（岩土工程专业论文）高应力软岩回采巷道锚杆（索）耦合支护技术研究.pdf

论文题目：高应力软岩回采巷道锚杆( 索) 耦合支护技术研究 专业：岩土工程 硕士生：王进锋 ( 签名) 选缝 指导教师：杨更社( 签名)幽垃 摘要 随着矿井开采规模的加强和开采向纵深方向发展，地应力越来越高，巷道围岩越来 越多的呈现出软岩特性，软岩巷道的支护与维护问题变得更为突出。近年来，随着煤巷 锚杆支护技术日趋成熟，锚固支护得到普遍推广和应用。但是，对于锚固技术在高应力 软岩巷道中的应用有其自身的特点。在工程运用中，依然存在围岩变形过大、锚杆锚索 破断、甚至工程事故等现象。能否解决好软岩巷道的支护问题，是煤炭开采向纵深发展 和安全生产的关键。 本论文运用理论分析、现场监测、实验室试验和工程实践相结合的方法，对高应力 软岩巷道锚网索耦合支护技术进行了系统研究。论文在研究高应力软岩巷道变形破坏、 锚网索耦合支护理论的基础上，首先通过运用f l a c 3 d 数值模拟软件模拟耦合支护，验 证了耦合支护能够很好地解决软岩巷道的支护问题；然后，以神华宁煤集团石炭井二矿 为工程背景，通过以下三点实现了支护结构和围岩耦合支护： 通过对巷道断面收敛监测数据分析，确定锚索最佳支护时间，实现了锚索和围岩 时间上强度的耦合支护。 通过实验室试验，结合刚度耦合理论分析，找到了能够实现支护结构和围岩空间 上刚度耦合的耦合试件，并在现场中进行应用，取得了良好的支护效果。 关于锚杆和围岩的刚度耦合，关键问题在于确定锚杆允许的变形量。论文通过对 巷道顶板离层的监测数据分析，找出了锚杆耦合时的变形量，确定出了锚杆的耦合试件， 应用于现场，取得了良好的支护效果。 本论文以软岩的耦合支护理论为基础，通过现场监测、实验室试验及现场应用，为 高应力软岩巷道围岩支护探索了新的途径，特别是耦合试件必将在高应力软岩巷道支护 中起着重要的作用。 关键词：高应力软岩；锚杆支护；数值模拟；耦合支护 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nb o l ta n dt i g h tw i r ec o u p l e ds u p p o r to fg a t e w a y w i t hh i g hg e o s t r e s ss o f tr o c k s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gj i n f e n g i n s t r u c t o r ：y a n gg e n g s h e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) w i t ht h em i n es c a l ee n h a n c i n ga n dt h em i n et o w a r dd e e pl e v e l ，t h eg e o 。s t r e s sb e c o m i n g m o r ea n dm o r es t r o n g l ya n dt h ew a l lr o c ko fg a t e w a ym o r ea n dm o r ee x h i b i t s t h e c h a l a c t e r i s t i co fs o f tr o c k ，t h ep r o b l e mo ft h et i m b e r i n ga n dt h em a i n t e n a n c eo fs o f tr o c k g a t e w a yi sm o r ea c u l e a t e r e c e n t l ya n c h o rr e i n f o r c eh a sb e e ne x t e n s i v eu s e db e c a u s et h e b o l t i n go fc o a lg a t e w a yh a sm e l l o w e d h o w e v e r ，t h ea n c h o rr e i n f o r c eu s i n gi ns o f tr o c k i s d i 髓r e n ta n dh a si t sc h a r a c t e r i s t i c i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，p h e n o m e n as u c ha sw a l lr o c k d e f - o n n a t i o nt o ol a r g e ，b o l ta n dc a b l eb r o k e n ，e v e ne n g i n e e r i n ga c c i d e n t ，s t i l le x i s t s s u p p o r t o fs o f tr o c ki sv e r yi m p o r t a n tf o rm i n i n gc o a l b vm e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，m o n i t o r i n gi ns i t e ，e x p e r i m e n ti nl a ba n de n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，b o l t n e t t i g h tw i r ec o u p l e ds u p p o r to fg a t e w a yw i t hh i g hg e o s t r e s s s o f tr o c kl s s y s t e ：m i cr e s e a r c h e d b a s eo nt h er e s e a r c ho fh i g hg e o - s t r e s ss o f tr o c kg a t e w a y d e f o r m a t i o n b r e a ka n db o l t - n e t t i g h tw i r ec o u p l e ds u p p o r tt h e o r i e s ，t h r o u g hs i m u l a t i n gc o u p l es u p p o r t u s i n gn 啪e r i c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r ef l a c 3 d ，i ti sv a l i d a t e dt h a tc o u p l es u p p o r tc a n c o m m e n d a b l ys o l v et h ep r o b l e mo fs o f tr o c kg a t e w a ys u p p o r t ，t h e no nt h e g r o u n do ft h e p r o je c to fs h i t a n j i n gm i n eo fs h e n h u a n i n g m e ig r o u p ，c o u p l es u p p o r t i sa c h i e v e db yt h r e e s t e pb e l o w t h ei n t e n s i t yc o u p l e ds u p p o r to fc a b l ea n dw a l lr o c ki sc o m p l e t e db ya n a l y z i n gt h e m o n i t o r e dd e f o r m a t i o nd a t ao fg a t e w a ya n df i n d i n gt h eb e s tc a b l es u p p o r tp e r i o do f t i m e b a s e do ne x p e r i m e n ti nl a b ，c o m b i n i n gw i t ha n a l y s i s o fr i g i d i t yc o u p l e ds u p p o r t t h e o r y , c o m p o r t e n tt h a tc o u p l e ss u p p o r ts t r u c t u r ea n dw a l lr o c kr i g i d i t yi s f o u n da n da p p l i e d o ns i t e ，i tw o r k sw e l l t h ek e vi s s u e so fb o l ta n dw a l lr o c kr i g i d i t yc o u p l i n gi sf i n d i n g t h ed e f o r m a t i o nr a n g e o fb o l t b va n a l y s i so fm o n i t o r e dd a t ao fa b s c i s e sl a y e ri ng a t e w a yf l o o r , d e f o r m a t i o nr a n g e a n dc o m p o n e n to fb o l tc o u p l i n gi sf o u n d i tt a k e sg o o de f f e c to ns i t e t h en e wm e t h o do fs o f tr o c kg a t e w a ys u p p o r ti sf o u n di nm yp a p e r , b a s i n go ns o f tr o c k c o u p l e ds u p p o r tt h e o r y , b ym o n i t o r i n go ns i t e ，e x p e r i m e n ti nl a ba n da p p l y i n go ns i t e s o ， c o u p l e dc o m p o n e n t w i l lt a k ei m p o r t a n te f f e c ti nh i g hg e o s t r e s ss o f tr o c kg a t e w a ys u p p o r t k e yw o r d s ：s o f tr o c ko fh i g hg e o s t r e s s b o l ts u p p o r tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o u p l e ds u p p o r t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：占池彩每日期：1 矽瓯印， 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：了褪辨指导教师签名： 桶斯 年年月6 日 1 绪论 1 1 课题研究的意义 1 绪论 煤炭资源自工业革命以来一直是工业发展的基本推动力，煤炭的开采随着经济的发 展逐渐成为一门专业学科。在开采过程中，如何维护巷道的稳定性成为采矿工程乃至岩 土工程急需解决的问题。多年来，巷道的支护手段和支护方法有了长足的发展。从被动 的棚子支护到主动的锚杆支护，针对不同的地质条件和实际工程条件，它们有不同的使 用范围。同时，在支护的发展过程中，支护理论有了比较完备的发展。锚杆支护是一种 比较先进的支护方式。它可以适用于不同的地质条件，而且劳动强度低，经济效益好【l 】。 但是对于地应力较大，岩层较软的巷道，单纯只用锚杆是不能达到巷道的稳定性的要求 的。锚杆和锚索联合支护就能很好的维护软岩高应力巷道。 在锚网索联合支护过程中，往往由于其中一种因素失效而导致整个支护结构失去作 用，或者矿山压力只是作用于其中一种构件，其他构件不起作用。不能使联合支护达到 完全耦合，充分发挥他, f f 的共同作用。 在以往的支护过程中，为了达到巷道的稳定性，单纯的从增加锚杆和锚索的强度和 刚度上着手，没有考虑支护结构和围岩的相互作用，不能充分挖掘锚杆和锚索支护潜力， 尽管在经济上增加了投入，但是支护效果不明显。充分发挥联合支护的耦合作用不但能 良好的维护巷道的稳定性，而且可以为煤矿经济带来更大的效益。在煤矿安全生产，高 产高效中具有重要意义。 1 2 煤巷锚固支护技术研究现状 煤矿巷道支护经历了棚式支护到锚固支护的过程。锚固支护表现为主动支护，相对 棚子的被动支护具有明显的优势：可显著提高支护效果、降低成本、减轻工人劳动强度、 改善作业环境、保证安全生产、有利于采煤工作面快速推进。 1 2 1 锚杆支护理论 锚杆在锚固支护中起主导作用。由于近年来煤炭开采的强度逐年增大，锚固支护技 术在大面积推广使用。实践表明，锚固技术除了以上的明显优势以外，它还能适应于不 同的地质条件。在锚固技术推广使用过程中，以锚杆为主体的锚固理论得到了很大的发 展。按现有锚杆支护理论，锚杆支护作用主要有悬吊理论、组合梁理论、加固拱理论、 构造应力作用理论、提高围岩强度理论等【2 】 【3 1 。 ( 1 ) 巷道锚杆支护悬吊理论 西安科技大学硕士学位论文 悬吊理论认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上， 以增强较软弱岩层的稳定性。这种支护理论应用比较广泛，但存在以下明显的局限性： 锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下，锚杆的支 护阻力等于破碎岩层的重量，而这种条件在巷道中并不多见。 没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应力比较 大时，顶板离层很大。为了减小破碎岩层的离层，保持顶板的稳定性，锚杆工作阻力必 须增大 当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度的提高破碎岩层 的整体强度，使其具有一定的承载能力，从而减小锚杆受力。 总之，悬吊理论在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而是将锚固体与原岩体分开， 与实际情况有一定差距。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底【4 j 。 ( 2 ) 巷道锚杆支护组合梁理论1 6 j 组合梁理论认为：如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠 锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象； 另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动，从而将巷道顶 板的锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层( 组合梁) 。其原理如图1 1 所示。 组合梁理论充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，原理上对锚杆作用分析的比 较全面，但它存在以下缺陷： 组合梁有效厚度很难确定。它涉及到影响锚杆支护的众多因素，目前还没有办法 可较可靠的估计有效组合的厚度； 没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的作用。在水平应力较大的 巷道中，水平应力是顶板破坏失稳的主要原因。 ”，1川l 川l j l ii 、 多层组合梁状况 组合梁中部最大应力盯2 甄m 6 图1 1多层组合梁的应力状况 ( 3 ) 巷道锚杆支护组合拱理论 2 1 绪论 图1 2 锚杆的组合拱作用 组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形 成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆 形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这 个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载【7 1 。在承压拱内的岩石径向及切向均 受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图1 2 所示。 组合拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软弱煤层中得到广泛应用。但也同 样存在一些缺陷： 加固拱厚度涉及的影响因素多，很难准确估计； 加固拱厚度远小于巷道跨度时，加固拱是否发生破坏不仅与其强度有关，更主要 取决于加固拱的稳定性，在该理论中没有考虑。 ( 4 ) 构造应力理论 构造应力作用理论即最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔( w j g a l e ) 提出。该理 论认为矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平 应力一般为最小水平应力的1 5 一- 2 5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响， 且有三个特点： 与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板的稳定性达到最好； 与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏就会偏向巷道的某一帮； 与最大水平应力垂直的巷道，项底板稳定性最差。 在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造 成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于铀向的岩层剪切错动，因 此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用哺1 。最 大水平应力理论，论述巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作 3 西安科技大学硕士学位论文 用。 ( 5 ) 提高围岩强度理论旧1 主要有以下几点： 锚杆锚固后围岩岩体力学性能得到了改善，锚杆加固后提高岩石强度、弹性模量、 粘聚力和内摩擦角； 系统布置锚杆可以提高岩体的物理力学参数，锚固体的c 提高较大，而q 提高的 幅度不大； 锚杆锚固区域围岩具有正交异性，在锚杆沿着试件的轴向时，围岩的e 随着锚杆 密度的增加而增大，围岩强度的提高主要是内摩擦角( p 增加，而c 几乎没有变化； 合理的锚杆支护可以有效地改变围岩的应力状态和应力应变特性，且不同弹性模 量的带锚岩体所表现的锚固效果是不同的； 锚杆的锚固效果与锚杆密度、长度、型式、锚杆材料的抗剪刚度和强度有关，并 从不同角度提出了最佳的锚杆布置方案； 锚固体的变形破坏符合莫尔一库仑准则； 锚杆支护在力学上等价于对孔硐周围岩体施加一定量的径向约束力。 以上各种锚杆支护理论都是在不同的地质条件下提出来的，它们都从不同的侧面阐 述了锚杆支护围岩的作用机理。在实际的支护过程中，一般情况下是几种支护理论共同 作用，它们在很多情况下并不矛盾。 在锚杆支护理论中，锚杆相对于传统的支护方式最明显的优势体现在它的主动支护 上。主动支护的具体方法就是在锚杆影响围岩的情况下，让围岩自身产生承载层，即次 生承载层。次生承载层形状以拱形最为理想。以组合拱为基础，悬吊于稳定岩层之上就 会使巷道支护达到最理想效果。建立组合拱使其具有承载作用，除了要在外在应力的作 用下形成拱的形状之外，最主要就是通过锚杆支护改善围岩的力学参数，提高围岩的强 度。所以对于一个具体工程而言，将几种支护理论综合考虑，从而达到最好的支护效果。 这些研究成果，在一定程度上定性或定量地说明了一些重要问题，例如锚固体的极 限强度和e 、c 、q 的提高等。但这些研究成果主要偏重于地表加固工程和浅埋巷道工 程。对于煤矿巷道特别是煤巷，由于围岩松软、埋藏深，受采动、构造应力的影响，地 应力很大，巷道围岩破坏严重，因而，其周围存在着破碎区、塑性区和弹性区，相应巷 道周围锚杆锚固区域的岩体则处于破碎区或处于上述两个或三个区域之中，相应锚固区 域的岩石强度处于峰后强度或残余强度。只有掌握围岩峰值后强度和变形的特点以及锚 杆对提高围岩峰值后强度和残余强度的作用，才能从根本上揭示锚杆支护的作用机理。 1 2 2 锚索支护理论 4 1 绪论 锚索与围岩的作用机理和锚杆相似，但是相对于锚杆，锚索又有自身很大的优势。 在锚固支护技术中，对于高应力软岩，单纯的使用锚杆显然是不能满足巷道稳定性需要 的。锚索补强支护具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、锲固作用以及改善围岩强度 作用以外，与普通锚杆不同的是对顶板进行深部锚固而产生的强大的悬吊作用，并且沿 巷道纵轴线形成连续的支撑点，以大预紧力减缓顶板变形扩张，改善巷道受力条件，使 顶板得到有效控制，片帮问题也得到了解决。 锚索相对于锚杆具有的明显优势：一是长度较长，能够锚入到深部稳定岩层中去： 二是可施加预应力。锚杆支护对巷道顶板起加固作用，改善并保持顶板的整体性。当其 上有极软弱夹层时，钉几根锚索，就可以将锚固体悬吊于稳定坚硬的老顶上，避免其离 层及出现巷道项板整体下沉或垮落。构成锚索的主要材料，一般有高强预应力钢绞线、 高强预应力钢丝和精轧螺纹钢筋。预应力锚索加固岩体的实质，就是通过锚索对被加固 的岩体施加预应力，限制有害变形的发展，从而保持岩体的稳定。在煤矿软岩巷道加固 工程中采用预应力锚索，有如下两个特点：是锚索的长度较长，可根据实际需要来确 定，使其能够锚入到深部比较坚固稳定的岩层中去，并且能够施加相当数量级的预应力， 是一种有效的主动支护方式。是锚索的施工比较灵活，可以和其它加固措施相结合， 具有不缩小巷道断面、工期短、安全可靠和节约资金等优点，尤其对破坏巷道的加固与 其它方法相比更具有优势。 1 2 3 锚网索耦合支护 在实际工程中，单纯的依靠某一种支护理论或某一种支护形式很难满足工程需要。 尤其是在煤矿巷道中，地质条件复杂，巷道彼此之间的影响很大，造成围岩活动规律具 有不确定性。所以，一种好的设计方案必须将锚杆的各种支护理论取长补短，将各种支 护形式综合运用，这样才能达到维护巷道稳定性的要求，满足工程需要。从这个思路出 发，锚网索联合支护可以满足这种需求。 但是随着开采深度的增加，地应力变大，围岩岩性变软，这样就给联合支护带来困 难。在实际工程中，经常出现锚索和锚杆大量破坏，从而导致支护结构失去支护走用， 影响巷道稳定性。在这种情况下，充分发挥锚固技术的支护潜力，不但要从锚杆和锚索 的刚度和强度上着手，更重要的是从围岩和锚固结构的相互作用下力求发挥锚网索联合 支护的最大作用。从而完成锚网索耦合支护。 1 3 论文研究内容 本论文以神华宁煤集团石炭井二矿为工程背景，对2 1 0 5 3 回采工作面的区段巷道 锚固技术进行深入研究。在经典锚杆支护理论和高应力软岩力学特性的基础上提出锚网 索耦合支护思想，结合生产实践对锚网索耦合支护技术进行深入探讨。研究的主要内容 5 西安科技大学硕士学位论文 如下： ( 1 ) 在经典锚杆支护理论上，深入探讨锚网索耦合支护理论，并且提出在实际工 程中锚网索耦合支护需要解决的主要问题。 ( 2 ) 系统论述软弱围岩破坏规律，分析软弱围岩的变形特性，并且探讨煤矿巷道 稳定性特点。 ( 3 ) 以神华宁煤集团石炭井二矿为工程背景，探索新的回采巷道设计方法，以适 应回采巷道不断变化的地质条件。 ( 4 ) 充分利用动态信息的设计方法，分析如何实现锚杆和锚索与围岩的耦合。主 要从以下三个方面着手： 锚索施工的时机问题，在时间上把握锚索与围岩的强康耦合。 锚索和围岩的相互变形问题，从刚度上实现锚索与围岩的空间耦合。 锚杆和围岩的相互变形问题，从刚度上实现锚杆与围岩的空间耦合 6 2 软弱围岩破坏规律及巷道稳定性 2 软弱围岩破坏规律及巷道稳定性 煤矿软弱煤层巷道工程作为软岩工程的一个主要组成部分，其支护设计理论必须以 符合软岩大变形力学特性的软岩工程力学理论为基础。现代支护理论是软弱煤层巷道支 护设计的基础，弄清软弱煤层巷道破坏机理对煤巷支护设计有重要的理论及实际意义。 2 1 软岩的概念 2 1 1 概述 随着人类采矿活动的不断深入，软岩地下工程越来越多，所遇到的问题也越来越复 杂，其显著特点之一就是与工程因素密切相关，这样软岩工程的实践过程中就提出了许 多难以用经典力学来解释或解决的课题，这就促进了软岩工程力学的诞生。软岩工程力 学的深入研究又必将对软岩工程的顺利发展起到积极作用晗0 | 。 什么是软岩? 我国目前井巷掘进与支护领域的许多专家、学者和现场科技工作者都 习惯地把“松软岩层”简称为“软岩 。目前，由于缺乏充分的科学标准数据，再加上 各地区对工程特点认识上的差异，国内外对松软岩层概念上理解并不一致，名词术语也 不尽统一。有的叫“软岩”，有的叫“不良岩层”，“复杂岩层”，也有叫“破碎岩层”。 但总的来说，它们的基本特征都是松、散、软、弱，是相对于致密、坚硬、支护容易的 岩体而言的。 从2 0 世纪6 0 年代到9 0 年代，关于软岩的概念在国内外一直争论不休，产生的软 岩定义多达几十种。概括起来，大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义三类： ( 1 ) 描述性定义1 2 u 以描述性文字定义软岩，认为软岩指松散、软弱的岩层或认为软岩是软弱、破碎、 松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的岩体之总称。淮南矿业学院朱效嘉教授提出： 松软、破碎、膨胀及风化等岩层称为软岩；1 9 8 4 年1 2 月，在昆明举行的“煤矿矿山压 力名词讨论会 上定义：松软岩层是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割 及风化影响显著或含有大量膨胀性乳土矿物的松、散、软、弱岩层。 ( 2 ) 指标化定义 以岩石抗压强度为指标定义软岩。s i r m ( 国际岩石力学学会) 定义软岩是指单轴 抗压强度在o 5 2 5 m p a 的岩石。g r u s s o ( 1 9 9 4 ) 定义软岩指单轴抗压强度小于1 7 m p a 的岩石。 ( 3 ) 工程定义 从工程实践研究中提出软岩的定义。中国矿业大学董方庭教授、鹿守敏教授以围岩 7 西安科技大学硕士学位论文 松动圈理论为依据分别提出：松动圈厚度大于1 5 m 的围岩；松动圈厚度大于1 5 m 且用 常规支护不能适应的围岩称为软岩。还有定义松软岩层是指“难支护的围岩或“多次 支护、需要重新翻修的围岩”等等。 2 1 2 工程软岩的概念 为了使软岩的概念能概括软岩的本质特征，简明扼要的反映软岩的实质性规律。我 们提出了新的软岩概念极其分类体系。为了便于研究和工程应用，将软岩分为地质软岩 和工程软岩。 ( 1 ) 地质软岩 按地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切 割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层。该类岩石多为泥 岩、页岩、粉砂岩和泥质粘土岩等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国 际岩石力学协会将软岩定义为单轴抗压强度在o 5 2 5 m p a 之间的一类岩石，其分类依据 基本上是按岩石的强度指标。按强度指标来定义软岩，往往在工程实践中会出现矛盾。 例如地下隧洞所处深度足够的小，地应力水平足够的低，尽管岩石强度小于2 5 m p a ，但 岩石不会产生软岩的特性；如粘土岩( s 2 h ) 室内剪切流变试验时，只有剪切应力达到一定值 以后力1 出现软岩变形的特征；相反，大于2 5 m p a 的岩石，在较大荷载的条件下也会出 现流变性。例如三峡工程船闸高边坡的花岗岩体等。 ( 2 ) 工程软岩 工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的 软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，而工程软岩是不仅重视软岩的 强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小。工程力是指作用在工程岩体上力 的总和，它可以是重力，构造地应力，水的作用力，工程扰动力以及岩体膨胀应力等； 显著塑性变形是包含显著的弹塑性变形，粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。 工程软岩的变形特性的实质是相对性的，其变形性质取决于工程力与岩体强度的相 互关系。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特 性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性；而对同种岩石，在较低工程 力的作用下，则表现为硬岩的变形特性；在较高工程力的作用下，则可能表现为软岩的 变形特性。本论文所讨论的软岩就是指工程软岩，主要特性就在进入塑性区以后，仍然 具有承载作用2 2 1 。耦合支护就是在允许巷道一定的变形的条件下，充分发挥塑形区的承 载作用。 2 2 软岩巷道失稳力学机理 一般认为软弱煤层巷道工程不产生围岩破坏或过大变形而妨碍工程的生产使用和 8 2 软弱围岩破坏规律及巷道稳定性 安全，巷道工程即为稳定。软弱煤层地下工程的稳定性主要视岩体的强度及变形特征与 开挖后重新分布的围岩应力这二者互相作用的结果而定，前者强于后者则稳定。 软弱煤层巷道工程失稳力学机理实质上是地层压力效应结果，当二次应力量值超过 了部分围岩的塑性极限或强度极限或使围岩进入显著的流变状态，则围岩就发生显著的 变形、破裂、松碎、破坏等现象，表现出明显的地层压力效应n 副。地层压力效应是指地 下工程开挖后重新分布的二次应力与围岩的变形及强度特性互为作用而产生的一种力 学现象。地层压力可分为松动压力、形变压力、膨胀压力等。软弱煤层地下工程失稳主 要是这三种压力对围岩本身的支护结构作用的结果，当巷道工程支护不及时，变形压力 和膨胀压力会使围岩破坏并转变为松动压力，引起围岩失稳。 2 2 1 松动压力作用 松动压力是松动岩体直接作用在地下工程支护上的作用力，大多出现在地下工程的 顶端及侧帮。其形成原因是地下工程开挖后，围岩应力重新分布，部分围岩或其结构面 失去强度，成为脱离母岩的分离块体和松散体，在重力作用下，克服较小的阻力产生冒 落和塌滑运动。这种压力具有断续性和突发性，很难预见什么时间有多大范围的分离块 体会突然塌滑下来，形成这种压力的关键因素是地层的地质条件和岩体的结构条件。在 松散地层如断裂破碎带、挤压蚀变带易于产生此种压力i l 训。 2 2 2 形变压力作用 主要指在二次应力作用下，围岩局部进入塑性变形，缓慢的塑性变形作用在支护结 构上形成压力或者是有明显流变性能的围岩弹粘性或粘弹一塑性变形形成的支护压力， 这种形变压力大多是由于重新分布压力足够大，使部分围岩进入塑性或进入流变变形阶 段，当岩体强度较高时，无支护时塑性区逐渐扩大，达到一定范围便停止下来，并在弹 性及塑性区边界形成一切向应力较高的持力承载环，在软弱煤层地下工程中，由于煤体 强度较小，当软岩塑性变形过大，使塑性区进入了破裂阶段，形成较大的形变压力，导 致地下工程全面失稳破坏。 当有支护时，支护刚度产生抗力，此抗力就是实际的形变压力，支护越早，支护上 受到压力越大，围岩塑性变形越小；支护愈晚，支护上受到压力愈小，没有支护则不产 生这种形式的压力。支护刚度越大，支护上受到压力越大，反之支护上受到压力越小。 这种压力通常可用围岩及支护特性曲线表达它们之间的关系，如图2 1 所示。 9 西安科技大学硕士学位论文 图2 1同岩与支护共l 司作用特性 通常，软弱煤层变形的速率开始时较大，以后逐渐放缓，支护太早可能会形成过大 的形变压力。但若支护太晚，则会使围岩破裂失稳而形成附加的松动压力【1 5 】。理论上讲， 测知围岩的变形特性曲线可以用最小代价的支护设计( 含合理的支护时间) 取得最合理 而安全的支护效果。 2 2 3 膨胀压力作用 在软弱煤层地下工程中，有些巷道围岩中含有膨胀性矿物质( 如伊利石、蒙脱石、 高岭石等) 在丌挖时，岩体遇水后发生不失去整体性的膨胀变形和移动，当有支护时， 膨胀变形对支护产生了另外一种形式的膨胀压力。这主要是围岩颗粒较细，存在互相连 通的毛细管，毛细管的吸水性，使岩体发生膨胀和体积增大，向地下工程内空移动，对 支护形成压力。 2 3 软岩巷道变形的影响因素 软弱煤层巷道的稳定根据生产领域及使用要求的不同，可能有完全不同的概念。如 永久性公路、铁路巷道、厂房等要求巷道围岩只允许产生微小的位移，否则就影响巷道 的使用功能；而矿山等服务年限不长的巷道则只需满足运行期间的安全即可。 一般来讲可将软弱煤层巷道的稳定定义为：不产生围岩破坏或过大变形而妨碍巷道 生产使用和安全的巷道即为稳定【1 6 】。软弱煤层巷道的稳定性主要视岩体的强度及变形特 征与开挖后重新分布的围岩应力这二者互相作用的结果而定，前者强于后者则稳定，否 则，围岩失稳。 一般情况下，软弱煤层巷道的稳定受地质及地质结构、地应力、岩体力学性质、工 程因素、地下水及时间条件等影响较大。 1 0 2 软弱围岩破坏规律及巷道稳定性 2 3 1 岩性的影响 研究地下工程时，首先应知道围岩类型及岩性分布状况。岩性的认识可定性的判断 将面临的什么类型的岩石力学问题。岩性的种类认识可知岩石的力学性质和各向异性程 度，甚至可判断出会产生一些与自然特征相关的不稳定因素。如强度较高硬岩( 新鲜火 成岩、厚层沉积岩等) ，一般变形较小，地层压力较小，而强度较低的软岩( 薄层沉积岩 和部分变质岩) ，其变形量较大，地层压力较大，灰岩或盐岩可能有岩溶或地下水突涌 问题【1 7 】。 2 3 2 岩体结构及裂隙分布影响 在地质构造运动中形成的结构面，一般情况下，其强度远低于母岩。岩体的强度往 往受结构面强度控制。裂隙的分布不同，也对围岩的稳定造成不同的影响，当节理倾角 3 0 。，走向与巷道轴线交角 p p o ，则巷道可以自稳，一般来说p l 1 ，那么锚杆的锚固强度由固化混合剂与岩石( 煤) 的粘结力确 定，并用下式计算： 昂= ；r dz f o ( 5 9 ) 在相反的情况下( 关系式舅杀 0 6 u ；a u 么可以通过锚网索 耦合支护过程中利用现场监测可以对最佳支护时间做出良好判断。 本论文中，确定最佳支护时间或者支护时段是通过现场监测来实现的。通过对巷道 断面收敛的监测，得出规律，分析出结果，从而确定最佳支护时间。将这种结构应用于 3 8 6 锚索与围岩在时间上的耦合支护 后续的施工过程中，并且可以在其他采区推广使用，具有重要的使用价值。 6 1 2 巷道监测 对回风巷道进行监测，共设置了7 个测站。主要对巷道的收敛进行监测。测站间隔 大约为5 0 m 。对测站进行将近一个月的监测。将数据做成图表如图所示。测站布置在设 置原则上尽量在迎头布置。从而可以较真实的反应巷道围岩的变化规律。 图6 1北风巷第1 测站巷道变形收敛曲线 图6 2 北风巷第l 测站巷道变形速率曲线 图6 3 北风巷第2 测站巷道收敛曲线 3 9 西安科技大学硕士学位论文 图6 4 北风巷第2 测站巷道变形速率曲线 图6 5 北风巷第3 测站巷道收敛曲线 图6 6 北风巷第3 测站巷道变形速率曲线 6 锚索与围岩在时间上的耦合支护 图6 7 南风巷第4 测站巷道收敛曲线 图6 8 北风巷第4 测站巷道变形速率曲线 图6 9 北风巷第5 测站巷道收敛曲线 4 1 西安科技大学硕士学位论文 图6 1 0 北风巷第5 测站巷道变形速率曲线 图6 1 1北风巷第6 测站巷道收敛曲线 图6 1 2 北风巷第6 测站巷道变形速率曲线 4 2 6 锚索与围岩在时间上的耦合支护 图6 1 3 北风巷第7 测站巷道收敛曲线 图6 1 4 北风巷第7 测站巷道变形速率曲线 6 1 3 监测结构分析 巷道表面位移( 见图6 1 至图6 1 5 ) 。1 号测站顶板下沉量最大值为1 0 8 m m ，两帮 相对移近量为5 8 5r l l n l ；2 号测站顶板下沉量最大值为1 3 m m ，两帮相对移近量为5 9 9 r f l r n ；3 号测站顶板下沉量最大值为1 9 6 m m ，两帮相对移近量为6 0i l l n l ；4 号测站顶板 下沉量最大值为2 2 3 m m ，两帮相对移近量为6 1 3 3i l l m ；5 号测站顶板下沉量最大值为 2 2 1 m m ，两帮相对移近量为8 6 1 9m i l l ；6 号测站顶板下沉量最大值为5 1 m m ，两帮相对 移近量为6 6 5 m m ；7 号测站顶板下沉量最大值为9 m m ，两帮相对移近量为4 6 6 m m 。南 风巷顶板最大下沉量5 1 m m ，最大帮部移近量为8 6 1 9 m m ；顶板最大下沉速率为6 m m d ， 最大帮部移近速率为6 1 5 m m d 。 巷道的顶板下沉量要明显大于巷道的两帮移近量。顶板下沉两相对较小，但是在该 段巷道中锚索破断严重。该巷道施工时，锚杆和锚索都是迎头施工，对锚索施加的预应 4 3 西安科技大学硕士学位论文 力为8 0 k n 。在破断锚索周围，锚索的受力达到2 0 0 k n 左右。由此可以看出，迎头施工 锚索使得锚索上荷载过大。 通过监测数据可以看出，主要变化量发生在测站设置之后1 0 1 5 天内。速率的变化 量主要集中在前5 天之内。也就是说，围岩的主要变形在掘进后5 天之内。这5 天之内 也是围岩内部变形能释放的时间。 6 1 4 确定最佳支护时段 如前所述，锚索与围岩时间上强度耦合关键在于打锚索滞后的时间上。该巷道顶板 为煤层，属于软弱煤层。在巷道的掘进过程中，不允许空顶作业。所以锚杆必须紧跟工 作面打。并且必须有前探梁做临时支护。该回风巷道而言，如果紧跟工作面迎头打锚索， 出现锚索破断现象，对巷道稳定性造成很大影响。根据与围岩的强度耦合支护原理，必 须滞后锚杆一定距离打锚索。 由以上监测数据可以看出，巷道围岩的变形主要集中在巷道开挖初期。就在这一时 期，围岩主要是将内部积聚的应变能释放出来，而围岩的强度基本上不受影响。之后， 主要发生的是岩层的下沉和离层，这主要是在围岩自重的作用下产生的。在围岩自重影 响的过程中，岩层处于拉应力的作用下，围岩自身的强度就会发生一定的破坏，承载能 力受到一定的影响。所以此时就是支护的最佳时间。 由以上的监测数据分析可知，巷道在掘进后l 2 天内变形量最大，变形速率主要集 中在前5 之内，这一过程就是围岩自身内部积聚的应变能的释放时期。所以在滞后锚杆 2 3 天内打锚索为最佳耦合支护时间。此时既保证了围岩内部应力的释放，同时也保护 了围岩的自身承载能力。按照巷道的掘进速度，打锚索要滞后锚杆大约1 5 m 的距离。在 锚索滞后施工时，锚索的预紧力应该比迎头打锚索时的预紧力要大一些，设在 8 0 10 0 k n 神华宁煤集团石炭井二矿2 1 0 5 3 回采巷道在掘进初期，由于锚杆和锚索同时施工。 在巷道的掘进过程中，不断出现锚索破断的现象，从而导致锚杆和锚索上的荷载不均匀， 出现锚索破断的恶性循环。在采用打锚索支护滞后锚杆的施工方法后，支护效果有了明 显改善。锚网索和围岩的耦合支护在这里得到了充分的体现。巷道的支护断面如图6 1 7 所示 6 锚索与围岩在时间上的耦合支护 图6 1 7 网风巷道支护断面 6 2 关键部位锚索与围岩时间上结构耦合支护 对于服务年限比较长的巷道，比如主要运输大巷，井底车厂，还有地面上的隧道等， 支护结构与围岩的耦合使用的更为广泛。一般采用二次耦合的方法对巷道进行二次支 护。 二次耦合支护理论是目前我国巷道支护领域具有代表性的理论之一，该理论认为： 地下工程的破坏许多是由于支护体与围岩在强度、刚度和结构上存在不耦合而造成的， 巷道的支护应从其变形力学机制入手，采取适当的支护转化技术，具体到实际工作时就 是将困难条件下的巷道支护分为两次：一次支护为柔性的面支护，二次支护为关键部位 的点支护【4 7 1 。 6 2 1 二次耦合支护技术的原理 二次耦合支护技术是根据位移反分析原理，确定支护系统二次组合支护的最佳时 间，在关键部位需要二次耦合支护的，实施支护体和围岩的再次组合，最大限度地发挥 围岩的白承能力，从而使支护体对围岩的支护力降到最小，并且能够保证巷道的稳定性。 6 2 2 关键部位的概念、产生机理及分类 研究发现，无论是新丌巷道还是翻修巷道，其破坏都是一个渐进的力学过程，是先 从某1 个或几个部位开始变形、损伤、破坏，进而导致整个支护体失稳。这些首先破坏 的部位，称为关键部位。 巷道的支护与围岩相互作用后出现关键部位的机理颇为复杂，归纳起来，有如下4 种类型： i 型关键部位是指支护体和围岩的强度不耦合，非均匀的荷载作用在等强的支护 体上，造成局部过载，产生局部破坏，最终导致支护体失稳； 4 5 西安科技大学硕士学位论文 i i 型关键部位是指支护体和围岩的刚度正向不耦合，支护体刚度小于围岩刚度， 围岩产生的过量变形得不到限制，造成局部过载而产生破坏： i i i 型关键部位是指支护体和围岩的刚度负向不耦合，支护体刚度大于围岩刚度， 围岩变形能得不到释放，造成局部能量积聚，使支护体局部过载而首先产生破坏； 型关键部位是支护体和围岩结构变形不耦合，支护体产生均匀的变形，围岩中 的结构面( 如软弱夹层、层理面、断层面、节理面等) 产生差异性滑移变形( 在大倾角岩 层中) ，使支护体局部发生破坏。 6 2 3 关键部位的特征及识别准则 通过各种类型的巷道位移测试曲线分析，关键部位的变形特征是不稳定的变形曲 线。大体上可分为4 种类型： 第一种类型曲线的特征是减速一加速变形型，反映了该关键部位的围岩强度远低于 荷载，经历了一段减速变形后，在荷载的作用下变形急速增加而破坏。 第二种类型曲线的特征是缓慢减速变形，反映了该关键部位围岩和支护体的联合强 度仍然低于荷载。 第三种类型曲线的特征是减速一恒速一加速变形型，说明了该关键部位的围岩和支 护体共同作用强度仍略低于荷载。 第四种类型曲线特征是减速稳定型，反映了支护体和围岩相互作用是耦合的。 前三种曲线类型都是关键部位的变形曲线特征类型。通过研究，提出了工程裂纹反 分析理论，并用之确定需要耦合支护的关键部位。工程裂纹反分析理论可以表述为：地 下巷道工程是封闭型工程，在工程荷载作用下，在出现明显变形之前，巷道工程时常在 一些局部出现细小的工程裂纹。根据裂纹的力学性质、复合力学性质和裂纹体系的配套 关系，可以推得产生裂纹部位的工程荷载性质及整个巷道工程的工程荷载组合特征。据 此，不仅可以进行耦合支护对策设计，而且可确定出合理的