煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO F C H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5 N o ．3 M 盯．2 0 2 0 移动阅读 康红普，姜鹏飞，黄炳香，等．煤矿千米深井巷道围岩支护一改性一卸压协同控制技术[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 3 8 4 5 8 6 4 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．e n k i ．j C O S ．S J 2 0 ．0 2 0 4 K A N GH o n g p u ，J I A N GP e n g f e i ，H U A N GB i n g x i a n g ，e ta 1 ．R o a d w a ys 吣c o n t r o lt e c h n o l o g yb ym e a n so f b o h i n g - m o d i - f i c a t i o n - d e s t r e s s i n gi ns y n e r g yi n10 0 0md e e pc o a lm i n e s [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 3 8 4 5 8 6 4 ． d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．S J 2 0 ．0 2 0 4 煤矿千米深井巷道围岩支护一改性一卸压 协同控制技术 康红普1 , 2 , 3 ，姜鹏飞1 , 2 , 3 ，黄炳香4 ，管学茂5 ，工J 士心 姐I g - 69 吴拥政1 ’2 ⋯，高富强1 ’2 ⋯， 杨建威1 , 2 , 3 ，程利兴1 , 2 , 3 ，郑仰发1 , 2 , 3 ，李建忠1 ’2 ’3 1 ．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．煤炭资源高效开采与洁净利 用国家重点实验室，北京1 0 0 0 1 3 ；4 ．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；5 ．河南理工大学材料科学与工 程学院，河南焦作4 5 4 0 0 3 ；6 ．中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南2 3 2 1 7 0 摘要专- I - 对煤矿千米深井、软岩、强采动巷道围岩大变形难题，以淮南新集口孜东矿3 5 0m 超长工 作面运输巷为工程背景，分析了巷道围岩大变形、支护构件失效原因；采用理论分析、实验室试验和 井下试验方法，从围岩物性劣化、偏应力诱导围岩扩容、软岩结构性流变及超长工作面采动影响等 方面，揭示了高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理。以此为基础提 出千米深井、软岩、强采动巷道支护一改性一卸压协同控制理念，采用数值模拟对比研究了无支护、 锚杆支护、锚杆支护一注浆改性、锚杆支护一注浆改性一水力压裂卸压4 种方案巷道围岩应力、变形 及破坏规律，阐述了巷道支护一改性一卸压协同控制原理。研发出C R M G 7 0 0 超高强度、高冲击韧性 锚杆支护材料，研究揭示了锚杆受拉、剪、扭、弯及冲击复合载荷作用的力学响应特征；开发出微纳 米无机有机复合改性材料及配套高压劈裂注浆技术；研发出分段压裂水力压裂卸压技术与设备，形 成了巷道支护一改性一卸压协同控制技术。基于上述研究成果，提出口孜东矿示范巷道支护一改性一 卸压布置方案与参数，并进行了井下试验与矿压监测。监测结果表明，巷道围岩协同控制技术应用 后，巷道变形量降低5 0 ％以上，锚杆、锚索破断率降低9 0 ％，工作面采动应力明显减小，有效控制了 千米深井、软岩、强采动巷道大变形。最后，对下一步的研究工作进行了展望。 关键词煤矿巷道；千米深井；强采动；围岩协同控制；锚杆支护；注浆改性；水力压裂卸压 中图分类号T D 3 5 2 ．5文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 3 - 0 8 4 5 - 2 0 R o a d w a ys t r a t ac o n t r o lt e c h n o l o g yb ym e a n so fb o l t i n g m o d i f i c a t i o n - d e s t r e s s i n gi ns y n e r g yi n10 0 0md e e pc o a lm i n e s K A N GH o n g p u l 2 ”，J I A N GP e n g f e i l 2 ”，H U A N GB i n g x i a n 9 4 ，G U A NX u e m a 0 5 ，W A N GZ h i g e n 6 ，W UY o n g z h e n 9 1 ，2 ”， G A OF u q i a n 9 1 ’2 ，，Y A N GJ i a n w e i l ，2 ⋯，C H E N GL i x i n 9 1 2 ”，Z H E N GY a n g f a l ’2 ”，L IJ i a n z h o n 9 1 2 ’3 1 ．C o a l M i n i n ga n d D e s i g n i n g D e p a r t m e n t ，T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o ．，L t d ．，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ．C o a l M i n i n g a n d D e s i g n i n g B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，8 e q ／n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；3 ．S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l M i n i n g a n d C l e a n U t i l i z a t i o n ，a e 驴n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；4 ．S t a t e K e y L a b o r a - t o r y o f C o a l R e s o u r c e sa n d | s 咖M i n i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n dT e c h n o l o g y ，X t t z h o u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；5 ．S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ， l t e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o z u o4 5 4 0 0 3 ，C h i n a ；6 ．X i n j iE n e r g yC o ．，L t d ．，C h i n aN a t i o n a lC o a lG r o u pC o r p ．，H u a i n a n2 3 2 1 7 0 , C h i n a 收稿日期2 0 2 0 - 0 1 - 1 5修回日期2 0 2 0 - 0 3 - 0 1责任编辑郭晓炜 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 0 作者简介康红普 1 9 6 5 一 ，男，山西五台人，中国工程院院士。E m a i l k a n g h p 1 6 3 ．t o m 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 A b s t r a c t I no r d e rt oo v e r c o m et h ed i f f i c u l tp r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht h er o a d w a yl a r g ed e f o r m a t i o ni nt h ec o a lm i n e s w i t h10 0 0mb u r i e dd e p t h ，s o f tr o c ka n di n t e n s em i n i n gi n d u c e da f f e c t ，t h ec a u s e so fl a r g er o c kd e f o r m a t i o na n db o l t i n gc o m p o n e n td a m a g ew e r ea n a l y z e do nt h eb a s i so fam a i n g a t ei naw o r k i n g f a c ew i t he x t r a l o n gw i d t hl o c a t e di nt h e K o u z i d o n gc o a lm i n e ，t h eX i n j im i n i n ga r e a ，C h i n a ．T h er o c kl a r g ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mu n d e rt h es u p e r p o s i t i o na c - t i o no fh i g hi n - - s i t us t r e s s e sa n di n t e n s em i n i n gi n d u c e ds t r e s s e sa r o u n dt h ef a c ew i t he x t r a - l o n gw i d t hw a sr e v e a l e d f r o mf o l l o w i n ga s p e c t s r o c k p r o p e r t yd e g r a d a t i o n ，r o c kd i l a t a n c yc a u s e db yd e v i a t o r i cs t r e s s e s ，s t r u c t u r a lr h e o l o g yo f s o f tr o c k ，a n dm i n i n gi n d u c e da f f e c t ，b ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s e s ，l a b o r a t o r yt e s t sa n du n d e r g r o u n de x p e r i m e n t s ． T h es y n e r g ys t r a t ac o n t r o li d e aw i t hb o l t i n g - m o d i f i c a t i o n - - d e s t r e s s i n gw a sp u tf o r w a r df o rt h er o a d w a y sw i t h10 0 0m b u r i e dd e p t h ，s o f tr o c ka n di n t e n s em i n i n gi n d u c e da f f e c t ．T h er o c ks t r e s s e s ，d e f o r m a t i o na n dd a m a g ef e a t u r e sa r o u n d r o a d w a y su n s u p p o r t e d ，a n dc o n t r o l l e db yr o c kb o l t i n g ，b o l t i n g g r o u t i n gm o d i f i c a t i o n ，a n db o l t i n g g r o u t i n gm o d i f i c a t i o n h y d r a u l i cf r a c t u r ed e s t r e s s i n g ，w e r es t u d i e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h es y n e r g ys t r a t ac o n t r o lp r i n c i p l ei se x p o u n d e d ．T h eC R M G 7 0 0r o c kb o l tr e b a rw i t he x t r a h i g hs t r e n g t ha n dh i g hi m p a c tt o u g h n e s sw a sd e v e l o p e d ，a n dt h e m e c h a n i c a lr e s p o n s ef e a t u r e so ft h eb o l tu n d e rt e n s i o n ，s h e a r ，t o r s i o n ，b e n d i n g ，i m p a c tl o a da n dv a r i o u sc o m b i n a t i o n w e r er e v e a l e d ．T h em i c r o - n a n oi n o r g a n i ca n do r g a n i cg r o u t i n gc o m p o s i t em a t e r i a l sa n dh i g hp r e s s u r es p l i tg r o u t i n g t e c h n i q u ew e r ed e v e l o p e d ．T h eh y d r a u l i cf r a c t u r ed e s t r e s s i n gt e c h n i q u ea n df a c i l i t i e sw e r ed e v e l o p e d ，w h i c hf o r mt h e r o a d w a ys y n e r g yc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t hb o l t i n g m o d i f i c a t i o n - d e s t r e s s i n g ．B a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e da c h i e v e m e n t s ， t h er o c kc o n t r o lp a t t e r na n dp a r a m e t e r sw e r ep u tf o r w a r dw i t hb o l t i n g - m o d i f i c a t i o n - d e s t r e s s i n gf o rt h ee x p e r i m e n t a le n t r yi nt h eK o u z i d o n gc o a lm i n e ，a n dt h ef i e l de x p e r i m e n ta n dm o n i t o r i n gw e r ec o n d u c t e d ．T h em o n i t o r i n gd a t ad e m o n s t r a t e dt h a tt h ee n t r yd e f o r m a t i o nw a sd e c r e a s e db ym o r et h a n5 0 ％，t h eb r o k e np e r c e n t a g eo fb o l t sa n dc a b l e sw a sr e - d u c e db y9 0 ％，a n dt h em i n i n gi n d u c e ds t r e s sw a so b v i o u s l ym i t i g a t e da f t e rt h er o c ks y n e r g yc o n t r o lt e c h n o l o g yw a s a p p l i e d ，w h i c he f f e c t i v e l yc o n t a i n e dt h el a r g ed e f o r m a t i o no fr o a d w a yw i t h10 0 0mb u r i e dd e p t h ，s o f tr o c ka n di n t e n s e m i n i n gi n d u c e da f f e c t ． K e yw o r d s c o a lm i n er o a d w a y ；m i n e10 0 0md e e p ；i n t e n s em i n i n gi n d u c e da f f e c t ；s t r a t ac o n t r o li ns y n e r g y ；r o c kb o l r i n g ；g r o u t i n gm o d i f i c a t i o n ；h y d r a u l i cf r a c t u r ed e s t r e s s i n g 国家重点研发计划项目“煤矿千米深井围岩控 制及智能开采技术”针对煤矿千米深井围岩控制及 智能开采面临的技术难题，综合考虑巷道和采煤工作 面相互影响，以合理加大工作面长度，实现生产集约 化，降低掘进率、提高煤炭采出率为思路，以“应力 场一围岩变形一围岩控制一开采与围岩控制的智能 化一井下试验”为主线，研究4 个关键科学问题高 地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围 岩大变形机理；高应力、强采动巷道围岩支护一改性一 卸压“三位一体”协同控制原理；千米深井超长工作 面应力与覆岩结构演化机理；超长工作面多信息融合 的智能开采模式，研发形成千米深井巷道围岩支护一 改性一卸压“三位一体”协同控制及基于千米深井超 长工作面矿压规律的智能开采技术体系。 项目立项后，项目组成员开展了集中攻关研究， 并提出“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构 想”J 。针对千米深井巷道围岩高应力、强采动的特 点，提出高预应力、高强度、高冲击韧性锚杆主动支 护，高压劈裂注浆主动改性及水力压裂主动卸压的 “三位一体”、“三主动”协同控制方案；针对千米深井 超长工作面开采过程中覆岩分区破断、矿压动态迁移 的特点，以液压支架为核心，提出超长工作面多信息 融合的液压支架自适应群组协同控制，并集成采煤机 等其他工作面设备的方案，最终形成千米深井超长工 作面智能开采成套技术体系。 目前，项目研发时间已经过半，取得一些阶段 性研究成果。本文主要介绍在千米深井巷道围岩 控制方面的研究进展，包括示范巷道地质与生产条 件，高应力、强采动巷道围岩地质力学特性与大变 形机理；巷道围岩支护一改性一卸压“三位一体”协 同控制原理；超高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆 支护材料力学性能与应力状态，高压劈裂注浆改性 材料与技术，水力压裂卸压技术，及井下试验与围 岩控制效果。 1 千米深井示范巷道地质条件及支护现状 1 ．1 示范巷道地质与生产条件 项目示范工程为淮南新集口孜东矿1 2 1 3 0 2 工作 面，试验巷道为工作面运输巷。1 2 1 3 0 2 工作面主采 1 3 - 1 煤层，平均厚度4 ．9m ，采用倾斜长壁一次采全 万方数据 第3 期康红普等煤矿千米深井巷道围岩支护一改性一卸压协同控制技术 高综采，埋深l0 0 0m ，工作面长度3 5 0I l l ，巷道布置 如图l 所示。煤层上方基岩薄，上覆5 9 1 ．6n l 厚松散 层，顶底板多为泥岩、砂质泥岩，黏土矿物含量高，遇 空气和水后极易风化、软化。1 2 1 3 0 2 运输巷总长 度11 2 0I l l ，距东邻1 2 1 3 0 1 采空区净煤柱宽度1 5I l l 。 1 2 1 3 0 1 工作面于2 0 1 6 年8 月回采结束，采空区稳定 1 a 后试验巷道开始掘进。巷道终点与1 11 3 0 4 采空 区距离为8 8m 。 图1 1 5 孜东矿1 2 1 3 0 2 工作而及试验巷道平面布氍 F i g ．1 I J a ．v o u to fW n l l k i n gf a ～1213 0 2a n dr o a r ] w a v ．si nt h e K o u z i d o n gC o a lM i l l e 1 ．2 巷道原支护方案与状况 1 2 l3 0 2 运输巷原没计断面为直墙半圆拱形，巷 道宽度58 0 0m i l l ，高度41 0 0I l l i l l ，沿煤层顶板剥岩掘 进，留底煤2 ～31 I I 。巷道原支护采用锚网索支护 喷 浆 滞后注浆联合控制方案，支护设计如图2 所示。 锚杆采用H R B 5 0 0 左旋无纵筋螺纹钢，直径2 21 1 1 1 1 1 ， 长25 0 01 1 1 I l l ，间排距8 0 01 1 1 I l l ，预紧扭矩2 6 0N I l l ，配 合钢筋托梁护表。锚索为1X1 9 结构钢绞线，直径 2 1 ．8m i l l ，顶锚索长度92 0 01 1 1 1 1 1 ，帮锚索长 度62 0 0i l l n l ，顶帮锚索张拉力1 6 0k N ，锚索问排 距l2 0 0I l l m X l4 0 0m i l l ，采用平托板 M 型钢带护 表。巷道煤柱侧帮注水泥浆，注浆孔深度4 ～6I l l ，其 表面喷射混凝土。 采用卜．述支护后，巷道仍然出现剧烈变形，尤其 是回采期问，主要表现为巷帮和底板大变形，累计底 臌6m 以上，两帮收缩4I l l 以上巷道支护结构失效 及围岩大变形情况如图3 所示，煤柱帮浆皮大范围破 裂，大量巷道肩角锚杆、锚索破断，钢带撕裂、托板压 翻等支护构件失效，巷道掘进与l 作面同采全过程巷 道累计起底近1 0 次，刷帮深度3n ，以上，巷道呈现 “前掘后修”、“边采边修”的状态。 1 ．3 巷道支护存在的问题 对口孜东矿干米深井软岩巷道出现的大变形和结 图2 原巷道锚杆锚索支护布置 F i g ．2L a ．w u lo fr o ‘kb o h sa l i l I ‘a b l e sM ’o r i g i l 】a ll o a d l 、’∞ a 煤柱侧帮浆皮大范围破裂 b 强烈底臌 d 木柱加强顶板支护 罔31 5 i 巷道支护结构失效及围岩大变形情况 F i g ．3 S t a t eo lb r o k e nr 1 1 0 kb o h i n gC O l l l p O l l e l l l s ￡l l l Js e v e l ’e h ． d e M ’l l l e { 1o r i g in a ll ’o a 1 w d 、 构失稳进行分析，发现巷道支护存在以下主要问题 1 对千米深井软岩巷道围岩大变形机理认识 不清。对巷道围岩在高应力、强采动作用下发生持续 流变，围岩物性劣化及深部节理围岩强度衰减等规律 认识不清。 2 对千米深井软岩巷道围岩与支护相互作用 机理认识不清，没有提出适合高应力、强采动巷道围 岩控制的有效方案，仍然采用传统的锚杆、锚索及注 浆维护巷道。 3 巷道断面形状的影响。巷道采用拱形断面， 留底煤破顶掘进，导致肩窝位置煤岩交界面处出现 “三角煤”，该位置煤体在挤压作用下发生强烈的扩 容变形，导致肩窝处锚杆、锚索破断较为严重。 4 煤体锚固力低，滞后注浆加固效果有限。在 巷道原支护段，采用l ～2 支M S K 2 3 5 0 锚固剂进行_ 『 锚杆拉拔力测试，测试结果见表l 。顶板岩层中锚杆 锚固力2 1 6k N ；实体煤帮锚杆锚固力8 6 ．4k N ，煤柱 侧帮仪为2 0k N 。说明1 2 1 3 0 2 运输巷煤帮，特别是 煤柱侧帮受1 2 1 3 0 1 工作面采动影响严重，煤体已产 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 生大量裂隙，锚杆、锚索锚固力大幅降低。虽然后期 进行了水泥注浆，但煤体中锚杆、锚索“生根”困难， 严重影响巷帮煤体支护效果。 表l1 2 1 3 0 2 运输巷围岩锚固力测试结果 T a b l elT e s tr e s u l t so fb o l ta n c h o r a g ef o r c ei nr o c k s u r r o u n d i n gt h em a i n g a t e1 2 1 3 0 2 5 锚杆、锚索预紧力偏低。锚杆设计预紧扭矩 2 6 0N m ，锚索张拉力1 6 0k N ，二者都偏低，忽视了 锚杆支护的核心参数一高预紧力对围岩的主动控制 作用。 6 锚杆、锚索支护构件不匹配。锚杆、锚索未 安装调心球垫，使受力状态恶化，造成同岩变形过程 锚杆杆体、锚索索体受弯而发生破断。锚杆托板拱高 不合要求，承载力较低，锚杆未发生破断，托板已产生 较大变形或翻转；锚索采用平托板，较低承载力即产 生外翻。M 型钢带护表面积小，与锚索托板不匹配， 降低了主动支护作用。锚杆螺纹段长度1 0 0m m ，局 部软弱煤帮片落条件下施加的预紧扭矩在尚未达到 设计要求时杆尾螺纹段长度就已用尽，出现扭矩达标 而锚杆预紧力不足的现象。杆尾外露较长时采用托 板后面垫木板，大幅降低主动支护效果。 2 千米深井巷道围岩大变形机理 2 ．1 巷道围岩物理力学特性 围岩物理力学特性是影响巷道变形的根本因素， 为此，对示范巷道围岩矿物成分、岩石力学参数及在 不同加卸载路径下的力学行为进行T N 试与分析。 口孜东矿1 3 一l 煤层顶底板岩性分布如图4 所 示。顶板以泥岩为主，上部3 7 ．1m 范围主要为泥岩 或砂质泥岩，3 7 ．1 ～4 5 ．3n l 范围存在一层8 ．2n l 厚 的细砂岩。底板也以泥岩和砂质泥岩为主，各类泥岩 累计厚度2 7 ．1m 。煤及顶板岩石力学性质测试结果 见表2 。煤及泥岩的矿物成分测试结果见表3 ，其中， 煤块、含矸煤块矿物含量指煤质除外的矿物含量。可 见，煤、顶底板泥岩中黏土矿物含量占矿物总含量的 6 0 ％芹右。 图41 3 1 煤层顶底板崭层分布 F i g ．4 R o o fa n df l o o rr o c kl a y e r sa r o u n dc o a ls e a mN o ．13 1 表2 煤岩力学性质测试结果 T a b l e2T e s tr e s u l t so fc o a la n dr o c km e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 表3 煤岩矿物成分测试结果 T a b l e3T e s tr e s u l t so fc o a la n dr o c km i n e r a lc o m p o s i t i o n s 采用水压致裂法在1 3 1 煤顶板岩层中进行了 地应力测量，最大水平主应力为2 1 ．8 4M P a ，最小水 平主应力11 ．4 2M P a ，垂直应力2 5 ．1 2M P a 。煤层单 轴抗压强度 1 0 ．0 8M P a 与3 个主应力的比值分别 为0 ．4 6 ，0 ．8 8 ，0 ．4 0 ；泥岩单轴抗压强度 3 7 ．7 0M P a 与3 个主应力的比值分别为1 ．7 3 ，3 ．3 0 ，1 ．5 0 。可 见，最小主应力已超过煤层抗压强度，最大主应力达 到泥岩抗压强度的2 ／3 ，强度与应力比值较小，导致 巷道开挖后周边围岩很快进入破坏状态。与此形成 明显对比的是顶板上部细砂岩抗压强度较高 9 1 ．0 3M P a ，与3 个主应力的比值分别为4 ．1 7 ， 万方数据 第3 期康红普等煤矿千米深井巷道围岩支护一改性一卸压协同控制技术 8 4 9 7 ．9 7 ，3 ．6 2 ，且厚度超过8m ，工作面采过后极易引起 顶板不能及时垮落，从而改变工作面上覆岩层运动和 结构特征，影响采动应力分布范围与量值，进而影响 回采巷道围岩的变形与破坏。 应力路径对煤岩变形与破坏有显著影响。巷道 从开挖到受到工作面采动影响的过程中围岩出现不 同方向的加卸荷效应，主要表现为侧向卸荷、切向加 载。’。J 。从原岩至巷帮／2 1 作面，煤岩体应力从原岩 应力状态依次经历三轴加载、三轴加卸载、双轴加载 等变化，如图5 所示，其中，K 为应力集中系数；y 为 煤岩体容重，N ／m 3 ；日为埋深，m ；o - l ，o - ，盯，分别为最 大主应力、中问主应力、最小主应力，M P a ；盯，为切向 应力，M P a ；盯，为径向应力，M P a 。为此，采用本项目 研制的真三轴加载实验系统 图6 ，开展了不同应力 路径下立方体岩石试样的双轴和真三轴力学试验，研 究了巷道掘进和工作面回采过程中偏应力和应力梯 度下巷道围岩变形破坏规律。结果表明，从原岩至巷 帮，岩样破坏模式由楔形剪切滑移向层状张拉破裂过 渡，岩体破碎度渐增。剪切楔体向自由面的滑移引起 围岩应力峰值向深部迁移，同时伴随岩石碎胀扩容。 偏应力诱导岩石损伤裂隙主要产生在屈服阶段之后， 高地应力下岩石损伤和流变范围更广，岩石流变速度 更快，流变的大范围累积在巷道表面表现为大变形和 强流变。 脒岩，、征 托进影采动影沿审巷 ／。l | 介殴【向阶段川0 阶段道阶段 盯 ． 奇 O - ／． ’d ． ∥{ 一。i T I ● ● ’ 。 ● - ’ 。O - t 卜j ／ d ＼ ． 卜l i 一。蟛‘。 ‘‘＼． t 。＼． ‘项板暑、一T ．一一一『- 二j ‘一≤ 』∑一 。“ ”。 ‘ ’塑 ．‘。．‘7 ■弋＼ - ． ‘．。。．‘。j ‘ ’{ N ．．● 。 -1 _ 煤层 乡／ j ‘～‘j 4 ．⋯‘。a ‘‘一’． ．。． 。- ．．‘ 专0．．二卜；_。‘jji 二’．_ ‘‘l 卜．r ’一{ 下1 i ．“_ 匠_ 】、叫秀n ，．二一f ．二． 图5巷道掘进与回采加卸载应力路径模型 图6 真三轴岩石力学试验系统 万方数据 8 5 0 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 巷道掘进后在偏应力和应力梯度作用下围岩长 期承载产生持续变形，为此基于声发射和数字图像量 测技术开展了砂质泥岩室内微细观蠕变试验。结果 表明砂质泥岩蠕变过程中声发射曲线与蠕变曲线具 有相同的变化趋势，可分为减速、等速、加速3 个阶 段。恒定荷载的时效作用是使砂质泥岩的微细观损 伤趋于均匀并扩散 图7 ，8 。蠕变作用下砂质泥岩 表面细观变形场在蠕变速率降至0 时将呈现均匀对 称的等值线分层，而处于非稳定蠕变状态时则无法呈 现，这揭示出砂质泥岩蠕变因细观变形场不均匀、不 对称而产生滑移破坏的变形机理。8J 。当围岩滑移破 坏超出锚杆、锚索锚固范围，则出现锚固力降低，巷道 锚固体发生结构性流变变形。 O ．3 2 0 ．2 8 2O ．2 4 餐o ．2 0 告0 ．1 6 0 ．1 2 0 ．0 8 制f 刊世义 3 3 ．帖M P a ．声发剩振铃计数率 3 0 ．0 0M P 圳 声发射事件累积咕錾厂f 。一2 6 ‘2 5m 8 ／ ．- ，一2 2 ．5 0 M P a f ．．----“．√iP8a．7150 0M 5m 8 ／／ Pa厂一一 _ 瓣 鼎 b 整 】1 芝 蕻 鲻 粗 图7 砂质泥岩试样声发射时程曲线 F i g ．7 T i m eh i s t o r yC H r v e so fa c o u s t i ce M s s i o no fs a n d y m u d s | o n es a m p l e 1 。0 ； l5 0 商2 5 0 菘 色 鼎 七 聚 晰 世 怖 意 辎 姐 a 减速蠕变末期 b 等速蠕变中期 c 加速蠕变前期 图8声发射事件定位结果 F i g ．8L o c a t i n gr e s u l t so fa c o u s t i ce m i s s i o ne v e n t s 采用钻孔窥视仪对巷道顶板岩层结构进行了观 测，如图9 所示。顶板中存在着各种层理与环向裂 隙、斜交裂隙、复合裂隙、离层和破碎。在深部高应力 条件下，巷道围岩破坏范围很大，极易超过锚杆支护 控制范围。随着时问延长，不仅锚杆锚固力会不断降 低，而且锚固体会出现结构性滑移，锚杆形成的承载 结构发生整体挤出。 2 ．2 千米深井软岩巷道围岩大变形机理 基于上述测试与研究成果，分析得出口孜东矿千 米深井软岩巷道围岩大变形的主要原因和表现形式 为 1 地应力高，煤层、泥岩强度较低，强度应力比 a 碱砰 b 环向裂隙 C 纵同裂隙 d 案I 父裂隙 e 复合裂隙 图9 顶板岩层裂隙类型及分布 F i g ．9 F r a c t u r ep a t t e r na n dd i s t r i b u t i o i li l lr o o t ll a y e l ‘S 值较小，导致巷道开挖后极易发生破坏并向围岩深部 发展。高地应力及软岩是巷道大变形的最根本因素。 2 围岩劣化。表现为两方面一是巷道开挖引 起围岩温度、湿度变化，风、水等对围岩的物理甚至化 学弱化；二是围岩在开挖引起的应力变化作用下，在 向巷道内移动过程中，产生塑性变形、裂纹、扩容及破 坏，导致强度衰减，围岩不断劣化。这两个过程常常 是相互作用，进一步加剧了围岩劣化。 3 围岩大变形的方式主要有两种一是偏应力 作用下的围岩扩容变形。9 。。巷道开挖形成不同方向 的加卸荷效应，造成围岩偏应力和应力梯度增高。当 偏应力达到一定值，围岩体积开始增加，特别是峰值 强度后，围岩扩容显著增加，表现为围岩碎胀，破坏岩 体沿破裂面滑移、离层、旋转等形式；二是锚固体结构 性、整体挤出变形。由于深部软岩巷道围岩破坏深度 超出锚杆支护作用范围，围岩深部位移也比较大，锚 固体，特别是巷帮煤层中的锚固体会被整体挤出，这 种现象在煤岩交界面尤为严重。 4 3 5 01 1 1 超长工作面开采引起强烈采动影响， 导致采动影响范围和量值增加；同时，煤层上方 8 ．21 I I 细砂岩顶板坚硬不易垮落、造成悬顶，破断时 释放大量能量，引发更加强烈的动载荷。这种强采动 应力作用在回采巷道上，导致围岩变形与破坏更加剧 烈。 5 围岩流变效应突出。无论是在巷道掘进阶 段、掘进影响稳定阶段，还是工作面采