（岩土工程专业论文）软岩巷道gtmr法力学参数评估及锚注机理研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 地下岩体在巷道开挖前处于平衡状态，巷道一旦开挖，原岩应力 失去平衡，应力将重新分布，如岩体的强度不够，围岩将失稳，巷道 将受到破坏。因此，有必要对软弱围岩采取支护措施。支护方法因岩 体性质、断面大小、服务年限和地应力等对巷道的影响不同而各异 我国常用的传统支护有木、各类金属支架、料石或混凝土砌碹等。而 锚杆及以锚固为主的综合支护正在成为适应各种条件的新型支护。 岩体力学参数的确定是巷道支护工程中一项基础工作，是指导设 计与施工和数值模拟的可靠保障。本文结合现场调查、岩石力学试验、 软岩力学性质研究和数值模拟确定了大坊矿软岩的性质与类别、破坏 机理和支护难点。基于修正的r m r 法g t m r 法，估算巷道岩体力 学参数该方法较全面地考虑了完整岩石强度、地下水条件、岩石质 量指标、巷道埋深、地震烈度、巷道形状等影响岩体力学性质的因素， 并基于完整岩石强度、岩石质量指标权值的连续修正，减少了主观判 断带来的误差。把巷道开挖弱化因子和锚固增强因子引入广义 h o e k o b m w n 强度准则，借用两因子计算式，得到了开挖前和锚固后 的岩体力学参数，并应用到大坊矿软岩巷道锚注支护实践中。 锚注支护是软岩工程加固中正在推广应用的支护形式，锚注支护 具有施工快、效果好、王程造价低等优点，但其理论不够完善本文 基于软岩巷道“锚注支护嵌套力学计算模型，优化锚注支护，利用弹 塑性理论分析，得到不同区域的应力、位移、围岩弹塑性区和锚注区 半径与初期支护力之闻的关系式。依据理论分析结果，分析锚注机理， 提出了软岩巷道支护定量设计的方法。应用突变理论，结合圆形巷道 有效承载圈和锚注支护圈的突变失稳模型，得到了锚注体有效承载圈 稳定的最小厚度计算式和注浆锚杆与其间排距的关系式。 本文以大坊矿巷道加固为工程背景，利用力学分析模型和应力、 应变计算式以及锚注圈的突变分析模型对典型巷道的加固处理进行 理论分析和研究，并利用f l a c 3 d 软件对典型巷道进行数值计算和 现有理论分析计算进行对比，验证了理论的可靠性和实用性。 关键词：g t m r ，h b 准则，锚注，突变失稳，支护设计5 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t t h eu n d e r g r o u n dr o c ki se q u i l i b r i u ms t a t eb e f o r et h et u n n e li s e x c a v a t e d 。o n c et h et u n n e lh a sb e e ne x c a v a t e d ，t h es t r e s sw i l lb e r e d i s t r i b u t e df o rk e e p i n gt h eb a l a n c es t a t e i nt h ec o u r s eo fr e d i s t r i b u t i n g ， i ft h ei n t e n s i t yo fr o c k si si n s u f f , 搬es u r r o u n d i n gr o c k sw i l ll o s eb a l a n c e a n dt h et u n n e lw i l lb ed e s t r o y e d ，s oi ti sn e c e s s a r yt ot a k es u p p o r t m e a s u r e st ot h es o f ta n dw e a ks u r r o u n d i n gr o c k 砀et y p e so fs u p p o r t i n g a r ea c c o r dt o 也ed i s t i n c t n e s so fr o c k s ，t h es i z eo ft u n n e ls e c t i o n ，t h e s e r v i c el i f ea n dg r o u ds t r e s s s o m et r a d i t i o n a ls u p p o r t si no u rc o u n t r y h a v eb e e nc o m m o n l yu s e d ，s u c ha sw o o d e ns u p p o r t s ，a l ls o r t so fm e t a l b r a c k e t s u p p o r t s a n ds t o n eo rc o n c r e t e l i n i n gs u p p o r t s t h e c o m p r e h e n s i v es u p p o r t sb a s e do nb o l ta n da n c h o rh a sb e c o m i n gan e w k i n ds u p p o r t st h a tc a na p p l yt ov a r i o u sr o c kc o n d i t i o n s t h ed e t e r m i n a t i o no fm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s si sab a s i c w o r ko ft u n n e l s u p p o r t i n gp r o j e c t i ti sar e l i a b l eg u a r a n t e et od i r e c t d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do nt e s ta n d r e s e a r c ho fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 鑫r o c k , t h em e c h a n i c sa n d c a t e g o r yo fs o f tr o c k s ，d a m a g em e c h a n i s mo fs o f tt u n n e la n ds u p p o r t i n g d i f f i c u l t yo fd a f a n gm i n ea r ed e t e r m i n e d a d v a n t a g e so f 刘磁ro nt h e t u n n e lr o c km a s sq u a l i t ye v a l u a t i o n g t m r ( g e n e r a lt u n n e lm a s sr a t i n g ) m e t h o di s p r o p o s e d ，w h i c hi sa p p l i e dt o e s t i m a t et h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fr o c km a s si nd e f a n gm i n e t u n n e l t h ef a c t o r so fa f f e c t i n g t h er o c km a s sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c ha si n t a c tr o c k s t r e n g t h ， g r o u n d w a t e rc o n d i t i o n , r o c kq u a l i t yi n d e x ，t h ed e p t ho ft u n n e l ， e a r t h q u a k ei n t e n s i t ya n ds h a p eo ft u n n e la lea l lt a k e ni n t oa c c o u n tb yt h e g t m rs y s t e m 。t l l ec o n t i n u o u sm o d i f i c a t i o no ft h ei n t a c tr o c ks t r e n g t h a n dt h er o c kq u a l i t yi n d e xa r ep u tf o r w a r d ，a n dt h e nt h ee r r o rc a u s e db y t h es u b j e c t i v ej u d g e m e n ti sd e c r e a s e d 弧et u n n e le x c a v a t i n gs o f t e n i n g f a c t o ra n da n c h o r i n gs t r e n g t h e nf a c t o ra r ei n t r o d u c e dt oh o c k b r o w n s t r e n g t hc r i t e f l o n u s i n g t h ef o r m u l ao ft h ea b e v et w of a c t o r s ，t h e m e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fr o c k a leo b t a i n e da f t e re x c a v a t i n ga n d a n c h o r i n g i ti sa p p l i e dt ob o l t i n g - g r o u t i n gs u p p o r ti nt h et u n n e lo fs o f t 硕士学僦论文 a b s t ra ( 玎 r o c ki nd a f a n gm i n e n o w a d a y s 。a st h ep o p u l a rr e i n f o r c e m e n tf o r mi nt h es o f tr o c k s s u p p o r t ，t h em e r i t so ft h eb o l t i n g - g r o u t i n gs u p p o r ti sc o n s t r u c tr a p i d l y , g o o dr e i n f o r c e m e n te f f e c ta n dl o w e rc o s t t h ep a p e ri sb a s e do nt h e “n e s t e dm o d e lo fc o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c so fb o l tg r o u t i n gs u p p o r t 挣i n s o f tt u n n e l ，b yu s i n gt h em e c h a n i c a lm o d e la n dt h ee l a s t i c p l a s t i ct h e o r y w h e nt h ee l a s t i c - p l a s t i ca n a l y s i si sc o m p l e t e d ，t h ee x p r e s s i o n ss t r e s sa n d d i s p l a c e m e n ti nd i f e r e n tz o n e s ，a n dt h er e l a t i v ee x p r e s s i o n sa m o n gr a d i u s o fp l a s t i cz o n e sa n db o l t i n g g r o u t i n gz o n e sa n di n i t i a ls u p p o r t i n gf o r c e s c a nb ea t t a i n e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e o r e t i ca n a l y s i s ，t h e m e c h a n i s mo fb o l tg r o u t i n gs u p p o r ti sa n a l y s i s e da n dt h eq u a n t i t a t i v e s u p p o r td e s i g no fs o f tr o c kt u n n e li sp r o p o s e d a c c o r d i n gt oc a t a s t r o p h e t h e o r y , t h ee f f e c t i v eb e a t i n gc y c l ea n dt h ec a t a s t r o p h i ct h e o r ym o d e lo f i n s t a b i l i t yi nt h ea r e ao fb o l tg r o u t i n gs u p p o r to fc i r c u l a rt u n n e l ，w ef i n d t h em i n i m u mt h i c k n e s sc o m p u t i n gf o r m u l ao ft h ee f f e c t i v eb e a r i n gc y c l e i nb o r i n g - g r o u t i n gs u p p o r tb o d ya n dt h ec o m p u t i n gf o r m u l ao ft h el e n g t h a n dt h er o ws p a c i n go fg r o u t i n gb o l t ， 1 。，i nt h i sp a p e r , t a k et h et u n n e lr e i n f o r c e m e n to fd a f a n gm i n ei n h u n a na st h ee x a m p l e u t i l i l i z i n gt h em e c h a n i c a lm o d e l ，t h ec a l c u l a t i o n f o r m u l a so ft h es t r e s s - s t r a i na n dt h ec a t a s t r o p h em o d e lo fb o l t i n g - g r o u t i n gl o o p ，t h e o r e t i ca n a l y s i ss t u d y o f r e p r e s e n t a t i v e t u n n e l r e i n f o r c e m e n ti sc o m p l e t e d , a n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nb yf l a c - 3 d a n a l y s i ss o f t a r eo ff i n i t ee l e m e n ti sa l s oc o m p l e t e d f o r mt h er e s u l t s a f t e rr e i n f o r c e m e n t ，t h et u n n e li ss t a b l ea n dt h e nt h er e l i a b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo ft h e o r yi sp r o v e db yc o m p a r i n ga n da n a l y s i n gt w o r e s u l t s k e yw o r d s ：s o f tr o c k , t h em e t h o do fg t m r , t h ec r i t e r i o no fh b ，t h e b o l t - g r o u t i n g ，s u d d e ni n s t a b i l i t y , s u p p o r td e s i g n i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果尊尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书丽使用过的材料奄与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：i 五盘圣日期：丝! 翌年上月蓝+ 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阏；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：澳基孚导师签名雄日期：业月丛鑫 硕+ 学位论文第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 软岩是世界上分布最广泛的一种岩体，其泥岩与页岩就占地球表面所有岩 体的5 0 左右】。软岩问题从2 0 世纪6 0 年代就作为世界性难题被提出【2 】，随着 人类实践的不断增强及地采的不断深入，我国西部大丌发的兴起，无论是地下 建筑、水利道路、桥梁隧道、港口和地下开采等工程中都不同程度地碰到复杂 软岩问题，直接影响着人类的生产实践，危及着人身安全。从某种程度上说， 许多工程兴建与否、成效、造价与安全大多与软岩密切相关。特别是随着浅部 资源的同益枯竭，地下开采的不断深入，采场的矿压控制与软岩巷道的维护是 世界矿业和岩石力学界的难题之一，也是目前国内外急需解决的问题之一。针 对矿山生产和其它岩土工程软岩所造成的不利影响，国内外岩土工程各界都投 入了大量的人力、物力进行软岩支护方面的研究。特别近几十年来“新奥法”隧道 施工理念、锚喷加固技术、注浆加固技术等在世界范围的广泛推广，人们对软 岩巷道的围岩变形规律和压力特征的认识上升到了一个新的台阶。与软岩特性、 软岩巷道围岩变形规律和压力特征相适应的许多支护方法和加固措施也应运而 生，锚固技术成为软岩支护最成功和最典型的技术手段之一。 结合目前的科研项目，针对我国中、东部矿山开采现状是深、薄、小、贫、 难，软岩矿山占此类矿体的比例超过了3 4 。随着地下开采不断向深部扩张， 碰到的软岩力学特征越来越复杂，由此产生的一系列问题如矿石的回收率降低、 井巷的支护成本和采矿成本增加等。 例如金鑫公司司徒铺矿矿体赋存于花岗岩强风化带，矿体顶底板围岩蚀变 强烈、极易流变、井巷采用木材衬砌支护，见图1 1 ；宝山铅锌银矿矿体赋存于 浊水组砂页岩中，矿岩强风化、松软破碎、极不稳固，巷道开挖2 3 天出现坍塌 现象，见图1 2 ，巷道采用金属网喷锚联合支护。 图1 1 司徒铺矿木材衬砌支护图1 2 宝山铅锌银矿平巷坍塌 硕 ：学位论文 第一章绪论 例如大坊金银铅锌矿矿体赋存于花岗岩和白云岩破碎带中，矿体l 下盘极 不稳固，该多金属矿品位低价值高，矿床自建矿6 年来没有m 式丌采，井巷采 用红砖衬砌支护和红砖衬砌+ 灌浆支护，分别见图1 3 和图1 4 。 图1 3 大坊矿红砖衬砌支护图1 4 犬坊矿红砖衬砌+ 灌浆支护 矿山软岩巷道采用木材衬砌支护是一种被动的支护，不能充分的利用岩体 的自身强度，增加了矿t i t 生产成本，破坏了森林。木材在地下潮湿的环境中易 腐烂，遇水软化、强度降低。尤其在煤矿中，瓦斯和电火花在有木材的条件下 更易发生火灾，给矿山工作人员的安全构成了极大的威胁。按照国家最新要求【3 】， 所有煤矿井限期在2 0 0 8 年底淘汰采煤工作面木支护，推广井巷锚喷支护。 宝山铅锌银矿巷道采用的金属网喷锚联合支护是一种柔性为主的支护方 法，能充分地利用锚杆锚固力，封闭裂隙岩体，支护效果较好，但对于需要更 大支护刚度的软岩不是很理想。 大坊金银铅锌矿井巷道采用红砖衬砌和红砖衬砌+ 灌浆支护，同样是一种传 统的被动支护，支护效果不好，没有发挥围岩的自承能力，易造成巷道突然来 压，给井下带来了突发性的安全隐患，且支护成本高，影响了矿山的经济效益。 随着生产实践碰到的软岩力学问题越来越突出，传统支护无法适应，因此， 对于矿山部分巷道及隧道软岩工程，建议采用刚柔结合较好的锚注支护。鉴于 目前对软岩的破坏机理、软岩锚注机理和力学行为的认识还不统一，锚注设计 大多处于经验和类比阶段，分析结果与实际工程相差较大。因此，对软岩工程， 尤其对锚注结构及锚注机理进行符合实际的理论分析和计算，对锚注联合支护 进行优化和定量设计是目前急切需要解决的重大问题之一。 1 2 软岩巷道支护现状 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪初发展起来的以海姆( h a i m ) 、朗金( r a n k i n e ) 和金尼克眦) 【4 】为代表 的古典压力理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量脚。其区 硕士学位论文第一章绪论 别在于：a h a i m 认为侧压系数为1 ，w j m r a n k i n e 据松散体理论认为是 t 9 2 f 4 铲一缈，2 ，藤a h 。n h n k 据弹性理论认为是( 1 一，其巾，、缈、厂分 别表示岩体的泊松比、内摩擦角和容重。 随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论许多方面不符合实际。于是， 产生了以太沙基氍跑a g 毯 和普氏( m o t o b 噍o h o b ) 为代表的塌落摸理论嘎认为塌 落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。k t e 挖a 蛳认为塌落拱形状为矩 形，丽m 。m h p o t o b r k o h o b 则认为塌落拱形状成抛物线形。塌落摸理论最大的贡 献是提出巷道围岩具有自承能力。 2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护闽题，其中最 著名的是芬纳( f e n n 砷公式1 6 】和卡斯特纳( 1 ( a s 伽砷公式 7 1 。 2 0 世纪6 0 年代，奥地利工程师l v r a b e e w i c z 在总结前人经验的基础上， 提出了一种薪的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法( n e wa u s t r i a n t u n n e l i n gm e t h o d ) ，简称新奥法( n 删m ) 【s l ，新奥法目前已成为地下工程主要设计 施工方法之一。1 9 7 8 年，l m f i l l e r 教授全瑟逢论述了新奥法方法的基本指导思 想和主要原则，并概括为2 2 条。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧 道，促使圈岩本身变为支护结构的重要组成部分，使圈岩与构筑的支护结构共 同形成坚圃的支承环。虽然新奥法应用成功地应用于不同地质情况下的隧道施 工之中，并且从最初的隧道施工扩展到采矿、水利水电等其他岩土工程领域， 但不同的应用者对它的解释还存在着许多矛盾黟乙 日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论【4 l 。该理论认为，隧 道匿岩的应交随支护结构的增加两减少，两容许应交隧支护结构的增加谲增大。 因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变之内。支护 结构的设计是在工程测量结果确定疲交的支护工程的感应系数焉确定。 2 0 世纪7 0 年代，m d s a l a m o n 等人又提出了能量支护理论【嘲。该理论认为， 支护结构与围岩相互作用、共同变形，在交形过程中，围岩释放部分能量，支 护结构吸收部分能量，但总的能量无变化。因而，主张利用支护结构，使支架 自动调整围岩释放能量和支护体吸收能量，使支护结构有释放多余能量的功能。 隧着地采的不断深入，软岩问题目益突趣，研究也不断的深入，流变力学、 断裂力学、非连续介质力学、复合材料力学、损伤力学、时间序列分析理论、 灰色系统理论和入工神经购终理论等都弓l 入了软岩工程的研究，特别隧着计算 机技术和数值计算方法的发展，以有限单元法、边界元法、离散元法等为理论 基础的计算软件大量涌现，并应用予地下工程，如：a n s y s 、p h a s e2 、a b q u s 、 a a i n a 、n o l m 、f i n a l 、s a p 、u d e c 、a d i n a 、f l a c 、3 d s i g m a 等国际 著名程序为地下工程围岩支护理论及方法的研究提供了有利的工具。 3 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 我国的软岩支护系统研究始于1 9 8 5 年。2 0 世纪8 0 年代以来，我国召开与 软岩工程相关的全国性会议已达了2 0 多谢，使地下工程软岩问题的理论研究 进入了一个新的阶段。如新奥法、联合支护、松动圈、高强度弧板支护、位移 反分析和软岩工程地质力学等不同学术理论在我囡软岩工程实践中普遍采用， 形成了百花齐放、百家争鸣、兼容并蓄、取长孝 短、不断完善的空前繁荣局面。 囡内在软岩巷道支护领域形成了几种具有代表性的控制分析理论如下： 予学馥教授等人提出的“轴交理论! l u ( 1 9 8 1 年) 和“系统优开挖控制理 论”f 2 i t l 3 ( 19 9 0 年) ，认为巷道坍塌可自行稳定，可用弹性理论进行分析，围岩破 坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍落改变巷道轴比，导致应力重新分布。 而近年来h 懿，歼挖系统控制理论认为是开挖扰动了岩体的平衡，这个不平衡系 统具有自组织功能，可内行稳定。即应力重分布的特点是高应力下降，低应力 上井，并向无挝力和均匀分布发震，直到国稳平衡。 冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉等人( 1 9 8 6 年) 在总结新奥法支护的基础上f 1 4 1 ， 提出了“联合支护技术”，认为对于软岩巷道支护，一味强调支护刚度是不行的， 要“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网、锚 喷网架、锚带网架和锚带喷架等联合支护技术。 郑雨天教授、孙均教授和朱效嘉教授为代表的学者( 1 9 9 1 年) 提出了锚喷弧 板支护理论【1 5 1 ，该理论认为对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度， 要坚决顶住；即联合支护理论的先柔后刚的剐性支护形式为“钢筋混凝土弧板”， 要坚决限制和顶住围岩向中空的位移。 董方庭教授等人( 1 9 9 4 年) 提出的圈岩松动墨理论溺，其基本观点是冠是无 需支护的巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存 在，但并不需要支护，松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难。因此，巷道 支护的目的在予防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。 李庶林等提出应力控制理论【1 7 1 ( 1 9 9 7 年l ，也称为围岩弱化、卸压法等。该 法起源子前苏联，其基本原理是通过一定的技术手段改变莱些部分圈岩的物理 力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，认为降低围岩承载区的支承压力， 使支承压力商周围深部转移，以此来提高阑岩的稳定性及承载能力。 方祖烈教授( 1 9 9 9 年) 提出主次承载区支护理论【1 8 1 ，认为巷道开挖后，在围 岩串形成拉压区域。压缩域在围岩深部，体现了圈岩的自撑能力，是维护巷道 稳定的主承载区；张拉域形成于巷道周边，通过支护加固，也具有定的承载 力，但其与主承载区相比，只起辅助的作用，因此称为次承载区。掰者协调作 硕士学位论文第一章绪论 用最终确保巷道稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、次 承载区相互作用过程中呈现动态特征来确定。支护强度原则上要求次到位。 何满潮教授( 2 0 0 2 年) 提出关键部位耦合组合支护理论f 2 】，认为巷道支护破坏 大多是由于支护体与围岩在强度、刚度和结构等方面存在不耦合造成的，要采 取适当的支护技术，使支护体与围岩相互耦含。复杂巷道支护一般要分为两次 支护，第一次是柔性的面支护，第二次是关键部位的点支护。 1 2 3 软岩巷道工程设计 2 0 世纪的、7 0 年代，软岩工程设计基本上是采用工程类艮法翻。进入8 0 年代，出现了位移反馈设计、松动圈支护荷载设计、弹性力学数值法设计。到 9 0 年代，又出现了锚网耦会设计和关键部位二次耦合设计。9 0 年代末期，我霍 软岩工程设计与施工初步形成了一套比较成熟的将类比定性、定量计算和施工 位移反馈相结合的动态综合设计程序。 1 工程类比方案设计：依据系统可靠的基础资料，主要包括巷道的堆质、+ 水文、工程地质资料，围岩的物理、化学、力学性质以及工程环境资料，类似 地质条件相邻矿井的支护及圈岩变形的相关资料，进行类比方案设计。 2 理论验算进行参数校核：根据软岩工程岩体和工程环境有关资料确定软 岩类别、岩体结构、地压显现规律，建立正确的力学模型。通过验算巷道周边 位移预计、支架的最大反力及支护结构力学参数等，从总体上验算类比法所选 取的支护类型和支护结构设计参数是否符合巷道围岩变形规律。随着电子计算 机及计算软件的迅速发展，使得理论验算校核类比参数变得更加高效、快捷。 3 施工检测与反馈设计：根据软岩工程的现场试验观测数据进行有关工程 参数的及时反馈十分重要。因芄，巷道开工盾立郾加以监测是十分必要的。 监测的主要内容：巷道围岩的物理力学变化规律；巷道围岩的位移、 变形及收敛规律；巷道围岩施加于支护上的实际荷载；典型地段巷道圈岩 深部位移变化规律。对上述4 部分实测资料进行分析整理，然后调整工程设计 参数与施王，使工程设计更家完善合理，施工更加安全快捷。 1 3 软岩支护现状评价 随着矿藏开采日益向深部发展，金属矿和非金属矿碰到软岩的问题也越来 越突出，用传统刚性结构支架在软岩巷道中更容易遭受严重的破坏。传统的被 动支护越来越不适应深部软岩。软岩支护发展到今天，为解决工程实际闯题提 供了有力的理论指导，做出了巨大的贡献。但软岩支护还存在着以下问题： 硕士学位论文 第一章绪论 1 支护对象软岩认识不够； 麟翁软岩的定义和分类尚无定论，仁者见仁，智者见智。分类标准和具体 分类指标，国内外都缺芝统一的标准和认识。对软岩的成分、软岩的工程及力 学特性和软岩巷道破坏特征及机理认识不够，阻碍了软岩巷道支护的发展和进 步。本文进一步总结和归纳前人对软岩的研究成果，完善对软岩的研究。 2 软岩质量评价和力学参数的估算缺芝统一性 露翁对于岩体质量的评价体系，有多种多样，如【l 笼蒂尔f p e 鬣1 9 6 8 ) 提出的按 岩石质量指标r q d 值将岩石分为五类；巴顿( b a r t o n , 1 9 7 4 ) 等人综合考虑了r q d 、 节理数、节理面粗糙度、节理蟊蚀交程度、裂隙水及地应力的影响等六令方露 的因数提出的岩体综合质量q 指标评价体系；应用最广泛的是宾尼奥夫斯基 ( b i e n i a w s k , 1 9 7 3 ，1 9 7 6 ，1 9 8 9 ) 综会考虑了完整岩石强度指标、岩石质量指标、 节理间距、节理条件及地下水影响等方面的因数提出的r m r ( r o c km a s sr a t i n g s y s t e m ) 法；我国岩土工程勘察规范和冶金部制定的锚喷支护岩体分类表 按岩体结构将岩体分为整体状、块状、层状、碎裂状和敖体状五种结构分为五 类岩体。本文基于r m r 法，进一步完善和修正r m r 法，提出g t m r ( g e n e r a l t u n n e lm a s sr a t i n g ) 法，更有利予评价巷道岩体质量和估算巷道岩体力学参数。 3 软岩支护理念不合适 用传统硬岩中的支护概念来处理软岩支护问题，误认为围岩越软，地应力 越大，设计的支护体就应越厚；盲目地采取砌体加厚等手段，以求能硬顶住软 岩的压力，丽不去提高围岩自身强度及稳定性和考虑支护与围岩联合共同作用， 加大支护结构厚度往往是事倍功拳。 4 底板加固的重要性认识不够 森予软岩巷道具有隧周来压等特点，底鼓量往往占顶底板移近量主要部分。 同时，由于目前国内普遍缺乏对软岩巷道底板的支护与加固的认识，加之水蚀 和软化作用，使得巷道底板戒为整个支护系统的薄弱环节。建议对予软岩巷道， 采用全面支护，贯彻“强帮固顶的思想。 5 合理的选择锚固技术问题 工程实践证明f 捌，锚喷、锚网喷、锚两、喷射混凝土、锚索和锚注联合支 护等是软岩支护的有效手段。有时可单独使用，有时可相互配合使用，都有大 量的成功的施王实例。同时随着锚霜材料、工艺、设备和技术不断的改进，各 种各样的锚固技术如雨后春笋不断涌现。锚固技术已经广泛地渗入到隧道、地 下建筑、东利、边玻、桥梁和地基处理等各个领域。锚固技术多种多样，根据 软岩力学性质和锚固技术适应范围等选择合理的锚固技术，是支护设计的关键。 实践证实，锚注联合支护是软岩巷道支护的最有效艉支护方法。 6 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 研究内容、方法及技术路线 1 4 1 研究的目的和意义 岩体力学参数的合理确定是巷遒工程中项基础王作，是巷道工程实践中 需要解决的一个重要问题，直接关系到巷道王程的安全性和经济性。巷道稳定 性分析必须对岩体力学特性有深入的了解，对岩体力学参数进行合理估计。但 蠢予岩体赋存予一定的缝质环境之中，其形成、变形及破坏过程中经历了一定 的历史地质作用，从而形成了具有定物质组成、结构、构造和力学特性的地 质体，并继续在特定缝质环境中遭受新变形和破坏，使得其具有高度复杂性。 卷体不同于其它力学介质的主要特点就是在于其不均匀性、不连续性、各向异 性和随时闻变化的特性，因此岩体力学参数研究就是如何解决不均匀性、不连 续性、各向异性和随时间变化特性带来的问题，这是正确认识巷道岩体的关键。 本文进一步总结软岩力学特性，完善和修正r m r 法，提出g t m r 法，为 软岩力学及地下工程支护深入研究提供一定的基础。通过支护方法的选择，确 定采用锚注联合支护加固大坊矿软岩巷道。对锚注结构破坏机理进行研究，进 一步完善和优化镂注结构设计，为锚注联合支护定量设计提供定的理论基础。 基于突变理论确定锚注体厚度及注浆锚杆长度，并把此理论用于指导工程实践。 1 4 2 研究的内容和方法 本文采用理论分析、数值模拟和工程实例相互验证、朴充的研究方法，在 综合前入研究资料的基础上，以软岩工程力学和软岩巷道变形力学机制为切入 点，以大坊矿软岩巷道为背景，利用g t m r 法，借助于软岩巷道支护理论，总 结和分析软岩巷道支护力学模型和力学参数，为锸注支护设计掇供理论支持。 1 基于r m r 法，提出g t m r 法对岩体力学质量进行评估，结合h b 破坏 准则，弓l 入开挖弱化因子和锚露增强因子，进一步细化评估岩体质量，合理估 算岩体的变形参数一弹模e 和及强度参数一粘结力c 和摩擦角； 2 以数值模拟和工程实际资料研究为依据，对软岩和锚固支护体的力学行 为进行研究，结合软岩巷道围岩和锚固支护体力学分析的模型，为锚注支护机 理的研究提供一定的理论基础；。 ； 3 基予力学分析的研究模型，确定最佳锚注时间段，利用弹塑性力学理论 研究软岩巷道围岩和锚固体之间的相互作用机理，给出相关区域的范围及其相 互之闻的控制关系，为巷道的定量控潮设计提供依据； ， 4 针对软岩巷道围岩和锚注体非线性特性，基于突变理论和锚注体突变失 7 硕士学位论文 第一章绪论 稳力学模型，确定锚注体承载圈的最小厚度和注浆锚杆的长度； 5 。借动于f 1 a c 3 d 数值模拟软件，模拟镭注前嚣巷道应力和位移情况。 1 4 , 3 研究的目标及创新点 ， ，本文通过2 年的研究，有了以下几个方面的创新： ， 1 基于r m r 法，提擞了g t m r ，用于软岩巷道锚固前艨岩体力学参数的估 算，为软岩工程力学模型分析计算、数值模拟可靠性和巷道的工程设计与施正 提供了定的力学基础保障； 、 ：， 2 进一步补充和完善了软岩力学特征和巷道支护理论，为软岩力学及软岩 地下工程支护设计深入研究提供定的理论基础；、 3 基于锚注体力学分析模型，以弹塑性理论力基础修正了弹性力学理论建 立的弹性区、塑性区计算式，并建立了原岩塑性半径、残余强度区半径、锚固 区塑性半径与初支护力之闻的关系式等；： 1 ， 4 基于突变理论和锚注体突变失稳力学模型，得出锚注体最小的厚度计算 式和注浆锚杆的长度与闻距的关系式。，。 得到的一些理论分析结论和计算公式为锚注支护定量设计，提供了一定的 理论依据和参考。、 1 , 4 4 研究的技术路线 本文的技术路线如图1 5 所示。 l 蝗矮溪查 ，l 较岩力学 ll 广义珏8 强度|一支护捷纯分耩 上上 岩猫取样 1 分类研究弱化因子强化因子 非线性软岩巷道锚阎机理l 毒毒 毒 毒善毒 力学实验h 类别鉴定 。 开挖影响锚同影响 嵌套模型锚注结构 l 占毒毒 上毒 l 工程特住及影响因素分析 h b 强度参数确定 弹塑性分析| 突变失稳 l 上i 上上 。ij 。：。i |虫瞄下舞缝堙糟l 祭蝣l g t m r t 匿l7 l 力学参效 1 l 哭晒上径强洼仇万识 l 0 l 工程实跤| _ 4 最佳锚注对阏叫 确定锚注参数 l ； 图1 5 技术潞线图 i 硕士学位论文第二章软岩力学特性及巷道失稳分析 第二章软岩力学特性及巷道失稳分析 软岩的力学特性是研究软岩巷道稳定性及支护设计的基础。如何判别种 岩体是否是软岩，是基蘸岩工程界尚无定论的课题。本章总结翁入研究成采， 根据现场地质调查、力学试验和巷道变形破坏特征，确定大坊矿巷道岩体属性。 2 。重软岩的定义和分类 2 1 。1 软岩的定义 软岩亦称为松软岩层，不仅指围岩岩体松散，而且指围岩不稳定或极不稳 定。软岩是我国煤炭系统的习惯用语，焉我霞冶金系统一般称为不良圉岩，国 外一般称不稳定、极不稳定围岩或困难岩层。为了统一对松软岩层的认识【2 0 1 ， 在1 9 8 4 年1 2 胃，煤炭工业系统在昆魄召开的“煤矿矿出压力名词讨论会”上将软 岩定义为“强度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含 有大量易膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层”。1 9 8 6 年n 月，在广东茂名召 开的“软岩分类及支护形式学术”讨论会，对软岩又补充了“流交及高应力的内 容。但根据定义很难判断围岩的稳定性，更谈不上用量化指标来判别。国内外 对于软岩的定义尚来统一，严重阻碍了软岩学术交流和研究的深入，因此对这 一定义有待进一步的研究。总结归纳前人研究，将软岩定义分为描述性定义h 工程性定义、指标化定义和综合性定义4 大类 2 1 1 2 1 1 1 2 2 。 1 描述性定义1 有人提出依据岩体的抗压强度、破碎松散程度、矿物成分、膨胀及风化程 度、变形量等来判断盈岩稳定程度；也有人提出依据岩体的空隙度大、胶结性 差、受构造面切割显著来判断围岩稳定程度；还有提出依据成岩时间短、结构 疏松，自身强度低来判断匿岩稳定程度等等来定义软岩。 2 工程性定义 中国矿大董方庭和庇守敏教授认为松动圈大于1 5 m 且常撬支护无法适用需 “多次支护，需翻修”的围岩为软岩。 3 。指标化定义 1 9 4 4 年g r u s s o 定义单轴抗压强度小于1 7 m p a 的岩石为软岩；1 9 9 3 年i s r m 国际岩石力学学会定义，指单轴抗压强度在0 5 2 5 m p a 的岩石为软岩；根据岩 石单轴抗压强度瓯和垂直自重应力之比，当c r c ，群 l 为极不稳定岩层，当 a 。i 垂i 2 为软岩。 9 硕士学位论文第二章软岩力学特性及巷道火稳分析 4 综合性定义 力? 理论的统一孓便于理论研究和工程应用，将软岩分必地质软岩和工程 软岩【2 3 1 。地质软岩是指强度低、空隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化 影响显著或含有大量软弱、松散、破碎、膨胀性岩体的总称，是岩石的物理特 性描述。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成复杂地质 介质。工程软岩则定义在工程力作用下能够产生显著塑性变形和流变特性工程 岩体，是岩石交形特性描述。其中工程力是指作用在巷道工程岩体上各种力的 总和，它可是重力、构造残余应力、水作用力和工程扰动力及膨胀应力等。一 工程软岩和地震软岩的关系1 2 】：当工程载蘅相对手地质软岩( 如泥页岩等) 强 度足够小时，地质软岩不产生显著塑性变形特征，即不作为工程软岩，只有在 工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才维为王程软岩；在高深度高压力 作用下，部分地质硬岩( 如泥质胶结砂岩等) 也呈现显著变形，也应视为工程软岩。 2 。1 2 软岩的分类 根据软岩发生显著塑性变形的机理不同，工程软岩又细分为膨胀性软岩、 高应力软岩、节理纯软岩和复合型软岩，详缨分类见表2 - l 。 表2 - 1 工程软岩分类与分级汇总表 软岩 分类指标 分缀指标 抗压强度 软岩分级 变形量膨胀矿物 分类泥质含羹结构画 w o 舢p 毫 嬲缀份含量 膨胀性 1 5 2 5少多缎弱膨胀校软岩 1 0 1 5m 、蠢l 耋锺 3 0 辩| oc 魄应力永警m p a 高应力 k 高应力软岩0 8 - - ! 22 5 | 5 0 s 2 5 芝2 5少 较岩超裹应力坎岩1 扣2 奄剐s ， 极高应力软岩 2 0 7 5 节理间距 完整系数七， 节理组数 m 节理纯 5 一2 s 低中等 多维 较破碎软岩l 3o 2 - 0 4o 5 5 n 3 s 软岩 破碎软岩犸0 1 旬20 3 5 一d 1 5 援蔽礤软岩 光序銎 夔l磙1 5 复合型 软岩 含低高少一多组根据具