吕家坨煤矿巷道变形机理及其控制方法

度系数和危险系数，其表达形式如下：
Df = H / Hcr
（ 1）
Dfs = H / Hcr1
（ 2）
Dfb = H / Hcr2
（ 3）
Dc = ρH / σcm
（ 4）
式中 Df———深部工程的难度系数；
Dfs ———深部工程软化难度系数；
Dfb ———深部工程冲击难度系数；
H———地下工程的实际深度，m；
1 吕家坨矿深部围岩力学特征
1. 2 吕家坨矿深部岩体工程评价指标 我国地质历史上有 3 个成煤期，即古生代、中生
代、新生代。各地层因其生成环境、年代的不同，深 部采矿工程所表现出的临界深度是不同的。通过对 我国不同生成年代临界深度的统计研究，不同地质 年代的深部工程临界深度特点如表 1〔1〕。
表 1 岩层的临界深度
〔1〕 赵德深，范学理，刘文生. 采煤区覆岩与地表沉陷控 制技术研究及展望〔J〕. 中国安全科学学报，1998，8 （ 3） ： 51 － 54.
〔2〕 徐良骥，严家平，高永梅. 安徽省两淮矿区地质环境 治理技术〔J〕. 煤田地质与勘探，2007，35 （ 6） ： 37 － 40.
〔3〕 黄铭洪，骆永明. 矿区土地修复与生态恢复〔J〕. 土 壤学报，2003，40（ 2） ： 161 － 169.
生成年代
新生代 中生代 古生代
Hcr1 / m 300（ 260 ～ 340） 400（ 360 ～ 440） 600（ 550 ～ 650）
Hcr2 / m 400（ 380 ～ 420） 500（ 450 ～ 520） 800（ 750 ～ 850）
注： 括号内数据为其相应的范围。
1. 1 吕家坨煤矿围岩力学特征 吕家坨矿开采即将进入 － 950 m 水平，在 － 950
文献标识码： B
文章编号： 1003 － 496X（ 2010） 03 － 0095 － 03
随着开采深度的不断增加，工程灾害日趋增多， 如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现加剧、巷道围 岩大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全高 效开采造成了巨大威胁。
开滦吕家坨煤矿开采水平已经达到 － 950 m，埋 深已过百度文库米，有较稳定和不稳定两大类围岩，巷道围 岩支护有一定的难度，属于典型的深部高地应力矿 井，本文在研究该矿深部围岩力学特征的基础上，分 析了深部岩体高应力软岩变形机理，并利用 FLAC3D 数值软件对该矿深部岩石巷道变形特征及其控制进 行来数值模拟。
4结语
究〔J〕. 矿业安全与环保，2008，35（ 6） ： 76 － 79. 〔9〕 刘承国. 矿山环境恢复治理的“三家抬”模式〔J〕. 中
矿山地质环境治理工作是一个长期的、复杂的
国矿业，2007，16（ 9） ： 45 － 47.
系统工程。只有认清小煤矿地质环境治理工作的紧
迫性，摸清小煤矿地质环境治理工作中存在的问题， 在资金、政策及技术方面给予相应的支持，充分调动
m 水平开拓的轨道石门作为主要采样地点，进行力 学参数 测 试，其 单 轴 抗 压 强 度 多 属 中 等 强 度 （ 56 MPa < p抗压 < 112 MPa） ； 岩石浸水后强度降低或遇 水崩解等性质即岩石的水化性质。对吕家坨矿深部 细砂岩进行了水化实验，将岩石试件在水中浸泡 2 d、4 d、6 d 后测定其抗压强度。自然状态与水化状 态下的单轴抗压强度对比如图 1。
2 吕家坨矿深部围岩破坏机理分析
2. 1 围岩高应力 高应力软岩巷道围岩的变形破坏机制是与其原
岩的高地应力状态（ 原岩应力） 以及工程岩体的低 围压状态（ 围岩应力） 和高应力差相联系的。原岩 应力较高，故 一 旦 开 挖，随 即 发 生 内 应 力 释 放 和 回 弹，并引起相应的应力调整和变形。巷道开挖卸荷 相当于在原岩应力状态上叠加相应反向拉应力，于 是工程岩体（ 尤其是层状或似层状岩体） 在类似横 弯或纵弯作用下发生挠曲，或者沿结构面发生剪胀 滑移变形，岩 体 强 度 降 低，围 岩 发 生 体 积 膨 胀 变 形 （ 扩容） 。应力释放引起的回弹和应力调整引起的 扩容使岩体中原本闭合的结构面张开滑移，在改变 岩体应力状态和强度的同时，也改变了围岩水文地 质条件，工程用水沿张开裂隙渗流，进一步降低了 岩体强度或者加剧了具有膨胀性岩石的物理化学膨 胀和力学膨胀，从而使围岩产生较大的收敛位移，表 现为侧墙鼓出、底鼓和顶压等。变形的进一步发展 导致巷道破坏失稳，如侧墙内移（ 侧向张裂、片帮） 、 尖顶（ 拱顶剪裂） 底鼓和冒顶等。破坏最严重的部 位多在拱顶和拱墙交界处，在这些部位常见巷道衬 砌剪裂或张裂，钢筋因过大位移而扭弯屈曲甚至钢 拱架也被扭弯或剪断的现象〔2〕。 2. 2 围岩浸水强度变化
观察塑性区的分布图（ 图略） ，可以看出支护对 围岩塑性区的发展有一定的抑制作用。观察分析铅 直位移云图（ 图略） ，最大位移的控制效果为： （ 15. 2 － 12 . 0 ） / 15 . 2 = 21 % ，与（ 24 . 7 － 17 . 8 ） / 24 . 7 = 27. 9% ； 足见支护对巷道围岩位移良好的控制效果。
天然岩体大多为多相的不连续介质，不可避免 地存在许多尺度、方向性质差异的裂隙。虽然深部 高应力下的岩体的裂隙在开挖前大都处于闭合状 态，但一旦卸荷开挖，释放了围岩的围压，破坏了巷
道围岩以里一定深度岩体的稳定性，形成一定深度 的松动圈，从而这部分岩体的裂隙处于开裂状态，如 果此时有水的侵入，就会形成渗流现象，孔隙水压力 会引起有效应力的变化，显著地改变裂隙张开度等， 由实验可知，该区域围岩受水化影响显著。
的现状〔J〕. 探矿工程（ 岩土钻掘工程） ，2008（ 7） ： 46 － 48. 〔6〕 匡文龙，邓义芳. 采煤塌陷地区土地生态环境的影响 与防治研究〔J〕. 中国安全科学学报，2007，17 （ 1） ： 116 － 120. 〔7〕 梁 凯，兰井志，郑 伟. 对我国矿山地质环境保护 工作的对策建议〔J〕. 环境经济，2007（ 11） ： 19 － 22. 〔8〕 黄学满. 我国小煤矿灾害事故原因剖析及防治对策研
度，深部岩石巷道变形失稳机理，针对性的给出了支护方案，并利用有限差分数值软件（ FLAC3D ）
对支护和未支护条件下的巷道变形进行了数值模拟，验证了支护方案的可行性，为吕家坨煤矿深
部岩石巷道的支护工作提供了依据。
关键词： 深部岩体； 力学特征； 数值模拟； 控制方法
中图分类号： TD353 + . 6
利用 FLAC3D模拟软件对吕家坨煤矿深部岩石 巷道在采掘影响下的变形情况进行了模拟。建立半 圆拱形巷道模型，1 /2 半圆拱巷道模型直墙高 = 1. 0 m，拱高 = 2 m，拱半径为 2 m，大小为长 × 宽 × 高（ x × y × z） = 40 m × 40 m × 40 m，81 280 个单元，85 779 个网格节点。在铅直压力为 26 MPa，侧压系数 为 1. 2 的情况下模拟掘进对巷道围岩变形的影响， 巷道掘进方向为 y 向，分 8 个开挖步，步距为 5 m， 共开挖 40 m。
山”建设之路，实现经济可持续发展。
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（ 上接第 96 页） 域并没有进入绝对的深部状态。
（ 2） 吕家坨煤矿深部围岩水平应力远大于自重
与工程学报，2005（ 08） ： 2 854 － 2 858. 〔2〕 刘 高，聂德新. 高应力软岩巷道围岩变形破坏研究.
3 吕家坨矿深部巷道控制的数值模拟
3. 1 深部岩石巷道控制方法 适用于围岩为泥岩及裂隙发育的砂岩体的岩石
巷道支护，顶板及巷道两帮采用螺纹钢等强锚杆及 金属网（ 钢带） 喷浆支护，锚杆间排距为 0. 7 m，锚杆 长度 2. 0 m，在巷道中部打一排锚索，间距 1. 4 m，锚 深 6. 0 m。可以滞后两个循环。对于巷道两帮锚 杆，最下端两根锚杆间距可为 0. 4 ～ 0. 8 m，最下端 锚杆可以向下打 25°倾角。
采用 M25 － Ф22 － 2200 型锚杆； 使用 Ф23 mm 树脂药卷，长度 350 mm，每根锚杆 2 卷，要求每根 锚杆锚固力为 100 ～ 130 kN； 喷浆厚度 > 50 mm，以 喷层覆盖网（ 带） 为准，喷浆时间不得超过巷道围岩 掘进外露 24 h。巷道掘进进尺为 0. 7 m 或 1. 4 m， 依据围 岩 裸 露 状 态 选 取，钢 带 尺 寸 860 mm × 120 mm × 5 mm，一端开圆形孔，另一端开异形孔； 金属 网依据围岩裸露状态选取铁丝网或钢筋网。 3. 2 数值模拟
Hcr ———深部工程的临界深度，m；
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煤 矿 安 全 （ Total 425）
问题探讨
Hcr1 ———深部工程第一临界深度，m； Hcr2 ———深部工程第二临界深度，m； Dc ———深部工程的危险指数； ρ———上覆岩层平均密度，kg / m3 ； σcm ———工程岩体强度，MPa。 据此，吕家坨煤矿生产已经进入 － 950 m，无论 是深部工程的软化难度系数，还是深部工程冲击难 度系数都必定 > 1，表明高应力软岩工程岩组处于非 线性、大变形工作状态； 另外，其工程岩体危险系数 约为 Dc≈2. 91，位于 2. 0 ～ 3. 0 之间，属于深部工程 中的超深工程，表明工程岩体已经部分或绝大部分 处于非线性工作状态，将会产生非线性动力学灾害 现象，而且随着危险系数值的增大，地下工程施工中 面临的深部岩石力学非线性问题动力学灾害越严 重。
问题探讨
煤 矿 安 全 （ 2010 － 03）
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吕家坨煤矿巷道变形机理及其控制方法
张立新1 ，杨贤江2
（ 1. 辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000； 2. 淄博矿业集团 岱庄煤矿，山东 济宁 272000）
摘 要： 通过对岩石力学参数的测试，分析了吕家坨煤矿深部岩体的力学特征和水化对其影响程
〔4〕 葛维琦. 中国煤矿采空区塌陷灾害治理对策〔J〕. 中 国能源，2004，26（ 10） ： 27 － 30.
护，避免了重蹈“先破坏、后治理”复辙，最大限度地 〔5〕 吴和政，郑 薇. 我国矿山生态环境及生态恢复技术
从源头为矿山环境恢复创造了条件； 此外明确了政 府在矿山地质环境治理恢复工作中的责任，通过其 在企业与居民之间的协调作用使得治理工作顺利开 展； 同时也明确了政府本身在矿山环境恢复中的环 保责任和具体指标。只有这样政府才乐得多方面通 力合作，把小煤矿矿山地质环境治理工作做好，利于 城市、利于企业、利于市民。
质量管理，提高地质环境治理效果。 3. 4 责任明确 任务分担
“谁破坏，谁治理”这是在矿山地质环境治理工 作实施中应遵循的一条基本原则。对于小矿山地质 环境治理工作开展得不顺，其重要原因之一是责任 不清。“三家 抬 ”模 式〔9〕是 矿 山 地 质 环 境 治 理 工 作 中行之有效的措施，其主要特点是明确了矿山地质 环境治理的责任分工，突出了矿山企业的主要责任， 使其在规划和生产过程中就十分注重矿山环境保
图 1 水作用下岩石单轴抗压强度
在表 1 中，Hcr1 也称上临界，即软岩工程岩组最 先开始出现非线性大变形力学现象的深度； Hcr2 也称
下临界，即硬岩工程岩组最先开始出现冲击地压、岩
爆等非线性动力学现象的深度； 另外有概念临界深
度（ Hcr） 指工程岩体最先开始出现非线性力学现象 的深度。
同时在文献〔1〕中给出了深部工程评价指标难
4结论
（ 1） 吕家坨煤矿深部围岩属于呈高应力软岩特 征，巷道围岩具有变形量大、初期变形速率大，但是 地温、地应力显现和工程响应特征等特点表明该区
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问题探讨
煤 矿 安 全 （ 2010 － 03）
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政主管部门组织相关工程技术人员集中培训、交流， 参考文献：
典型情况组织专家现场指导。同时应加强治理工程
作者简介： 黄 河（ 1976 － ） ，男，安徽固镇人，博士，讲 师，主要从事环境岩土工程、矿山地质灾害防治方面研究。
矿山业主的积极性和主动性，鼓励企业、社会、个人 齐参与，才 能 促 进 小 煤 矿 走“生 态 矿 山”、“绿 色 矿
（ 收稿日期： 2009 － 07 － 15； 责任编辑： 梁绍权）