深井高地应力软岩巷道支护设计探究

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1、深井高地应力软岩巷道支护设计探究摘要：平顶山天安煤业股份有限公司一矿三水平下延主运输巷开挖后围岩变形较大，支护要求比较高。现场地应力测试及围岩物理力学参数实验表明，该巷道为典型的深井高地应力软弱围岩巷道。通过分析地应力对巷道稳定性的影响，并基于深部岩巷围岩稳定性控制理论和“分步联合支护”理念，制定了相应的支护方案，该方案的主导思想是增强围岩自身抗压强度和支护结构的抗变形能力，尤其重视底板支护。现场实践表明，该方案具有良好的经济及社会效益。关键词：深井高地应力软岩大变形分步联合支护1＞引言随着对能源需求的不断增加和开采强度的不断增大，浅部煤炭资源日益减少，目前，国内外许多矿井相继

2、进入深部开采状态。深部矿区的地质构造、应力场特征、煤岩体的破碎性质与力学响应、岩层移动以及能量的积聚释放规律与浅部开采相比均发生了显著变化，深部矿井灾害的致灾机理、触发条件、演化规律及其显现特征均不同于浅部矿山。进入深部开拓阶段后，围岩体处于“三高一扰动”（高地应力、高渗透压力、高地温梯度和强烈采掘扰动）相互耦合的复杂地质力学环境中，非线性大变形动力现象尤为显著。主要表现为巷道变形量大（顶沉、底膨等）、变形持续时间长、围岩软弱破碎，锚杆、锚索失效增多，巷道维护十分困难。深井巷道往往处于高地应力状态，导致围岩岩性恶化，围岩破碎区和塑性区范围增大，两帮收敛变形大，削弱了两帮对顶板的

3、支护作用；深井高应力通过两帮传递到底板，因施工困难，现有巷道底板一般未支护或支护强度较小，因此,巷道底臓严重。深部巷道在两帮相对移近过程中，作用于顶板和底板的围岩压力，致使顶板下沉和底板臓起，两帮相对移近与底臓相互作用，帮部相对移近促进底膨，底臓又加剧帮部位移。与浅部巷道支护相比，深部巷道不仅要加强顶板和两帮支护，尤其要重视底板支护。2、工程概况平顶山天安煤业股份有限公司一矿三水平下延主运输巷（戊一皮带下山）巷道净断面尺寸为5300X4270mm,围岩以泥岩，砂质泥岩和粗砂岩为主。标高-550m±下200m范围内，巷道采用锚网喷支护，没有架棚，巷道两帮位移200mm,底500m

4、m,已掘进巷道区段显现的围岩变形特点表明，锚网喷支护段的两帮位移和底臓量均较大。3、三水平下延主运输巷围岩稳定性分析为了提出有效的围岩稳定控制措施，必须先对该巷道围岩进行工程地质调查、地应力赋存测试及岩性物理性质实验，进而通过围岩变形控制理论确定该巷道的支护方案。3.1地应力场分布规律本次地应力试验在巷道-726m水平处设立测点，测点埋深900m,分别在测点处铅直孔、45。斜孔及水平孔进行了多次水压致裂地应力试验，其测量结果如表1所示。3.2测试结果根据测试曲线，通过计算分析分别得到三水平下延主运输巷各应力分量及主应力分量的大小、倾角及方位角。测试结果分析：1)最大水平主应力的

5、量级及方向平顶山天安煤业股份有限公司一矿三水平下延主运输斜巷的-726m处的最大主应力值为31.70MPa、方向32.4°、倾角37°,中主应力值为18.70MPa、方向206.6°、倾角-56.6°最小主应力值为15.98MPa、方向101.5°、倾角3.7°。2)垂直应力分量。z与上覆岩层重度的关系布朗(Brown)在总结世界上大量的地应力现场实验资料表明，在深度为25〜2700米范围内，地应力的铅垂向分量基本上等于上覆岩层重量，除少数实验点偏离较远之外(分散度小于5%),其随深度的变化按照岩石重度成线性增加。由表3可知，在本次实测深度内垂直应力分量oz=23.09MPa,

6、自重应力ov二YH=23.4MPa,式中，Y为岩层的重度，取为26000N/m3,H上覆岩层厚(900m)。垂直应力分量与自重应力的比值为0.987,这表明了垂直应力分量与自重应力十分接近。1)最大主应力方向与地质构造的关系岩体中现存的最大主应力方向主要取决于现在的地质构造应力场。现场测验结果表明，最大主应力方向与本区的逆断层的夹角较大(67.4°〜77.4°)、与正断层的夹角较小(27.6°)o这表明实测结果与本区的地质构造较吻合。2)地应力与围岩强度的关系在高地应里作用下，围岩表现出明显的弱化现象。该段巷道围岩属于典型的深井高地应力软岩巷道。3.3围岩力学参数实验根据对采自

7、三水平下延主运输巷的岩芯进行岩石力学性质室内单轴和三轴实验得到，平煤股份一矿三水平下延主运输巷围岩围岩以砂质泥岩为主，砂质泥岩试件的抗压强度在42〜49MPa,平均45.3MPa左右；弹性模量为28.8〜35.7GPa,平均为31.68GPa；泊松比为0.15〜0.28,平均为0.212；围岩为块状，完整性指标Kv取0.35VKvW0.55,测得最大。1得为31.7MPa,作用到岩体强度应力比为0.50〜0.79O根据相关研究[6],可以判断该巷道为典型的IV级围山^6"o3.4地应力对巷道