深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论.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 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 移动阅读 黄炳香，张农，靖洪文，等．深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 3 9 1 1 9 2 6 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C ．S J l 9 ．1 4 5 1 H U A N GB i n g x i a n g ，Z H A N GN o n g ，J I N GH o n g w e n ，e ta 1 ．L a r g ed e f o r m a t i o nt h e o r yo fr h e o l o g ya n ds t r u c t u r a li n s t a b i l i t y o f t h es u r r o u n d i n gr o c ki nd e e pm i n i n gr o a d w a y [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 3 9 1 1 9 2 6 ．d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．S J l 9 ．1 4 5 1 深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论 黄炳香1 ，张1 , 2 靖洪文3 ，阚甲广1 ，孟波3 ，李楠1 ，谢文兵1 ，焦金宝4 1 ．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 ；2 ．江苏师范大学，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；3 ．中国矿业大学深部岩土 力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州2 2 111 6 ；4 ．中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南2 3 2 1 7 0 摘要与浅部相比，深部巷道特别是千米深井采动巷道，地应力高、采动影响强烈，导致巷道围岩 变形大、持续时间长、破坏严重，目前的理论不能科学解释深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏 机理。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。 为此，采用现场调研与试验、实验室实验、数值模拟和理论分析等方法，从应力强度比出发，并考虑 偏应力和梯度应力，提出了采动系数的概念；从力学本质和工程应用的角度明确了巷道强采动和大 变形的概念，探讨了其科学内涵，并初步提出确定了强采动和大变形的量化的评价方法；在此基础 上，基于深井强采动巷道围岩所处应力环境及其大变形特征，初步提出了深部采动巷道围岩流变和 结构失稳大变形理论框架。其核心思想是巷道围岩结构运动、围岩劣化、梯度应力和偏应力诱导围 岩裂隙扩展、软岩流变与结构性流变大变形、破裂岩体长时扩容；基本问题包括深井采动巷道围岩 应力路径、考虑应力路径的偏应力和梯度应力对巷道围岩的作用机理、巷道围岩锚固承载结构流变 大变形、巷道围岩结构失稳大变形等。偏应力和梯度应力导致巷道浅部围岩张拉劈裂扩容和承载 区围岩剪切滑动，且承载区围岩剪切滑动对浅部张拉劈裂围岩产生向巷道内的推力，扩容与推力导 致浅部锚固体出现结构体滑移流变和整体性的挤入。由传统的软岩流变上升至软岩流变与锚固体 结构性流变大变形。巷道围岩结构失稳大变形包括上覆岩层大结构失稳导致的整体移动大变形和 松动圈内破裂岩体运动失稳大变形。提出的深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论从深部 环境、深部岩体及强烈施工扰动相互作用出发，揭示深部巷道围岩应力场时空演变规律和大变形与 破坏机理。 关键词深部开采；采动巷道；强采动；大变形；流变；结构失稳 中图分类号T D 3 5 3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 9 1 1 - 1 6 L a r g ed e f o r m a t i o nt h e o r yo fr h e o l o g ya n ds t r u c t u r a li n s t a b i l i t yo ft h e S U r r o u n d l n gr o c gi na e e pm l m n gr o a a w a y H U A N G B i n g x i a n 9 1 ，Z H A N GN o n 9 1 ”，J I N GH o n g w e n 3 ，K A NJ i a g u a n 9 1 ，M E N GB 0 3 ， L IN a n l ，X I EW e n b i n 9 1 ，J I A OJ i n b a 0 4 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f C o a lR e s o u r c e sa n dS a f eM i n i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；2 ．J i a n g s uN o r m a lU n i v e r - s i t y ，X u z h o u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；3 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r y f o rG e o m e c h a n i c sa n dD e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；4 ．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 A b s t r a c t C o m p a r e dw i t ht h es h a l l o wr o a d w a y ，t h ed e e pr o a d w a y ，e s p e c i a l l yt h em i n i n gr o a d w a yi n k i l o m e t e rd e e p 收稿日期2 0 1 9 - 1 0 2 5修回日期2 0 1 9 - 1 卜2 9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 1 作者简介黄炳香 1 9 7 8 一 ，男，湖北通城人，教授，博士生导师，博士。E m a i l h u a n g b i n g x i a n g c u r e t ．e d u ．c a 通讯作者张农 1 9 6 8 一 ，男，安徽金寨人，教授，博士生导师，博士。E - m a i l z h a n g n o n g 1 2 6 ．c o m 万方数据 9 1 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 m i n e s ，h a sh i g hi n s i t us t r e s sa n ds t r o n gm i n i n gi n f l u e n c e ，w h i c hl e a d st ot h el a r g ed e f o r m a t i o n ，l o n gd u r a t i o na n ds e r i - O U 8d a m a g eo ft h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h er o a d w a y ．T h ec u r r e n tt h e o r yc a n n o ts c i e n t i f i c a l l ye x p l a i nt h ed e t e r i o r a t i o n ， l a r g ed e f o r m a t i o na n dd a m a g em e c h a n i s mo ft h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h ed e e pm i n i n gr o a d w a y ．T h et h e o r yo fl a r g ed e - f o r m a t i o na n df a i l u r eo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ku n d e rt h ec o n d i t i o no fd e e pm i n i n gh a sb e c o m eo n eo ft h em a j o ri s s u e sf a c i n gt h ed e e pc o a lm i n i n g ．T h e r e f o r e ，t h ec o n c e p to fm i n i n gc o e f f i c i e n ti sp u tf o r w a r db a s e do nt h es t r e s si n t e n s i - t yr a t i o ，p a r t i a ls t r e s sa n dg r a d i e n ts t r e s s ，f i e l di n v e s t i g a t i o na n de x p e r i m e n t ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ．F r o mt h ep o i n to fv i e wo fm e c h a n i c a le s s e n c ea n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h ec o n c e p to f s t r o n gm i n i n ga n dl a r g ed e f o r m a t i o no fr o a d w a yi sd e f i n e d ，i t ss c i e n t i f i cc o n n o t a t i o ni sd i s c u s s e d ，a n dt h eq u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o nm e t h o do fs t r o n gm i n i n ga n dl a r g ed e f o r m a t i o ni sp r e l i m i n a r i l yp u tf o r w a r d ．O nt h i sb a s i s ，b a s e do nt h e s t r e s se n v i r o n m e n ta n dl a r g ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u r r o u n d i ．n gr o c ko ft h ed e e pm i n i n gr o a d w a y ，t h et h e o - r e t i c a lf r a m e w o r ko ft h er h e o l o g ya n ds t r u c t u r a li n s t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h ed e e pm i n i n gr o a d w a yi sp r o - p o s e d ．I t sc o r ei d e ai st h es t r u c t u r a lm o v e m e n to ft h es u r r o u n d i n gr o c k ，t h ed e t e r i o r a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c k ，t h e c r a c ke x p a n s i o ni n d u c e db yt h eg r a d i e n ts t r e s sa n dd e v i a t o r i cs t r e s s ，t h el a r g ed e f o r m a t i o nc a u s e db yt h er h e o l o g ya n d s t r u c t u r a lr h e o l o g yo ft h es o f tr o c k ，a n dt h el o n g - t e r me x p a n s i o no ft h ef r a c t u r e dr o c km a s s ．T h eb a s i cp r o b l e m si n c l u d e t h es t r e s sp a t ho ft h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h ed e e pm i n i n gr o a d w a y ，t h ea c t i o nm e c h a n i s mo ft h ed e v i a t o r i cs t r e s sa n d t h eg r a d i e n ts t r e s sc o n s i d e r i n gt h es t r e s sp a t ho nt h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h er o a d w a y ，a n dt h ea n c h o r a g eb e a t i n gs t r u c - t u r ef l o wo ft h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h er o a d w a yl a r g ed e f o r m a t i o n ，i n s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ks t r u c t u r ea n ds oo n ． P a r t i a ls t r e s sa n dg r a d i e n ts t r e s sl e a dt ot h ee x p a n s i o na n ds h e a rs l i d i n go ft h es u r r o u n d i n gr o c ki nt h e b e a r i n ga r e a ， a n dt h es h e a rs l i d i n go ft h es u r r o u n d i n gr o c ki nt h eb e a r i n ga r e ap r o d u c e st h r u s tt ot h er o a d w a y ，a n dt h ee x p a n s i o na n d t h r u s tl e a dt ot h es t r u c t u r a ls l i p ，r h e o l o g ya n di n t e g r i t ye x t r u s i o no ft h es h a l l o wa n c h o r a g e ．T h et r a d i t i o n a lr h e o l o g yo f s o f tr o c ku p g r a d e st ot h er h e o l o g yo fs o f tr o c ka n dt h es t r u c t u r a lr h e o l o g i c a ld e f o r m a t i o no fa n c h o rs o l i d ．T h el a r g ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c ks t r u c t u r eo ft h er o a d w a yi n c l u d e st h el a r g ed e f o r m a t i o no ft h ew h o l em o v e m e n t c a u s e db yt h el a r g es t r u c t u r ei n s t a b i l i t yo ft h eo v e r l y i n gs t r a t aa n dt h el a r g ed e f o r m a t i o no ft h em o v e m e n to ft h ef r a c t u r e dr o c km a s si nt h el o o s e n i n gc i r c l e ．B a s e do nt h ei n t e r a c t i o no fd e e pe n v i r o n m e n t ，d e e pr o c km a s sa n ds t r o n gc o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c e ，t h et h e o r yo fr h e o l o g ya n ds t r u c t u r a li n s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ki nd e e pm i n i n gr o a d w a yi s p u tf o r w a r d ，w h i c hr e v e a l st h et e m p o r a la n ds p a t i a le v o l u t i o nl a wo fs t r e s sf i e l da n dt h em e c h a n i s mo fl a r g ed e f o r m a t i o n a n df a i l u r eo fs u r r o u n d i n gr o c ki nd e e pm i n i n gr o a d w a y ． K e yw o r d s d e e pm i n i n g ；m i n i n gr o a d w a y s ；s t r o n gm i n i n g ；l a r g ed e f o r m a t i o n ；f l u c t u a t i o n ；s t r u c t u r a li n s t a b i l i t y 煤炭长期以来是我国主要能源，随着浅部资源的 日益枯竭，深部开采将成为煤炭资源开发的常态J 。 我国埋深超过10 0 0m 的煤炭资源占比在5 0 ％以上， 主要分布在中东部地区，目前该地区的煤矿大部分已 进入深部开采阶段旧o 。深部煤岩体所处的“三高一 扰动”复杂力学环境导致深部开采面临诸多难题和 挑战，其中巷道围岩劣化、大变形和破坏机理一直是 困扰深部煤炭安全高效开采的难题。发展建立深部 开采巷道围岩大变形破坏的新理论和新方法是深部 地下工程围岩控制的理论基础，对指导千米深井巷道 围岩控制技术及工程实践具有重要意义。 在煤岩层中掘进巷道，必然会引起巷道围岩应力 重新分布和应力集中，进而使围岩产生变形破坏。弹 塑性理论是研究巷道围岩变形破坏最早和最经典的 方法之一。早在2 0 世纪5 0 年代以前，F E N N E R 和 K A S T N E R 基于莫尔库仑破坏准则，以理想的弹塑性 模型和岩石破坏后体积不变假说为基础，研究得到了 描述圆形巷道围岩弹塑性区应力和半径的K a s t n e r 公 式；此后国内外学者以弹塑性理论为基础，开展了大 量的研究和改进工作∞一0 | 。深部巷道围岩分区破裂 化现象于2 0 世纪7 0 年代在南非首次发现以来就备 受关注；特别是随着深部岩体工程的逐渐增多，国内 外学者在深部巷道围岩分区破裂化现象、破坏过程及 其形成机理等方面开展了大量的研究，取得了一系列 研究成果⋯‘1 引。2 0 世纪9 0 年代中期，人们认识到在 原岩应力和采动应力的综合作用下，巷道围岩会产生 松动破坏，这些松动破坏以及破坏过程中的岩石碎胀 力就是巷道围岩控制的重点和对象，并在此基础上提 出了巷道围岩松动圈支护理论旧0 。2 1J 。深部开采巷道 围岩变形由脆性转变为塑性，围岩流变性、扩容性不 断增加。一些学者采用流变理论研究深部巷道围岩 大变形破坏特征及机理，并取得了一些成果旧2 。27 I 。 万方数据 第3 期黄炳香等深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论 此外一些学者还尝试从能量的角度出发，研究巷道围 岩失稳破坏机理P 卜3 0 。。 进入深部开采以后，巷道围岩不仅承受高地应 力，回采巷道还要经受巷道掘进和回采引起的强烈 采动应力作用。深部受采动影响的巷道围岩应力 能达到数倍、甚至近十倍于原岩应力。3 1 1 。在高地应 力和强烈采动应力共同作用下，巷道围岩表现出强 烈的扩容性、持续变形、变形量大、破坏严重等复杂 的非稳定和非线性特征，还可能引发重特大灾 害1 3 引。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理 论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。 深部巷道围岩是由于高地应力和复杂采动应力共 同作用下产生的大变形破坏，传统理论主要考虑采 动影响引起的应力加载效应，而采掘扰动对围岩应 力路径和围岩稳定性的影响是一个复杂的力学问 题。笔者综合考虑深部采动巷道围岩的真实应力 路径与加卸载复合效应，同时考虑巷道围岩结构失 稳大变形，在此基础上，初步提出了深井采动巷道 围岩流变和结构失稳大变形理论。 1 煤矿千米深井采动巷道变形特征 1 ．1我国煤矿千米深井数量及分布 随着浅部煤炭资源的枯竭以及开采强度的增大， 我国煤矿开采深度不断增加，且正以8 ～1 2m ／a 的平 均速度向深部延伸，中东部地区的延伸速度达到了 1 0 一2 5m ／a 【27 I 。据不完全统计资料显示，目前我国 煤矿开采深度超过10 0 01 3 1 的煤矿已达到5 0 余座。 图l 给出了我国埋深超过千米煤矿的地理分布，图中 数字代表各省份千米深井的数量。从图1 可知，我国 煤矿千米深井主要分布在东部和东北地区的山东、河 南、安徽、河北、黑龙江、吉林和辽宁等地。其中山东 有2 7 座千米深井，占比最大，达到了4 9 ．0 9 ％；此外， 我国开采深度最大的新汶集团孙村煤矿也位于山东， 其最大开采深度达到15 0 1m 。 图1我国煤矿千米深井地理分布 F i g ．1 G e o g r a p h i c a ld i s t t ‘i b u t i o no t ’d e e pw e l l si nc o a ] m i n e si nC h i n a 我国东部矿区具有新生界覆盖层厚、煤层埋藏 深、基底为奥陶系承压含水层的特点，属华北石炭一 二叠系含煤区。该时期煤层受印支运动、燕山运动、 喜马拉雅运动及新构造运动的影响，造成煤层赋存的 地质条件较为复杂，受到断层、瓦斯和水的影响也较 为严重“ 川；然而不同区域深部矿井面临的主要灾害 也各不相同，例如山东地区深部矿井主要受冲击地 压灾害；河南平顶山矿区则主要面临煤与瓦斯突出灾 害，进入深部后越来越多表现为瓦斯一冲击复合灾 害；安徽淮南矿区进入深部后面临瓦斯动力灾害，此 外巷道围岩长时间流变大变形也是制约煤矿高效安 全生产的难题之一。 中煤新集能源股份有限公司口孜东矿是我国东 部典型的千米深井，目前最大开采深度达到 了10 2 3n ，。高地应力和强采动影响所带来的工程 灾害也相继增多，尤其是巷道围岩长时间流变和大变 形破坏造成的支护难题，这对于煤矿安全、高效开采 带来了巨大挑战，本文结合口孜东矿工程地质条件开 展研究。 1 ．2 口孜东矿采动巷道条件 1 ．2 ．1 口孜东矿概况 中煤新集口孜东矿位于淮南煤田，矿井设计生产 能力为5 ．0M t ／a 以上。1 2 1 3 0 4 采煤工作面位于矿 井- 9 6 7n ，水平西翼采区，是西翼采区1 3 一l 煤层第3 万方数据 9 1 4 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 个综采工作面，该工作面南邻西翼回风大巷、西翼主 运胶带机大巷和西翼轨道大巷，北邻】3 1 煤防砂煤 柱线，东北邻1 1 1 3 0 4 工作面采空区，东邻1 2 1 3 0 3 工 作面采空区，西邻F 5 断层；上距第四系松散层底界面 6 6 ．7 ～3 4 5 ．8I l l ，下距l l 一2 煤层5 6 ．7 ～8 4 ．6I l l 平均 距离约7 0 ．7m 、 1 ．2 ．2 工作面地质特征 1 2 1 3 0 4 工作面煤层埋深10 0 0I l l ，煤层内生裂隙 发育。煤层普氏硬度系数约为1 ．6 ，密度 为1 ．4t ／m 3 ，平均煤层厚度 含夹矸 5 ．1 8I l l ；煤层含 一层夹矸，主要为泥岩或炭质泥岩，平均厚度 0 ．4 4I l l 。煤层平均倾角约为6 。。基本顶为细砂岩， 普氏硬度系数5 ．8 ～1I ．7 。直接顶为泥岩、砂质泥岩 及细砂岩组成的复合岩层，以泥岩为主，为泥岩，泥岩 普氏硬度系数3 ．0 ～3 ．9 。直接底为泥岩，普氏硬度 系数3 ．1 ～4 ．1 。基本底为砂质泥岩，普氏硬度系数 4 ．7 ～7 ．3 。直接底为泥岩，厚度为5 ．5I l l ，其中含 0 ．41 1 1 煤线。1 2 1 3 0 4 工作面煤层顶底板岩性组成如 图2 所示，由煤层综合柱状图可知，煤层顶底板主要 为泥岩和砂质泥岩。根据1 2 1 3 0 4 工作面附近地应力 实测结果 图3 ，受高地应力以及采动影响，工作面 凹采期间巷道围岩压力大。 运输巷提料斜巷 a 巷道平面布置 项板锚索 7 样 煤岩车‘称J ；厚／n 1 岩。西2l8。9 2 0 0 x ．． 7 H t 描述 硅状 ◇V | | | | 灰色，。p 厚层伏，具滑动镜面， 砂质“￡岩 3 ．2 5 见少量的梢物化干i 碎片 煤02 0 ／ 黑色，粉末帙，碎块状，含泥质 灰色～灰黑色，泥质结构为 泥7 42 0主，局部富含少量炭质，。降 泥岩 脆，易垮落 _ 黑色．条痕黑色，沥菏光洋为 O7 7 主，卜| 部近玻璃光泽，上部块 O4 4 1 状，质硬，狄分高，以暗煤为 主，F 部碎粒状，松脆染r ， fb 运输巷支护不恿 39 7 亮煤较多，质好．为半暗～半 亮剖煤 _ 某 图3 1 2 1 3 0 4 ] 作面巷道斫i 置及支护示意 2．3Fig．3 l213 0 4L a 。y o u t 薄n d ；u p p o I ”d i a g i ‘a mo tr o a 1 w a y 泥岩 较高，冉j 苎叛完整，滑而不发阿 ■■_黑色．含炭量较高，薄层状，页 i nw o r k i n gf a ‘P 煤0 ．4 0 理发育，污手，质软易碎 沿煤层顶底板采用综合机械化设备，一次采全高，全 火黑，泥质结构，薄层状，炭质 l 含最较高，≯芯较充整，滑面泥措部垮落法管理顶板。由于受地质构造影响，工作面开 2 7 1 ／ 不发冉◇v 切眼分为内、外两段，外工作面长度3 5 0I l l 。矩形断 万方数据 第3 期黄炳香等深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论 9 1 5 14 0 0m i l l ，长度为92 0 0I I I m ，每排7 根，在巷道帮部 锚索间排距l2 0 0m m xl4 0 0m m ，煤巷帮锚索长 度62 0 0I ／i r a ，每排4 根。 1 ．3 采动巷道变形特征 当矿井进入深部后，与浅部岩石力学行为相比， 其本质差别在于其特殊的物化环境和复杂的应力场， 外在则表现为采场和巷道围岩特别的变形破坏形式。 通常深部地下工程开挖引起的应力集中水平远大于 工程岩体的强度，从而导致巷道出现流变和大变形等 现象。口孜东矿1 2 1 3 0 4 工作面运输巷采动应力测试 结果表明煤壁破裂区宽度在1 0m 左右；工作面采动 影响范围为1 1 0 ～2 0 01 3 1 ，2 3m 内为超前支承压力影 响区；最大应力监测值约为2 0 ．7M P a ，应力集中系数 约为1 ．6 。 深部巷道在经受高地应力和动压影响后岩体呈 孔深／m fa 超前煤壁18 0 m 松散破碎状态，大大降低了巷道围岩的整体性。采用 单孔超声波测试方法，对口孜东矿1 2 1 3 0 4 工作面回 风巷超前煤壁1 8 0 ，2 3 0 ，2 8 01 1 1 三个测站进行围岩松 动圈测试，结果如图4 所示。在超前工作面煤壁 1 8 0n ，之后，巷道工作面帮围岩松动圈高达3 ．51 ／1 。 随超前工作面距离的增加，工作面超前支承压力的影 响逐渐减弱，巷道围岩松动破坏范围呈减小趋势。由 此可知，在受采动影Ⅱ向更为严重的部位，巷道围岩松 动圈发育厚度将更大。 图5 为现场部分钻孑L 窥视仪孑L 壁成像结果，从图 中可知巷道顶板泥岩中存在着各种层理与环向裂隙， 斜交裂隙，多种裂隙，离层和破碎。将每个钻孔内围 岩破裂沿钻孔由孑L 口到孔底依次绘制在图上，将不同 孑L 内破碎带用样条曲线连接起来，并采用碎石纹理填 充，形成测站围岩不同深度的破裂区，各破裂区之间 I2 0 0 一 二 ● E8 0 0 删 燃 4 0 0 Ol23456 孔深／m b 超前煤擘2 8 0 m 图4 巷道罔岩松动圈测试 图中数宁为钻孔窥探仪测量的深度 或者是钻孔深度 ，m 图5 基于钻孔窥视图像的巷道围岩裂隙分布 F i g ．5 F r a c t u r ed i s t r i b u t i o no fr o a d w a yS U H ’o u n d i n gr o ‘kb a s e do nb o r e h o l ep e e p i n gi m a g e 万方数据 9 1 6 煤炭学报 岩体较完整。根据钻孔窥视观测结果可知，巷道顶板 围岩内部存在各种状态的裂隙，这些结构对巷道顶板 的完整性产生显著影响。在锚杆支护范围内，巷道围 岩存在拱部裂隙带和一条破碎带，在锚杆锚固范围外 至锚索锚固范围内之问，存在一条破碎带。受采动影 响后，锚杆锚固范围外至锚索锚固范围内之间，存在 两条破碎带，这与监测到的巷道围岩内部4 ．0 ～ 9 ．0m 范围内的位移都以剪胀变形为主的情况相符。 回采侧破碎带深度达到4 ～5m ，实体煤侧仅3I l l 左 右，顶板最大裂隙深度达8n ，。采动对巷道围岩裂隙 带的产生和扩展具有重要影响，采动影响后，锚杆与 锚索锚固范围问裂隙发育。 口孜东矿1 2 l3 0 4 运输巷顶板和两帮变形量 和变形速度实测结果表明顶底板及两帮在距离 工作面1 0 0i l l 处，变形开始增加；当距离工作面在 6 7m 时，顶底板和两帮变形速度开始明显增加，变 形量达到了2 5 0I n l l l ；在2 3 ～6 7n ，的采动影响区 域，巷道围岩变形开始急剧增加，顶底板变形量达 到1 ．41 1 1 ，两帮移近量达到0 ．81 1 1 ；在2 3m 的超前 压力段后，变形速度开始降低，但变形量一直增 加，最终顶底板变形达到1 ．8m ，两帮移近1 ．1n ，。 图6 是口孜东矿巷道变形破坏现场照片。图 6 a 表明巷道掘进后部分顶板发生整体下沉，2 ～ 3 个月后下沉量达到6 0 0I n n l 。图6 b 是巷道底 板0 ．51 1 1 处台阶式帮鼓，变形量12 0 0l I l l l l 。现场 实测的底板最大变形量为15 0 0I l l m 图6 c ； 而且持续变形，累计底臌量达到5i n ，相当于整个 巷道净高。巷道围岩的大变形造成了巷道支护体 的失效，锚杆脱落、锚索脱落、锚网断裂以及混凝 土喷浆离层脱落等问题 图6 d ，巷道围岩持续 大变形和支护体严重破坏已经成为影响口孜东矿 安全高效生产的主要难题。 图6 巷道变形破坏照片 F i g ．6R o a d w a yd e f l | l ’m a t i O l la l l l Id e s nL m l i o n 1 ．4与现有巷道变形理论的差异 基于均质、连续与各向同性、小变形等前提假设 的弹塑性理论模型F e l l l e l ’和K a s t n e t ’公式可以理想 的获得围岩弹塑性变形破坏特征，但由于其塑性区体 积不变的假设，这导致其在解释深部高应力巷道破裂 围岩峰后大变形方面的效果并不理想。现场研究表 明，高应力巷道围岩从完整到破碎再到最终碎胀大变 形的过程受围岩破裂结构影响，不同围岩结构形式变 形破坏特征不同，本质上均是围岩在高应力作用下的 结构演化过程。 经典的巷道围岩破坏理论与千米深井采动巷道 围岩变形特征的对比 1 软岩流变理论该理论从围岩强度的时问效 应角度解释了软岩大变形的来源，指出巷道围岩塑性 区应力分布具有明显的时变特性，围压压力的来源主 要由围岩塑性变形产生。而结构性流变围岩可以是 万方数据 第3 期黄炳香等深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论 9 1 7 碎块状、层状或板状的坚硬岩体。 2 松动圈理论该理论认为围岩变形主要来源 于围岩变形破裂碎胀，支护结构主要承受围岩碎胀压 力和破裂区自重力。在高应力作用下，峰后破裂岩体 沿破裂面滑移，伴随着旋转、滑动等运动形式，使内部 产生了大量的空隙，表现出宏观上的碎胀扩容，同时 也存在内部空隙的重新挤密与压实。围岩变形是应 力水平、岩块强度、岩体结构形式以及时间的函数，这 与软岩流变机理不同。 3 分区破裂理论高应力作用下，岩体表现出 了与软岩相似的力学时间相关性，在特殊力学条件下 还会出现其他结构形式，如分区破裂化。分区破裂理 论认为深部高应力环境中满足一定条件的巷道会发 生分区破裂化现象，相应的支护应该遵循分区破裂的 时空发育特征。深部高应力巷道围岩在强卸荷作用 以及强扰动环境中，其变形破坏不再是简单的沿原有 的裂隙面的滑移，而是由完整到高压之下的破裂和再 破裂的过程。 目前岩石力学领域围绕深部高应力条件下围岩 变形破裂问题已经有了很多探索，但多数理论分析均 重点研究围岩变形破坏发生的判据及合理的支护阻 力的确定方法b3 | ，但对后续的结构旋转、滑移、碎胀 等峰后段的结构演化机制研究相对较少。基于弹塑 性力学、连续介质等的巷道围岩破坏理论不能科学解 释深井强采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。 2 强采动巷道流变和结构失稳大变形理论框 架 2 ．1 强采动与大变形的概念及内涵 深部巷道不仅承受高地应力，回采巷道还要经受 巷道掘