机械管理开发 总第１５４期 ２０１６年第２期 专题与综述 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ Ｔｏｔａｌ ｏｆ １５４ Ｎｏ．２ ２０１６ 浅析深部开采围岩的力学特征 李敬鹏 （阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西晋中０４５４００） 摘要：结合自身多年从事该领域研究经验，通过对大量文献进行阅读与研究基础，对造成深部岩石 破坏的原因进行分析，并在此基础上探讨在深部开采中对围岩压力进行防护的对策与建议，以此 希望能够为该领域发展做出贡献。 关键词：深度开采；围岩；力学特征 中图分类号：ＴＤ３５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３．７７３Ｘ（２０１６）０２．０１２４．０２ ＤｏＩ：１０．１６５２５／ｉ．ｃｎｋｉ．ｃｎ１４．１１３４／ｔｈ．２０１６．０２。０４６ 引言 采对策提供相应的依据。 １．１分区与破裂化的成因 近年来，在我国和谐社会发展战略影响下，对 矿井开采行业不仅提出了全面质量建设的要求，而 且对矿井深度开采中所可能遇到的危险问题给予 了强烈关注。而这些容易引发事故的潜在安全问 题同样是由深度开采所引发的。由于深度开采中 岩石环境复杂，从而在对岩石进行开采发力时，岩石 在对矿山进行开采过程中，通常所开采岩石处 于浅部时，会表现出来较为明显的分区特征。浅部 岩石所具有的特征还可根据所表现的力学特点进 行如下三种类型的划分：第一，塑性较弱的破裂区 域；第二，塑性较好的弹性区；第三，处于中性的原岩 受到来自地面高地应力与机械动力的积压，如果不 能够进行科学的支撑，极为容易发生塌方等危及生 命安全的问题。因此，结合当今时代背景，利用科技 创新环境来促使岩石开采行业经济效益与安全质 量得以双重保障就成为一个重要的研究课题。 １ 深部开采岩体力学的特征研究 力区。依据上述岩石特性划分类别，可对浅部岩石 的特征进行相应的研究与分析。而对于处于地表 下较深层次的研究而言，所表现出的特征与浅部岩 石存在着较大的不同。深部的岩石在受到外部压 力大的影响下，就会表现出较为容易破裂的特点，且 上述破裂现象主要发生于围岩区域的压缩带，以及 膨胀带当中。上述两个区域通常所发生的破裂严 重程度还会随着所受到压力的提升而产生范围的 扩大，及扩大范围速度的提升。因此可以发现，对于 在这种环境较为复杂的受力特征影响之下， 对地表深部的岩石层进行开采中，将会造成被开 采岩体的受力特点与对处于地表浅部的不同。也 正是这一原因，导致大量诸如坑道塌方、衬砌断 深度岩石层的研究不仅应当考虑岩石本身所具有 的特性，而且还需要考虑与机械作用力之间的关系， 裂、地表塌陷等问题的出现，从而极不利于矿井开 采，而且会造成较大的安全事故，或者是经济损 失。为此，作者在本部分将对上述问题产生的现 象及特征进行深人研究，为本文第三部分科学开 以便于防止破裂情况的产生。 １．２强压下的流变 随着时间的推移和所受到的总压力大小，处 于地表深层的岩石，更容易发生破裂，也就是说破 收稿日期：２０１６－０１一ｌ６ 裂化发生的几率与所受到压力持续的时间存在着 正相关的对应关系。并且，这一关系的存在，通常 作者简介：李敬鹏（１９８７一），男，山西孝义人， 毕业于阳泉技术学院，助理工程师，现就职于开元 公司地质测量部。 会造成断裂化现象的发生。在短时间内变得较为 严重，从而致使深部的岩石层具有了流变的特性， 李敬鹏：浅析深部开采围岩的力学特征 ２０１６年第２期 ・１２５・ 在断裂后会产生自我积压，使受到的压力在岩石 层中不断蔓延，造成地表下层岩石的大范围破裂 之后，发现在受到不同压力条件时，所表现出的峰 值受力图的数据均有不同，并且还会在整个岩石 层出现破裂时，再次产生上述检测数据的变化，从 而表明了在高压的影响之下，深层岩石具有延性 例如：当地下进行开采煤炭的采矿区域内，开采巷 道通常处于地表以下２０ ｍ的区域，从而使得所承 受的巷道底部压力膨量会超过十米之多。这种深 层岩石所固有的流动性特点也被该领域研究的著 名国外学者所验证。马兰在对非洲南部地区矿洞 的特质。而对于土层下浅部的岩石而言，其与深部 岩石有着较为明显的受力变化区别，其通常会随着 外部压力的变化出现较少部位岩石的变形，更多的 底部围岩进行了流动性测试之后发现，巷道中的 围岩平均每一天都会产生变化，在一个月的期间 内，巷道底部围岩大约能够移动５ ｃｍ之多。虽然 情况是会出现整体的断裂，但并不会出现多个区域 岩石的挤压，或者是变形。上述研究表明浅部岩石 所具有的延性是较小的，具有的特征为脆性特点。 而进入深部开采以后，由于岩体处于“三高”和“一扰 动”的作用环境之中，表现出的实际是其峰后强度特 性。在高围压作用下，岩石可能转化为延性，破坏时 其永久变形量通常较大。因此，随着开采深度的增 加岩石已由浅部的脆性力学响应转化为深部潜在 的延性力学响应行为。 ２ 结论与对策 这一举例对于浅部岩石并不算多，但是深处底部 的岩石就会在这一流动性影响下，受到来自围岩 和地表土石的双重压力。国内外开采实践表明， 开采深度为８００ ｍ～１ ０００ ｍ时，巷道变形量达１ ０００ ｍｍ～１ ５００ ｍｍ，甚至更大。深部开采巷道的 返修率在４０ ～８０ ，另据有关资料分析，近十 年，巷道支护成本增加了１．４倍，巷道返修量占整 个巷道掘进量的４０ ９／６。 １．３动力响应的突变性 通过上述的研究可以发现，在对深部岩石进 行开采过程中，通常会出现较为严重的事故，产生 原因与深层岩石本身所具有的特性有着极大的联 系（见图１）。经过本文的分析之后发现，深层岩石 所具有的特点包括以下四个方面：第一，易分区与 对于地表以下的浅部岩石层而言，通常所产 生的破裂化反应过程是较为缓慢的，即这一过程 是一个渐变的过程，会发生龟裂、凹陷、破损等问 题，从而给予人们该岩石层将要发生断裂的预警。 因此，对于浅部岩石层断裂化，通常可以人为监 控，但是对于深部岩石而言，由于所处地理位置的 原因，通常所产生的断裂是容易被忽略的。深部 破裂化的现象；第二，具有强流变形的特征；第三， 具有动力响应的突变特征；第四，具有延性力学的 特征。上述特征的存在，致使巷道在开挖后会导 致其围岩产生如下的破坏及其变化： 岩石层通常所发生的变化都是突变的、剧烈的，并 且毫无预兆的。上述断裂情况一旦发生，将会致 ｍ 使地面出现明显的塌陷，并且整个矿井的巷道都 会由乱石所堵塞。由于深部岩石所处的巷道较为 狭窄，并且基本密封，这就会致使一个区域巷道岩 石的滚落，会致使周围区域皆受到影响，这也正是 深部岩石动力相应突变特征的表现，会给整个矿 井造成严酷的损坏。 １．４岩石的力学延性 图１ 巷道开挖后围岩变化情况 １．１实体图 深部岩石层除了具有上述特征之外，还具有 因此，在对深层围岩开采中，应当为矿井开采 过程中结合深层岩石特性进行相应业务操作的改 变。在实际对巷道进行开采过程中，应加强在操 延性力学的相关特征。参考文献［１］进行了针对 深层岩石的实验，研究表明岩石会在受到外力挤 压时，可根据所受到的多种围岩的压力条件变化 作过程中对深部巷道周围墙体的支护，坚持与巷 （下转第１３２页） 时随之产生变化。在对变化数据进行了仪器监控 ・１３２・ 机械管理开发 ｊｘｇｌｋｆｂｊｂ＠１２６．ｃｏｍ 第３１卷 压，回采期间采取大直径钻孔、煤体爆破及顶板预 裂爆破等解危措施。 技术ｌ－Ｊ］．中国煤炭，２０１１，３７（１）：９６—９８． 窦林名，张广文，等．坚硬顶板型冲击矿压灾害 ［６］ 牟宗龙，防治研究［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００６，３５（６）：７３７— 参考文献 ７４１＿ ［１］ 窦林名，何学秋．冲击矿压防治理论与技术［Ｍ］．徐州： 中国矿业大学出版社，２００１． ［７］ 徐学锋，窦林名，刘军，等．煤矿巷道底板冲击矿压发生 的原因及控制研究［Ｊ］．岩土力学，２０１０，３１（６）：１ ９７７— １ ９８２． ［２］ 钱鸣高，石平五．矿石压力与岩层控制［Ｍ］．徐州：中国 矿业大学出版社，２００３． 赵长春，等．保护层的分类及判定方法 ［８］ 刘洪永，程远平，研究ＥＪ］．采矿与安全工程学报，２０１０，２７（４）：４６８—４７４． 刘贞堂，等．近距离下保护层开采防冲 ［９］ 沈荣喜，王恩元，［３］ 何满潮，谢和平，彭苏萍，等．深部开采岩体力学研究 ［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（１６）：２ ８０３—２ ８１３． 牟宗龙，窦林名，等．深部复杂地质条件下矿井 ［４］ 苗素军，机理及技术研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１１，３６（１）：６３～６７． Ｅｌｏ］ 陈纪永．赵楼煤矿首采区冲击危险评价与防冲优化设 冲击地压分析及防治ｌ－ｊ］．煤炭科学技术，２０１０，３８（９）： ４３—４６． 计［Ｊ］．山东煤炭科技，２０１０（５）：１５３—１５４． ［５］ 吕建为，牟宗龙．济三煤矿深部采区冲击矿压综合治理 Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｂｕｍｐｉｎｇ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｄｅｅｐ Ａｒｅａ （编辑：陈茜） Ｑｉｕ Ｆｅｉｈｕ （Ｇａｏｙａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｓｈａｎｘｉ Ｆｅｎｘｉ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｘｉａｏｙｉ Ｓｈａｎｘｉ ０３２３００） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅ一１ ０００ ｍ ｅａｓｔ ｍｏｕｎｔａｉｎ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．Ｂｕｒｓｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｎａｍｅｌｙ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｔｏｐ ｌｉｎｅ ｐｏ— ｓｉｔｉｏｎ，ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｒｏａｄｗａｙ ｏｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｌａｙｏｕｔ，ｓｅｃｔｉｏｎ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ，ａｎｄ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｆａｃｅ ｌｏｃａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ，ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｏａｌ ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｂｌａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅ－ ｓｐｌｉｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｒｏｏｆ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｒｅ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｄｙｎａｍｉｃ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｄｅｅｐ ａｒｅａ；ｂｕｍｐｉｎｇ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｄｉｓｔｒｅｓｓｉｎｇ （上接第１２５页） 学版），２０１５（８）：５０—５１． 道围岩力学特征相互适应的重要原则，从而能够 在保持巷道围岩稳定性的基础上，实现安全和高 效的矿井开采生产。 参考文献 任建刚．掘进工作面前方力学场动态耦合 Ｅ２］ 吕闰生，李冰，演化规律［Ｊ］．河南理工大学学报（自然科学版），２０１５ （５）：６１９－６２５． ［３］ 张安斌，张艳博，刘祥鑫，等．水对泥质粉砂岩物理力学 性能影响的试验研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１５（０８）６７— ７１． ［１］姜开锋，范鹏贤，邢灏酤，等．锦屏大理岩相似材料制备 及其力学性能分析ＥＪ］．理工大学学报（自然科 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｄｅｅｐ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｒｏｃｋｓ （编辑：王佳艺） Ｌｉ Ｊｉｎｇｐｅｎｇ （Ｋａｉｙｕａｎ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｏｆ Ｙａｎｇｑｕａｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｇｒｏｕｐ，Ｊｉｎｚｈｏｎｇ Ｓｈａｎｘｉ ０４５４００） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｉｎ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｍａｎｙ ｙｅａｒｓ，ｂｙ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ｒｅａｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｄｅｅｐ ｒｏｃｋ ｂｒｅａｋｉｎｇ，ａｎｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ｅｘｐｌｏｒｅｓ ｈｏｗ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｎ ｄｅｅｐ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｈｏｐｅｓ ｔｏ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｍｉｎｉｎｇ ｄｅｐｔｈ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
