4、深部軟巖巷道破壞分析及其穩(wěn)定性控制

1、<p>　　第 6 卷 第 20 期 2006 年 10 月</p><p>　　1671 - 1815 ( 2006) 20 - 3280 - 05</p><p>　　科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程</p><p>　　Science Technology and Engineering</p><p>　　Vol.

2、 6 No. 20Oct. 2006 c2006 Sci. Tech. Engng.</p><p><b>　　礦冶技術(shù)</b></p><p>　　深部軟巖巷道破壞分析及其穩(wěn)定性控制</p><p>　　伍永平黃超慧1曾佑富王超</p><p>　　( 西安科技大學(xué)能源學(xué)院, 西安 710

3、054; 平煤集團(tuán)公司十礦1, 平頂山 467012)</p><p>　　摘 要 隨著煤礦開采深度的加大, 越來越多巷道圍巖呈現(xiàn)軟巖變形特性, 變形破壞非常嚴(yán)重。針對石嘴山一礦深部高應(yīng)力復(fù)</p><p>　　雜軟巖巷道圍巖破壞特點, 從地質(zhì)賦存條件、水對巖石的軟化影響和支護(hù)結(jié)構(gòu)方面分析, 制定了相應(yīng)對策, 提出了錨、網(wǎng)、噴、注 全封閉聯(lián)合支護(hù), 用FLAC3D2.0對支護(hù)效果

4、進(jìn)行數(shù)值模擬可視化計算, 確保巷道的穩(wěn)定性, 對巷道支護(hù)實踐有一定參考價值。</p><p>　　關(guān)鍵詞 深部軟巖 軟化 礦壓監(jiān)測 錨注 數(shù)值模擬</p><p>　　中圖法分類號 TD262;文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A</p><p>　　煤礦開采的不斷延伸, 部分礦山巷道呈現(xiàn)高應(yīng)</p><p>　　力、大變形、難支護(hù)的破壞特征[

5、 1] 。石嘴山一礦采深 已達(dá)750 m, 圍巖易膨脹, 在高應(yīng)力、大動壓等作用 下, 巷道錨網(wǎng)噴、U29 型鋼四節(jié)拱支架、錨網(wǎng)配砌碹 等支護(hù)都造成不同程度的破壞, 影響到礦山的安全 生產(chǎn)。因此, 從巖石力學(xué)特性、現(xiàn)場破壞及礦壓監(jiān)測 結(jié)果等方面分析巷道破壞原因, 并提出巷道穩(wěn)定性 控制措施。</p><p>　　1 巷道變形破壞原因分析</p><p>　　38區(qū)+600 m軌道巷

6、埋深550 m, 斷面12.1 m2, 設(shè) 計為直墻半圓拱形。巷道位于九層煤底板泥巖、砂 巖中, 設(shè)計為錨網(wǎng)噴支護(hù)。錨網(wǎng)噴支護(hù)的巷道在掘 進(jìn)過程中圍巖變形收斂量大和支護(hù)體結(jié)構(gòu)破 壞嚴(yán) 重, 其形式為: 噴層開裂、頂板離層、錨桿拉斷及嚴(yán) 重底臌等, 其主要原因如下。</p><p>　　1.1 地質(zhì)條件復(fù)雜</p><p>　　巷道頂?shù)装寮皟蓭蜑榛液谏鄮r、砂巖或二者 互層。受F11

7、正斷層[ 傾角70°, 落差( 0～16) m] 的影 響, 呈碎 裂結(jié)構(gòu), 節(jié)理 、裂隙發(fā)育[ 平 均 ( 12 ～32) 條/ m3, 平均間距小于0.2 m] , 破壞了巖體的連續(xù)性和完</p><p>　　2006年6月13日收到 教育部西部礦山開采與災(zāi)害控制重點</p><p>　　整性, 堅固系數(shù)小, 強度低。在水作用下, 泥巖、砂巖</

8、p><p>　　強度降低, 且泥巖遇水膨脹泥化, 二者抗拉強度分 別由29.1 MPa、53.1 MPa降為19.6 MPa、22.3 MPa, 具 有明顯的軟化作用。九層煤頂板灰白色中粗砂巖含 水層, 因受構(gòu)造應(yīng)力影響形成破裂帶對含水層形成 連通通道, 形成斷層破碎帶導(dǎo)水, 尤其對F11大斷層 影響最大。</p><p>　　1.2 水對巖石的軟化作用影響</p><

9、;p>　　利用室內(nèi)偏光顯微鏡和D/MAX- rA型X射線衍 射儀對巖樣分析, 測得砂巖、泥巖礦物成份。砂巖成 分為石英占50%以上, 巖屑以泥巖占15%左右, 鉀長 石約占5%～8%左右, 白云母占5%左右, 其他占18% 左右。泥巖與遇鹽酸起泡, 不強烈, 粉砂狀, 遇水膨 脹軟化屬于膨脹性巖石; 其成分為伊利石含57%、高 嶺石5%、鐵白云石29%、石英及其它占10%。砂巖、 泥巖的容重、吸水率分別為2.58 g/cm3

10、、2.54 g/cm3,</p><p>　　0.92%、1.89%。由于巖層礦物成分主要以伊利石為 主, 在水的作用下導(dǎo)致軟弱巖層節(jié)理裂隙中充水, 削弱軟弱巖層間顆粒的連接力, 并且很快發(fā)生物理 化學(xué)反應(yīng), 引起巖層軟化膨脹[ 2, 3] , 吸水膨脹可使原 體積增加50%～75%。對巷道圍巖在不同狀態(tài)下進(jìn)行 了物理力學(xué)特性測試分析, 其力學(xué)特性參數(shù)見表1。</p><p>　　表1

11、 巖石力學(xué)特性</p><p>　　巖石 抗壓強度/MPa 泊松比 彈性模量/GPa 軟化</p><p>　　實驗室重點項目( 04JS19) 資助</p><p>　　第一作者簡介: 伍永平( 1962—) , 男, 陜西漢中人, 教授, 博士, 博導(dǎo)。 研究方向: 采礦工程、礦山壓力及井巷支護(hù)。E- mail: hchuihenan@tom. co

12、m。</p><p>　　名稱 天然 飽和 天然 飽和 天然 飽和 系數(shù) 砂巖 53.1 22.3 0.17 0.26 40.6 8.9 0.42 泥巖 29.1 19.6 0.20 0.36 22.5 7.2 0.67</p><p><

13、b>　　20期</b></p><p>　　伍永平, 等: 深部軟巖巷道破壞分析及其穩(wěn)定性控制</p><p><b>　　3281</b></p><p><b>　　3282</b></p><p>　　科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程 6卷</p>&l

14、t;p>　　3#、4#、5#、6#、7#測站, 采用雙十字法布置; 在巷道兩幫</p><p>　　直墻布置2個壓力測站, 4個壓力監(jiān)測點, 采用打錨桿 和壓力枕聯(lián)合監(jiān)測, 測站布置如圖2。隨著掘進(jìn)工作 面推進(jìn)歷時93 d的連續(xù)觀測, 圍巖壓力與變形與時 間曲線如圖3。</p><p>　　由圖3 ( a) 知巷道掘進(jìn)過程中1#、2#、3# 表位置圍 巖壓力呈現(xiàn)直線增加, 2#

15、增速最大為0.2 MPa/d; 4#表 的壓力增加緩慢, 整個監(jiān)測過程中壓力為( 1.4～2.0) MPa, 小于錨桿的錨固力6.6 MPa。Ⅰ斷面2#表位置壓 力達(dá)11.2 MPa, Ⅱ斷面3#表位置壓力達(dá)7.1 MPa, 兩幫 壓力差分別為6.8 MPa、4.7 MPa。</p><p>　　由圖3( b) 知頂?shù)装逡平科骄平俣?.2 mm/d, 最大移近量約360 mm左右, 底臌量占頂?shù)?/p>

16、板移近量 的55%左右; 而2#測站前3 d移近速度最大達(dá)63 mm/d, 以后以3.37 mm/d速度呈現(xiàn)上升態(tài)勢。隨著時間增加, 各測站累計移近量不斷增加, 在40 d左右時變形速度 明顯加大。巷道頂?shù)装迤骄冃嗡俾孰S著巷道掘進(jìn)頭 距離的減少呈增長趨勢, 且變形梯度基本一致。</p><p>　　由圖3( c) 知2#、3#、4#、6#、7#測站水平移近量在( 80～</p><p>

17、;　　100) mm, 平均水平移近速度為 ( 1.02～1.22) mm/d; 而1#測站兩幫移近量最大達(dá)208 mm, 前25 d以6.12 mm/d速度水平移近變形, 整個觀測期間平均移近速</p><p>　　度 2.53 mm/d; 5# 測 站 前40 d 前 后 移 近 量 為75 mm、</p><p>　　183 mm, 其水平移近速度分別為1.875 mm/d

18、、4.575 mm/d, 40 d后的變形速度是其前變形速度的2.44倍。 分析引起上述圍巖變形破壞的原因: 1#、2#監(jiān)測斷 面處于F11正斷層及其破碎帶范圍內(nèi), 受F11斷層影 響, 而5#測站主要受維修擾動影響。巷道處于F11構(gòu)造 帶及其應(yīng)力場中, 節(jié)理、裂隙和斷層發(fā)育, 且受頂板及 兩幫淋、滴水影響, 加劇巖體泥化、崩解、碎裂, 巖體強 度降低, 導(dǎo)致圍巖自身承載能力下降, 削減了錨桿的 錨固作用, 加劇了圍巖變形; 同

19、時因兩幫存在壓力差, 圍巖應(yīng)力處于不平衡狀態(tài), 載荷不對稱分布導(dǎo)致兩幫 及頂板擠壓和扭曲變形。巷道底角及底板處于敞開狀 態(tài), 圍巖且受水的作用引起嚴(yán)重底臌。圍巖大的變形 量超過錨網(wǎng)噴支護(hù)的允許變形量( 100～150) mm, 而 移近速度也遠(yuǎn)大于0.2 mm/d( 穩(wěn)定巷道頂?shù)装逡平?lt;/p><p>　　度小于0.2 mm/d[4] ) , 致使支護(hù)體結(jié)構(gòu)變形破壞。</p><p>

20、;　　2 深部軟巖巷道穩(wěn)定性控制措施</p><p>　　深部軟巖巷 道以其特殊 的破壞特征 及礦壓顯</p><p>　　現(xiàn)特點: 巷道頂?shù)装寮皟蓭统掷m(xù)變形造成支護(hù)體破</p><p>　　壞, 圍巖與水作用的膨脹性底臌加劇了巷道破壞[ 5] 。 根據(jù)松動圈支護(hù)理論, 利用工程類比方法及有限差 分法( FLAC3D) [ 6] 對錨模擬結(jié)果分析, 選用合理的

21、支 護(hù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)。</p><p>　　2.1 調(diào)整巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)</p><p>　　錨注支護(hù)技術(shù)將錨桿兼作注漿管, 實 現(xiàn)“錨注 一體化”[ 7, 8] 。錨、注、網(wǎng)、噴聯(lián)合支護(hù)形成一個穩(wěn)定的 組合拱, 金屬網(wǎng)的使用提高了抗壓及抗剪強度, 并 保持一定的柔性和抗變形能力; 噴層減少了水的軟 化影響, 整個支護(hù)結(jié)構(gòu)使圍巖壓力向深部轉(zhuǎn)移。巷 道錨注聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計如圖4

22、。</p><p>　　圖4 巷道錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)</p><p>　　注漿錨桿用鋼管加工為 直徑27×2 000 mm, 外 部100 mm帶有滾絲, 注漿段長1 200 mm, 桿尾長300 mm, 呈麻花形狀, 桿體交叉布置直徑6 mm的注漿孔</p><p>　　13個, 孔距100 mm。注漿錨桿間排距 600 mm×6

23、00 mm, 底角錨桿下扎角度45°, 封孔采用快硬膨脹水泥 藥卷, 采用炭素鋼鼓型托盤。注漿材料采用425#硅酸</p><p>　　鹽水泥+BR+CA增強防水劑, 漿液水灰比1: 1, 其中 BR占水泥用量的15%, CA專用粉占水泥用量的4%, 注漿壓力( 1.5～2.5) MPa, 注漿時間( 15～20) min。金 屬網(wǎng)采用10#鍍鋅鐵絲編制的2.8 m×0.75 m菱形網(wǎng),

24、</p><p>　　網(wǎng)孔56×56。噴層分兩次噴射混凝土, 初噴厚度( 20～</p><p>　　30) mm, 總層厚( 80～100) mm, 噴層采用425#硅酸鹽 水泥, 水灰比0.4～0.5, 水泥砂子為1: 3, 外加劑量</p><p>　　3.5%。底板用BHW- 280- 3.00型W鋼帶和澆灌厚度</p>

25、<p>　　100 mm的混凝土封閉。對巷道頂板離層明顯, 圍巖 破碎地段的關(guān)鍵部位, 安設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索補強, 錨索 固定于穩(wěn)定的巖層中。</p><p>　　2.2 錨注聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模擬研究</p><p>　　采用FLAC3D2.0 進(jìn)行數(shù)值模擬錨注 聯(lián)合支護(hù)下</p><p><b>　　20期</b></p>

26、;<p>　　伍永平, 等: 深部軟巖巷道破壞分析及其穩(wěn)定性控制</p><p><b>　　3283</b></p><p>　　圖5 錨注支護(hù)計算結(jié)果</p><p>　　巷道的穩(wěn)定性分析, 模型分63 400塊和70 488個節(jié)</p><p>　　點對該巷道進(jìn)行數(shù)值計算, 具體參數(shù)及支護(hù)材

27、料力 學(xué)性質(zhì)見文獻(xiàn)[ 9] , 計算結(jié)果如圖5。</p><p>　　由圖5可知, 錨注支護(hù)作用下巷道圍巖破壞區(qū) 域很小, 主要為兩幫內(nèi)擠拉破壞, 與頂板和底板連</p><p>　　通較少, 出現(xiàn)冒落和底臌可能性不大。位移主要是</p><p>　　兩幫向巷道內(nèi)移, 其最大值出現(xiàn)在巷道左右肩為53 mm, 頂?shù)装逦灰坪苄　鷰r的原巖應(yīng)力13.5 MPa, 而

28、 最大主應(yīng)力( 25～40) MPa, 是原巖應(yīng)力( 2～3) 倍; 最 小主應(yīng)力( 15～22.5) MPa, 為原巖應(yīng)力( 1.2～2) 倍, 且 都是對稱分布。最大主應(yīng)力向巷道深部得以轉(zhuǎn)移, 最小主應(yīng)力基本上呈現(xiàn)環(huán)形分布, 形成有效的應(yīng)力 組合拱。錨注支護(hù)情況下圍巖最大移近量為78 mm, 為原支護(hù)的1/3, 同時圍巖應(yīng)力快速向深部轉(zhuǎn)移, 確 保巷道支護(hù)效果。</p><p><b>　

29、　3 結(jié)論</b></p><p>　　通過對巖石物理力學(xué)特性實驗, 現(xiàn)場圍巖壓力</p><p>　　及表面收斂監(jiān)測, 數(shù)值模擬研究, 分析引起圍巖變</p><p>　　形破壞的原因, 提出了巷道圍巖穩(wěn)定性控制措施。</p><p>　　( 1) 影響深部圍巖變形破壞的主要因素是由地 質(zhì)賦存條件、水對巖體的軟化作用

30、, 加強巷道疏干 排水工作, 掌握其對圍巖性能的影響及破壞特征是 進(jìn)行軟巖巷道支護(hù)的前提條件。</p><p>　　( 2 ) 礦 壓 監(jiān) 測 可 知 二 次 噴 漿 最 佳 時 間 為 掘 進(jìn)</p><p>　　40 d; 通過FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬驗證支護(hù)的可靠性, 錨注聯(lián)合支護(hù)有效控制圍巖的大變形, 特別是底臌 的效果, 明顯改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)分布。</p><

31、p>　　( 3) 提出了錨注配W型鋼帶控制巷道底臌的錨、 注、網(wǎng)、噴聯(lián)合支護(hù), 明顯改善巷道圍巖的性質(zhì), 提 高了巖體的強度和圍巖的自承能力, 形成有效組合 拱承載, 確保巷道穩(wěn)定性。</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)</p><p>　　1 何滿朝, 景海濤, 孫曉明. 軟巖工程力學(xué). 北京: 科學(xué)出版社, 2002</p><p>　　(

32、 下轉(zhuǎn)第3290 頁)</p><p><b>　　3290</b></p><p>　　科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程 6卷</p><p>　　A New Method to Calculate Similar ity in Color Image Featur e Detection</p><p>&l

33、t;b>　　FANG Xin</b></p><p>　　( Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006)</p><p>　　[ Abstr act ] Color images is always processed in digital image processing, a

34、nd in most cases have to process color images then can avoid to change a color image into a gray one and also can avoid the error in that process. The color values are need to quantization and calculated the distance of

35、different colors. This is the most important work, without it can not compare the differences between pixels. A good method to describe the distance between colors based on feature d</p><p>　　[ K

36、ey wor ds] color space color feature distribution feature detection similarity EMD</p><p>　　!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!</p><p>　　( 上接第 3283 頁)</p

37、><p>　　2 芮偉力. 軟巖巷道穩(wěn)定性分析及其控制技術(shù). 煤炭科技, 2005; ( 3) : 22—24</p><p>　　3 李洪志. 中國煤礦膨脹型軟巖工程地球化學(xué)研究. 地學(xué)前緣 ,</p><p>　　1996; 13( 1～2) : 99—103</p><p>　　4 陸明心. 馮營礦

38、軟巖巷道持續(xù)變形控制研究. 煤炭科學(xué)技術(shù) ,</p><p>　　2005; 33( 5) : 65—66</p><p>　　5 姜耀東 , 趙毅鑫 , 劉文崗 , 等. 深部開采中巷道底臌問題的研究.</p><p>　　巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2004; 23( 14) : 2396—2401</p><p>　　6 來興

39、平, 伍永平, 蔡美峰. FLAC在地下巷道離層破壞非線性數(shù)值</p><p>　　模擬中的應(yīng)用. 西安科技大學(xué)學(xué)報, 2000; 20( 3) : 194—195</p><p>　　7 王連國, 李明遠(yuǎn), 王學(xué)知. 深部高應(yīng)力極軟巖巷道錨注支護(hù)技術(shù) 研究. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005; 24( 16) : 2889—2994</p><p>　　8

40、 煤炭工業(yè)部科技教育司, 煤炭工業(yè)部軟巖巷道支護(hù)專家組, 煤礦 軟巖工程技術(shù)研究推廣中心. 中國煤礦軟巖巷道支護(hù)理論與實 踐. 北京: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1996</p><p>　　9 西安科技大學(xué), 寧夏煤業(yè)集團(tuán)石嘴山一礦, 教育部西部礦井開采 與災(zāi)害控制重點實驗室. 高應(yīng)力松軟復(fù)雜巖層穩(wěn)定性控制及綜</p><p>　　合支護(hù)( 階段研究報告) . 西安: 西安科技大

41、學(xué), 2005</p><p>　　Analysis of Collapse of Sur r ounding and Stability Contr ol in Soft</p><p>　　Rock Roadway in a Deep Mine</p><p>　　WU Yongping, HUANG Chaohui1, ZENG Youfu, WANG

42、Chao</p><p>　　( School of Energy, Xi' an University of Science and Technology, Xi' an 710054; No.10 Mine,</p><p>　　Pingdingshan Coal Mining Group Corporation Ltd1, Pingdingshan 467012

43、)</p><p>　　[ Abstr act ] With the development of deep mining in mines, more and more collapse problems of surrounding rocks named soft rock in roadway become increasing serious. There are some cha

44、racteristics of collapse of surrounding rocks for deep and complex soft rock roadway under high stress in No.1 Mine of Shizuishan. Analysis of geological condition, intenerating rock mass influencing on water and str

45、ucture of support, established correlation countermeasure, and provided combine</p><p>　　[ Key wor ds] soft rock in deep mine intenerate monitoring of ground pressure