“深部软岩巷道围岩控制理论与实践”专题

我国资源开采逐渐由浅部向深部进军，相当一部分矿井转变为深部软岩矿井，开采过程中常面临高地应力、高地温、高渗透压以及强烈开采扰动等复杂条件。由于软岩赋存的地质环境特殊且力学性质复杂，使得软岩巷道围岩控制成为长期困扰我国深部资源安全开采的突出难题。

为便于大家了解“深部软岩巷道围岩控制理论与实践”领域的最新科技成果，小编整理了近几年《煤炭学报》在该领域已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 采矿
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适用于围岩大变形的螺纹钢锚杆设计及工程实践

作者(Author)：韩军, 王鑫, 马双文, 张明, CAO Chen, REN Ting

摘要：矿用锚杆自20世纪90年代已开始大规模应用，但目前其螺纹几何参数仍与土木行业钢筋相同。钢筋螺纹是针对地面无地应力、且支护体变形控制在弹性阶段的钢混结构而设计，随着深部资源开采进展，地下巷道出现围岩大变形，原基于地面建筑的钢筋螺纹几何参数需针对高地应力、软岩大变形等地质条件进行优化。基于锚固力学载荷传递机理，明确螺纹钢螺纹是锚杆支护承载者，锚杆锚固性能与螺纹几何参数密切相关；通过分析锚固段的破坏方式，将锚固段破坏分为平行剪切破坏和剪涨滑移破坏；进一步通过分析2种破坏过程，阐明了螺纹几何参数(包括杆体直径、螺纹上升角、肋宽、肋坡角、肋高、肋间距)对锚固性能的影响和作用。针对深部资源开采，综合考虑巷道围岩的变形控制及离层控制，研发了一种适用于围岩大变形的新型螺纹钢锚杆，该设计通过螺纹几何优化提高了锚固段的峰后残余强度，通过增加锚固段吸能能力有效提高大变形围岩体的岩层控制能力。对新螺纹钢锚杆进行了实验室锚固力测试和现场拉拔试验，结果显示，围岩大变形锚杆平均拉拔力峰值比矿用左旋锚杆分别提高了13%和16%；从能量吸收的角度，新锚杆在实验室和现场的平均吸能较左旋锚杆提高了15%和55%，表明围岩大变形锚杆的锚固性能优于矿用的左旋锚杆。进一步对新设计锚杆进行了工业试验，在深部回采巷道设计安装了3种锚网支护方式，通过对比分析断面收敛量、顶板离层量、杆力及锚杆宏观破断失效方式等，进一步验证了新设计的围岩大变形锚杆支护更有利于深部巷道的岩层控制。

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煤炭学报

2021年第12期

798

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裂隙发育岩体巷道围岩工程特征与变形控制

作者(Author)：余伟健, 李可, 芦庆和, 郭涵潇, 杜少华

摘要：随着开采条件的复杂化，巷道围岩裂隙发育程度较高，极大的影响了围岩空间的稳定性，造成大量巷道难于维护。为进一步深入研究裂隙岩体巷道工程特征并提出相应的控制对策，基于现场调研与理论研究分析了裂隙发育岩体巷道及典型支护结构体的变形破坏特征，采用三测线不连续面量测方法对煤矿现场的裂隙发育情况作了调查统计，利用离散裂隙网络(DFN)在FLAC3D软件中对矿山现场调查得到的裂隙进行了重构还原，与现场监测数据对比分析后认为，裂隙重构模型能作为支护设计时不同支护方式和支护参数效果对比的定性参考；分析了我国南方地区部分矿区常规支护方式下典型裂隙巷道围岩变形破裂特征；提出了提高支护系统的初期支护刚度与强度、充分利用深层稳固岩体的承载功能、扩大支护系统的承载面积、准确把握支护系统，尤其是被动支护与主动支护的临界支护刚度、有效提高裂隙岩体的完整性及承载强度等5个裂隙岩体控制要点；运用叠加压缩拱承载理论，提出了以“长、短”锚杆(锚索)承载体系和可控注浆加固“内、外”结构承载为基础的联合控制技术，基于数值计算验证认为，该方案能消除或减小巷道围岩拉应力区，有效阻止裂隙围岩体的拉剪破坏形成松动变形。现场监测数据表明：在4个月的观测期间内，巷道两帮移近量0.10 m，顶底板移近量0.12 m，最终变形速率低于0.2 mm/d ，说明以“长、短”锚杆(锚索)并结合注浆加固的支护方案能有效控制裂隙岩体巷道的大变形。

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煤炭学报

2021年第11期

1101

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松软厚煤层异型开切眼新型预应力锚注支护研究与应用

作者(Author)：张进鹏, 刘立民, 刘传孝, 文光才, 李青海, 孙东玲, 邵军, 张杰, 孙立庆, 邸广强

摘要：普通水泥基浆液加固煤体由于其自收缩常造成浆煤界面松弛及充填空隙，以综放厚煤层异型开切眼松软煤体加固为工程背景，提出基于预应力锚和自应力注的松软煤体锚注加固方法。基于该新型预应力锚注加固煤体原理分析，对比研究普通硅酸盐水泥和超细硅酸盐水泥的基本性能，为自应力浆液原材料的选取提供依据；通过浆液纵向自由膨胀率试验获得自应力浆液的最佳膨胀剂掺量；进行预制裂隙煤体普通硅质浆液和硅质自应力浆液加固试验，对比分析自应力浆液加固煤体的力学性能优势和破坏特征；通过数值模拟和现场监测分析新型预应力锚注加固异型开切眼的有效性。结果表明：通过浆液结石体的膨胀应力和注浆锚杆的轴向约束应力，能够使松软破碎煤体处于准三维的受力状态，实现了其强化与损伤修复；超细硅酸盐水泥浆液由于流动性更大、结石体强度更高而更能满足自应力浆液的加固要求；随着膨胀剂掺量增大，水泥浆液最大纵向膨胀率呈先增大后减小的趋势，自应力浆液的最佳膨胀剂掺量为10%；约束条件下自应力浆液加固煤体的峰值强度比普通浆液加固煤体提高4.6%，说明自应力浆液加固裂隙煤体的效果优于普通浆液；普通浆液和自应力浆液加固煤样初始宏观裂纹均出现在浆煤界面处，最终破坏形态均为以预制裂隙为基础的整体劈裂弹射破坏，但其裂纹发展过程有所不同，自应力浆液加固煤样的裂隙数量少于普通浆液加固煤样；在数值模型中，仅锚杆索支护时煤体悬臂梁结构下沉量较大，新型预应力锚注后其下沉量明显减小；现场监测中锚杆索受力相对稳定，加固煤体下沉量较小，说明新型预应力锚注加固松软破碎煤体的效果较好。

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煤炭学报

2021年第10期

805

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软硬互层岩体结构面宏细观剪切力学特性

作者(Author)：刘新荣, 许彬, 周小涵, 易立, 曾夕, 王继文

摘要：针对“软+硬”和“硬+软+硬”组合形式下的2类典型软硬互层岩体结构面，通过开展恒定法向压力下的室内直剪试验和PFC2D细观模拟，研究了不同含水率、法向压力及一阶起伏角下结构面的宏细观剪切力学特性，据此提出了其剪切强度估算公式并进行了算例验证分析。研究表明:① 结构面剪切应力(法向位移)随剪切位移的变化具有显著阶段性发展特征，即第1类结构面历经初始非线性压剪变形、应力稳定增长压剪变形和应力陡升-脆落塑性压剪变形3个阶段，第2类结构面历经初始非线性压剪变形、应力陡-缓升压剪变形和应力恒定塑性压剪变形3个阶段;② 2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切位移均随含水率增加而减小(最大法向位移则增大);2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切(最大法向)位移均随法向压力增加而增大;第1类结构面的峰值剪切强度随一阶起伏角增加而增大(残余剪切强度则先增大后减小)，第2类结构面的峰值(残余)剪切强度随一阶起伏角增加而增大，且2类结构面的峰值剪切位移总体上均随一阶起伏角增加而减小(最大法向位移则增大);③ 2类结构面的细观损伤裂纹数量(能量)随剪切位移的变化均可划分为3个发展阶段，即初期微增、中期近似“下凹弧形”陡增和后期近似线性缓增(裂纹数量)以及初期微增、中期近似“上凹弧形”缓增和后期近似线性陡增(能量);④ 宏观试验结果与PFC2D细观模拟结果吻合较好，统一概化描述了结构面宏细观损伤劣化机理，并将第1类和第2类结构面的典型破坏模式分别概括为压剪-起裂破坏、错动-脱空破坏和贯通-啃断破坏以及压剪-起裂破坏、磨损-啃断破坏和贯通-滑移破坏各3种基本类型;第1类和第2类结构面的细观损伤颗粒分别近似呈“倒U形”和“S形”分布于剪切面附近，且颗粒间接触力倾角于0°~90°内时损伤颗粒数量分布最多;⑤ 着重考虑硬性岩层起伏度的影响，提出了2类结构面的剪切强度估算公式，并采用极限平衡法和强度折减法对含典型结构面的边坡算例进行了稳定性分析，验证了该公式的合理性。

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煤炭学报

2021年第09期

836

740
松软破碎煤体钻封注一体化锚固实验研究

作者(Author)：支光辉, 刘少伟, 贺德印, 付孟雄, 贾连鑫, 曾得国, 于涛

摘要：赵家寨矿“三软”厚煤层回采巷道为锚网支护全煤巷道，掘进过程中时常遇到松软破碎围岩段，该围岩条件下普遍存在锚固孔成孔质量差、塌孔现象严重及锚固力低下等瓶颈问题。为有效解决其支护难题，改善局部破坏严重段的巷道支护效果，研发了一种钻封注一体化注浆锚杆。采用理论分析、实验室实验及现场试验相结合的研究方式，对钻封注一体化注浆锚杆锚固机理、注浆效果及锚固性能进行了分析，研究结果显示:钻封注一体化注浆锚杆，具有较好的注浆封孔效果，可减少松软破碎煤巷注浆加固流程，加快施工进度;该注浆锚杆在松软和破碎煤体钻进过程中，注浆锚杆振动响应特征表现较大差异，依此实现煤体条件的判别，可为巷道围岩注浆参数设计及差异化注浆提供理论依据;实验室超声波无损检测注浆效果显示，该注浆锚杆能有效实现松软及破碎煤体注浆，且浆液扩散效果良好，说明该注浆锚杆可对该类巷道围岩实现良好的注浆加固作用;注浆锚杆现场拉拔试验结果显示，在松软破碎围岩条件下，相较于普通树脂锚杆，注浆锚杆锚固力提升约36.4%，说明该注浆锚杆能够对围岩起到更好的锚固作用。上述研究结果表明，钻封注一体化注浆锚杆，可明显简化松软破碎煤巷注浆加固流程，同时，可对松软破碎煤巷围岩起到更好的锚固效果，研究成果为提升松软破碎煤巷控制效果。

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煤炭学报

2021年第07期

871

648
循环冲击下弱风化岩石力学特性与渗透率演化

作者(Author)：刘伟, 曾鹏, 闫雷, 杨砚, 刘连生

摘要：低渗透弱风化花岗岩型稀土矿床中蕴含大量的中重型稀土，但矿体渗透性严重影响溶浸效率，提出利用爆炸冲击载荷对稀土矿体产生多次扰动，在确保矿体保持稳定性的前提下使内部细观结构发生变化，进而提高矿体渗透性。为探究爆炸冲击载荷多次扰动下弱风化花岗岩的力学特性及渗透系数的变化，利用Hopkinson冲击试验机、RMT-150C液压伺服试验机、核磁共振仪，对试件进行逐级循环冲击实验和冲击后的静态压缩实验，并测量试件的孔隙度与渗透系数。研究结果表明:逐级循环冲击下弱风化花岗岩存在裂隙压密阶段，但不明显;裂纹扩展阶段存在明显的应力松弛平台，且随冲击速度的增加愈加明显;动态峰值应力与临界应变随冲击速度的增加呈递增趋势;冲击后的静力学特性表现为随着冲击次数的增加，裂纹压密阶段持续时间增加，弹性阶段持续时间减少，裂纹起裂应力σci、裂纹损伤应力σcd、单轴抗压峰值强度σf逐渐下降，临界应变逐渐增大。试件中含有小中大3种孔隙类型，在逐级循环冲击下整体表现为中等孔隙占比增加，小型、大型孔隙占比基本不变，有效孔隙度逐渐增加，第1次冲击后这种变化较为明显。弱风化花岗岩经过3次冲击后，渗透系数达到最大，长期强度下降约13%。

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煤炭学报

2021年第06期

658

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软岩反底拱优化加固技术及应用——以上海庙矿区为例

作者(Author)：李磊, 文志杰

摘要：在西部软岩矿区，巷道底臌是一种常见的巷道破坏形式，由底臌所引起的围岩变形已成为阻碍矿井高效生产的主要难题，也是目前西部矿区亟待解决的关键问题。目前广泛使用的底臌控制方案为浇筑混凝土材料配合反底拱与锚杆支护技术联合控制巷道底臌。然而，分析现场破坏结果，浇筑反底拱的普通C20混凝土材料存在强度低、密实度差等明显缺陷，并不能有效控制底臌，巷道现场底角与两帮呈现大面积破坏。据此提出一种优化浇筑材料方案，提高其初凝时间和强度。优化混凝土浇筑材料治理方案是将生石灰按照不同配制比例掺入混凝土浆液中，制备试件;在不同龄期下测试不同生石灰掺入量的试件强度，进而选出最优配比方案;利用扫描电镜对浇筑材料的结构进行观察分析，确定优化后的浇筑材料满足反底拱结构中浇筑材料的性能要求。结果表明:在养护龄期内，材料最大单轴抗压强度为30.15 MPa，是普通C20混凝土材料强度的1.39倍，抗拉强度为1.75 MPa，是未掺入生石灰试件强度的1.41倍。利用扫描电镜观测分析，在生石灰掺量为10% 时，试件结构致密，浆体中的Ca(OH)2,AFt和孔隙数量明显减少，浇筑材料的力学性能有效提高。工程实践表明，采用优化后的浇筑材料进行反底拱设计，在50 d监测期内，最大底臌量仅为101 mm，巷道底臌量减少为原支护方案的34%，底臌控制效果明显。

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煤炭学报

2021年第04期

978

501
煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注-喷浆协同控制技术

作者(Author)：康红普, 姜鹏飞, 杨建威, 王志根, 杨景贺, 刘庆波, 吴拥政, 李文洲, 高富强, 姜志云, 李建忠

摘要：针对煤矿千米深井巷道松软煤体大变形难题，以淮南新集矿区口孜东矿7 m大采高工作面运输巷为工程背景，分析巷道松软煤帮变形破坏特征及支护结构破坏、失效形式；采用井下试验和数值模拟相结合的方法，从锚杆锚索锚固力衰减、风化作用下煤体劣化及强流变性等方面，揭示出千米深井巷道松软煤帮大变形机理。提出千米深井巷道松软煤帮高压锚注-喷浆协同控制理念；采用数值模拟对比研究了单一锚杆锚索支护、锚注、锚注-喷浆3种方案巷道煤帮变形、裂隙及应力演化规律，阐明了巷道煤帮高预应力、高压锚注-喷浆协同控制原理。研发出高强度、高压、组合式注浆锚杆与高压注浆锚索，研究了注浆锚杆、锚索及注浆材料性能与锚注效果，形成了高预应力锚杆、锚索支护-高压劈裂注浆改性-表面喷浆协同控制技术。将上述研究成果应用于淮南新集矿区口孜东矿，提出试验巷道锚注-喷浆协同控制方案及参数，并进行了矿压监测。监测数据表明，采用提出的锚注-喷浆控制方案后，煤帮结构、完整性与强度得到显著改善，锚杆、锚索锚固力大幅提升，充分发挥了高强度锚杆、锚索主动支护作用。巷道两帮收缩量降低86%，锚杆、锚索破断率大幅减少，有效控制了千米深井巷道松软煤帮大变形，为此类深部巷道大变形控制提供了有效途径。

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煤炭学报

2021年第03期

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