泛应用[5]。
随着矿井开采深度的加大,深部软岩巷道采用传统的支护方式,已难以保证围岩稳定,不能适应深部开采需要。
目前,世界多数产煤国家采用各种不同类型的锚杆、锚杆桁架及锚索支护方式,其中以美国、澳大利亚尤为明显。
2015年5月
2015年第5期收稿日期:2014-11-24
第一作者简介:林珍锋,1984年生,男,山西朔州人,2009年毕业于河北工程大学资源勘查工程专业,太原理工大学在读工程硕士。
深部高应力软岩巷道破坏机理与支护技术
林珍锋1,2
,白利明2
(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原030024;2.山西华晋明珠煤业有限责任公司,山西吉县042200)摘要:为探究如何更好地进行深部高应力软岩巷道的支护,对高应力软岩巷道的破坏机理进行了探究,总结了其主
要破坏特征,并就如何支护提出几点措施,最后对锚注技术这一具有较为广泛应用前景的巷道支护技术进行了介绍。
关键词:深部高应力软岩巷道;破坏机理;支护措施;支护技术中图分类号:TD353文献标识码:A 文章编号:2095-0802-(2015)05-0175-02
Failure Mechanism and Support Technology of Deep Highly-Stressed Soft-Rock Roadways
LIN Zhenfeng 1,2,BAI Liming 2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi,China;2.Shanxi Huajin Mingzhu
Coal Industry Co.,Ltd.,Jixian 042200,Shanxi,China)
Abstract:In order to explore how to support the deep highly-stressed soft-rock roadway better,the failure mechanism of highly-stressed soft-rock roadways is discussed,the main features of the destruction is summarized,some measures are proposed on how to support,and the roadway support technology of bolting and grouting technology which is of extensive application prospects is introduced finally.
Key words:deep highly-stressed soft-rock roadway ;failure mechanism ;support measures ;support technology
0引言
煤炭作为中国能源构成中的绝对主力,一直是国家建设所大量需求的资源,经过多年开采,浅层资源日趋减少,全国多数矿区都进入了深部开采阶段。
在煤矿深部开采中,高应力软岩巷道的支护一直是困扰生产有效进行的难点之一,亟待广大学者加强对此方面的探究,为煤炭企业的进一步发展保驾护航[1]。
1
高应力软岩巷道破坏机理与特征
1.1
破坏机理
高应力软岩巷道是指在深部大应力岩层中开掘的巷道,这些巷道的围岩在开掘前多已经历了多次的地质作用,岩层稳定性遭受了一定损坏,加之所处环境为“三高一扰动”(即高应力、高地温、高渗透压和强烈开采扰动)的复杂地质力学环境,当巷道开掘后,周围岩层再次受到影响,发生应力的释放与回弹等现象,使得巷道的支护变得较为困难。
依据相关研
究显示,已发生扰动的岩层在再次被破坏时,整体的破坏规律多受其破坏形式及破碎程度的影响。
其中对围岩破坏程度有决定影响的力是围岩的径向应力,巷道开掘后围岩径向应力可由下式获得:
σr =γH (1-r 1
2r
2),(1)
式(1)中,γ为岩体容重,N/m 3;H 为埋深,m ;r 为影响面积,m 2;r 1为巷道的半径,m 。
通过计算,当巷道开掘后两帮的径向应力接近0,无法满足使围岩达到理想弹塑性所需的应力要求,即高应力软岩巷道虽有着较高的初始应力,但其在破坏状态下巷道却处于低压环境。
这种应力状态的骤变,不仅引起围岩的蠕变和弹性体积应变,还会使得围岩内部的结构面在低压环境中逐渐扩张,进而改变其自身水文地质等特征,使岩体的强度进一步下降的同时加强了软岩的应变软化与扩容。
在巷道围岩上就显示为围岩出现较大的收敛位移,具体表现为顶板沉降、巷道底鼓、两帮片帮与鼓出、拱顶起尖等现象,使得巷道发生失稳破坏,其中破坏最为严重的位置多为巷道拱顶与拱墙的衔接处[2]。
1.2破坏特征
高应力软岩巷道的破坏变形有着多种形态,其具体特征可归纳为3
点:
技术研究
(总第116期)175··。