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深部高应力破碎巷道变形破坏机理及支护技术研究

2025-04-06 52 上传者：管理员

摘要：针对深部破碎围岩强度低、孔隙度大、胶结程度差等问题，研究了深部高应力破碎巷道变形破坏机理及支护技术。深入分析深部高应力破碎巷道变形破坏机理，找出巷道变形的原因、特征、规律。再根据巷道变形破坏机理，设计深部高应力破碎巷道支护技术。打设深部破碎巷道锚杆，锚杆与锚杆锚固区域的围岩共同作用，形成锚固体，承担巷道应力，避免巷道变形破坏。布置深部高应力破碎巷道加固锚索，锚索将锚杆组合拱悬吊在巷道深部，并对关键部位进行加强支护，有效抑制巷道形变。增设高应力破碎巷道工字钢支架，巷道围岩与工字钢支架接触产生反作用力，给巷道提供支护阻力，确保巷道的稳定性。采用实例分析，验证了该技术的支护效果较佳，能够应用于实际生产中。

关键词：
变形破坏机理
支护技术
深部
破碎巷道
高应力
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深部高应力破碎巷道是地下开采工程中,在地壳较深的位置上受到岩石自重､构造应力､温度应力等作用,出现岩石破碎､裂隙等特征的区域[1]｡巷道自稳能力较弱,容易发生塌陷､冒顶､片帮等事故,造成较为严重的安全事故｡岩石自重力与构造应力突然增加时,岩石处于高应力状态,容易出现变形破坏情况｡通过支护技术,能够加强巷道围岩强度,避免巷道变形破坏出现的安全事故[2]｡巷道变形破坏问题严重,已经成为矿产资源开采首要解决的问题｡深部矿产资源开采深度越大,岩层应力增加得越快,作用在围岩的应力越大,产生变形破坏的可能性越大｡

深部高应力破碎巷道的翻修率较高,大幅增加了巷道支护与维护成本,不仅无法满足矿产资源开采需求,还产生了风､电､水等复杂问题,影响矿产资源开采效率[3]｡在深部高应力作用下,岩层能量较高,短时间内释放出的能量聚集一起,增加了巷道的负担,坍塌､片帮等问题层出不穷,严重危害到了开采人员的安全｡同时,不同深度的岩层岩性不同,根据岩层性质调整支护方式,能够提高围岩强度､抑制巷道变形的问题[4]｡目前,巷道支护形式与参数存在不合理的问题,受到岩层本身承载力的影响,支护效果不佳｡因此,本文对深部高应力破碎巷道变形破坏机理及支护技术进行了研究｡

1、深部高应力破碎巷道变形破坏机理

在巷道围岩变形方面,围岩自稳时间较短,来压较快,顶板经常出现垮冒的问题,两帮出现严重内移､非对称鼓出情况,底板鼓起量较大,变形破坏严重[5]｡巷道破坏情况如图1所示｡

图1巷道破坏情况

深度巷道围岩呈现软弱土质的特征与性质,强度较低､孔隙度较大,存在大量的膨胀性黏土,影响巷道的稳定性｡当巷道围岩承受的地应力骤增时,产生高地应力作用,造成巷道变形破坏[6]｡深部围岩整体强度与承载性能较弱,围岩以破碎形态为主,随着时间发生变形与流动,形成流变与蠕变现象｡在高地应力与构造应力叠加的情况下,产生非线性大变形破坏｡同时,受到水平构造力与自重应力的叠加影响,出现层间剪切滑移变形破坏｡

2、深部高应力破碎巷道支护技术

根据深部高应力破碎巷道变形破坏机理,本文选择锚杆+锚索+工字钢联合支护的形式,提高巷道围岩的稳定性[7]｡

(1)打设深部破碎巷道锚杆

锚杆与金属网､喷射混凝土同时作用,当围岩发生离层时,锚杆抵抗水平拉力,减少水平变形｡锚杆与锚杆锚固区域的围岩共同作用,形成锚固体,承担巷道应力,避免巷道变形破坏｡锚杆打设参数:

将锚杆间距设定为800mm×700mm,深部高应力区域间距为600mm,确保锚杆水平支护效果｡在围岩打设锚杆,锚杆与围岩区域形成锚固体,提高该区域的力学参数,减小巷道内摩擦角,从而抑制巷道变形破坏的问题｡

(2)布置深部高应力破碎巷道加固锚索

锚索与锚杆能够共同发挥支护的作用,深部高应力破碎巷道塑性区范围较大,锚杆长度较短,无法悬吊｡向锚杆施加水平预应力,改变巷道应力状态,提高巷道峰值强度｡通过锚索悬吊锚杆,能够实现对岩体的加固｡锚索将锚杆组合拱悬吊在巷道深部,并对关键部位进行加强支护,从而有效抑制巷道形变[8]｡在巷道深度位置,锚索拉长,支护强度也随之增加｡根据深部高应力破碎巷道变形破坏机理,判断该巷道的破坏区域在顶板与底板位置｡选用高强度､耐腐蚀的预应力锚索,直径为φ20mm,锚索长度能够深入稳定岩层,悬吊效果较佳｡锚索对围岩的加固作用如图2所示｡

图2锚索对围岩的加固作用示意图

由图2可知,将多个锚杆组合布置形成组合拱,通过树脂锚固剂固定在围岩顶板､底板｡锚索在组合拱的上方,根据顶板走向､底板破坏情况对称布置,增强锚索的预紧力｡锚索能够将变形破坏区域的岩体悬吊到巷道顶板,加强顶板的强度,确保巷道稳定性｡在巷道交叉点､转角等区域进行特别加固,通过钢拱架､锚索梁提高局部支护加固效果[9]｡

(3)增设高应力破碎巷道工字钢支架

工字钢支架作为被动支护形式,与锚杆､锚索共同使用,能够利用支架对围巷道的反作用力,提高支护结构的稳定性｡工字钢支架紧固在锚索与锚杆上时,巷道围岩与工字钢支架接触产生反作用力,给巷道提供支护阻力,从而确保巷道的稳定性｡工字钢支架相关参数:

将破碎巷道表面松散层清理完成之后,工字钢支架与巷道顶板､底板紧密接触｡工字钢支架通过其强度将作用在巷道的应力分散到锚杆､锚索上,减少巷道局部应力,从而提高巷道的支护稳定性｡根据剪应力设计法向应力,并使用高强度螺栓固定工字钢支架,进一步满足锚杆､锚索､工字钢联合支护的稳定性需求｡

3、实例分析

(1)工程概况

为了验证本文设计的支护技术是否满足深度高应力破碎巷道支护需求,以X矿区为例,对上述技术进行了实例分析｡X矿区主要开采资源为煤炭,岩层埋深在550~650m,厚度为5.5~6.5m｡深部煤层较软弱,以松散､破碎的形式呈现,发育状态不稳定｡岩层直接顶为灰色泥岩,直接底为砂质泥岩｡老顶为深灰色砂岩,发育较佳｡X矿区深部高应力破碎巷道沿着直接底开采,断面为梯形,尺寸(上宽×下宽×高)为4.0m×4.8m×2.8m,能够满足本次分析需求｡巷道围岩分布情况如图3所示｡

图3围岩分布示意图

图3中,岩层I层､II层复合型顶板､III层底板､IV层直接顶的岩应力不同｡在开采的过程中,巷道表面出现变形｡巷道表面A1､A2点的变形位移为400mm,B1､B2点的变形位移为120mm,C点的变形位移为60mm,D点的变形位移为45mm｡对巷道进行支护,并分析巷道围岩力学性能参数,如表1所示｡

表1巷道围岩力学性能参数表

由表1可知,不同岩层的弹性模量､泊松比､黏结力､内摩擦角均不同｡原岩应力从2.0MPa缩小到1.5MPa时,煤岩黏结力与内摩擦角从1.0MPa､25°减小到0.5MPa､20°,变形较为明显｡由此可见,巷道变形与埋深有关,深部巷道应力较小,通过支护加固围岩确保巷道开采稳定性｡

(2)应用结果

在上述条件下,本文随机选取出高地应力作用､围岩破碎､流变与蠕变､非线性大变形机制､层间剪切滑移变形､扩容机制､顶板下沉与片帮､底鼓现象､冲击地压､应力扰动等变形破坏类别,分别分析了法向应力､剪应力､抗剪强度､支护前后变形情况,应用结果如表2所示｡

表2应用结果

由表2可知,一般情况下,|抗剪强度|>|剪应力|>|法向应力|,法向应力处于负值,证明其与剪应力作用相反,能够抵抗巷道变形产生的剪应力,确保支护效果｡由表2可知,使用本文设计的深部高应力破碎巷道支护技术之后,能够满足|抗剪强度|>|剪应力|>|法向应力|的需求,支护结构能够有效地抵抗巷道破坏变形剪力,确保巷道的稳定性,同时采用支护后巷道变形减小｡

4、结语

近年来,煤炭资源不断开采,表层煤炭资源逐渐减少,开采深度日益加深｡随着开采深度的增加,岩体所处地质力学环境逐渐变化,深部巷道稳定性较弱,经常出现开采塌陷的问题,影响开采安全性｡因此,本文对深部高应力破碎巷道变形破坏机理及支护技术进行了研究,深入分析了巷道的破坏机理,并以锚杆+锚索+工字钢支架的支护形式,完成巷道支护任务｡通过合理的支护技术,改善了巷道围岩的受力状态,有效地控制了巷道的变形与破坏情况,为矿井的开采提供了安全保障｡

参考文献:

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基金资助:华电煤业集团有限公司科技项目(CHDKJ20-02-99);

文章来源:郭瑞,任川,董亚,等.深部高应力破碎巷道变形破坏机理及支护技术研究[J].煤矿机械,2025,46(04):46-49.