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深部巷道变形机理及支护技术研究
姓名: 学号:
学院: 矿业工程学院
班级: 采矿工程2005-6班
深部巷道变形机理及支护技术研究
摘要:
随着浅部资源储量的日益减少,国内外许多矿山进入深部开采,南非、印度金矿最深开采深度超过4000 m,俄罗斯金属矿最深开采深度超过2000m,我国煤矿开采深度以每年8~12 m的速度增加,徐州、平顶山、开滦、新汶等矿区部分煤矿开采深度已经超1000m。在深部高应力环境中,在浅部表现为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性,巷道围岩长期变形不止。目前,深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一,深部软岩巷道稳定问题已成为国内外研究的热点。深井高应力软岩巷道支护一直是国内外地下工程支护的难题之一。
关键词:软岩;支护;深部开采,矿山压力;支撑压力
引言
随着开采深度的增加,地质环境更加复杂,导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加、作业环境恶化、生产成本急剧加大,对深部资源开采过程中的工程支护提出了严峻的挑战。深部与浅部的明显区别在于深部岩石所处的特殊环境,即深部岩石的“三高”环境:高地应力、高地温、高岩溶水压。正是由于“三高”环境,使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程相应均发生根本性变化,这也是导致深部开采中灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所在。特别是超千米埋深高应力极不稳定软岩巷道,如果不采取适当的维护措施,巷道围岩变形将会更加剧烈,最终将导致巷道失稳破坏;破坏后的巷道围岩将更加破碎,再生裂隙更加发育,巷道掘进与支护也变得更加困难。
目前我国煤矿开采深度以8~12 m·a-1的速度增加,预计在未来20年我国很多煤矿将进入1000~1500 m的深度。我国已探明的煤炭储量中,埋藏在1000 ,占煤炭资源总量的53 %。我国现有煤矿的巷道总量有300万m,深井高应力软岩巷道长达180万m。目前的支护方式,巷道服务期间,需多次翻修,每米巷道每年的修复费需要2000元左右,因此,深井高应力软岩巷道每年的修复费用要高达36亿元。所以对深井高应力软岩巷道破坏机制、支护理论与技术进行研究,对我国煤矿安全高效生产具有重要的理论意义与应用价值。
随着时代的发展、科学的进步及其不断的开采实践和理论研究,围岩工程控制理沦取得了长足的发展,支护形式也随之发生了重大的变化。支护理念由被动转为主动,巷道的支护己由传统的棚式支护向锚杆支护转化。在地下工程领域,锚杆支护得到推广和普及。可以说,锚杆支护是可以充分利用围岩自承载能力的一种主动的支护形式,在各种地下工程中得到了大力的推广和使用。
长期以来, 国内外众多学者就深井巷道围岩变形破坏机理进行了大量的研究工作, 结果表明,巷道围岩在浅部较低应力作用下表现为硬岩的变形特性, 而在深部高应力环境中则可能表现为软岩的变形特性。巷道围岩变形呈现软岩特征, 主要开拓及采准巷道支护困难, 原有的支护技术与措施失效, 巷道返修率高, 巷道支护后存在经常性冒顶、片帮、底臌等现象,需要多次维护与加固,维护工作量大,支护成本高, 施工作业不安全,,在浅部表现为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性,巷道围岩长期变形不止。目前,深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一,深部软岩巷道稳定问题已成为国内外研究的热点。
软岩的认识
软岩的概念
长期以来岩石力学与工程界仍未就软岩的概念达成共识,文献认为,在高地应力区经常遇到一类特殊岩体,当其处于地表浅部或低地应力条件下,岩体显示出较坚硬的特征;处于高地应力环境时,当围压较低时,岩体尚具有较高的强度和弹性模量,当围压较高时,岩体表现出“软岩”特征。显然,它有别于一般意义上的软岩,是一种特殊的、在高应力环境下的工程软岩体,称这类软岩为高应力软岩。
高应力软岩形成条件
通过分析,高应力软岩形成的条件为:
(1) 除少量岩石为较软弱岩石外,组成高应力软岩的大多数岩石均为较坚硬的岩石,单轴饱和抗压强度R ≥25 MPa。
(2) 岩体破碎,强度和弹性模量相对较低,流变性强。因为高地应力环境使开挖前的岩处于高围压环境,岩体结构面处于闭合状态,是稳定的,且有一定的强度和模量;开挖后围岩处于低围压环境,结构面不闭合,岩体强度和模量较低。
(3) 埋深大、水平应力大于自重应力。从目前全国煤矿开采深度来看,由自重产生的应力不足以使岩体达到高应力状态,只有在埋深很大且水平构造应力存在并大于自重应力条件下,才能使岩体达到高应力状态。
高应力软岩巷道变形特征
高应力软岩一旦形成,在这些软岩体中掘进的巷道和硐室显示出来的变形特征与硬岩巷道的截然不同,具体表现为:
(1) 围岩变形量大。高应力软岩自身