1704 岩 土 力 学 2012 年 以 底 板 已 经 成 为 巷 道 支 护 体 系 的 一 个 薄 弱 环 节, 是 造 成 巷 道 失 稳 的 关 键 因 素 底 臌 问 题 已 引 起 了 国 内 外 学 者 的 广 泛 重 视, 一 直 是 研 究 的 热 点 问 题 [4] 20 世

第 33 卷 第 6 期 岩 土 力 学 Vol.33 No. 6 2012 年 6 月 Rock and Soil Mechanics Jun. 2012 文 章 编 号 :1000-7598 (2012) 06-1703-08 高 地 应 力 破 碎 软 岩 巷 道 底 臌 特 性 及 综 合 控 制 对 策 研 究 刘 泉 声 1, 肖 虎 1, 卢 兴 利 1, 崔 文 泰 (1. 中 国 科 学 院 武 汉 岩 土 力 学 研 究 所 岩 土 力 学 与 工 程 国 家 重 点 实 验 室, 武 汉 430071;2. 山 东 科 技 大 学 土 木 建 筑 学 院, 山 东 青 岛 266510) 2 摘 要 : 高 地 应 力 破 碎 软 岩 巷 道 底 臌 问 题, 由 于 其 地 质 条 件 的 复 杂 性, 是 煤 矿 开 采 的 技 术 难 题 之 一 通 过 总 结 分 析 高 地 应 力 破 碎 软 岩 巷 道 底 臌 的 变 形 破 坏 特 性, 研 究 了 底 臌 治 理 对 策 研 究 结 果 表 明, 底 板 围 岩 呈 现 出 挤 压 剪 切 流 变 特 性, 在 支 护 对 策 上 应 将 支 护 体 系 视 为 完 整 体 系, 在 加 强 修 复 固 结 应 力 转 移 和 扩 大 承 载 圈 的 同 时 强 调 调 动 帮 顶 部 的 间 接 控 制 作 用 提 出 了 以 底 板 超 挖 高 强 度 预 应 力 锚 索 深 孔 注 浆 底 脚 拱 角 锚 杆 和 回 填 为 技 术 支 撑 的 综 合 治 理 对 策, 通 过 FLAC 3D 建 立 的 三 维 数 值 分 析 模 型, 分 析 了 在 综 合 治 理 对 策 下 围 岩 位 移 场 及 塑 性 区 的 变 化, 验 证 了 该 方 法 的 有 效 性 将 综 合 治 理 对 策 应 用 到 淮 南 潘 二 煤 矿 东 二 采 区 主 要 大 巷, 取 得 了 良 好 的 支 护 效 果 关 键 词 : 软 岩 巷 道 ; 底 臌 ; 高 地 应 力 ; 围 岩 ; 控 制 对 策 中 图 分 类 号 :TD 263 文 献 标 识 码 :A Research on floor heave characteristics of broken soft rocks with high geostress and its comprehensive control measures LIU Quan-sheng 1,XIAO Hu 1,LU Xing-li 1,CUI Wen-tai 2 (1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 2. College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China) Abstract: The problem of floor heave of high geostress broken and soft rock roadways, because of its complex geological conditions, is one of the technical problems of coal mining. Deformation and failure characteristics of floor heave of high geostress broken soft rock are analyzed; and the control measures are studied. The results show that, surrounding rock shows compressive shear rheological properties, supporting system should be regarded as a complete system; it focuses on not only surrounding rock repair, stress transfer and enlarged load ring, but also on exploiting the indirect effect of other parts of the supporting system. Comprehensive control measures integrating overcutting floor, high-strength cable, deep-hole grouting, bottom corner rockbolt, side bottom rockbolt and backfill are put forward. Numerical analysis model is established by using FLAC 3D ; the changes of surrounding rock displacement field and plastic zones are analyzed while using the method; the validity of the method is verified. Comprehensive control measures applied to main roadways of Donger coal mining area, Paner mine, Huainan, makes a good supporting effect. Key words: soft rock roadways; floor heave; high geostress; surrounding rocks; control measures 1 引 言 随 着 我 国 经 济 的 不 断 发 展, 煤 炭 需 求 量 不 断 增 加, 开 采 深 度 也 不 断 增 大, 地 质 条 件 恶 化, 地 应 力 水 头 压 力 和 地 温 梯 度 明 显 升 高, 特 别 是 巷 道 经 过 断 层 带 时 岩 性 恶 化 地 下 水 发 育 构 造 地 应 力 突 增, 巷 道 围 岩 普 遍 出 现 了 较 严 重 的 底 板 下 沉 两 帮 收 敛 和 底 臌 变 形 及 其 带 来 的 支 护 结 构 失 稳 现 象, 给 巷 道 围 岩 和 施 工 安 全 控 制 带 来 了 十 分 严 峻 的 挑 战 [1-3] 在 巷 道 顶 底 收 敛 变 形 中, 底 臌 变 形 占 据 大 部 分 巷 道 围 岩 支 护 体 系 作 为 一 个 系 统 整 体, 某 一 部 分 的 失 效, 将 造 成 整 个 系 统 的 失 效 由 于 认 识 上 的 不 足 和 施 工 条 件 等 因 素 限 制, 底 板 往 往 处 于 不 支 护 或 者 弱 支 护, 即 便 经 过 加 固 的 底 板 效 果 也 并 不 理 想, 所 收 稿 日 期 :2010-12-16 基 金 项 目 : 中 国 科 学 院 知 识 创 新 工 程 重 要 方 向 项 目 (No. kzcx2-yw-116) 第 一 作 者 简 介 : 刘 泉 声, 男,1962 年 生, 博 士, 研 究 员 博 士 生 导 师, 主 要 从 事 岩 石 温 度 效 应 裂 隙 岩 体 温 度 - 水 力 - 应 力 耦 合 分 析 地 下 工 程 稳 定 性 分 析 及 岩 土 工 程 加 固 技 术 等 方 面 的 教 学 与 研 究 工 作 E-mail: liuqs@whrsm.ac.cn

1704 岩 土 力 学 2012 年 以 底 板 已 经 成 为 巷 道 支 护 体 系 的 一 个 薄 弱 环 节, 是 造 成 巷 道 失 稳 的 关 键 因 素 底 臌 问 题 已 引 起 了 国 内 外 学 者 的 广 泛 重 视, 一 直 是 研 究 的 热 点 问 题 [4] 20 世 纪 90 年 代, 康 红 普 从 软 岩 巷 道 的 物 理 力 学 性 质 出 发, 以 数 值 模 拟 物 理 模 拟 及 现 场 监 测 为 手 段, 分 析 了 软 岩 巷 道 底 臌 机 制, 认 为 底 臌 原 因 有 底 板 弹 塑 性 变 形 岩 层 扩 容 岩 层 遇 水 膨 胀 岩 层 流 变 和 岩 层 弯 曲 断 裂 他 将 控 制 对 策 总 结 为 支 护 加 固 法 ( 底 板 锚 杆 注 浆 封 闭 钢 架 ) 卸 压 法 ( 挖 槽 爆 破 卸 荷 等 ) 和 联 合 法 [5-7] 姜 耀 东 陆 士 良 等 将 底 臌 总 结 为 4 种 类 型 : 挤 压 流 动 型 挠 曲 褶 皱 型 剪 切 错 动 型 和 遇 水 膨 胀 型, 分 别 对 底 臌 机 制 有 一 定 分 析 提 出 底 板 岩 性 围 岩 应 力 水 理 作 用 和 支 护 强 度 是 影 响 底 臌 的 4 个 关 键 因 素 文 献 [8-12] 研 究 表 明, 顶 板 两 帮 和 底 板 是 一 个 整 体 系 统, 底 板 的 稳 定 过 程 是 这 3 个 部 分 相 互 作 用 最 终 达 到 平 衡 的 过 程 [13] Wang 等 提 出, 控 制 巷 道 围 岩 稳 定 性 的 一 些 原 则, 介 绍 了 应 用 可 伸 缩 底 板 梁 控 制 底 臌 的 方 法 [9] 何 满 潮 等 提 出 在 顶 板 两 帮 和 底 板 3 个 关 键 部 位 [14] 分 别 加 固, 共 同 限 制 底 臌 谢 广 祥 等 提 出, 超 挖 [15] 锚 注 回 填 技 术 控 制 底 臌 杨 生 彬 模 拟 了 底 脚 锚 杆 在 底 臌 控 制 中 的 重 要 性, 并 将 其 应 用 到 实 际 中 王 [16] 汉 鹏 等 提 出, 使 用 预 应 力 锚 索 反 底 拱 联 合 支 护 的 方 式 控 制 底 臌 底 臌 问 题 是 煤 矿 巷 道 围 岩 稳 定 性 控 制 的 关 键 问 题 之 一 [2] 过 断 层 巷 道 围 岩 构 造 应 力 效 应 显 著 岩 体 破 碎 裂 隙 水 发 育, 巷 道 底 臌 问 题 也 愈 加 突 出 目 前 提 出 的 各 种 控 制 方 法, 均 有 其 局 限 性 例 如 : 在 实 践 中, 对 于 过 断 层 破 碎 型 底 板 进 行 锚 杆 加 上 注 浆 的 方 法 来 控 制 底 臌 效 果 并 不 理 想, 一 是 对 于 常 见 的 破 碎 含 泥 围 岩, 注 浆 扩 散 效 果 不 好, 二 是 底 板 破 裂 损 伤 深 度 过 大, 锚 杆 长 度 不 够, 锚 杆 效 果 很 差 本 文 在 总 结 自 己 和 他 人 的 研 究 成 果 的 基 础 上, 着 重 分 析 了 高 应 力 下 过 断 层 带 破 碎 围 岩 底 臌 特 性, 提 出 充 分 利 用 顶 板 和 帮 部 的 补 强 对 底 板 变 形 的 牵 制 作 用, 以 超 挖 预 应 力 锚 索 底 脚 锚 杆 深 孔 注 浆 和 回 填 为 体 系 的 直 接 底 板 综 合 控 制 对 策 (1) 底 臌 变 形 量 大 底 臌 变 形 占 到 顶 底 变 形 的 大 部 分, 如 果 底 板 弱 支 护 或 者 不 支 护, 底 臌 变 形 量 甚 至 可 以 超 过 巷 道 设 计 高 度 图 1 是 淮 南 潘 二 矿 东 二 采 区 回 风 大 巷 和 胶 带 机 大 巷 经 过 两 次 刷 帮 卧 底 巷 修 后 的 底 臌 变 形 情 况 图 1(a) 为 回 风 大 巷 顶 底 板 间 距 紧 余 1 400 mm( 设 计 为 4 050 mm), 图 1(b) 为 胶 带 机 大 巷 最 近 卧 底 3 个 月 后 的 情 况 (a) 回 风 大 巷 情 况 (b) 胶 带 机 大 巷 情 况 图 1 淮 南 潘 二 矿 两 条 大 巷 底 臌 变 形 情 况 Fig.1 Floor heave of two main roadways in Paner mine, Huainan (2) 底 臌 呈 现 挤 压 剪 切 流 变 特 征 图 2 是 在 断 层 带 破 碎 围 岩 中 常 见 的 U 型 架 腿 脚 内 移, 随 着 底 臌 量 的 增 大, 腿 脚 内 移 会 加 剧, 甚 至 失 稳 图 2(a) 反 映 了 在 两 帮 来 压 挤 压 作 用 下 巷 道 底 臌 严 重, 图 2 (b) 可 以 看 出 U 型 架 受 左 侧 来 压 的 挤 压 影 响 严 重, 底 臌 严 重 图 3 是 两 帮 变 形 底 臌 量 与 时 间 的 曲 线, 其 中 轨 道 巷 底 板 经 过 弱 支 护, 而 胶 带 机 巷 底 板 未 加 支 护, 可 以 看 出, 底 臌 变 形 与 两 帮 变 形 的 相 关 性 以 及 底 臌 的 流 变 特 征 (3) 底 臌 受 动 荷 载 和 地 下 水 影 响 较 大 图 4 是 淮 南 潘 二 矿 东 二 采 区 胶 带 机 大 巷 底 臌 监 测 曲 线, 可 以 看 出, 在 邻 近 轨 道 大 巷 ( 水 平 距 离 为 20 m) 扩 刷 爆 破 荷 载 影 响 下, 底 臌 速 率 有 3 次 突 变 性 增 长 另 外 对 于 底 板 遇 水 膨 胀 崩 解 的 岩 性 条 件, 底 臌 变 形 很 大 [4] 2 底 臌 变 形 特 性 及 影 响 因 素 分 析 2.1 过 断 层 带 破 碎 底 板 的 变 形 特 性 分 析 根 据 在 淮 南 平 顶 山 国 投 新 集 等 矿 区 所 做 长 期 的 现 场 监 测, 过 断 层 带 破 碎 型 围 岩 底 臌 主 要 呈 现 如 下 特 征 : (a) 两 帮 来 压 底 臌 (b)u 型 架 变 形 图 2 淮 南 潘 二 矿 东 二 采 区 U 型 架 变 形 情 况 Fig.2 Deformation of U-steel at Donger mining area, Paner mine, Huainan

第 6 期 刘 泉 声 等 : 高 地 应 力 破 碎 软 岩 巷 道 底 臌 特 性 及 综 合 控 制 对 策 研 究 1705 收 敛 量 /mm 800 700 600 500 400 300 200 100 0 胶 带 机 巷 两 帮 收 敛 胶 带 机 巷 底 臌 变 形 轨 道 巷 两 帮 收 敛 轨 道 巷 底 臌 变 形 0 20 40 60 80 100 120 监 测 天 数 /d 图 3 淮 南 潘 二 矿 东 二 采 区 胶 带 机 巷 和 轨 道 巷 两 帮 及 底 板 变 形 曲 线 Fig.3 Deformation curves of floor at two main roadways, Donger mining area, Paner mine, Huainan 图 5 底 板 位 移 矢 量 图 Fig.5 Displacement vectorgraph of floor 底 臌 量 /mm 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 第 3 次 爆 破 扰 动 第 2 次 爆 破 扰 动 底 臌 量 底 臌 速 率 第 1 次 爆 破 扰 动 0 20 40 60 80 100 120 140 160 水 平 距 离 /m 图 4 爆 破 影 响 下 底 臌 变 形 特 征 曲 线 Fig.4 Feature curves of floor heave under the influence of blast 2.2 过 断 层 带 破 碎 底 板 底 臌 影 响 因 素 分 析 断 层 带 由 于 历 史 构 造 作 用 强 烈, 构 造 应 力 很 大, 岩 层 节 理 裂 隙 和 地 下 水 较 发 育, 在 开 挖 卸 荷 后 底 板 软 弱 岩 层 一 般 呈 破 碎 状 从 地 应 力 底 板 岩 性 地 下 水 和 支 护 荷 载 4 个 方 面 分 析 断 层 带 破 碎 底 板 底 臌 影 响 因 素 2.2.1 地 应 力 35 30 25 20 15 10 5 0 底 臌 速 率 /(mm/d) 随 着 开 采 深 度 的 增 加, 地 应 力 不 断 增 大, 而 断 层 带 地 层 一 般 都 经 历 过 强 烈 的 地 质 构 造 运 动, 因 而, 在 地 层 中 一 般 都 赋 存 了 很 高 的 构 造 应 力 表 1 列 举 了 淮 南 矿 区 地 应 力 研 究 的 部 分 成 果 可 以 看 出, 淮 南 矿 区 -720~-820 m 水 平 过 断 层 带, 最 大 水 平 主 应 力 一 般 超 过 20 MPa, 最 高 达 25 MPa, 垂 直 应 力 也 接 近 或 超 过 20 MPa, 说 明 原 岩 应 力 为 高 应 力 状 态 ; 侧 压 系 数 大 于 1, 说 明 水 平 构 造 应 力 影 响 对 巷 道 稳 定 性 占 主 导 在 高 应 力 和 水 平 应 力 的 主 导 作 用 影 响 下, 通 过 数 值 模 拟 位 移 场 分 析 和 深 部 位 移 现 场 测 试, 可 以 总 结 出 高 地 应 力 影 响 下 断 层 带 破 碎 底 板 底 臌 挤 压 流 动 性 运 动 特 性 如 图 5 所 示 图 5 为 巷 道 受 到 垂 直 于 走 向 的 高 地 应 力 时 的 位 移 矢 量 图, 箭 头 指 向 表 示 位 移 方 向, 箭 头 长 短 表 示 位 移 大 小 测 试 地 点 表 1 淮 南 矿 区 地 应 力 测 试 结 果 Table 1 Results of geostress survey in Huainan mining area 测 试 深 度 /m 最 大 水 平 主 应 力 最 小 水 平 主 应 力 最 大 水 平 主 应 力 方 位 角 /( ) 垂 直 应 力 侧 压 系 数 谢 一 矿 -780 19.5 11.9 326.6 13.2 1.50 潘 三 矿 -750 23.6 11.7 272.4 20.1 1.18 望 风 岗 -820 22.7 15.0 309.0 20.6 1.10 顾 北 矿 -648 19.7 18.0 335.0 17.8 1.11 顾 桥 矿 -780 19.9 16.8 302.0 17.8 1.12 2.2.2 水 理 作 用 断 层 带 存 在 大 量 裂 隙 水, 节 理 裂 隙 的 发 育 为 地 下 水 的 存 储 和 运 移 提 供 了 条 件, 另 一 方 面, 现 场 经 验 表 明 注 浆 技 术 在 巷 道 支 护 的 大 范 围 使 用, 大 量 施 工 用 水 进 入 围 岩 而 煤 层 周 围 岩 体 往 往 以 泥 岩 或 泥 质 胶 结 岩 体 为 主, 在 水 理 作 用 下, 岩 体 强 度 弱 化 严 重, 对 于 含 较 多 蒙 脱 石 的 黏 土 岩 发 生 膨 胀, 甚 至 发 生 崩 解 对 破 碎 型 底 板 底 臌 产 生 很 不 利 的 影 响 2.2.3 地 层 岩 性 底 板 岩 层 的 强 度 和 结 构 是 对 底 臌 起 决 定 性 作 用 的 因 素 [6] 对 于 过 断 层 破 碎 岩 层 来 说, 底 板 岩 体 的 力 学 性 质 一 般 很 差, 在 开 挖 卸 荷 和 碎 胀 力 的 作 用 下, 节 理 裂 隙 进 一 步 扩 展, 岩 体 结 构 基 本 呈 碎 裂 状 加 之 高 应 力 和 底 板 的 应 力 集 中, 低 强 度 底 板 将 产 生 很 高 的 蠕 变 速 率 更 易 于 破 坏 2.2.4 支 护 荷 载 底 板 支 护 阻 力 对 底 臌 量 的 控 制 起 着 关 键 作 用 长 期 稳 定 岩 体 开 挖 后 应 力 状 态 从 三 向 应 力 状 态 变 成 二 向 应 力 状 态, 同 时 应 力 向 巷 道 周 向 转 移 调 整, 引 起 应 力 集 中 在 偏 应 力 和 集 中 应 力 的 作 用 下, 岩 体 性 质 进 一 步 恶 化, 由 于 开 挖 后 自 由 面 的 存 在, 岩 体 的 流 变 也 进 一 步 加 强 图 6 [17] 显 示 了 蠕 变 与 应 力 - 应 变 全 过 程 曲 线, 可 以 看 出, 差 应 力 越 大, 应 变 量 越 大 支 护 荷 载 能 够 改 变 围 岩 应 力 状 态, 弱 化 应 力

1706 岩 土 力 学 2012 年 集 中, 对 蠕 变 也 有 一 定 抑 制 图 6 蠕 变 应 力 - 应 变 全 过 程 曲 线 Fig.6 Relation between creep and complete stess-strain path 3 底 臌 控 制 对 策 研 究 随 着 开 采 深 度 加 大 和 开 采 条 件 的 恶 化, 断 层 带 破 碎 底 板 底 臌 问 题 突 出 顶 板 帮 部 和 底 板 是 一 个 整 体 系 统, 具 体 的 说 就 是 顶 板 和 帮 部 的 稳 定 有 助 于 底 臌 的 控 制, 反 过 来 底 臌 将 带 动 两 帮 收 敛 和 顶 板 下 沉 底 板 的 治 理 不 仅 要 提 高 直 接 针 对 底 板 的 支 护 强 度, 同 时 要 提 高 顶 板 和 帮 部 的 强 度, 充 分 利 用 顶 帮 对 底 臌 的 牵 制 作 用 ; 不 仅 要 增 强 刚 性 限 制 强 度, 还 要 加 强 修 复 固 结 扩 大 承 载 圈 转 移 应 力 和 改 变 底 板 应 力 状 态 3.1 现 有 支 护 对 策 研 究 现 有 针 对 深 部 巷 道 围 岩 底 板 的 支 护 对 策 目 前 主 要 有 两 种 思 路 : 一 是 提 高 底 板 岩 体 自 身 强 度 ; 二 是 刚 性 限 制 被 动 支 护 前 一 种 思 路 就 是 通 过 提 高 岩 体 的 c, 提 高 岩 体 强 度, 进 而 提 高 岩 体 的 自 稳 能 力 常 用 到 注 浆 锚 杆 等 支 护 手 段, 注 浆 使 浆 液 充 填 于 岩 体 裂 隙 之 中, 使 趋 于 破 碎 的 岩 体 胶 结 成 整 体, 提 高 岩 体 的 胶 结 强 度, 锚 杆 改 变 底 板 的 应 力 状 态, 切 断 底 脚 部 位 塑 性 滑 移 线, 提 高 锚 固 体 的 抗 拉 及 抗 剪 强 度 后 一 种 思 路 就 是 利 用 支 护 结 构 自 身 的 刚 度 提 供 的 支 护 力 抑 制 底 板 变 形, 被 动 支 护 条 件 下 一 定 范 围 内 支 护 荷 载 与 围 岩 变 形 成 正 关 系, 进 而 改 变 围 岩 应 力 状 态 现 有 支 护 对 策 主 要 问 题 在 于 支 护 策 略 单 一, 手 段 很 有 限, 往 往 效 果 不 理 想 如 采 取 锚 杆 加 上 注 浆 的 支 护 形 式, 如 果 注 浆 效 果 不 理 想, 那 么 锚 杆 将 很 难 发 挥 其 功 能, 将 导 致 底 板 支 护 失 败 3.2 底 臌 综 合 控 制 对 策 研 究 研 究 表 明, 底 板 破 碎 围 岩 深 度 一 般 为 0.8 倍 的 巷 道 设 计 宽 度 以 上 [6], 现 场 松 动 圈 实 测 结 果 也 表 明, 底 板 标 高 以 下 3~4 m 甚 至 更 大 范 围 内 围 岩 进 入 破 裂 滑 移 状 态 对 于 底 板 的 直 接 支 护, 一 方 面 要 对 底 板 近 表 围 岩 破 裂 损 伤 区 进 行 固 结 和 修 复 ; 另 一 方 面 要 将 高 应 力 峰 值 向 围 岩 底 板 深 处 转 移, 将 锚 注 增 强 加 固 区 与 深 层 稳 定 岩 体 结 成 一 体, 实 现 围 岩 承 载 圈 范 围 的 扩 大 另 外, 充 分 发 挥 帮 顶 补 强 对 底 臌 的 间 接 限 制 通 过 数 值 计 算 不 难 发 现, 底 脚 是 剪 应 力 集 中 区 及 底 板 中 央 为 拉 应 力 集 中 区, 底 脚 锚 杆 将 巷 道 开 挖 后 应 力 重 分 布 所 导 致 的 竖 向 于 水 平 荷 载 进 行 有 利 的 转 化, 起 到 了 切 断 底 板 底 脚 部 位 塑 性 滑 移 线 的 作 用 [12], 而 且 将 应 力 向 深 部 传 递 高 强 度 预 应 力 锚 索, 锚 固 端 位 于 底 板 破 损 区 以 外 的 深 处 岩 体 上, 对 于 加 强 岩 体 的 结 构 改 变 底 板 围 岩 的 应 力 场 和 扩 大 围 岩 承 载 圈 范 围 效 果 显 著 深 孔 注 浆 有 利 于 浆 液 的 扩 散, 扩 大 加 固 修 复 区 范 围, 从 而 加 强 岩 体 结 构, 提 高 底 板 承 载 圈 的 范 围 底 板 超 挖 除 去 底 板 表 层 松 动 岩 体, 有 利 于 支 护 结 构 作 用 发 挥 和 施 工 开 展 底 臌 综 合 控 制 对 策 就 是 要 发 挥 高 强 度 预 应 力 锚 索 深 孔 注 浆 底 脚 底 板 锚 杆 对 底 板 的 直 接 控 制 作 用 和 帮 顶 部 位 补 强 对 底 板 的 牵 制 作 用 4 底 臌 综 合 控 制 的 数 值 模 拟 研 究 数 值 计 算 采 用 FLAC 3D 软 件, 对 巷 道 掘 进 后 底 板 弱 支 护 条 件 下 的 围 岩 位 移 场 塑 性 区 以 及 底 板 综 合 控 制 之 后 围 岩 的 位 移 场 塑 性 区 对 比 研 究 4.1 数 值 模 型 的 建 立 对 淮 南 潘 二 矿 东 二 采 区 回 风 大 巷 进 行 一 定 简 化 处 理 后 得 到 如 图 7 所 示 的 工 程 地 质 模 型, 模 型 尺 寸 为 45.0 m 10.0 m 45.0 m FLAC 3D 中 相 应 的 三 维 计 算 模 型 如 图 8 所 示, 包 含 2.63 10 4 个 单 元 2.99 10 4 个 网 格 节 点 模 型 六 面 全 部 采 用 链 接 的 约 束 方 式 模 型 计 算 过 程 采 用 了 Mohr-Coulomb 本 构 模 型 图 7 巷 道 工 程 地 质 模 型 Fig.7 Engineering geology model of roadway

第 6 期 刘 泉 声 等 : 高 地 应 力 破 碎 软 岩 巷 道 底 臌 特 性 及 综 合 控 制 对 策 研 究 1707 步 骤 4: 在 步 骤 3 支 护 形 式 的 基 础 上 进 行 底 板 综 合 治 理 如 图 9(b), 计 算 得 到 结 果 Ⅱ z y x (a) 未 进 行 底 板 支 护 (b) 增 加 了 底 板 喷 浆 4.2 计 算 参 数 Table 2 图 8 三 维 数 值 计 算 模 型 Fig.8 3D numerical model 计 算 模 型 中 岩 层 力 学 参 数 见 表 2 岩 石 名 称 表 2 计 算 模 型 岩 石 力 学 参 数 Rock mechanical parameters of numerical model 体 积 模 量 /GPa 剪 切 模 量 /GPa 抗 拉 强 度 内 摩 擦 角 /( ) 黏 聚 力 砂 质 泥 岩 3.7 2.0 0.50 36 1.60 煤 0.4 0.1 0.25 22 0.35 泥 岩 1.6 0.3 0.25 27 0.68 计 算 模 型 地 应 力 参 数 见 表 3 其 参 数 根 据 潘 二 矿 东 二 采 区 实 测 结 果 简 化 来 而 来 水 平 最 大 主 应 力 表 3 地 应 力 参 数 Table 3 Geostress parameters 水 平 最 小 主 应 力 竖 直 应 力 水 平 最 大 主 应 力 方 位 角 /( ) 21.0 11.0 12.0 NE83 图 9 支 护 方 案 简 图 Fig.9 Sketches of supporting plan 4.3.2 计 算 结 果 Ⅰ 分 析 (1) 位 移 场 分 析 围 岩 位 移 场 如 图 10 所 示 底 板 变 形 比 顶 板 变 形 大 很 多, 顶 板 下 沉 为 75 mm, 底 臌 变 形 为 350 mm 水 平 位 移 成 对 称 分 布, 水 平 最 大 位 移 集 中 在 拱 角 处, 水 平 最 大 位 移 量 为 150~190 mm (a) 垂 直 位 移 场 -1.136 6 10-1 ~1.000 0 10-1 -5.000 0 10-2 ~0.000 0 5.000 0 10-2 ~1.000 0 10-1 1.500 0 10-1 ~2.000 0 10-1 2.500 0 10-1 ~3.000 0 10-1 3.500 0 10-1 ~3.557 2 10-1 数 值 计 算 中 采 用 的 两 套 支 护 方 案 如 图 9 所 示 图 9(a) 所 示 方 案 未 进 行 底 板 支 护, 所 采 用 的 锚 杆 长 度 为 2 800 mm, 排 距 为 1 400 mm, 预 应 力 为 25 kn, 所 采 用 的 锚 索 长 度 为 6 300 mm, 排 距 2 100 mm, 预 应 力 为 80 kn, 帮 顶 喷 浆 厚 度 为 100 mm 以 及 帮 顶 注 浆 图 9(b) 所 示 方 案 在 图 9(a) 所 示 方 案 中 增 加 了 底 板 喷 浆 4 根 底 拱 角 锚 杆 底 板 锚 索 和 注 浆 4.3 计 算 过 程 及 结 果 4.3.1 数 值 计 算 过 程 : 步 骤 1: 建 立 模 型 赋 予 参 数 选 择 本 构 施 加 边 界 条 件 步 骤 2: 开 挖 巷 道 应 力 释 放 步 骤 3: 对 帮 顶 进 行 喷 浆 注 浆 锚 杆 锚 索 支 护 如 图 9(a), 计 算 得 到 结 果 Ⅰ (b) 水 平 位 移 场 图 10 巷 道 围 岩 位 移 场 ( 单 位 :m) Fig.10 Displacement field of rocks surrounding the roadways (unit: m) (2) 塑 性 区 分 析 -1.908 3 10-1 ~-1.500 0 10-1 -1.500 0 10-2 ~-1.000 0 10-1 -1.000 0 10-2 ~-5.000 0 10-2 -5.000 0 10-1 ~2.000 0 10-1 0.000 0~5.000 0 10-2 5.000 0 10-2 ~1.000 0 10-1 1.000 0 10-1 ~1.500 0 10-1 1.500 0 10-2 ~1.905 9 10-1 围 岩 塑 性 状 态 分 布 如 图 11 所 示 巷 道 围 岩 剪 切 破 坏 较 严 重, 集 中 在 巷 道 顶 部 和 底 部, 两 帮 也 有 分 布 巷 道 围 岩 底 板 中 央 有 拉 伸 塑 性 集 中

1708 岩 土 力 学 2012 年 图 11 巷 道 围 岩 塑 性 状 态 分 布 Fig.11 Plastic state distribution of rocks surrounding the roadway 4.3.3 计 算 结 果 Ⅱ 分 析 (1) 位 移 场 分 析 围 岩 位 移 场 如 图 12 所 示 底 板 变 形 比 顶 板 变 形 大, 顶 板 下 沉 为 15 mm, 底 臌 变 形 为 150 mm 水 平 位 移 成 对 称 分 布, 最 大 位 移 集 中 在 拱 角 处, 最 大 位 移 量 为 80 mm 左 右 (2) 塑 性 区 分 析 (a) 垂 直 位 移 场 (b) 水 平 位 移 场 图 12 巷 道 围 岩 位 移 场 Fig.12 Displacement fields of rocks surrounding the roadways 围 岩 塑 性 状 态 分 布 如 图 13 所 示 巷 道 围 岩 剪 切 破 坏 较 严 重, 集 中 在 巷 道 两 肩 和 底 部 巷 道 围 岩 底 板 中 央 有 拉 应 力 产 生 的 塑 性 集 中 围 岩 状 态 未 曾 破 坏 剪 切 破 坏 曾 发 生 拉 剪 破 坏, 现 以 剪 切 破 坏 为 主 拉 剪 破 坏 曾 发 生 剪 切 破 坏 曾 发 生 拉 剪 切 破 坏 曾 发 生 拉 剪 破 坏, 现 以 拉 伸 破 坏 为 主 -2.397 4 10-2 ~0.000 0 0.000 0~5.000 0 10-2 5.000 0 10-2 ~1.000 0 10-1 1.000 0 10-1 ~1.500 0 10-1 1.500 0 10-2 ~1.594 0 10-1 -8.214 7 10-2 ~-8.000 0 10-2 -8.000 0 10-2 ~-6.000 0 10-2 -6.000 0 10-2 ~-4.000 0 10-2 -4.000 0 10-2 ~2.000 0 10-2 -2.000 0 10-2 ~0.000 0 0.000 0~2.000 0 10-2 2.000 0 10-2 ~4.000 0 10-2 4.000 0 10-2 ~6.000 0 10-2 6.000 0 10-2 ~8.000 0 10-2 8.000 0 10-2 ~8.199 0 10-2 图 13 巷 道 围 岩 塑 性 状 态 分 布 Fig13 Plastic state distribution of rocks surrounding the roadway 4.3.4 结 果 Ⅰ 与 结 果 Ⅱ 对 比 分 析 对 底 板 综 合 支 护 后, 整 个 巷 道 围 岩 的 变 形 得 到 有 效 控 制, 顶 部 变 形 量 减 小 80%, 两 帮 及 底 板 变 形 量 减 小 50% 对 底 板 综 合 支 护 后, 巷 道 围 岩 的 塑 性 区 范 围 减 小, 特 别 是 顶 板 和 底 板 剪 切 塑 性 状 态 得 到 有 利 改 善 5 工 程 应 用 潘 二 煤 矿 东 二 采 区 -530 m 3 条 大 巷 布 置 在 11 煤 底 板 以 上, 掘 进 期 间 将 先 后 过 F19(H =2~10 m) F10(H =10~12 m) FX1(H =3 m) FX2(H =3~ 5 m) FX3(H =8~10 m) FX4(H =3~5 m) FD39 (H =0~10 m) 以 及 F11(0~75 m) 等 断 层, 其 中 H 表 示 断 层 大 小 开 展 水 压 致 裂 法 地 应 力 测 试 结 果 为 : 最 大 水 平 主 应 力 值 在 20.2~21.41 MPa 之 间, 最 小 水 平 主 应 力 值 在 10.84~10.99 MPa 之 间, 最 大 水 平 主 应 力 方 向 为 NE830 左 右 ( 与 巷 道 走 向 近 垂 直 ) 巷 道 周 围 岩 性 以 泥 岩 煤 和 砂 质 泥 岩 为 主, 如 图 7 所 示 围 岩 高 地 应 力 与 低 强 度 之 间 的 矛 盾 突 出, 巷 道 支 护 非 常 困 难 原 设 计 支 护 方 案 如 图 14 所 示 帮 顶 锚 杆 参 数 为 22 mm L2 800 mm @700 mm 700 mm, 总 共 9 根, 预 应 力 为 50 kn 锚 索 参 数 为 17.8 mm L6 300 mm@1 600 mm 2 100 mm, 总 共 5 根, 预 应 力 150 kn 29U 型 钢 棚 排 距 为 500 mm 喷 浆 厚 度 为 200 mm, 强 度 为 C20, 铺 设 钢 笆 片 帮 顶 注 浆 孔 长 度 为 5 000 mm,6 分 注 浆 管 长 为 3 000 mm, 排 距 为 2 100 mm, 间 距 为 1 500 mm 每 断 面 共 布 置 8 根 深 孔 注 浆 管, 注 浆 压 力 为 4.0 MPa,, 封 孔 长 度 为 500 mm 围 岩 状 态 未 曾 破 坏 剪 切 破 坏 曾 发 生 拉 剪 破 坏, 现 以 剪 切 破 坏 为 主 拉 剪 破 坏 曾 发 生 剪 切 破 坏 曾 发 生 拉 剪 切 破 坏 在 原 方 案 下, 两 帮 收 缩 变 形 量 在 2 m 以 上 的 有 25 m;1.5 m 以 上 的 有 40 m,1 m 以 上 的 有 120 m 巷 道 底 臌 量 平 均 为 600~700 mm 经 卧 底 后 底 臌 量

第 6 期 刘 泉 声 等 : 高 地 应 力 破 碎 软 岩 巷 道 底 臌 特 性 及 综 合 控 制 对 策 研 究 1709 平 均 又 达 300~400 mm 底 臌 十 分 严 重, 帮 顶 炸 浆 掉 浆 严 重 22L=2 800@700 700 共 13 根 钢 筋 网 6@2 200 800 U 形 支 架 排 距 500 mm 喷 层 100 mm 厚 22L=2 800@700 700 共 9 根 500 钢 筋 网 6@2 200 800 U 形 支 架 排 距 500 mm 喷 层 100 mm 厚 17.8L=6 300@1 600 2 100 共 5 根 1 500 钢 板 基 础 150 mm 止 浆 层 排 水 沟 17.8L=6 300@1 600 2 100 共 5 根 5 100 底 帮 角 锚 杆 6.3 m 底 板 锚 索 1 500 150 mm 止 浆 层 排 水 沟 钢 板 基 础 5 100 图 16 潘 二 矿 东 二 采 区 大 巷 底 板 综 合 治 理 方 案 ( 单 位 :mm) Fig.16 Comprehensive floor control plan of Donger mining region, Paner mine (unit: mm) 图 14 潘 二 矿 东 二 采 区 大 巷 原 支 护 方 案 ( 单 位 :mm) Fig.14 Pre-supporting plan of Donger mining region,paner mine (unit: mm) 在 详 细 调 研 后, 中 国 科 学 院 武 汉 岩 土 力 学 研 究 所 提 出 了 加 强 底 板 综 合 治 理 新 方 案, 如 图 16 所 示 新 方 案 维 持 了 原 方 案 中 对 帮 顶 的 支 护 参 数, 底 板 治 理 方 面 引 进 了 河 北 同 成 矿 业 科 技 有 限 公 司 研 制 的 ZQJ-300/1.1 气 动 冲 击 钻 机 如 图 15(b) 施 工 该 钻 机 成 孔 深 度 可 达 10 m 以 上, 钻 孔 可 兼 作 底 板 深 孔 注 浆 孔 底 板 底 拱 角 锚 杆 为 4 根 22 mm L2 800 mm 锚 杆, 排 距 为 700 mm, 底 脚 锚 杆 与 底 板 成 30, 拱 角 锚 杆 与 帮 部 成 30, 预 应 力 50 kn 底 板 锚 索 为 3 根 17.8 mm L6 300 mm, 排 距 3 000 mm, 与 巷 道 底 板 成 15 或 者 垂 直, 预 应 力 150 kn 施 工 完 成 的 锚 索 如 图 15(a) 所 示 底 板 注 浆 在 锚 索 孔 中 进 行, 注 浆 深 度 为 6.0 m, 压 力 为 4 MPa 由 于 该 钻 机 采 用 80 mm 冲 击 钻 头 有 一 定 的 扩 大 裂 隙 的 作 用, 注 浆 量 比 较 可 观, 一 般 达 2~3 t 经 过 综 合 控 制 后, 底 板 变 形 得 到 了 有 效 地 控 制, 图 17 为 表 面 位 移 测 点 的 监 测 成 果 图 17 底 板 综 合 治 理 后 的 变 形 曲 线 Fig.17 Derformation curves after comprehensive floor control measures 6 结 论 (1) 高 地 应 力 破 碎 软 岩 巷 道 底 板 不 仅 受 动 荷 载 和 水 影 响 较 大, 而 且 底 臌 量 非 常 大, 呈 现 挤 压 剪 切 流 变 特 性 (2) 底 板 与 两 帮 及 顶 板 是 一 个 完 整 的 系 统, 相 互 依 存 对 于 底 板 的 控 制, 一 方 面 要 利 用 好 顶 帮 的 间 接 限 制 ; 另 一 方 面 要 加 强 底 板 的 修 复 固 结 应 力 转 移 以 及 围 岩 承 载 圈 的 扩 大 (3) 综 合 控 制 对 策 能 够 有 效 控 制 底 臌 以 及 帮 顶 收 敛 状 况, 减 小 巷 道 围 岩 的 塑 性 区, 改 善 围 岩 应 力 状 态 参 考 文 献 [1] 谢 和 平. 深 部 高 应 力 下 的 资 源 开 采 与 地 下 工 程 - 机 遇 与 挑 战 [C]// 第 175 次 香 山 科 学 会 议 学 术 讨 论 会 交 流 材 料. 北 京 : [s. n.], 2001: 1-9. [2] 刘 泉 声, 张 华, 林 涛. 煤 矿 深 部 岩 巷 围 岩 稳 定 与 支 护 对 (a) 施 工 完 成 的 锚 索 (b) 冲 击 钻 机 施 工 图 15 底 板 治 理 现 场 图 片 Fig.15 Photos of the floor control scene 策 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报, 2004, 23(21): 3732-3737. LIU Quan-sheng, ZHANG Hua, LIN Tao. Study on stability of deep rock roadways in coal mines and their support measures[j]. Chinese Journal of Rock

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