【正文】 ／ m 巷 道 變 形 量 C } 圖 2— 1頂?shù)装逡平颗c開采深度的關(guān)系 圖 2— 2巷道變形量隨采深變化的理論曲線 1 一疋 =3． 8MPa盯， =o． 2MPa 礦 =25。 =0． 49MPa≯ =30。根據(jù)現(xiàn)場 觀測表 明，深井巷道剛開挖時(shí)的變形速度可達(dá) 50m／ d以上 m。 巷道掘出后，變形速度隨時(shí)問的延續(xù)呈負(fù)指數(shù)曲線急劇衰減，經(jīng)過一定時(shí)間后趨于 穩(wěn)定，如圖 23所示。因此，深井巷道變形速度的上述規(guī)律表明： (1)巷道圍巖破裂區(qū)的形成 經(jīng)歷了一個(gè)時(shí)間過程 (此時(shí)間過程的長短與圍巖破裂范圍即破裂區(qū)厚度有關(guān) )： (2)深井 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 巷 50 道 變 40 形 速 3。 2． 3． 3變形趨于穩(wěn)定的時(shí)間長和長期蠕變 變形趨于穩(wěn)定要經(jīng)歷一個(gè)較長的時(shí)間過程是深井巷道礦壓顯現(xiàn)的又一大特點(diǎn)。巷道變形穩(wěn)定期與圍巖破裂范圍大小有關(guān) —— 破裂區(qū)厚度越大，巷道變形穩(wěn)定期越 7 長。掘巷引起的巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定后，變形速度維持 在一個(gè)較低水平。 2． 3． 4巷道底臌量大 ， 底臌量大是深井巷道礦壓顯現(xiàn)的又一個(gè)顯著特點(diǎn)。據(jù)前蘇聯(lián)對部分深并資料的統(tǒng)計(jì)分析： (1)隨開 采深度增大，易于產(chǎn)生底臌的巷道比重越來越大： (2)底臌量及其在項(xiàng)底板相對移近量 中所占的比 重隨開采深度增大而增大。隨開采深度增加，煤、巖體因變形而積聚的能量呈二次方關(guān)系增加。 實(shí)踐表明，深部開采發(fā)生沖擊地壓的頻率大大增加，沖擊的強(qiáng)度顯著增大。 2． 4深井巷道破壞機(jī)理及流變分析 2． 4． 1深并動壓巷道破壞機(jī)理 隨著開采深度的增加，巷道圍巖處于高地應(yīng)力的作用之下，還要受到采動的影響， 在淺部表現(xiàn)為硬巖的巖石會逐漸過渡到軟巖范疇，會呈現(xiàn)大地壓、難維護(hù)局面。而且，這種破壞具有與深度 有關(guān)而與方向無關(guān) (構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)除外 )的特點(diǎn)。按理說支護(hù)強(qiáng)度 已經(jīng)很高，但是從開采至今破壞嚴(yán)重。另一方面，巷道在開挖 后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了較大的改變，切向應(yīng)力在巷道壁附近出現(xiàn)局部集中，距巷道壁 愈遠(yuǎn)則愈接近原巖應(yīng)力狀態(tài)。偏應(yīng)力張量引起巷道圍巖的變形 破壞，因此工程開挖引起的偏應(yīng)力局部集中是深井巷道圍巖變形破壞的另一主要原因。研究表明，深井動壓巷道， 特別是圍巖強(qiáng)度相對較弱的巷道，圍巖的主要破壞形式和變形機(jī)理為擠壓流動變 形，其特點(diǎn)是巷道的圍巖為己經(jīng)遭受過變形破壞的軟弱破碎巖體，在受采動影響或隨時(shí) 8 間流變 時(shí)，這些軟弱破碎圍巖的再變形破壞過程中的體積碎脹導(dǎo)致巷道發(fā)生大的變形。彈性后效是一種延遲發(fā)生 的彈性變形和彈性恢復(fù)，外力卸除后最終不留下永久變形。．，．廠龜％％行和鋤％％ J} 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 性流動。閉合和滑移 是巖體中結(jié)構(gòu)面的壓縮變形和結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動。盡管其機(jī)理各不相同，但表現(xiàn)形式一致， 且往往發(fā)生在同一物體上，因此在研究時(shí)很少加以區(qū)分．單純的粘性材料是很少的，常 見的工程材料在外力作用下，瞬時(shí)出現(xiàn)彈性或彈塑性，以后才逐漸呈現(xiàn)粘性，即多為彈 性材料或粘、彈、塑性材料。 對地下硐室而言，由錨桿和所支護(hù)部分的巖體組成承載拱，其本身強(qiáng)度和剛度特性 都比較好，故具有約束國巖變形、保持硐室穩(wěn)定的功能。此時(shí)， 可以把錨固體看成是一種新型的等效材料。 2． 5深井巷道圍巖破壞范圍的影響因素 圍巖普遍處于破裂狀態(tài)是深井巷道礦壓的主要持點(diǎn)之一。并且，圍巖破裂是深井巷道變形量大的根本原因，破裂區(qū)厚度是巷道 變形量的主要決定因素。 目前．確定巷道圍巖破裂范圍主要有兩種方法，即現(xiàn)場實(shí)測和理論計(jì)算方法。 然而，實(shí)測數(shù)據(jù)只能綜合反映圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度相互作用的結(jié)果，不能建立起測試結(jié) 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 果與二者之間的確切關(guān)系。 建立在某種數(shù)學(xué)力學(xué)模型基礎(chǔ)上的理論計(jì)算方法由于對實(shí)際問題進(jìn)行了適當(dāng)簡化， 而且具有巖石力學(xué)參數(shù)和原巖應(yīng)力等難以準(zhǔn)確確定的缺陷。然而，理論計(jì)算法的主要貢獻(xiàn)在于，它建立起了巷道圍巖破裂區(qū)厚度與盡可 能多的影響因素之間的關(guān)系，從而有可能采取相應(yīng)的技術(shù)措施減小甚至完全消除某些因 素對圍巖破裂范圍的影響。 由于兩種方法都有其局限性，因此，最好是兩種方法同時(shí)使用。 Fenner公式將巖石視為金屬那樣的理想彈塑性材料， 并且假定巖石的體積應(yīng)變?yōu)榱?，結(jié)果與實(shí)際嚴(yán)重不符。 剛性試驗(yàn)機(jī)的問世使人們有可能全面了解和認(rèn)識巖石變形破壞的全過程．從而揭示 了巖石不同于金屬材料的重要持性，這就是巖石的應(yīng)變軟化和體積破裂膨脹性。與巖石的破裂膨脹性相比，巖石擴(kuò)容引起的巷道收斂變形 在深部開采巷道圍巖破裂范圍較大的情況下只是一個(gè)小量。 2． 5． 1影響巷道圍巖破裂范圍 —— 破裂區(qū)厚度的因索有： ①巖石應(yīng)力，包括開采深度 H和采動影響等； ②巖石力學(xué)性質(zhì)，主要有巖體單向抗壓極限強(qiáng)度 0 c、殘余強(qiáng)度 0 c和應(yīng)變軟化程 度 (系數(shù) )k； ③支護(hù)方面的因家，包括支護(hù)阻力 P。 1．開采深度的影響 ①隨開采深度增大，圍巖破裂區(qū)厚度開始時(shí)呈非線性增大，速度較快．以后逐漸變 緩．呈近似線性關(guān)系增大； ②開采深度 (原巖應(yīng)力 )對圍巖破裂區(qū)厚度的影響程度與巖石力學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切一 — 巖體強(qiáng)度越大，影響越小，反之，則影響越大．必須指出的是，巖體強(qiáng)度不僅僅是指 巖體的極限強(qiáng)度，而且還包括它的殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化程度。分析表明．與巖體極限強(qiáng)度相比，殘余強(qiáng)度對巷道 圍巖破裂區(qū)厚度的影響更為突出。 =0． 2MPa, 妒 =25。 =0． 49MPa,妒 =30。 =O． 9$MPa,9=45。 =2． 45MPa,尹 =45。巖體強(qiáng)度越小、△ L擊越大，反之，則△ Lb越小。而對于強(qiáng)度較高的巖石，即使達(dá)到較大的開采深度．巷道維護(hù) 也不困難。 ’現(xiàn)場實(shí)測得出的巷道圍巖破裂區(qū)厚度隨開采深度 (原巖應(yīng)力 )變化的規(guī)律與上述理論 分析相同．如圖 2— 5和圖 2— _6所示。 O 1． S t■ 量 5 丑 O^k 圈 25 L．與 Po／ o。 圖 2噸巖體極限強(qiáng)度對破裂區(qū)厚度的影響 殘余強(qiáng)度的影響 當(dāng)巖體單向抗壓殘余強(qiáng)度一小于其極限強(qiáng)度 o。 0． 050． 10 時(shí)，巷道圍巖破裂區(qū)厚度隨殘余強(qiáng)度的減小急劇增大；而當(dāng)殘余強(qiáng)度礦大于極限強(qiáng)度 o。 0． 20時(shí)，圍巖破裂區(qū)厚度的減小不明顯，如圖 2— 9所示。 0 寸 。應(yīng)變軟化系數(shù) k越大，說明巖石的應(yīng)變軟化程度越大。當(dāng)其它條件一定時(shí)．巖石的應(yīng)變軟化程 度越大即 k越大．巷道圍巖破裂區(qū)厚度越大，反之，則越小。從理論 上講．提高支護(hù)阻力可以減小巷道圍巖破裂范圍．因 2— 1l是繪制的 Lb與 Pi的理論曲 線。 B j C l 2 3 4 11 吏護(hù)詛力 t／ tdlh 圖 2— 11支護(hù)阻力對破裂區(qū)厚度的影響 根據(jù) I． E Farmer的研究，巖石的單向抗壓殘余強(qiáng)度 通常很低，有的接近于零甚至等于零，而巖體的單向抗壓殘余強(qiáng)度將更低。顯然，這不符合實(shí)際情況。因?yàn)椋? ①現(xiàn)有的支護(hù) (架 )還沒有控制深井巷道圍巖使之不破裂的能力； ②支護(hù)不及時(shí)，不可能在圍巖破裂前實(shí)施支護(hù)措施； ⑧支架架設(shè)時(shí)與圍巖不能密切接觸．只有在圍巖產(chǎn)生較大變形并作用于支架時(shí)支 護(hù)才能反作用于巷道圍巖，而此時(shí)圍巖已經(jīng)破裂。因此，支護(hù)在深井巷道圍巖破裂中的作用是， 它不能阻止圍巖破裂的發(fā)生，但能對圍巖破裂區(qū)的形成產(chǎn)生影響、從而在一定程度上減 小圍巖破裂范圍。前蘇聯(lián)學(xué)者的研究 表明，巷道圍巖的膨脹量 (體積應(yīng)變 )隨支架阻力增大呈雙曲線衰減，即 P，‘ 毛 2er+Sg=托 +口 ) 式中 e坤積應(yīng)變 (圍巖膨脹量 )； co， a—— 無量綱參數(shù)． 支護(hù)阻力對圍巖提供一個(gè)側(cè)壓力，使圍巖應(yīng)力狀態(tài)得以改善，從而使圍巖強(qiáng)度提高， 破裂范圍減小。 開采的影響 開采對巷道圍巖破裂范圍的影響是顯著的。 { 4 圖 2～ 12應(yīng)力集中系數(shù)對破裂區(qū)厚度的影響 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 2． 6深井巷道的礦壓控制 2． 6． 1優(yōu)化巷道布置 采準(zhǔn)巷道的布置應(yīng)避開煤柱集中應(yīng)力、構(gòu)造集中應(yīng)力、采動應(yīng)力的影響，選擇在巖性 較為穩(wěn)定的巖石中。隨著深 度的增加，回采工作面推進(jìn)后煤體塑性區(qū)增加，致使區(qū)段煤柱留設(shè)寬度隨之增加，為保證 采區(qū)回收率，減少巷道維護(hù)，工作面回風(fēng) (運(yùn)輸 )平巷宜采用無煤柱護(hù)巷的形式。回采巷道布置的方位應(yīng)使工作面離開斷層推進(jìn)，使采區(qū)一翼內(nèi)工作面同向推 進(jìn)。 2． 6． 2改革巷道支護(hù)形式 對國內(nèi)外大量深井開采礦井的研究表明，布置在中硬以下巖層中的巷道變形破壞嚴(yán) 12 重 (特別是受采動影響后 )，當(dāng)采深在 800～ 1000m 以上時(shí)，在中硬及中硬以上巖層內(nèi)布 置的巷道，若采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式，巷道維護(hù)仍很困難。采用 不同的支護(hù)形式。 (I)在采準(zhǔn)巷道中發(fā)展多種形式的 u鋼可縮性支架，是解決圍巖高應(yīng)力、大變形的有 效支護(hù)形式。 (2)發(fā)展以錨桿為主體的新型支護(hù)，即錨噴支護(hù)、錨梁網(wǎng)組合支護(hù)、錨桿與可縮性支 架聯(lián)合支護(hù)以及可縮性錨桿等。 (3)針對采準(zhǔn)巷道不同時(shí)期，采動影響引起的不同圍巖移動特征，采用改變巷道支護(hù) 方式、調(diào)節(jié)巷道支護(hù)強(qiáng)度的非等強(qiáng)多次支護(hù)工藝，對改善深井巷道的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益有重 要意義 。 (4)錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)在服務(wù)年限長，圍巖較穩(wěn)定的深井巷道中廣泛應(yīng)用，這一支護(hù)形 式能充分發(fā)揮圍巖自承能力，防止水及空氣對圍巖的風(fēng)化作用。經(jīng)調(diào)查，深礦井開采煤層的頂板巖性變化隨著采深增加，頂板巖層有逐漸變碎 和強(qiáng)度降低的趨勢；隨采深增加，斷層、裂隙、層理和節(jié)理逐漸發(fā)育，同一層位的巖層分 層厚度逐漸變薄，弱面增多，采場頂板懸頂長度逐漸減小，由不容易垮落變得容易垮落；在 頂板巖層變碎和強(qiáng)度有所降低的情況下，深井采場出現(xiàn)漏垮型冒頂事故的可能性加大。 (2)盡量縮小端面空頂距，減小無支護(hù)面積。 (3)提高前梁支撐 力，及早地使支撐力與頂板壓力取得平衡，減小新暴露項(xiàng)板的離層、 撓曲機(jī)率。 (4)對單體支柱工作面，頂梁上盡量鋪笆或金屬網(wǎng)，若有漏頂，應(yīng)及時(shí)構(gòu)頂填實(shí)，以防 頂板失控，導(dǎo)致支架的失穩(wěn)。 (6)工作面上、下出口及上、下順槽超前支承壓力的應(yīng)力疊加帶，應(yīng)優(yōu)先選用穩(wěn)定性 較好的十字鉸接頂梁支護(hù)系統(tǒng)。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 13 3 深部巷道支護(hù)技術(shù)研究 3． 1深部開采支護(hù)技術(shù) 圍巖狀態(tài)是巷道礦壓控制的基礎(chǔ)。并且，現(xiàn)有支護(hù)不可能改變深井巷道圍巖的破裂狀態(tài)．因 此，深部開采巷道礦壓控制原則的確定和控制措施的采用都應(yīng)建立在圍巖破裂狀態(tài)的基 礎(chǔ)上。 開采深度越大，巖體強(qiáng)度越小，欲控制圍巖不破裂從理論上應(yīng)提供的支護(hù)阻力就越 大，如圖 3一 l所示。支護(hù)阻力越小、巷道 圍巖強(qiáng)度越低．支架從理論上能控制圍巖不破裂的開采深度就越小。／ 1地 圖 31 Pm與開采深度和巖性的關(guān)系 泥巖；吒 =3． 8MPa以“ =0． 2MPa 毋 =250 k=l； 沙頁巖， oe=9． 8MPa以” =0． 49MPa≯ =300 k=1； 砂巖：吒 =19． 6MPa吒 4=O． 98MPa礦 =35。事實(shí)上，深井巷造一 開掘時(shí)圍巖就處于破裂狀態(tài)，產(chǎn)生了破裂區(qū)。這就是深井巷道礦壓控制的基礎(chǔ)。雖然深井巷道圍巖的破裂狀態(tài)不能改變，但采取包括支護(hù)在內(nèi)的一切礦 壓控制措施，控制圍巖破裂的發(fā)展、減小圍巖破裂范圍是可能的。這些因素包括； ①巷道所處應(yīng)力場．包括開采深度和采動影響等； ②巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)．主要有巖體的極限強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化程度，此外， 巖體彈性模量對巷道變形有較 大的影響； ③巷道支護(hù)與維護(hù)方式等。而其它因素的影響都可以通過采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档偷揭欢ǔ潭龋? 有的則完全可以消除它們的影響．例如，采用前進(jìn)式采煤法可以避免超前支承壓力的影 響．而掘前預(yù)采則可以完全消除采動的影響。 14 這是由深井巷道圍巖狀態(tài)的特點(diǎn)決定的。這些技術(shù)措施歸根結(jié)底是通過降低應(yīng)力和保證巷道圍巖有較高的 強(qiáng)度或提高巖體強(qiáng)度，從而達(dá)到減小巷道圍巖破裂范圍、提高巷道穩(wěn)定性的目的。通常，巖層卸壓和單純的巖層加固 (支護(hù)如 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 錨噴支護(hù)、錨注支護(hù)等也具有加固圍巖的作用 )作為深并巷道礦壓控制的輔助措施。 深井巷道礦壓控制的難點(diǎn)依然是采準(zhǔn)巷道，特別是不得不布置在煤層中的回采巷道， 在深部開采條件下當(dāng)受到數(shù)倍于原巖應(yīng)力的支承壓力作用時(shí)將變得很難維護(hù)。 目前，我國普通采用后退式采煤法，在深部開采中也不例外。 采用前進(jìn)式采煤體系時(shí)，區(qū)段平巷隨采隨掘，不僅維護(hù)時(shí)間短，而且不受工作面前 方移動支承壓力的影響，對深部開采的煤層平巷維護(hù)比較有利。在開采深度為 1600m的情況下，提前 掘進(jìn) (后退式采煤法 )的工作面巷道受一側(cè)采動影響 后，其頂?shù)装逑鄬σ平扛哌_(dá)巷道原 始高度的 89％．而隨工作面開采同時(shí)掘進(jìn) (前進(jìn)式采煤法 )的巷道項(xiàng)底板相對．移近量僅 46％．若用建筑材料充填則可以降低到 35％。 。從深部開采的煤層巷道維護(hù)問題出發(fā)．我國也應(yīng)推行前 進(jìn)式采煤體系。 然而，需要指出的是，由于前進(jìn)式采煤法必然要與沿 空留巷相結(jié)合，而在厚煤層中 沿空留巷通常比較困難，特別是在深部開采的條件下，因此前進(jìn)式采煤法應(yīng)首先在薄煤 層和厚度較小的中厚煤層中推廣應(yīng)用。 2．深井巷道布置原則 同中淺部開采一樣．深部開采的巷道也應(yīng)布置在； ①開采形成的應(yīng)力降低區(qū)， ②強(qiáng)度高、整體性好的穩(wěn)定巖層中。開采深度是不可選擇的