祁东煤矿1.2 Mta新井设计含5张CAD图.zip
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专题部分 煤矿深井巷道矿压显现及其控制李旭光江苏徐州,中国矿业大学矿业工程学院,221116摘要:我国国有大中型煤矿开采深度每年约以812 m的速度向深部增加,一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。开采深度的加大后,岩体应力将急剧增加,地温升高,巷道围岩破碎严重,塑性区、破碎区范围很大,蠕变严重。采用工字钢、架棚等被动支护技术已不能有效的控制巷道的变形,采用高强度树脂锚固以及注浆锚杆锚固力大、锚固及时,能主动地将支撑载荷作用到巷道周边,对围岩施加径向力,改善围岩结构,加强巷道或硐室周边围岩稳定性,充分发挥围岩的自身承载能力,取得了良好的支护效果。 关键词:深井巷道;矿压显现;围岩应力;矿压控制;锚杆1 引言巷道变形破坏严重,维护困难时煤矿深井开采主要和共同问题之一。巷道矿压显现随采深增加而增加,一般在采深超过600700m之后软岩条件下采深在500m左右,井下巷道开始出现深井开采的巷道矿压显现特征。随着开采深度增加,矿压显现特征愈加明显。我国是世界产煤大国,同样也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部,埋深大于600 m和1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。而随着开采深度的加大,巷道周边围岩应力呈近似线性关系的增长,巷道围岩变形少则几百毫米,多达1.02.0 m。巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修,特别是它们的两类或三类的复合型,问题更为突出。严重时,在巷道掘进或使用期间将会在巷道中引发煤与瓦斯突出,甚至岩爆等动力灾害,严重威胁矿井的安全生产。这不但造成巷道支护成本高,而且造成煤炭资源开采的极端困难,严重威胁着矿井的安全生产。在深部巷道中使用锚杆支护技术,锚杆通过径向和切向锚固力的作用,对围岩施加围压,将围岩由单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态,提高围岩的稳定性。锚杆贯穿围岩中的弱面,切向锚固力改善了围岩的力学性质,进而有效地控制巷道变形。 1.1课题的提出及意义中国是个煤炭大国,在我国的一次能源的生产和消费构成中,煤炭所占的比重约为 2/3,2007 年的全国煤炭产量为 25.5 亿吨,由于全国对煤炭的需求量增加迅速特别是电煤,缺口仍有 6000 万吨左右,新成立的国家能源局局长张国宝表示在 2009 年要增加煤炭的产量,加紧审批一批大型煤矿的建设。我国正处于经济的快速增长时期,一次能源生产量和消费量均超过世界总量的 10%;其中,煤炭生产量和消费量约占世界的 30%,且我国是个贫油气富煤的国家,煤炭资源丰富,但我国煤炭总储量的70%以上埋藏在600m以下,更有29500万亿吨,埋藏在1000m以下,占总储量的 53%,煤炭资源从浅部开始开采,经过半个世纪的时间,浅部资源日益枯竭,国内外都陆续进入深部资源的开采,煤矿深井开采是世界上大多数主要采煤国目前与将来面临的亟待解决的问题。率先进入深部开采是金属矿山,早在本世纪初,南非金矿的开采深度就已超过 2000m。据不完全统计,国外开采超过千米的金属矿山有 80 多座,其中南非就有 40 多座矿井开采深度超过 1000m,其中一半多已达 20003000m,如埃兰兹兰(Elandsrand)金矿、斯坦总统(President Steyn)金矿和博克斯堡(Boksburg)金矿等开采深度均已超过 3000m,而全世界开采深度最大的地下矿山卡里顿维尔(Caritonvill)金矿(南非第三大金矿)的开采深度已超过 4000m。除南非以外,加拿大、美国和印度等国非煤地下矿山的开采深度最大的也达到了 20003000m,如美国的加利纳(Galena)银铅矿、加拿大的克来顿(Creighton)镍矿和印度的钱皮恩里夫(Champion Reef)金矿和科拉尔(Kolar)金矿等。建国初期统配煤矿产量中,约有 40%是从深度 200m 以内的矿井中采出,而近80%的煤炭是从深度为 400m 以内的矿井采出。国有重点煤矿的生产的矿井,目前多数还是浅井和中深井,其百分比分别为 50.08%和 45.74%,而深矿井仅占 4.2%。根据 1997 年初的统计,国有重点煤矿的生产矿井中,目前采深已超过-800m 的矿井中有 25 处,其分布在开滦、北京、鸡西、沈阳、抚顺、新汶、徐州、淮南和长广等开采历史长的老矿区。据统计34-36 ,目前我国许多矿区的开采深度都己超过了 600m800m,深度超过千米的矿井就有数十个,最大的开采深度己接近 1200m。如沈阳矿务局彩屯煤矿(1197m),开滦赵庄煤矿(1159m),徐州张小楼煤矿(1100m),北票冠山煤矿(1059m),北京门头沟煤矿(1008m)等。此外,新汶矿区的大部分煤1矿己进入深部开采,平均开采深度达-900m 以上,如孙庄煤矿(1055m),华丰煤矿(1070m)。可以预计,随着对煤炭需求量的不断增加,我国将有更多煤矿进入 1000m以下深度开采。按采深统计,国有重点煤矿生产矿井多数是中深矿井,其矿井接近47%,深矿井的比重也增长到近24%,并有5.01%的矿井采深超过1200m。今后的总发展趋势是浅井(小于 400m)的数目将大为减少,中深矿井(400-800m)的数目明显增加,深矿井(8001200m)的数目成倍增长,并将出现更多的特深矿井(大于 1200m),矿井的平均开采深度也将进一步增大至 630 m 左右。随着矿井开采逐渐向深部发展,在浅部呈现中硬岩变形破坏特征的工程岩体,进入深部后转化为高应力软岩,矿压显现强烈,巷道位移显著增大,支架损坏严重,巷道返修量剧增,巷道维护变得异常困难,深部采场与巷道围岩稳定性控制已成为煤矿开采面临的重大课题之一,引起了世界各国采矿界的高度重视。另外深部高地压导致冲击地压危险加大,瓦斯涌出量增加以及地温升高等一系列新问题,深井开采问题是采矿界面临的一个重要课题。矿井进入到深部开拓和生产阶段后,由于各种因素的影响,地质条件会变得异常恶化。随着高地应力、高渗透压力和高地温的影响越来越突出,相应的也会给地下工程即围岩稳定与施工安全也会带来一系列的难题。深部开采由于地应力的普遍升高,导致深部巷道的围岩在承压强度和变形性质上与浅部围岩相比存在着显著的差异。处在浅部的围岩大部分都处在弹性应变的状态,不会发生较大的变形而失稳。但是进入到深部开拓以后,围岩体内的地应力会明显地升高,这必然会导致围岩体内所赋存的高地应力和自身低强度之间产生突出矛盾,并且也会使岩体内的应力状态由三向变成二向。随着巷道的开挖,重新形成的二次应力场中的应力将会高度集中,进而导致近表的围岩受到超过围岩自身强度的剪切力。巷道围岩体将会很快地发生由表及里的破裂碎胀和塑性扩容现象,这样势必会出现大变形进而使整体进入到失稳状态。随着矿山开采深度的增加,地下水的渗透压力也会相应地增大。随着巷道的开挖,近表围岩内孔隙水的压力将会大幅地降低,与此形成鲜明对比的是巷道近场围岩内的有效应力将会迅速地增大,致使巷道围岩体内的应力很快超过岩体本身的额定强度,从而加速了巷道表层围岩的破坏失稳现象向巷道深部围岩蔓延的趋势。考虑到我国大部分含煤地层的岩石主要为泥质胶结状态,当遇到水体侵蚀后必然会发生软化松散,使其物理力学性质更趋于弱化而有些深井巷道围岩的岩石中含有少量薪土矿物如:蒙脱石,遇水将会发生迅速地膨胀破裂。以上情况如果处理不好都会对围岩稳定带来不利的影响。2 开采深度与巷道围岩的变形关系2.1中国的研究开采深度对巷道围岩的影响十分复杂,除与巷道的围岩性质密切相关外,如受采动影响的巷道,则与护巷方式和周围采动状况等也有密切关系。根据我国的研究成果,可得开采深度与巷道维护之间的一般关系如下:(1)岩体的原岩应力即上覆岩层重量,是在岩体内掘巷时巷道围岩出现应力集中和周边位移的基本原因。因此,随开采深度增加,必然会引起巷道围岩变形和维护费的显著增长。(2)巷道的围岩变形量或维护费用随采深的增加近似的呈线性关系关系增长。(3)巷道围岩变形和维护费用随开采深度的增长的幅度,与巷道围岩性质有密切关系,围岩愈松软,巷道变形随采深增长愈快,反之,围岩愈稳定,巷道变形随采深增长愈慢。(4)巷道围岩变形和维护费用的增长率还与巷道所处位置及护巷方式有关,开采深度对卸压内的巷道影响最小,对位于煤体内巷道及位于煤体-煤柱内巷道的影响次之,对两侧均已采空的巷道影响最大。2.2德国的研究(1) 德国提出掘巷引起的围岩移近量与开采深度和巷道底板岩层强度之间的关系为: (2-1)式中:掘巷引起的围岩变形量占巷道原始高度的百分率,%; 岩层压力,Mpa; 地板岩层的单轴抗压强度,Mpa。图2-1 移近量与岩石压力p(深度H)和底板岩层强度的关系1-砂岩(=97 Mpa);2-页岩(45 Mpa);3-软岩(28 Mpa);4-煤(14 Mpa)利用该式计算结果如图1所示,由此可见,掘巷引起的围岩变形随开采深度的增加而增长,其增长率与巷道围岩性质有关。开采深度每增加100 m,在煤层(=14 Mpa)中掘进,围岩移近量增加8.9%;在软岩(=28 Mpa)中增加6.3%;在页岩(=45 Mpa)中增加5%;在砂岩(=97 Mpa)增加3.4%。同时取=0,可以知道在掘巷过程中引起围岩明显变形的临界深度,在煤层中为512 m,软岩中为732 m,页岩中为930 m,砂岩中为1360 m。(2)德国埃森采矿中心还对100条前进式开采的采准巷道进行了系统观测,得出巷道围岩移近量占巷道原始的高度的百分率与开采深度关系式为: (2-2)既开采深度每增加100 m,回采巷道围岩移近量占原始高度的百分率增加6.6%,与上述统计值相似。矿井开采深度由300 m增加到800 m时,移近量要增加1000余mm,巷道从较易维护变为难以维护,可见开采深度对巷道矿压显现的影响之大。2.3前苏联的研究前苏联对矿井开采深度与巷道稳定性的关系进行过大量研究,认为深部巷道矿压显现的一个主要特点是在巷道掘进时就呈现围岩强烈变形,且在掘进后围岩长期流变,使巷道支架承受很大压力。浅部开采时表现不明显的掘巷引起的围岩变形,在深部开采时显现十分强烈。根据在顿巴斯矿区进行的大量巷道矿压观测,提出了深部巷道掘进初期围岩移近量的计算公式为: (2-3) (2-4)式中:、顶板、两帮在掘进后t时间内的位移量,cm; 时间,d; 、顶板、两帮作用在支架上的压力,kN/m2; 岩石容重,kN/m3; 巷道所处的深度,m; 岩石单轴抗压强度,kPa; 寻求常数时引入的单轴抗压强度,3000kPa; 巷道所处的深度,cm; 巷道高度,cm。由此可以看出随着开采深度的增加,维护时间的增长,巷道变形将逐渐增加,维护也将越来越困难。前苏联学者舍斯勒夫斯基认为,当4502.045m 跨度毛洞能维持稳定数月,局部出现小块掉落较完整坚硬、较完整较坚硬、完整较软弱、块状坚硬构造影响较严重,主要表现为水平构造应力引起的高地应力的影响;遇水不易软化,层间胶结较好,结构面以原生与构造节理为主,闭合不贯通,无软弱夹层,较完整坚硬岩石,可能有少量小断层,偶有泥岩充填4503751.52.045m 跨度毛洞维持稳定1月左右,主要出现局部掉块、塌落,有中等程度底臌较完整较软弱、块状较坚硬、完整软弱构造影响较重;层间胶结较好,偶见软弱夹层,结构面发育,节理面多数闭合,少有泥岩充填,块体间牢固咬合3753001.01.545m 跨度毛洞维持稳定12周,主要失稳形式为冒落或片帮,底臌较严重,收敛变形速度达30mm/d以上 块状较软弱、极软弱、破碎段较坚硬构造影响严重,多数为断层影响带或强风化带;层间胶结差,易风化剥落或遇水易软化;结构面发育,以构造裂隙、卸荷风化为主,贯通性好,多数张开3002250.51.045m 跨度毛洞维持稳定13天,主要失稳形式为大范围冒落片帮,底臌严重,收敛变形速度达100mm/d以上破碎软弱、极软弱、松散结构构造影响严重,多数为破碎带、全风化带、断层充填物;构造及风化节理密集,节理面及其组合杂乱,形成大量碎块,块体间多数为泥岩充填,呈石夹土或土夹石状2250.545m跨度毛洞维持稳定时间很短,约数小时4.3深井巷道围岩状态特点深井巷道围岩的特点很多,但是从造成深井巷道支护和维护困难的根本原因上来讲,主要的特点是深井巷道的围岩压力大。我们所指的围岩压力不仅仅指的是由于巷道处于深部围岩情况下,产生的高地压所带来的围岩压力,还包括高渗透压力和通风造成的温度梯度所产生的一系列问题而带来的相应的巷道围岩压力的升高。顶底板移近量与开采深度的关系 图4-1 巷道变形量随采深变化的理论曲线伴随着巷道围岩压力升高,巷道围岩变形程度呈近似线性关系增长。基本从600m开始,1000m开采深度,巷道顶底板相对平均移近量增加10%一11%(如图4一1所示)。理论分析表明,深部开采的巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大(如图4一1所示)。开采深度每增加100m的巷道变形增量与岩体强度有直接关系。如何才能有效地降低深井巷道的围岩变形程度呢?现阶段可以将运输大巷等主要开拓巷道布置在底板岩层中。但是考虑到支撑压力会在底板岩层中传播并且范围会越来越大,必将会对深井巷道的布置产生重要影响。在深部巷道掘进或受采动影响时,巷道周边围岩的应力状态要重新进行分布,使得围岩的稳定性发生不可预知的变化。当重新分布后的应力小于围岩的极限强度时,深部巷道的围岩将处于弹性状态,对巷道的稳定性影响不明显;而当重新分布的应力大于围岩的极限强度时,巷道近表的围岩将会处于塑性变形状态甚至破裂松动状态,并且随着时间的推移,塑性区范围会不断地扩大。此时巷道围岩中将形成弹性区、塑性区和破裂区,(如图3一4所示)。弹性区的巷道围岩处于弹性变形状态,塑性区的围岩处于塑性变形软化状态,容易发生破裂,而破裂区的围岩已经发生破裂,围岩内部只有很低的强度,处于残余强度状态。如果不采取有效的围岩加固措施,极易导致巷道失稳的发生。处在弹性阶段和塑性阶段的巷道围岩比较容易支护,并且维护起来问题不是太大。但是,当巷道围岩状态进入到残余强度的阶段后,部分围岩将会逐渐失去自身所保持的承载能力。围岩的稳定性变得很差,巷道变形量增大的趋势明显,因此巷道围岩的支护将变得异常困难。围岩强度越低,破裂的范围越大,围岩的稳定性越差,支护也就越困难。图4-2 深井巷道围岩状态分区I破裂区;II塑性区;III弹性区对于同一地层、同一矿井,当其他的条件都相同时,伴随着开采深度的不断增加,地应力也会越来越大。井巷的围岩必然会从弹性阶段过渡到塑性阶段,导致围岩裂隙的不断发育,接着从塑性阶段再进一步过渡到破裂松动阶段,也就是残余强度状态。因此可以得出,围岩的不同状态对应着不同的开采深度,并且如果巷道围岩的强度不同,同一开采深度下,开采特征也会存在不同程度的差异。4.4关于围岩稳定性控制机理及方法的研究围岩的稳定性取决于围岩的强度和变形性质,即围岩的力学性质,又取决于其所受的应力状态。围岩体由完整岩石骨架和结构组成,由于煤矿深部围岩经受了 23 亿年长期地质年代的高压作用,岩石骨架致密且坚硬,岩体的强度和变形性质主要受结构面控制,在围岩力学性质中,某些不受应力状态影响,如粘结力、内摩擦角等,为固有属性;而另一些力学性质则受应力状态的影响,如拉压强度、变形模量、泊松比等,为非固有属性。控制围岩的稳定性应从改善围岩力学性质和应力状态两方面入手,由于围岩的非固有属性受应力状态影响,通过改善围岩应力状态能够达到改善围岩非固有属性的目的。4.4.1巷道支护与围岩的相互作用原理从当前各国的研究和发展状况来看,该理论的主要内容可以概括为以下四个方面:(1)在巷道支护过程中,随着开挖的不断进行,巷道才能逐步的进行支护。通常条件下要等到巷道表层的围岩产生一定程度的变形破坏,对巷道采取的支护措施才能起到应有的承载作用。因此,初期的巷道支护措施具有一定的延后性,巷道有一定变形是在所难免的。(2)围岩与巷道支护之间的相互作用主要体现在,用于支护巷道围岩的材料提供足够大的支护阻力才能阻止围岩塑性区的扩大和围岩体的进一步变形,进而保持围岩在相对稳定的状态下与支架形成承载结构。(3)当支架的刚度越小或支护措施越滞后时,巷道支架所能承受的载荷,即支护阻力也就越小,对应的巷道围岩就会产生更大的变形量,不利于巷道围岩与支护结构形成稳定的承载状态,反之亦然。考虑到软岩巷道的特殊性,其围岩压力普遍较大,用于支护的支架一般都不能阻止围岩压力的持续增大。因而,需要支护材料具有一定的允许变形量或者可压缩量,已达到用较小的支护阻力承受较大的围岩变形的目的。(4)要根据巷道围岩的具体岩性选择所需支护材料,强度不能太低,而过长的滞后支护时间也是不允许的。当然,滞后时间过短对巷道的维护也是不利的。在保证巷道围岩较少产生松动破裂区的前提下,适当降低支护的最小支护阻力。弹塑性力学虽然能很好的侄释上述原理,但还需要进一步的研究,并对其加以认证。而其他有关支护系统与巷道围岩相互作用机理的研究都可以在前面总结的四点内找到依据。4.4.2悬吊理论、组合梁理论和组合拱理论在目前的巷道锚杆支护设计理论中,悬吊理论、组合梁理论和组合拱理论是最为优秀的支护理论,并且以这些理论为基础产生了不少实用的支护技术。悬吊理论是通过锚杆把巷道近表破裂松软的岩石固定在巷道深部稳定岩石上,并使其与深部稳定岩石构成统一的受力岩体,达到具有一定的承载能力的目的。目前己发展成为一项锚杆支护理论即在可能发生岩体冒落的地段中使用悬吊理论对顶板锚杆支护参数进行计算的方法。组合梁巷道锚杆支护理论是通过锚杆把巷道近表的薄岩层组合成一体,例如:三合板的结构,使得整体结构具有更强的抗变形破坏能力的支护理论。从目前支护技术的发展水平来看,组合梁巷道锚杆支护设计方法与相关步骤正趋于成熟,有关数值计算优化梁的设计准则己经得到广泛应用。组合拱巷道锚杆支护理论是经过无数次的工程实践,在新奥法的基础上提出来的关于锚喷支护设计的方法,是利用锚杆等杆体结构在围岩内形成围岩挤压带来控制可能产生的巷道两帮剪切滑移的理论。4.5深井巷道支护理论研究现状矿井的采深和开采规模都在逐年增加,相应的受到叠加应力(受大埋深、采动不平均、构造应力等因素影响所产生的)作用的深井巷道也在不断地增多。还沿用以前的支护方式己经不能保证深部巷道围岩的稳定。深部围岩由于受到高地应力的影响,在岩性的某些方面已经和软岩极为相似。因此可以得出,关于深井巷道支护所面临的难题可以参考国内外在软岩巷道支护上所取得的成果。但并不是说,所有的深井巷道支护都能参考软岩巷道进行支护,要根据具体的岩石性质,做出可靠地分析。例如:某些矿山的深井巷道围岩强度,不仅不会随着深度的增加而表现部分软岩的性质,反而会不断地增大,呈现坚硬岩石的某些特性,岩性比较脆,容易发生岩爆现象。积极研究和发展新技术已经迫在眉睫。4.5.1国外深井支护理论研究现状:(1)新奥法新奥法是奥地利人在总结了前人工程实践的基础上,提出的一种地下工程设计和施工的方法,己经在世界范围内得到了广泛的应用。它的理念为:巷道支护不仅需要支护材料的承载作用,还需要巷道围岩自身发挥一定的承载能力即支护结构对围岩的承载作用在巷道支护中只是起到辅助性的作用,只有充分发挥围岩自身承载能力,才能使巷道结构保持长久的稳定。新奥法指出巷道软岩的支护要及时采取二次支护,并且二次支护时间的确定要根据一次支护后巷道围岩的变形收敛情况,实时对围岩进行监测。(2)能量支护的理论国外的萨拉蒙(M.D.Salalnon)等人提出了关于能量支护的理论,认为:在很长一段时间内,巷道周边围岩可以看做是一个统一的整体,这个整体的能量处于相对稳定的状态,因此围岩也处于相对稳定的状态。当巷道开挖后巷道及周边岩石的整个系统的能量不断地增加,在巷道开挖一段时间后,系统的能量要保持平衡,必然会发生能量的转移,即必然会对某一特定的物体做功,以保持整个系统能量的初始状态。(3)围岩应变控制理论日本樱井春辅和山地宏提出了深井围岩支护的应变控制理论。该理论指出:支护结构的增加在一定程度上减少了了巷道围岩的应变量,但是从另一个角度看随着巷道支护结构的不断增加,巷道围岩能够允许的应变也在持续增加。因此,要想把围岩的应变控制在可容许的范围内,就需要适当的增加支护结构。而支护结构的确定则是与感应系数有关。而感应系数是由工程量测的。4.5.2国内深井支护理论研究现状我国于20世纪50年代开始对深部巷道支护系统进行研究。从20世纪80年代开始,已经召开了二十余次高地应力工程有关的全国性会议,从而把其理论研究推到了一个更新的阶段。目前以下六种理论最具代表性。(1)轴变论和开挖系统控制论巷道在变形破裂或者垮落以后,经过一段时间的围岩应力释放,可以达到自稳的状态;从而利用弹性理论得出一些结论:产生围岩体变形破坏的应力大于岩体自身的固有强度,塌落使得巷道围岩应力得到重新的分配,高应力区应力降低,低应力区应力升高,这一变化过程将导致应力均匀分布向周边发展。当应力达到均匀分布时即巷道的轴比最稳定时,为椭圆形状。(2)联合支护技术本技术是从新奥法发展过来的,它的支护理念为:处理普通的巷道支护问题,要先让后抗,先柔后刚,柔让适度,稳定支护,不要仅是强调支护刚度。(3)围岩松动圈理论董方庭教授提出:虽然巷道围岩的弹塑性变形依然存在,但是处于裸体巷道中的围岩松动圈都接近于零,因此不需要进行支护。如果考虑到松动圈范围将会不断扩大,进而产生越来越大的收敛变形,就需要加强巷道支护。但是总的来说,主要是为了解决随着松动圈的扩大,把不利的围岩变形控制在最低的限度内。(4)锚喷一弧板巷道支护理论对于软岩巷道来说,不能光是片面强调放压的重要性,放压以后要及时进行支护,也可以理解为先柔后刚的支护措施,防止巷道各部分的围岩处于离散状态。综上可知,该理论在一定程度上是对联合支护理论的延伸。(5)围岩动态工程的分类理论通过了解具体巷道围岩体的结构组合,根据不同应力环境下巷道围岩的破坏形式和特点,分析巷道围岩变形破坏的演化规律,从而提出关于对不同巷道部位的有针对性的定量支护体系。(6)巷道关键部位的藕合组合支护理论该理论是何满朝教授中国矿业大学(北京校区)提出的,认为地下岩体工程的变形破坏机理为支护体在支护围岩时,可能发生不藕合的现象,即围岩体在其力学性能上与其支护材料存在一定的分离。因此,需要分析岩体的变形破坏的力学机制,具体情况具体分析。建议复杂巷道支护可以分两步走,(重点为藕合支护):一次支护为允许有变形的柔性支护,二次支护时对重点部位进行祸合支护。此外,还有灰色系统决策理论、高强度弧板支护理论、软岩工程地质力学理论、位移反分析理论、极限跨度及平衡理论、优化理论等。通过比较分析得出,新奥法(新奥地利隧道施工法)是影响最大的巷道支护理论。近观我国目前软岩巷道的支护施工,都是按照新奥法的理念实施的。随着近年来巷道埋深的不断增加,采用新奥法对深部软岩巷道支护也产生了一些问题,主要有:(1)新奥法提议初次支护稳定后在进行第二次支护。而在深部巷道中,随着支护的稳定大部分巷道围岩也逐渐进入到塑性破裂阶段;(2)巷道围岩的荷载分布是不均匀,但二次支护属于全断面等强支护,不能够做到重点突出即加强薄弱部位的支护,致使围岩破坏失稳;(3)新奥法一次支护的时间的确定需要大量的现场实测和理论分析。因而,工序较繁琐,不利于现场施工的高效进行。尽管如此新奥法作为巷道支护的重要指导思想,其意义是不可抹杀的。5 深井巷道围岩稳定性控制理论5.1控制理论的力学基础巷道围岩的稳定性主要取决于围岩体的强度和变形性质(统称力学性质),又取决于其所受的应力状态等。围岩体是由完整岩石骨架和结构面组成的,由于煤矿深部地层的围岩经受了2亿一3亿年长期地质年代的高压作用,导致岩石的骨架致密而坚硬,岩体的强度和变形性质主要受结构面影响和控制。在围岩的主要力学性质中,某些性质不受应力状态的影响,如内聚力、内摩擦角等,被称为围岩的固有属性;而另外一些力学性质则会受到应力状态的影响,如拉压强度、变形模量、泊松比等,被称为围岩的非固有属性。要控制巷道围岩的稳定性应从改善围岩力学性质和应力状态两个方面入手,通过改善围岩的应力状态能够达到改善围岩非固有属性的目的,因而如何有效地控制和改善围岩的应力状态至关重要。根据岩石力学试验的研究成果可以发现,任何岩石在三向应力状态下的强度都要高于两向应力状态或单向应力状态下的强度;当岩石处于三向应力状态下时,随着侧限压力(围压)的增大,其峰值强度和残余强度都会得到显著提高,并且峰值以后的应力一应变曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡,岩石由脆性向延性转化, (如图5一1所示)。岩体的强度与变形性质与应力状态之间也有着类似的联系。图5-1 岩石强度及变形特性随围压的规律在深部巷道开挖以后,围岩体由长期稳定的状态转向非稳定的状态正是由于围岩所受的应力状态发生显著改变的结果。巷道开挖前,虽然围岩受到很高的地应力作用,但处于高围压应力平衡状态,因而抗压强度很高,远大于最大偏应力,所以围岩处于弹性状态。开挖卸荷导致一定范围内的围岩侧压降低,近表围岩的侧压则降为零;同时,围岩应力向巷道周向转移调整,引起应力相对集中,使得周向应力升高23倍。对于深部巷道而言,近表围岩的围岩压力卸荷的幅度一般可达到20MPa以上,巷道周边方向的应力将会增加40一60MPa,因而使得最大剪切应力达到60一80Mpa。与此同时,二次应力场形成过程中产生如此大的偏应力,这在浅部巷道的开挖施工中是难以想象的。这两个方向的应力一升一降将会产生围岩内部高应力与低强度之间的突出矛盾,这必然会导致巷道围岩开挖后的快速变形破坏,裂隙由表及里快速传播与扩展,会导致围岩在一定范围内变形失稳进入峰后或残余强度阶段,并且超出围岩强度的那一部分应力将会向围岩深部转移(如图5一2所示),导致巷道开挖扰动引起的二次应力影响区和围岩破裂损伤区的范围远远超过浅部巷道。图5-2 巷道开挖后围岩应力峰值向深部转移过程 图5-3 开挖支护先后围岩应力状态与强度的改变巷道围岩在开挖前后对其应力状态的影响,如图5一3所示。在巷道在未开挖时,近表围岩所受的周向应力 与所受的法向应力 之间相差不大,从图中可以看出在巷道开挖前,莫尔圆的直径即法向应力与周向应力之差很小。并且可以发现此阶段的莫尔圆所处的范围要远小于巷道围岩在支护前的强度包络线,可以得出此时的巷道围岩由于没有开挖处在非常稳定的状态。巷道在开挖以后,围岩的应力状态由三向转为两向即法向应力 降到最低为0。此时的围岩周向应力司要远远大于巷道在开挖前的周向应力 ,莫尔圆的直径达到最大。巷道围岩在支护前的强度包络线己经不能覆盖莫尔圆的范围,可以得出巷道围岩己经破裂失稳。因此,要确保巷道围岩的稳定,首先要做的就是在巷道开挖以后尽快恢复和改善巷道周边围岩的应力状态,使得围岩的应力状态尽快由两向转为三向。在巷道开挖未支护时法向应力降为0,通过一定支护措施,可以使其稍微提高到一定强度 。并且从图中可以看出,改善和恢复应力状态的措施越及时,巷道莫尔圆增大的幅度越小,围岩破裂扩展的程度越轻,从而使巷道围岩的稳定性保持得越高。由图还能看出在巷道开挖以后,对巷道近表围岩施加的法向应力越大,围岩的莫尔圆扩散的范围越小,巷道的变形程度也就越低。及时对开挖巷道进行支护,并且对近表围岩施加的应力越大越好。以目前的技术水平并考虑经济因素来看,只靠提高巷道近表的应力是不够的。还需要采取相应的技术措施对巷道深部的围岩进行加固,保证深部破裂区的范围不会逐渐地增大。对围岩进行加固主要是提高其摩擦角和内聚力的大小,通过提高这两个固有属性,可以使得围岩的强度包络线倾角增大并且向上移动,超出支护后莫尔圆的范围,因此围岩能都达到稳定状态。5.2国内外巷道支护技术发展现状总的来讲,国内外巷道支护技术的发展主要经历了从木支架到钢性支架、可缩性支架到锚杆支护。在最近的几十年中,国内外巷道支护技术更是取得了突飞猛进的发展。其中以U型钢可缩性支架和锚杆的应用最具代表性。从今天的发展状况来看,己经形成了以锚杆和U型钢支架为主体的多种支护形式,如:棍凝土暄、析架锚杆、锚索、各种料石谴、喷射混梁网、高强度混凝土弧板支架,并且可以与包括塑料网、喷射混凝土、金属网、钢筋梯子梁、W钢带或析架在内的支护材料组成联合支护。因此可以这样说,只要是巷道都可以采用锚杆支护,不论是受开采动压影响的采准巷道,还是受开采动压影响的开拓巷道。其适用范围之广,己经得到了各国的普遍认可。目前,我国巷道锚杆支护技术的应用正在迅速的发展。巷道锚杆支护技术已经作为一项主要的支护措施在各大矿区实施。如何才能有效的发挥锚杆的支护作用,提高巷道的支护效果,还是需要深入的研究。需要考虑很多影响围岩稳定的因素,可是随着井下巷道的开挖某些因素就被固化了,如:围岩强度以及井巷的走向、断面尺寸等,但要控制围岩的稳定性就必须在支护上认真研究,包括支护材料、支护方法、支护类型等。从近年来世界上大部分深井矿山的巷道支护技术水平和情形来看,可以从以下两个方面对深部巷道的支护技术措施进行概括:一是通过增大巷道的断面积,并对其进行支护,一般大断面巷道的断面积都在20 一29之间;二是采用组合或联合支护技术。采用大断面巷道支护技术措施的主要原因是:(1)由于深井巷道的地压普遍较高,巷道在开挖后本身的变形量也相对较大,在严重时断面的收缩率可以达到30%一40%。考虑到可能会发生这种情况,因而要减少巷道的维修量和维修成本。在相同的支护条件下,只有通过增加巷道的断面面积,以预留较大的变形量,才能保证巷道内运输和行人的正常。(2)深井巷道对风量的要求较高。由于矿井深部地温普遍较高,瓦斯等有害气体的含量随着深度的增加也会相应的增大,加之对高产高效矿井的安全和产量的要求,需要通过加大风量来降低井下的温度,并且要及时冲淡有毒气体的含量等,相应的较大的。(3)一条巷道有多种用途。辅助运输别且又有回风用途的巷道、机轨合一的巷道等都要求断面的面积要适当加大,以确保巷道内各个生产系统之间的运作有条不紊的进行。(4)通过工程实践表明,配套的掘进机组在断面比较大的巷道中更能灵活使用,有利于提高掘进速度。并且在大断面巷道中,可以使大型设备的运输更为方便。在组合或联合支护技术方面,大部分矿山一般采用锚网喷支护作为巷道的初次支护,待巷道的变形量基本趋于稳定时,通过采用U型钢拱架壁后充填支护技术作为补充。这主要考虑到以下因素:深部巷道地压大,采用重型钢材料一进行支护,其支护强度大,并且支架弯曲与扭曲变形很小,不易损坏,回收复用率较高。5.3深井巷道围岩控制的关键技术5.3.1高预应力让压锚杆我们所说的此类锚杆指的是锚杆杆体材料的抗拉强度要达到 200MPa。锚杆的长度是由凿岩机凿岩的效率与锚杆钻孔成孔的时间决定的,锚杆的长度取2.2一2.8m比较合适,锚杆的直径与凿岩机钻孔的直径有关,凿岩机钻孔的直径太大会降低钻孔的效率,而直径太小又不能满足锚杆与岩体支护强度的要求。根据实践得出,凿岩机钻头的直径取28mm比较好。钻孔壁和锚杆杆体之间的间隙的确定,一般去3一5mm为宜,锚杆与孔壁间隙太小,锚固剂的勃结层就会太薄,降低了锚杆与岩体之间的内聚力,而锚杆与孔壁间距太大,锚固剂在凝固以后容易发生干缩的现象,同样会降低结构间的内聚力。锚杆外露端头的主要结构(图5-4),能够起到让压作用的让压环和拱形托盘,可旋转方向的垫圈螺母,这种结构能够起到强抗微让的作用,能够有效地阻止锚固区域与原岩范围的岩体之间产生明显的裂隙破坏。图5-4 高预应力锚杆结构示意图5.3.2高强预应力灌浆锚索要根据巷道围岩的变形破坏程度合理的选用高强预应力的锚索,依据巷道断面的大小可布置2一6根,并且应该在巷道两肩的关键破坏部位设置预应力锚索,一般间排距取1600一2400mm。如果能够配合U型钢、工字钢一起使用,锚梁结构加固的效果会更好。锚索在安装以后
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