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1、对煤矿深部岩巷围岩稳定对煤矿深部岩巷围岩稳定 与支护几个问题的认识与支护几个问题的认识 刘泉声刘泉声 中国科学院武汉岩土力学研究所中国科学院武汉岩土力学研究所 20072007年年1111月月1515日于安徽理工大学日于安徽理工大学 目目 录录 煤矿深部围岩特点煤矿深部围岩特点 深部围岩稳定控制对策深部围岩稳定控制对策 信息化施工与围岩稳定控制信息化施工与围岩稳定控制 结结 语语 软弱、裂隙发育 深部：埋深800米 高地应力 高渗透压力 高温度梯度 一、煤矿深部围岩特点一、煤矿深部围岩特点 深部围岩 高地应力作用高地应力作用 垂直原岩应力垂直原岩应力20MPa20MPa以上，水平构造应力以上，
2、水平构造应力 是垂直应力的是垂直应力的1.252.51.252.5倍倍接近或超过岩体接近或超过岩体 峰值强度，超过岩体长期强度。峰值强度，超过岩体长期强度。 H 岩体从三向应力状态转化为二向应力岩体从三向应力状态转化为二向应力 状态，二次应力重分布导致应力集中，状态，二次应力重分布导致应力集中， 超过岩体强度。超过岩体强度。 二次应力 重分布 岩体骨架发生滑移和扩容，产生塑性变形，使得岩体骨架发生滑移和扩容，产生塑性变形，使得 围岩显示出明显的围岩显示出明显的塑性变形塑性变形 和和流变性流变性。 高渗透压的作用高渗透压的作用 开挖前开挖前：深部围岩处于很高的水头压力作用下，围岩体内：深部围岩处
3、于很高的水头压力作用下，围岩体内 孔隙压力很高；呈饱和状态。孔隙压力很高；呈饱和状态。 开挖后开挖后： 在裂隙连通发育处，近表围岩内孔隙压力在裂隙连通发育处，近表围岩内孔隙压力 大气压力，大气压力， 孔隙压力大大减小，有效应力大大增加孔隙压力大大减小，有效应力大大增加围岩破坏失稳。围岩破坏失稳。 在裂隙不够发育处，通风引起的在裂隙不够发育处，通风引起的 疏干失水速度大于渗流速度，近疏干失水速度大于渗流速度，近 表围岩很快由饱和状态进入非饱表围岩很快由饱和状态进入非饱 和状态，毛细张力的作用导致张和状态，毛细张力的作用导致张 性破裂性破裂围岩破碎失稳。围岩破碎失稳。 高温度梯度的作用高温度梯度的
4、作用 通风造成开挖扰动区内产生较大的温度梯度（特通风造成开挖扰动区内产生较大的温度梯度（特 别是冬季），引起附加的温度应力、附加变形及别是冬季），引起附加的温度应力、附加变形及 围岩离层围岩离层破坏围岩完整性，影响破坏围岩完整性，影响围岩稳定。围岩稳定。 高地应力问题高地应力问题 围岩的完整性所处的应力状态 Carrara大理岩强度及变形特性随围压的变化 根据岩石力学试验结果:任何岩石在三向 应力状态下的强度高于二向应力状态高于 单向应力状态下的强度；当围岩处于三向 应力状态时，随着侧向压力增大，其峰值 强度和残余强度都会得到提高，并且峰值 以后的应力-应变曲线由应变软化逐渐向 应变硬化过渡，
5、岩石由脆性向延性转化。 二、深部围岩稳定控制对策二、深部围岩稳定控制对策 围岩 稳定性 围岩固有强度 巷道开挖 支护 加固 三向应力状态 （开挖前） 围岩稳定 恢复 三向应力状态 二向应力状态 提高 围岩强度 改善 围岩完整性 巷道开挖后必须尽快将围岩的二向应力状态恢复到三向应力状 态：改善和恢复应力状态的措施越及时，围岩破裂扩展的程度 越轻，围岩的完整性保持得越好。 必须在最短的时间内施加足够大的支护抗力：围岩自由面上的 压应力恢复的程度越高，围岩完整性和强度保存度越高。 必须给围岩提供足够高的抗剪强度：抗剪强度越高，围岩内部 剪切滑移变形越小，越有利于保持围岩完整性，保存围岩整体 强度。
6、必须选择适当的时机对损伤的围岩进行及时修复，使损失的强 度得以恢复甚至提高，这是确保围岩稳定的重要预后措施。 不同类别的深部围岩，应采取不同的围岩稳定控制对策 研 究适合深部围岩稳定控制的围岩分类体系。 深部围岩分类体系 类：完整坚硬岩石与较硬岩石。遇水不易软化，层间胶 结好，无软弱夹层；岩体纵波波速vp5000m/s，岩体强度 应力比2.0。45m跨度的毛洞无支护状态下能够稳定一 个月以上，会出现小块掉落。岩种举例：部分灰岩、石英 砂岩；胶结好的砂砾岩、粗砂岩、中细粒砂岩等。如顾桥 矿井底车场。 类：较完整坚硬岩石与较硬岩石；完整较软岩石；块状坚 硬岩石。遇水不易软化，层间胶结较好，结构面以
7、原生和 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，结构面较发育，以原生和构造节 理为主，多数闭合，偶有泥质充填。岩体纵波波速 4000m/svp5000m/s，岩体强度应力比1.52.0。 4 5m跨度的毛洞无支护状态下能够稳定1周以上。岩种举例 ：胶结稍差的粉砂岩、细砂岩、粗砂岩；部分灰岩、石英 砂岩等。 类：较完整较软岩石；块状较硬岩石；完整软弱岩石。层间胶结较好，偶 见软弱夹层；结构面发育，节理面多数闭合，少数有泥质充填，块体间牢固 咬合。岩体纵波波速3000m/svp4000m/s，岩体强度应力比0.81.5。 4 5m跨度的毛洞无支护状态下能够稳定13
8、天。岩种举例：砂质泥岩、砂质粘 土岩、粘土岩、页岩、粉砂质粘土岩、砂页岩互层；胶结较差的中粗砂岩、 粉细砂岩等。 类：较完整软弱岩石；块状较软、软弱岩石；破碎岩石。层间胶结差，易 风化剥落或遇水易软化；结构面发育，以构造节理、卸荷风化裂隙为主，贯 通性好，多数张开、夹泥，夹泥厚度一般大于结构面起伏高度，咬合力弱， 构成较多不稳定块体。岩体纵波波速vp3000m/s，岩体强度应力比0.8。 4 5m跨度的毛洞无支护状态下不能稳定，开挖前必须进行超前支护，一般需 要采取锚喷、注浆、支架等多种手段联合支护才能维护巷道长期稳定。岩种 举例：炭质页岩、炭质泥岩、花斑状泥岩、软质凝灰岩、软质粘土岩、中强
9、风化页岩、铝土质粘土岩、煤、破碎的各类岩石。如顾北矿井底车场。 完整性定义： 完整完整性系数Kv0.75，层厚与节理裂隙间距均大于1.5m； 较完整完整性系数0.5Kv0.75，层厚大于1.0m，节理裂隙间距小于1.5m，大于 1.0m； 块状完整性系数0.3Kv0. 5，节理裂隙间距均小于1.0m，大于0.3m； 破碎Kv0.3，节理裂隙间距小于0.3m。 坚硬性定义： 坚硬Rb60MPa； 较硬40MPaRb60MPa； 较软20MPaRb40MPa； 软弱Rb20MPa。 层状定义： 厚层状层间距1.5m； 中厚层状层间距1.0m1.5m； 层状0.5m1.0m； 薄层状0.5m。 围
10、岩 类 别 密度 /g/cm 3 内摩擦 角 / 粘结 力 C / MPa 抗拉强 度 t/MP a 单轴抗压 强度 c/MPa 弹性模 量 E / GPa 泊松 比 2.6540-451.5- 2.0 0.70- 0.83 6.43-9.6615-200.225 2.6035-401.0- 1.5 0.52- 0.70 3.84-6.4310-150.25 2.5030-350.5- 1.0 0.29- 0.52 1.73-3.845-100.3 2.3525-300.2- 0.5 0.13- 0.29 0.63-1.732-50.325 各类围岩体主要物理力学性质 类围岩稳定控制类围岩稳定
11、控制 “ “高预应力超高强锚杆喷射混凝土滞后注浆高预应力超高强锚杆喷射混凝土滞后注浆” ”支护能够满支护能够满 足围岩稳定要求。足围岩稳定要求。 什么是高预应力？什么是高预应力？ -朱浮声（朱浮声（19931993）、郑雨天（）、郑雨天（19951995）的研究表明：当锚杆预）的研究表明：当锚杆预 拉力达到拉力达到606070kN70kN时，就可以有效控制巷道顶板的下沉量，时，就可以有效控制巷道顶板的下沉量， 并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆用量；并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆用量； -淮南望峰岗矿淮南望峰岗矿-812-812水平井底车场巷道的大规模试验研究结水平井底车场巷道的大规模试验研究
12、结 果表明：果表明：当锚杆预应力力达到当锚杆预应力力达到707010100kN0kN时，能够确保深部时，能够确保深部 巷道二类围岩在巷道二类围岩在2-32-3年内的稳定。年内的稳定。 高预应力如何实现？ 图5.3.1 MQS90J2型气动锚杆安装机 大扭矩预应力施加机具是关键 高预应力必然导致锚杆承受高轴力高预应力必然导致锚杆承受高轴力要求 锚杆具有足够的抗拉强度（达到20 25kN)。 什么是高强、超高强？什么是高强、超高强？ 高强： ，高强： ， 超高强： ，超高强： ， 锚杆 材料 公称直 径/mm 屈服强 度/MPa 极限强 度/MPa 屈服荷 载/kN 极限荷 载/kN 伸长 率/%
13、 级钢2228038010614417 级钢2237041014115617 级钢2248057018221715 级钢2260068022825812 各种锚杆材料强度指标各种锚杆材料强度指标 、级螺纹钢作为杆体的树脂锚杆能够满足基本技术要求。 每吨螺纹钢钢材仅比级螺纹钢高300400元。 为深部围岩 支护采用高强、超高强锚杆提供了材料上的便利条件。 高地应力对策高地应力对策 树脂药卷固化快能在最短的时间内提供锚固力，高强杆体 能够提供足够高的锚固力，能在最短的时间内使围岩恢复到 有利于稳定的三向应力状态。 较大的轴向刚度限制了围岩的张开变形，有利于围岩稳定 。 杆体具有足够的抗剪强度与 抗
14、剪刚度，能有效阻止围岩内 部的剪切变形与剪切滑动，提 高围岩体自身的峰值强度、残 余强度、内聚力 c 值和内摩 擦角 f f 值。 适时的滞后注浆能够使开 挖扰动造成的围岩损伤得到修 复。 对对 策策 锚杆密度 /根(400cm2)- 1 弹性模量 E /MPa 软化模量 M /MPa 锚固体破坏前锚固体破坏后 C /MPa /() C* /MPa/ 0280.832.00.3531.50.01731.5 2282.632.60.3631.50.01831.5 3284.735.20.3633.50.01833.5 4288.239.30.3735.60.01835.6 5294.041.90
15、.3737.10.01937.1 6299.743.20.3838.80.01938.8 8310.046.30.3940.40.02140.4 不同锚固参数条件下锚固体力学性能改善情况 对对 策策 不同锚固参数条件下锚固体强化系数对比 锚杆密度 /根*（400cm2 ）-1 单向加载平面应变 加载 极限强 度/MPa 残余强 度/MPa KjKc 极限强 度/MPa 残余强度 /MPa KjKc 01.2380.0601.001.001.650.5251.001.00 21.2750.0651.031.081.7250.5881.041.12 31.350.0681.091.131.8320.6251.111.19 41.430.0721.161.191.9280.6681.171.27 51.500.0751.211.252.0750.71.261.33 61.5750.0811.271.352.170.751.321.43 81.6750.0891.351.482.2750.821.381.56 注：Kj，Kc分别为锚固体峰值强度和残余强度的强化系数 高性能锚杆要求高性能锚杆要求 杆体材质符合高强度要求、整体强度和几杆体材质符合高强度
