能源技术与管理 Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９０．ｉｓｓｎ．１６７２－９９４３．２０１３．０６．０１８ ２０１３年第３８卷第６期 Ｖ０ｌ＿３８ Ｎｏ．６ 深井软岩巷道变形破坏规律及其控制技术研究 胡长浩 （徐州矿务集团平凉新安煤业有限责任公司，甘肃平凉７４４２００） ［摘要］针对新安煤矿巷道埋深大、受构造影响、覆岩以极软弱一软弱的泥岩与砂质泥岩层 为主的实际情况，采用现场测试、三维模拟试验、理论分析与现场监测数据资料分 析相结合的研究方法，开展对深井侏罗纪软岩巷道失稳机理及其稳定控制技术研 究，试验效果明显，综合效益可观，在深部开采矿井尤其是西部矿井侏罗、白垩纪软 岩巷道支护上，为国内类似矿井提供了技术参考，在同行业中推广前景极为广阔。 ［关键词］软岩；变形；规律；控制 ［中图分类号］ＴＤ３２４＋．２［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２－９９４３（２０１３）０６－Ｏ０４４ ２ 应在初期的显现，在空间效应显现的后期施加刚 １ 概况 性支护结构；选择不同的衰减函数对于计算结果 的影响比较小，与不同衰减函数对收敛变形曲面 影响的理论分析结论不一致。 ２．２矿压分析与灰色模型变形预测研究 新安煤矿位于甘肃平凉地区，巷道埋深在 ７５０—９００ ｍ之间，井田处在“Ｓ”形轴倾向斜——新 窑向斜内，地应力和构造应力大，围岩为侏罗纪软 岩，巷道变形、破坏较为严重，虽经过多次的修复 以实测矿井主要石门和顺槽的矿压规律为基 和加固，也未能保证巷道的基本稳定，严重影响矿 井的正常生产和安全。针对新安矿巷道埋深大、受 础，采用模糊灰色模型对巷道在施工期间的围岩 变形进行预测分析，利用可新陈代谢的模糊灰色 构造影响、覆岩以极软弱一软弱的泥岩与砂质泥岩 层为主的实际情况，采用现场测试、三维模拟试 验、理论分析与现场监测数据资料分析相结合的 研究方法，开展对深井侏罗纪软岩巷道失稳机理 预测模型，中长期预测软岩巷道的顶底板、两帮的 位移量，进行了动态反馈预测方法研究，实现软岩 及其稳定控制技术的研究。 巷道的信息化施工，为巷道的维修和使用提供可 靠依据。 ２。３深部侏罗纪软岩软化机理及变形理论分析 引入岩石粘弹性流变理论，建立了岩体破坏 的线性软化模型，研究了深部圆形巷道围岩的粘 弹塑性分析，给出了综合考虑岩体蠕变、软化和膨 胀特性的深部围岩粘弹一塑性软化解。 ２．４深部巷道围岩分区破裂演化机理研究 ２控制技术方案与应用效果 千米深井侏罗纪软岩条件下的巷道支护工艺 体系的形成主要是在研究分析了深部侏罗纪软岩 时效特性，了解巷道开挖后围岩破坏发展全过程 决定的支护对象和支护作用机理问题，研究深部 巷道围岩破坏及其承载结构形成、演化的影响，包 括承载结构演化与协同支护作用机理，对解决深 部侏罗纪软岩巷道支护难题有重要意义。 ２．１ 侏罗纪软岩的依时特性分析 通过不同围岩变形时效（力学参数、围岩特 性）的理论分析，并在理论分析和室内试验的基础 上，利用ＦＬＡＣ如进行了巷道围岩变形时效的数值 分析。结果表明：在深部软岩巷道中空间效应在 在深部巷道开挖过程中，围岩内部各点的主 应力不仅大小发生改变，方向也发生了明显的偏 转，甚至出现主应力轴轮换的现象，这种复杂的改 变直接导致了巷道围岩的细观裂纹的多次扩展和 扩展方向的改变。巷道开挖以后，围岩内部的应力 状态发生了明显的改变，靠近巷道表面的围岩首 先从广义张剪状态向张拉状态转变，并在不同深 度范围内呈现依次转变的规律，还是形成了足够 的应力差值，导致了剪切破坏的继续，裂缝进一步 扩展和延伸。 ２．５深井软岩巷道协同支护方案设计 初期起主要作用，围岩变形速率较大，而且在变形 总量上空间效应引起的变形量占较大比例，约 ６０％，因而，在支护深部软岩巷道时应注意空间效 新安煤矿开拓巷道埋深大，岩体强度低，对主 ２０１３年１２月 Ｆｅｂ．，２０１３ 胡长浩深井软岩巷道变形破坏规律及其控制技术研究 ４５ 要巷道松动圈测试结果约为２．５ ｍ，且围岩强度较 低（典型巷道岩样试验得出平均单轴抗压强度均 低于２０ ＭＰａ），为典型的大松动圈软岩巷道，巷道 围岩表现出变形持续时间长、总变形量大。沿岩层 掘进巷道（井底车场主要巷道、主要石门）一次支 护难以维护巷道的稳定性，需要采取“抗一卸一固” 联合支护技术。 ２．５．１沿岩层巷道掘进支护方案 在理论分析、数值模拟、物理模拟对深部高应 力软岩巷道围岩失稳机理研究的基础上，针对新 安煤矿深部高应力软岩巷道的具体特点设计了以 下几种支护方案。 （１）“锚网梁＋加密锚索”初次支护。采用半圆 拱形断面，结合顶帮预留变形量等措施，巷道支护 采用初次柔性支护（锚网带喷支护＋预应力锚索加 固）＋二次高强度支护（加强锚索支护＋全断面锚 注加固）组成复合支护结构。 （２）Ｕ型钢二次支护方案。采用半圆拱形巷 道断面，结合顶帮预留变形量等措施，巷道支护采 用初次柔性支护（锚网带喷支护＋低预应力锚索加 固）＋二次高强度支护（全断面ｕ型钢支架十全断 面锚注加固）组成复合支护结构。 （３）格栅结构二次支护方案。采用半圆拱形 巷道断面，结合顶帮预留变形量等措施，以允许巷 道形成初次和二次支护结构后产生一定变形，保 证巷道初次支护后的基本稳定，以及二次支护后 的长期稳定。因巷道围岩稳定性较差，且掘进断面 较大，要求采用分层导硐掘进技术，即上分层超前 掘进和左右导硐分掘分支施工技术。巷道支护采 用初次柔性支护（锚网带喷支护＋低预应力锚索加 固）十二次高强度支护（全断面格栅拱架与高强度 混凝土砌碹＋全断面锚注加固）组成复合支护结 构。 （４）网壳二次支护方案。网壳锚喷支架是矿 山巷道的一种轻型、高支撑力的支护结构。网壳锚 喷支护具有良好的柔．『生，能适应软岩巷道初期的 剧烈变形，允许围岩释放强大的变形能并将其部 分转移到深部围岩，从而减小围岩压力和变形；同 时它又具有较强的支护抗力，能防止围岩产生过 量的有害位移，保证巷道稳定。此外，网壳锚喷结 构中的锚杆又起到了限位锚杆的作用，提高了网 壳支架的径向刚度和支撑强度，确保了网壳支架 的稳定性，网壳与锚喷支护之间相互作用、共同承 载，大大提高了巷道围岩的稳定性。 ２．５．２沿煤层巷道掘进（煤巷）支护方案 （１）“拱形断面＋底自钻锚杆”支护方案。自钻 式锚杆材料采用厚壁无缝钢管，其延伸性能好，克 服了锚索低延伸性的缺陷，充分发挥柔性让压支 护作用，更好发挥高应力围岩自承能力。 （２）桁架锚索支护方案。桁架锚索由高强度 钢绞线、锁具、专用连接器和锚固剂组成，其内锚 固点为巷道两帮煤岩体的上方深部岩体，与传统 的锚杆（索）支护相比，桁架锚索的支护机理发生了 重大改变：增加了支护结构的稳定性；保证锚固 力；桁架锚索的支护机理和桁架间距密切相关；改 善锚固区围岩应力状态。 ２．５．３大断面切眼支护方案 根据综采设备安装要求，设计切眼采用矩形 断面，采用小断面掘进，主要控顶，采用锚索加强 顶板，同时仅支护一帮，对于工作面推进侧不支 护，进行卸压；滞后一段巷道扩刷到设计断面，进 行锚网、索支护。 ２．６应用效果分析 根据深部巷道围岩应力和位移演化规律可 知：其变形破坏过程是一个多阶段、多水平的发展 过程。通过在集中皮带巷的返修中实施“高强锚网 索＋底拱＋格栅拱架混凝土联合支护”方案，对轨 道石门和回风石门采用“高强锚网索＋底拱＋网壳 联合支护”方案，对顺槽煤巷运用“拱形顶板＋桁架 锚索＋加强底角”支护方案，有效地控制了巷道的 变形，保证了巷道的稳定与安全，获得了很好的技 术经济效果。其结论有以下几点：①对深部侏罗纪 极软岩巷道，由于巷道围岩（煤）残余强度很低且 围岩内部应力高，通过锚网索单一支护方式无法 形成一个可靠、稳定的支护结构，必须通过注浆二 次支护、联合支护的方式来保证巷道的稳定。②对 深部软岩巷道，要防止巷道从某个薄弱部位首先 破坏而导致全断面失稳。要对底板（或煤巷底角） 进行加强锚固（浇注）和注浆加固，提高底板岩体 的承载力，有效控制巷道的底鼓，从而保证巷道的 整体稳定。③锚网索＋格栅、网壳能有效控制深井 侏罗纪软岩巷道变形破坏，但必须深入研究和掌 握锚壳联合支护技术实施的时效性和合理耦合关 系，充分发挥不同支护的特点，使他们形成一个有 机的整体，实现最佳的共同支护和共同承载。④煤 巷支护时，应优先考虑拱形断面，通过桁架锚索和 底角锚杆、注浆等能加强支护的整体性，有效控制 巷道的变形。 （下转第４８页） 能源技术与管理 ４８ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ２０１３年第３８卷第６期 Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．６ 可不施工该程序）。钢筋网壳使用不小于 １６ ｍｍ 的螺纹钢扎制而成，网格问距为３００ ｍｍ，钢筋网 层间距为３００ ｍｍ，网壳铺设完毕，浇铸混凝土。四 是用大石子填充，并施工混凝土地坪。 反底拱直接对底板进行支护，通过对挖掘施 施底鼓破坏是可以治理的。 （２）有限元数值模拟软件ＦＬＡＣ５．０模拟出夹 河煤矿一１ ０１０ ｍ大巷绕道底板在无支护条件下 底鼓围岩应力分布规律，与实际工程施工底鼓情 况基本相似，在模拟分析的基础上提出了引起深 部巷道底鼓的主要原因是巷道高地应力、水理作 用和支护方式等。 （３）提出了反底拱回填技术底鼓控制方法， 在深部高应力巷道采用该方法，可以改善巷道底 板围岩力学性质和受力状态，并可有效地起到隔 工使得底板围岩集中的变形能在一定空间内得以 释放，然后对底板施加锚杆反底拱支护，加固底板 岩体，反拱弧形支护提供较大的支护力，锚杆支护 增加了底板围岩体的强度，同时使集中应力向底 板深处转移。应该注意的是，反拱做好后必须要对 其进行喷浆封闭，这样可以起到隔绝水的作用，从 而解决了水理作用。 ４．３底鼓控制效果 水作用，减少了水对底板的侵蚀。通过现场数据观 测，反底拱回填技术是控制深部巷道底鼓的有效 方法，底鼓量大大小于相同条件没采用该方法支 护的巷道，技术经济效益良好。 ［参考文献］ ［１］何满潮，钱七虎，等．深部岩体力学基础［Ｍ］．北京：科 学出版社，２０１０ 反底拱回填控制技术，在底板岩性松软、矿山 压力显现比较明显的巷道中使用，效果显著。适合 在主要巷道或服务年限较长的巷道中使用。夹河 煤矿在一１ ０１０ ｍ水平大巷使用该方法修护，１ ａ内 底鼓量为９ ｍｍ，而邻近相同条件下未采取底板支 护的巷道，底鼓位移量为５５９ ｍｍ。由此可见，采 用全锚杆反底拱控制巷道底鼓效果十分显著。 ［２］蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程［Ｍ］．北京： 科学出版社，２００２ ［作者简介］ ５结论 张卫东（１９６８一），男，高级工程师，毕业于徐州煤炭工 业学校采煤专业，现在徐州矿务集团生产技术部从事掘进 技术工作。 ［收稿日期：２０１３—０６—２４］ （１）深井高应力巷道底鼓破坏，通过控制措 （上接第４５页） 索＋底拱＋格栅拱架混凝土联合支护”方案，对轨 道石门和回风石门采用“高强锚网索＋底拱＋网壳 联合支护”方案，对顺槽煤巷运用“拱形顶板＋桁架 锚索＋加强底角”支护方案，修复后的巷道变形测 试结果表明，网壳联合支护方案有效地控制了巷 道的变形，保证了巷道的稳定与安全，且支护成本 较格栅方案低（采用网壳方案支护，巷道直接成本 可节约２０ ９５７ ３￣／ｍ），施工方便。通过该项目的研 究，确保了矿井的顺利投产、通风和运输；研究采 用的方案减少了新掘、返修工作量，节约了维护费 用，大大减轻了工人劳动强度；通过该项目的研 究，可以推广解决平凉华亭及其它矿区相似巷道 支护难题，对促进巷道支护技术水平的提高，直接 改善矿井生产和安全条件，对矿井生产和安全具 有重要意义。 ［作者简介］ ３创新成果 针对深部矿井巷道破坏的分区破裂现象，试 验研究并分析了分区破裂的形成过程（应力演化 过程）及破坏机理；研究了侏罗纪软岩巷道的依时 特性，提出巷道发生严重变形破坏的根本原因是 巷道发生了一次失稳并无发展（蠕变、扩容和 吸水膨胀共同作用）的结果，防止围岩破坏以后再 破坏是围岩稳定的主控因素；根据深井侏罗纪软 岩巷道变形破坏是一个多阶段、多水平发展过程 的特点和变形机理，提出了“控顶卸压、固底修复、 锚壳整体抵抗”的过程控制原理与协同支护技术； 建立了具有新陈代谢特征的模糊灰色ＦＧＭ（１，１） 预测模型，该模型对时间序列数据进行模糊化处 理，并运用灰色理论建模，模型能中长期预测软岩 巷道的变形，确定二次支护的最佳支护时机。 胡长浩（１９６６一），男，高级工程师，毕业于徐州煤炭工 ４结论 业学校采煤专业，长期从事矿井采掘技术工作。 『收稿日期：２０１３－０７—２０］ 通过在集中皮带巷的返修中实施“高强锚网
