深部巷道支护理论黄万朋

1专题一千米深井巷道围岩变形机理与控制技术报告人：黄万朋山东科技大学矿业学院2016.6深部矿井开采面临的主要问题12313工程实例介绍12千米深井巷道围岩变形机理与支护准则23以管混凝土支架为主体的复合支护技术542报告提纲4在我国，一般认为硬岩矿井采深达到800m以上即为深部矿井；软岩矿井采深达到600m以上为深部矿井。1深部矿井开采面临的主要问题1.1深部矿井的界定1.2我国煤矿开采深度的发展趋势目前我国煤矿开采深度在以每年8~12m的速度增加；其中东部矿井正以每10年100~250m的速度发展；根据当前煤炭资源的开采速度，预计在未来20年内很多煤矿将进入到1000m到1500m的开采深度。据资料统计，当前我国已有淮南、新汶、临沂、开滦、徐州等40多个矿区的160多处矿井采深超过了800m，开始转入深部开采。其中采深超过千米的矿井达数十个，如：（1）新汶华丰、孙村矿；（2）临沂古城、王楼矿；（3）开滦赵各庄、唐山矿；（4）徐州旗山、张小楼矿；（5）淮南矿区的12处生产矿井中的大多数矿井开拓深度已达到800m左右，并正在向9000~1100m的深度延伸。1.3我国深部矿井概况1深部矿井开采面临的主要问题高地应力：原岩应力场与构造应力场的叠加；高地温：地温梯度3~5°C/100m。岩体温度变化1°C，可产生0.4~0.5MPa的地应力变化；高岩溶水压：千米深矿井其岩溶水压将高达7MPa；强烈的开采扰动：动压将高达数倍、甚至近十倍的原岩应力。1.4深部矿井的复杂力学环境——“三高一扰动”1深部矿井开采面临的主要问题围岩应力场的复杂性围岩的大变形和强流变性动力响应的突变性深部岩体的脆性—延性转化深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性1.5深部巷道围岩力学特性1深部矿井开采面临的主要问题硬岩矿井低瓦斯矿井非突变矿井非冲击矿井1.6深部矿井的转型1深部矿井开采面临的主要问题软岩矿井高瓦斯矿井突变矿井冲击矿井（1）岩爆与冲击地压；（2）矿压显现剧烈；（3）巷道长期大变形；（4）高温危害；（5）高承压水体下的突水灾害；（6）煤与瓦斯突出及瓦斯爆炸。1.7深部矿井面临的主要工程地质灾害类型：制约深部矿井安全高效开采的关键问题之一。1深部矿井开采面临的主要问题新汶华丰矿（埋深1100m）徐州旗山矿(埋深1032m)鹤岗兴安矿(埋深750m)开滦唐山矿（埋深920m）1深部矿井开采面临的主要问题深部开挖巷道为何产生大变形？变形为何持续时间长？支护体对围岩的作用？采用什么支护措施控制？1深部矿井开采面临的主要问题2.1深部巷道围岩应力场演变规律2Pr0巷道开挖后应力重分布，在巷道壁r=R0处：2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则P1P2P1P2巷道R0σ图支护作用前的围岩状态力学模型P2PR0rσθσrσA图巷道开挖瞬时应力分布曲线，2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则巷道流变区破裂区弹性区浅部矿井：围岩状态分布为破裂区、塑性区和弹性区；深部矿井：相比浅部增加一个流变区，该区域也是造成深部巷道长期变形的主要原因破裂区内：围岩失去侧向围压支撑，接近于单轴压缩状态，围岩集中应力超过了该区域岩体的单轴抗压极限强度，岩体承载能力大幅降低，次生裂隙开始发育发展；流变区内：围岩集中应力峰值向内部逐渐降低，该区域内工程岩体处于低围压下的三向受力状态，围岩集中应力处于岩体的长期强度与极限强度之间，围岩流变变形持续发育；巷道流变区破裂区弹性区弹性区内：围岩集中应力峰值继续降低，该区域内工程岩体处于高围压下的三向受力状态，围岩极限强度高，围岩集中应力低于岩体的长期强度，围岩处于弹性变形状态。2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则P2PR0rσθσrσA，2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则rOAB破裂区流变区σ巷道σθσrσcσsCσ0σ1σθ应力场演变规律破裂区内：若支护阻力不够，破裂区会持续向内部发展；流变区内：随时间增长，围岩流变变形持续发育，当变形量增大至一定数值时，一部分流变区转化为破裂区，流变区域进一步向围岩内部转移；巷道流变区破裂区弹性区不同区域围岩变形过程前期：破裂区不断发育造成的碎胀大变形；后期：流变区向破裂区的转化以及向内部的不断扩大深部巷道的长期大变形机制总结：2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则2.2深部巷道支护准则——解决如何支护的问题？注意两个问题：浅部的支护原则及支护理论已不能指导深部巷道围岩的稳定性控制；围岩的流变特性、提高围岩自承能力以及支护体与围岩的共同作用是深部巷道支护设计极其重要的方面。深部巷道支护准则：（1）保持围岩完整性，提高围岩自承能力；（2）适度让压（3）高强度支护（4）围岩封闭2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则支护的主要任务：初次支护：保持围岩完整性，控制破碎区围岩的碎胀大变形；高强度二次支护：给流变区围岩增加侧向围压，提高该区域内围岩的长期强度，控制其流变大变形，保持深部巷道长期稳定。主要支护技术：复合支护技术体系初次支护：传统的锚网喷支护二次支护：钢管混凝土支架支护辅助支护：巷道围岩高效注浆技术图支护作用后的围岩状态力学模型2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则锚固区流变区钢管混凝土支架锚杆rP2POA'B'锚固区弹性区σ巷道σθσrσcσsC'σ0''R1'σ1''σgσθ图支护作用后围岩应力与围岩强度曲线关系示意图围岩保持长期稳定的条件为：0t2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则rOAB破裂区流变区σ巷道σθσrσcσsCσ0σ1σθ锚杆支护作用机理：改善破裂围岩的粘聚力C和内摩擦角，提高破碎区围岩强度，有效地降低破裂区的发展速度；给裂隙岩体一对自平衡的法向约束力，提高锚固体的整体性，并强化其承载能力；提高各个岩层间的摩擦力，阻止围岩各层之间的层向滑动。F1F2F1F1F1F1F1F1F1F1F1F1F2F2F2F2F2F2F2F2F2F2F2图锚杆对围岩应力状态的改变机理图2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则各级支护体的作用机理金属网和混凝土喷层的支护作用机理：封闭围岩，阻止破裂区围岩的碎胀大变形；使巷道周边裂隙发育围岩形成一个整体；对于易吸水膨胀的岩石同时又能防止水分的渗入；利于锚杆的作用力均匀施加到围岩上。F1F2F1F1F1F1F1F1F1F1F1F1F2F2F2F2F2F2F2F2F2F2F2图锚杆对围岩应力状态的改变机理图2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则各级支护体的作用机理锚索的支护作用机理：悬吊作用。二次钢管混凝土支架加强支护作用机理：给锚固区围岩提供一个较大的径向支护反力F，提高了锚固区围岩的承载能力；给流变区内围岩提供一个较大的侧向围压，有效提高该区域内岩体的长期强度，使其与集中应力峰值相当，控制流变变形，保持巷道长期稳定；给围岩预留一定变形量，释放一定围岩压力，使集中应力峰值向内部转移。钢管混凝土支架支护反力F锚固区L图4.7钢管混凝土支架结构及与围岩力学关系模型图巷道地面连接套管连杆注浆口排气排浆孔2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则每增加1MPa侧向支护力，能够提高围岩承载能力3-4MPa围岩钢管混凝土支架σ3=1.0MPaΔσ1=3~4MPa钢管混凝土支架支护力σ3=1.0MPa围岩强度提高承压环围岩U型钢支架σ3=0.4MPaΔσ1=1.2~1.6MPaU型钢支架支护力σ3=0.4MPa围岩强度提高承压环2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则围岩注浆加固技术作用机理：从围岩内部改善破裂岩体的物理力学性质，减弱岩体的各向异性，保证围岩的完整统一，提高了其承载能力；使浆体和裂隙面胶结，提高提高岩体的粘聚力和内摩擦角，从而提高破碎岩体的强度；图围岩高效注浆新技术示意图2千米深井巷道围岩变形机理与支护准则