（固体力学专业论文）软岩巷道地压控制技术研究.pdf

摘要 摘要 目前，对于软岩地层深部金属矿体开采的地压控制技术是本领域内的技术难题之 一。虽然众多国内外科研单位与有关学者进行多年的采矿技术攻关，但由于对软岩地层 巷道变形机理认识不够深入，所采用的支护理论和相应的支护工艺还不能完全适应复杂 的围岩环境。本文利用有限元数值分析模型对大型铁矿地下开采的地压控制技术和围岩 支护问题进行了研究探讨，目的就在于能够做出较为经济合理的设计，最大程度的保证 围岩和支护体系的稳定性。 针对小官庄铁矿矿区的工程地质条件，结合工程实际考察、采样；在此基础上，通 过室内常规试验和现场测试较准确地确定出了岩石力学指标，从而基本上掌握了该矿区 井下围岩的特性，为该课题的研究奠定了基础。 在地下采矿工程中，由于其工程材料和工程结构的复杂性，使得单纯用解析方法和 模拟实验的方法有很大的局限性，而数值仿真模拟在矿山岩体力学中的应用为研究围 岩稳定问题的研究开辟了新的途径，被认为是近三十年来最重要的进展之一。 本文通过利用a n s y s 软件，对小官庄铁矿井下巷道支护和矿体下盘岩体加固问题 进行了模拟分析。对于巷道支护问题，提出了较为合理的支护方案，并与工程实际做 了对比，从而证明了其有效性和合理性；对于矿体下盘岩体加固问题，通过对不同分 段的采后加固和加固效果分别进行了分析探讨，获得了有工程实用价值的结果。 综上所述，本文所给出的数值分析方法适用于软岩地层深部金属矿体开采的地压控 制技术研究，且所获分析结果满足工程要求。本方法可供类似条件下的金属、非金属矿 山地压控制过程中参考，在采矿、岩土工程领域具有广泛的推广应用价值。 关键词地下开采软岩地压巷道 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t , i ti sad i f f i c u l tp r o b l e mo fm i n i n gf o rt h et e c h n i q u eo fg r o u n dp r e s s u r ec o n t r o l d u ot od e 印u n d e r g r o u n dm i n i n go fi r o no r ei ns o rr o c ks t r a t ai nt h i sf i e l d a l t h o u g hm a n y s c h o l a r sa n da c a d e m e sh o m ea n da b r o a dh a v eb e e nt a c k l i n gk e yp r o l e m sf o rt h em i n n i n g t e c h n i q u ei nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h ec o g n i t i o n a ld e f i c i e n c yi nd i s t o r t i o nm e c h a n i s mo f s o f tr o c k ，t h es u p p o r tt h e o r ya n dt e c h n i q u et h e yh a v ee x c o g i t a t e dc a l l ta d a p tt h ec o m p l e t e d e n v i r o n m e n to fw a l lr o c k b a s e do nt h ea b o v er e a s o n s ，t h et e c h n i q u eo fg r o u n dp r e s s u r e c o n t r o la n dt h es u p p o r to fw a ur o c kd u ot ou n d e r g r o u n dm i n i n go fl a r g ei r o no r e a r ed i s c u s s e d i nt h i sp a p e rb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm o d e l ( a n s y s ) t h et e s to ft h el a b o r a t o r ya n di n - s i t uh a v eb e e na c c o m p l i s h e db yo u rm a k i n ga n o n - t h e - s p o ti n v e s t i g a t i o na b o u tt h eg e o l o g i ca n dt h ep h y s i o g n o m yf o rt h ex i a o g u a n z h u a n g i r o nm i n ea n ds a m p l i n g ，t h u st h ep a r a m e t e r so fr o c km e c h a n i c sc h a r a c t e r sa r em o r ea c c u r a t e l y c o n f i r m e d b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h ee n g i n e e r i n gm a e r i a l sa n ds t r u c t u r e s ，i ts h o w sm u c h l i m i t a t i o nt oo n l yu s et h ea n a l y t i cm e t h o da n dt h e s t i m u l a n te x p e r i m e n tm e t h o dd u ot o u n d e r g r o u n dm i n i n g h o w e v e r , t h en u m e r i c a le m u l a t i o ni se x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h em i n i n g r o c km e c h a n i c s ，a n di th a sb e e nr e g a r d e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a te v o l v e m e n ti nr e c e n t t h i r t yy e a r s t h et u n n e ls u p p o r ta n dt h es t o p eu n d e r p a nr e i n f o r c eo ft h ex i a o g u a n z h u a n gi r o nm i n e a r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d 、析t l lt h ea n s y sa n a l y s i ss y s t e mi nt h ep a p e r f o rt h ep r o b l e mo f t h et u n n e ls u p p o r t ，t h er e a s o n a b l es u p p o r tp r o j e c ti sg i v e n , a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e d 、析t ht h em e a s u r e dd a t a , w h i c hs h o w si t sv a l i d i t ya n dr a t i o n a l i t y f o rt h ep r o b l e mo ft h es t o p e u n d e r p a nr e i n f o r c e ，i ti ss e p a r a t e l ya n a l y z e dt ot h ed i f f e r e n ts u b s e c t i o n s t os u m u p ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a n b ee f f e c t i v e l yu s e df o ra n a l y z i n gt h et e c h n i q u e o fg r o u n dp r e s s u r ec o n t r o ld u ot od e e pu n d e r g r o u n dm i n i n go fi r o no r ei ns o f tr o c ks t r a t a , a n d t h er e s u l t sa r ea b l et os a t i s f yw i t ht h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t t h em e t h o dc a l ls u p p l y r e f e r e n c e st ot h el a r g es c a l eu n d e r g r o u n dm i n i n go ft h em e t a lo rn o n m e t a lo r eu n d e rs i m i l a r c o n d i t i o n si nm i n i n ge n g i n e e r i n ga n dg e o t e c h n i q u e k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dm i n i n g ；s o f tr o c k ；g r o u n dp r e s s u r e ；t u n n e l 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北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作了明确 的说明并表示了致谢。 作者签名： 名叁! 垡 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方格内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：! 竺墨年互月上一日 日期：2 堕年月l 日 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为 论文，是我个人在导师。躬岛 脚岬的学位 指导并与导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得 的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全 了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以及河北 大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人：么叁坚 日期：丛年 月 一日 作者签名： 导师签名： 日期：讧蕉年月j 二日 日期：趔年月_ 日日期：型年支月上日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究地下开采地压控制的意义 目前，对于软岩地层深部金属矿体开采的地压控制技术是本领域内的技术难题。尤 其是矿石价值较低的铁矿床，由于围岩破坏地压大的缘故，所掘出的每米巷道都需要进 行支护。然而，采用较低强度的支护往往还不能满足开采的安全需要，大量巷道还需返修， 甚至垮冒报废。但采用较高强度支护又受采矿成本的制约，如何使这类工程环境复杂多 变、采动影响剧烈、数量大且服务周期短的巷道所采用的支护即可靠又合理，是目前本 领域的采矿技术难题之一。 为此，众多国内外有关学者与科研单位进行多年的采矿技术攻关【m 1 。经过系统的岩 石力学研究和采矿工艺的完善改进，并采用了卸压采掘、及时支护、分级支护、强化开 采、锚喷网加强支护等多项技术措施对巷道进行综合治理，使低压得到一定控制，卸压区 巷道一次支护后基本无返修，软岩巷道掘进基本无垮冒发生，高应力地下巷道的维护问题， 在局部区段也取得成功经验【7 母】。但由于对地下巷道变形机理认识不够深入，所采用的支 护理论和相应的支护工艺还不能完全适应复杂多变围岩环境，另外，也因采掘衔接紧张等 原因使一些本来正确的决策未能在实践中正确实施，致使高应力地下巷道维护问题在前 期采矿技术攻关中未能得到根本解决，尚存在掘进成巷速度慢、巷道变形快、安全稳定期 短、重复支护率高、实现开采尚未可靠保障等问题 1 0 , 1 1 】。 据此，本文研究目标是揭示高应力区软弱破碎围岩巷道变形破坏机理、探索适用于 该类复杂难采矿体承压区地下巷道的支护理论与关键技术，对现行支护巷道围岩稳定性 定量评价和优化设计，降低巷道支护费用，改善巷道稳定安全环境，提高采矿效率具有深远 的重大意义和工程实用价值。 1 2 巷道支护技术研究的主要理论 巷道围岩变形机理研究目的在于指导巷道支护设计，因此，人们经过长期工程实践 与研究，认识到锚杆支护的作用原理 3 , 1 2 - 1 6 。最早提出的，也是锚杆支护手册推荐的锚杆 支护原理是：悬吊理论、组合梁理论、锚杆紧固理论和均匀压缩拱理论。 ( 1 ) 悬吊理论 锚杆支护在矿山大量使用后( 1 9 4 7 - - 1 9 5 1 年左右) ，认为锚杆支护的作用机理主要是 l 河北大学t 学硕十学位论文 把比较平而薄的直板用锚杆栓定在上边比较厚的硬岩层上，起到悬吊作用。但是，该理论 存在如下明显的缺陷： 1 ) 锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与岩层脱离的情况下才等于软破岩层 的重量，而这种情况在井下巷道中并不多见。 2 ) 没有考虑锚杆安设后软破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。为了减小软破岩层的离层，保持顶板的稳定性，锚杆工作阻力必须增 大。 3 ) 当锚杆穿过软破岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度地提高软破岩层 的整体强度( 即提高软破岩层的抗剪强度参数) ，使其具有一定的承载能力，从而减小锚 杆受力。 4 ) 顶板松散岩层的厚度目前很难准确确定，因此，这也给基于该理论的锚杆设计带来 一定随机性。 ( 2 ) 组合梁理论 组合梁理论是比较早就提出来了，是一般公认的支护作用原理之一。这种原理是把 层状顶板看作由巷道两侧壁作为支点的一种梁，从而支持巷道上部的岩石压力。用锚杆 使各岩层”缝合”形成一个合成梁，这比单纯的叠合梁强度大是显然的。由此可知，各岩层 之间的摩擦阻力越大，整体化的程度越大，补强的效果也就越显著。但是，组合梁理论也 存在以下明显缺陷： 1 ) 组合梁有效组合厚度很难确定，它涉及到影响锚杆支护的众多因素，目前还没有一 种方法可比较可靠地估计有效组合梁的厚度。 2 ) 没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆载荷的作用。其实，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。 ( 3 ) 锚杆紧固理论 在块状结构围岩中，锚杆可将巷道周围的危石彼此挤紧。紧固作用主要决定于锚杆 的预拉应力。因此，该支护理论主要适用于块状结构岩体。 ( 4 ) 均匀压缩拱理论 大量的工程实践表明，即使在软弱、松散和破碎的岩层中安装锚杆，也可以加固围岩 使之稳定。基于此，锚杆的作用在于：只要锚杆间距足够的小，位于软破岩层中的锚杆能 够在岩体中产生一个均匀压缩带，形成一个承载结构，承受破坏区岩层的自重荷载。 2 第1 章绪论 均匀压缩拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应 用。但是，这种理论同样也存在一些明显的缺陷： 1 ) 加固拱的形成与发展涉及很多影响因素，同时随着采矿活动而发生改变，因此很 难较准确的估计。 2 ) 当加固拱厚度远小于巷道跨度时，加固拱是否发生破坏，不仅取决于其强度，更主 要依赖于加固拱的稳定性，而在该理论中没有考虑。 随着人们对围岩变形机理认识的深入以及对锚杆作用的研究，目前，更多支护理论 先后提出，如加固承载圈理论、二次支护理论、应力控制理论、松动圈支护理论和点突 破支护理论等。有些学者把新奥法设计施工技术也称之为新奥法理论。 锚杆支护理论的提出是建立在对围岩变形机理、锚杆作用机理以及锚杆、围岩相互 作用机理的认识基础上提出的”1 9 1 。因此，任何理论的提出都是建立在特定的岩体结构、 岩应力环境以及一定的理论假设基础之上。如同已经讨论过的四种支护理论，任何支护 理论都有其合理性，但也不同程度地存在一些缺陷。事实上，任何支护理论都不可能完全 解释锚杆的支护作用机理，而是多种作用机理同时存在，只是在特定条件下，其中某一种 作用较为显著，而另外作用机理不甚显著而已。 正因为如此，对某些支护理论存在认识上的差异和持不同观点是正常的。但是，目前 任何支护理论都不同程度地体现了锚杆对岩层作用的以下两条基本原则： ( 1 ) 将不稳固岩层区与相邻稳定岩层相连，使其固定在稳定的岩体上； ( 2 ) 对欲加固的岩层本身加固，或者提高待加固岩层的强度，或形成承载结构，或两者 兼而有之。 新奥法施工法提出的是一些设计、施工与管理的基本原则，如何定量分析以及在设 计施工中加以体现，需要相应的理论或计算加以具体化。应该承认，新奥法所提出的2 2 条基本原则是正确合理的，适应于任何地下工程的设计与施工。因此，任何锚杆支护理论 对这些支护原则体现的越多，越具体，其理论也就越合理。 1 3 本文的研究内容和基本思想 地下工程从开挖、支护，直至形成稳定的地下工程体系的力学过程中，岩体的地质 因素、施工过程等因素对围岩支护体系最终状态的安全性影响极大。准确将这些复杂的 因素反映到计算模型中是十分困难的。围岩支护体系的力学模型是与所采用的支护结构 河北人学一f ：学硕十学位论文 的构造及其材料性质、岩体内发生的力学过程和现象以及支护结构与围岩相互作用的规 律密切相关。因此，地下工程的力学模型必须符合下述条件： 模型的工作状态应与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及围岩与支 护结构的接触状态。 荷载假定应与工程( 各作业阶段) 中荷载发生的情况一致。 计算出的结果要与经过长时间作用结构所发生的变化相一致。 材料性质和数学表达要一致。 近年来，各国学者在发展地下工程理论的同时，还致力于研究设计地下工程的正确 途径，着手建立适用于不同情况下进行地下工程设计的力学模型 2 0 - 2 6 1 。从各国的地下工 程设计实践看，目前用于地下工程的计算模型有两类：一类是以支护结构作为承载主体， 围岩作为荷载的主要来源，同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型，称为结构力 学模型；另一类则相反，是围岩为承载主体，支护结构则约束围岩向隧道内变形的模型， 称为岩体力学或连续介质力学模型。 本文利用有限元a n s y s 数值分析模型，并结合具体的工程实际，分析探讨软岩地 层深部地下巷道支护稳定性问题，为工程安全运营提供经济合理的科学依据。具体内 容如下： ( 1 ) 根据岩体的破坏机理，针对软岩提出定性的和定量的支护理论，分别就其特点、 原理、稳定性等方面分析，确定适应于软岩的支护理论。 ( 2 ) 确定鲁中矿业集团公司小官庄铁矿软岩岩石力学性质相应参数，为利用有限元 a n s y s 数值分析提供符合工程实际的参数值。 ( 3 ) 针对小官庄铁矿软岩地层深部大面积开采的地下巷道支护难题建立了a n s y s 数 值分析模型，并将数值分析结果与实测结果进行对比，给出了较合理的支护方案。 ( 4 ) 为了进一步了解深部地下开采所形成的采空区给构筑物带来的不利影响，对该 矿的分段和整体开采建立了二维数值模型，分析了长锚索加固前后围岩的应力、位移的 变化以及竖井各点的应力的变化。 我国工程界较为注重地下工程的设计理论计算，除了根据实际工程经验进行参考类 比外，在地下工程的设计过程中一般都要进行受力分析。各种设计模型或方法各有其适 用的情况，也各有其局限性。由于地下工程的设计受到各种复杂因素的影响，即使采用 比较严密的理论对结构进行内力分析，其计算结果也往往需要用经验类比来判断和补 4 第1 章绪论 充。以测试为主的实用设计方法收到了现场工程人员的欢迎，因为这种方法能提供直观 的材料，从而能更确切地估计围岩和地下工程的稳定性和安全程度。对于无经验可循的 新型工程可用理论计算方法进行设计，因而人们越来越重视基于结构力学模型和连续介 质力学模型的计算理论。工程技术人员在设计地下工程时往往要同时进行多种设计方法 的比较，目的就在于能够做出较为经济合理的设计，最大程度的保证围岩和支护体系的 稳定性【2 刀。 5 河北大学t 学硕十学位论文 第2 章岩体破坏机理与软岩支护机理 2 1 岩体破坏机理 它是岩体结构改组和结构丧失联结现象的总称。当岩体中的应力超过岩体的最大强 度时，岩体就会产生破坏，岩体破坏时破裂面上应力作用方式和破坏过程称为破坏机理， 它是研究岩体破坏的核心问题【3 2 。4 1 。 2 1 1 岩体破坏类型 不同结构的岩体，破坏时破坏机理不同，破坏类型也不同。基本的破坏类型共有6 种：张破裂；剪破坏；结构体滚动；结构体沿结构面滑动；梁板溃屈和弯折 破坏；倾倒失稳。完整结构岩体在低应力条件下呈脆性张破裂，在高应力条件下呈柔 性剪破坏或塑性流动变形。块裂结构岩体的破坏主要是岩块沿软弱结构面滑动。板裂结 构岩体的破坏，常以板裂体溃屈弯折、岩块沿结构面滑动以及倾倒失稳为主。碎裂结构 岩体的破坏比较复杂，在低应力条件下，极大程度上受结构面及结构体形状控制，除结 构体张破裂、沿结构面滑动以外，结构体滚动占有重要地位。在高应力条件下，结构面 控制作用消失，其破坏作用机理与完整结构岩体基本相同，主要受岩石材料性质控制。 2 1 2 岩体破坏判据 即岩体破坏的力学条件。破坏判据是以破坏机理为依据建立起来的。破坏类型不同， 破坏判据也不同。 张破裂判据：岩石在压应力作用下，除在最大主应力方向产生纵向压缩变形外， 在垂直于最大主应力方向还产生横向扩张变形，即产生张应变。脆性岩石在压应力作用 下产生的横向扩张变形达到一定极限时，便在平行于最大主应力方向产生张破裂，以此 建立起来的破坏判据称为张破裂判据。它主要用于判断岩石在压应力作用下能否产生张 破坏。 剪破坏判据：在不等向应力作用下岩石内部不同方向的切面内可形成不同数值的 剪应力，其中某一切面内的剪应力达到岩石剪破坏条件时，岩石便产生剪破坏，以此建 立起来的破坏判据称为剪破坏判据。它适用于判断柔性岩石在压应力作用下能否产生剪 破坏。 结构体滚动破坏判据：在破裂岩体内部的应力作用下，结构体滚动的力学条件称 6 第2 章岩体破坏机理与软岩支护机理 为结构体滚动破坏判据。它主要用于判断破裂结构岩体受力状况改变时能否产生结构体 滚动破坏。 结构体沿结构面滑动破坏判据：以结构面为参照面可将岩体内应力分解为垂直于 结构面的法向应力及平行于结构面的剪应力。在一定应力条件下，平行于结构面的剪应 力超过结构面的抗剪阻力时，结构体便沿着结构面产生滑动。在作用于结构面上的剪应 力与抗剪阻力达到平衡条件下建立起来的力学条件称为结构体沿结构面滑动破坏判据。 它适用于块裂结构岩体稳定性分析，也适用于检核碎裂结构岩体及板裂结构岩体能否沿 结构面滑动。 溃屈破坏判据：在轴向力作用下板裂结构体产生弯折破坏的力学条件，这是一种 结构失稳判据。这种破坏条件主要控制于板裂体的刚度及几何特征，而与材料强度无直 接关系。它不仅适用于板裂结构岩体稳定性分析，也适用于检核碎裂结构岩体产生板裂 化后能否产生破坏。 岩体破坏过程中破坏机理常常转化，在岩体稳定性分析中，可根据岩体中应力条件 和破坏机理，采用相应的破坏判据。 2 2 围岩支护理论 2 2 1 支护理论的基本要求 地下巷道围岩变形机理与破坏模式取决于采场地压显现特征以及围岩的物理力学 与变形特征。显然，人们不可能改变矿岩体结构地质特征，而只能通过调整采矿方法、开 采工艺及巷道支护等手段进行人为控制。围岩支护理论能否准确地指导巷道支护设计与 施工的理论，关键能否达到以下四条基本要求： ( 1 ) 支护理论必须具有很强的针对性 支护理论既要考虑到围岩类型，也要考虑工程类型与所处的应力环境。因为围岩破 坏机理与锚杆力学作用不仅取决于巷道断面大小与形状、岩体结构，而且还与巷道所处 的应力环境密切相关，这正是支护理论的重要依据。 ( 2 ) 支护理论必须具有正确的指导思想和实施原则 正确的支护指导思想是建立在正确的围岩破坏机理认识的基础之上。首先，要明确 支护对象。例如松动圈理论明确了支护对象是松动圈内的软破岩体而不是塑性区岩体， 关键承载圈理论明确支护是维护承载层的稳定【3 5 1 。其次是明确锚杆支护力学作用，即锚 7 河北大学下学硕十学位论文 杆对维护围岩稳定起到哪几种力学作用：悬吊作用、加固承载拱作用还是组合梁作用? 这 样，才能给出理论参数设计计算方法以及在施工中灵活地运用支护理论。 ( 3 ) 支护理论必须建立相应于该理论的计算方法和稳定性判断准则 仅仅提出支护设计原则和指导思想是不够的。尽管围岩破坏机理和锚杆力学作用目 前还很难用精确的理论或数值解加以量化，但是，给出相应于支护理论的计算方法，或者 基于现场监测信息进行支护设计，这样不仅可以粗略地确定相应的支护参数，进行支护 参数设计优化，而且为检验支护理论的准确性与合理性提供重要依据。 ( 4 ) 支护理论必须以相应的关键支护技术作依托，以便具体落实支护理论的指导思 想和技术路线。 2 2 2 地下巷道工程特点 提出承压区软破岩地下巷道支护理论和技术，必须考虑地下巷道工程的特点。 ( 1 ) 巷道使用寿命短。地下巷道是服务于采矿要求，因此，巷道的存在时间随着回采过 程而消失，使用时间多则2 年，少则4 - - 5 月。所以，地下巷道属于临时性工程。 ( 2 ) 产出投入比低；支护成本不能高；占用作业时间不能长。 ( 3 ) 多功能( 通行、采矿、卸压) ，后两者要求炮孔完整率尽可能的高。 由此可见，只有明确复杂多变的承压区软破岩地下巷道支护指导思想，才能提出合理 的优化支护参数、降低开采成本、提高采矿经济效益的支护方案。 2 2 3 软岩支护理论分析 目前，国内外软岩支护理论有两大类，一类是用定性的原则表述的支护理论；另一 类是用定量的力学模型研究的支护理论。 ( 1 ) 定性的支护理论 定性的地压理论主要有新奥法及松动圈支护理论。 新奥法( n a t m ) 是奥地利学者r a b c e w i c e ( 1 9 6 4 - 1 9 6 5 ) 在总结前人经验后提出的一 套隧道设计与施工原则，米勒( 1 9 8 0 ) 将其总结为2 2 条。至今为止，新奥法仍是国际上在 地下工程设计与施工中占主导地位的权威理论。我国对新奥法的引进与推广虽较西欧晚 十多年，但由于它的引进正好与软岩问题的大量出现同步，故二十多年来一直将其作为 软岩支护的主要理论。 董方庭【3 6 】等根据围绕开挖空间所产生的松动圈以及松动圈在支护中的作用和地位， 第2 章岩体破坏机理与软岩支护机理 提出了软松动圈支护理论，并建立了松动圈大小与支护力大小的经验关系，对解决软岩 支护问题起到了积极的作用，但由于松动圈是围岩变形与破坏的最终产物，仅从这一最 后形式分析问题，不仅难以考虑软岩中出现的各种较为复杂的情况和影响因素，也难以 建立较为系统的又有较为严密理论基础的软岩支护理论。 ( 2 ) 定量的软岩支护理论 定量的支护理论研究的历史实质上是围岩力学模型的研究历史。五十年代以前，围 岩的力学模型经历了刚性、弹性和弹塑性发展阶段。五十年代开始，流变力学引入到岩 石力学，至七十年代，岩石流变及流变地压的研究已非常活跃，目前，考虑流变、软化、 损伤、断裂、扩容及膨胀耦合作用的围岩力学模型已在国内外文献中较多地出现。但由 于存在以下的两个主要问题使得定量的支护理论难以变成实用的可操作的支护理论。 一是考虑了各种因素的本构关系过于复杂，涉及的各种参数甚多，计算本身就已变 得非常复杂和困难，而要确定支护力的大小，尚需要强度理论或稳定准则，复杂条件下 的强度理论或稳定准则目前研究尚很不充分，所以难以将力学模型用于支护力的大小设 计。 二是目前建立的模型尚难考虑支护过程和围岩变形过程，如支护设计时首先需考虑 需不需要支护，然后再考虑何时支护及用多大的力去支护，而现有的流变模型只有稳定 蠕变和不稳定蠕变两种模型，支护的边界力实质上是作为“已知力给定的，获得设计 与施工所需的支护时间、强度、刚度等方面的有用信息。 所以，现有的定量支护理论既不能像新奥法那样直接可以指导软岩支护的设计与施 工的各个环节，也不能确定支护力的大小。 综合考虑，适用于软岩的支护理论必须具备以下两个基本的条件： ( 1 ) 要建立起象新奥法那样便于设计与施工的具体的指导原则。 ( 2 )必须要考虑软岩的主要特性( 如大变形、流变、膨胀等) 来建立力学模型并通 过稳定准则，求解出最大支护力和最大的围岩允许变形量。 2 2 4 软岩支护机理与方法 不同类型的软岩，在不同的情况下，其变形机理不同，因而采用的支护的方式也不 同。根据产生苏醒变形的机理，软岩分为4 类，即膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软 岩和复合型软岩。所以，根据开采技术、施工方法和地质条件，设计支护的指导思想是 9 河北大学t 学硕十学何论文 控制地压为主，不同的软岩性质采取不同的支护方式【1 1 。 ( 1 ) 膨胀性软岩的支护机理及其方法 对于膨胀性软岩，其粘土高膨胀性矿物含量高，在较低应力水平下就可发生显著变 形，如泥岩、页岩等。其变形机理是片架状粘土矿物发生滑移和膨胀，在自由状态下就 可发生变形。对于此类围岩一般采用喷射混凝土封闭围岩，防止围岩风化遇水，然后根 据围岩应力状态，采用加强支护，如锚杆、锚索、柔性支护等。注意喷射混凝土的比例 要合适，既要有一定的强度，又要有一定的柔性，允许喷层与困岩有一定的变形。 ( 2 ) 高应力软岩的支护机理与方法 在三向高应力状态下，岩体由脆性向塑性转化，即产生塑性流动。这种岩层相对完 整，其风化特性与遇水软化特性比较弱，产生“软”的特性主要是由应力状态引起的。 对于这种软岩也采用支护与围岩共同作用的原理，保持围岩的力学特性处于良好状态， 支护方式宜采用加强支护，但应在“让 的基础上，即允许围岩有一定的变形。 ( 3 ) 节理化、破碎化软岩的支护理论与方法 对于破碎化岩体应从两个方面分析：一是从外部提供支护抗力以改善围岩受力状 态，从而控制围岩变形，迫使围岩稳定；二是从内部增强岩体的强度，从而提高围岩的 承载能力，如岩体注浆和锚喷支护，既从内部提高了围岩的强度，也从外部提供了一定 的支护抗力。常采用的支护方式为锚、喷、网联合支护，破碎圈较大的情况下可采用锚 索支护。 ( 4 ) 复合型软岩的支护机理与方法 复合型软岩一般具有易风化、怕水和震动等特征，且遇水后又较大的膨胀性、流变 性等，其稳定性极差。复合型软岩的变形和破坏可分为两个带：松动带和塑性变形带。 支护体应具有“先柔后刚 的特性，开采用锚喷网作为第一次支护，用工字钢或者u 型 钢作为第二次支护，其目的是一方面允许围岩产生一定的变形和移动。发挥围岩的承载 能力，同时限制围岩发生过大的变形和松动，待围岩变形趋于稳定后二次支护采用强度 较高的支护材料和结构，还要保证支护强度有一定的储备。 2 2 5 软岩支护应注意的问题 ( 1 ) 喷层厚度问题 在软岩地下巷道支护中，至今仍有人用传统的硬岩支护，认为围岩越软，压力越大； 1 0 第2 章岩体破坏机理与软岩支护机理 混凝土厚度越大，抵抗巷道压力、阻止围岩变形的能力就越大。事实上，由于软岩巷道 地压属变形地压，支护体上所受的压力主要来自围岩变形、移动和膨胀所产生的压力， 其数值大小和速度快慢不仅取决于围岩的性质和地应力，而且与支护形式、结构及支护 参数有关。喷射混凝土在巷道支护中起着3 个主要作用。一是封闭作用。防止进一步风 化、膨胀和变形。二是柔性支护作用。在厚度不大时，与围岩紧密地粘结在一起，随围 岩一起位移，并在位移过程中对围岩变形产生支护反力。三是组合拱作用。混凝土以较 高速射入围岩张开的节理、裂隙，起到将破碎的岩块联成整体、固结围岩的作用。同时 巷道周边围岩在锚杆和混凝土喷层作用下，形成一个拱形承载结构组合拱，该拱起 着加固周边和阻止深部岩层变形的作用。当然- ，混凝土喷层也有缺点：一是抗剪能力 差，二是增加时，强度增加缓慢，刚度却迅速增加，容易与围岩离层且破坏组合拱形成。 三是厚度越大，越不易和围岩连结在一起。 综上分析，在软岩支护中喷射混凝土层时，我们要注意混凝土的厚度，保证混凝土 层与围岩紧密粘结，并随着围岩的变形而移动不离层，这样就能参与形成承载的组合拱 结构，有利于加固软岩的支护。 ( 2 ) 让压与支护问题 支护的让压是一种应力释放和重新分布的过程。当支护体刚度很大时，围岩的变形 挤压应力全部作用在支护体上，很容易造成支护体的破坏。所以支护体要具有一定的收 缩性，允许围岩产生的一定的变形，这样就会导致围岩应力的释放和重新分布，形成一 个塑性变形区，集中地弹性应力转移到围岩深处，从而作用在支护体上的压力就会减少， 保证了支护体发挥其有效的支护作用。 在支护过程中，让压尽量先柔后刚，初撑力尽量增大，使让压在强大的约束限制下 进行，盲目的让压，会导致支护体破坏，增加材料的消耗，减小支护效果。 ( 3 ) 锚杆的选择和施加预应力 根据软岩的特性，要科学地选择能主动支护的锚杆。如果不论锚杆的锚固方式、施 工方法，以及是否施加了足够的支护预应力，认为都可以用来加固围岩，那则是片面的。 在软岩支护过程中安装锚杆时，必须立即施加足够的预应力，其作用：一是消除锚杆构 件的初始滑移量；二是给围岩一定的预应力，使围岩受拉截面的拉应力降低，围岩的受 剪截面因预应力产生的摩擦力而大大提高抗剪强度，同时避免过早地出现裂缝，可减缓 围岩的弱化过程。 1 1 河北大学t 学硕十学何论文 ( 4 ) 支护结构形式问题 在破碎松软的围岩中，单一的锚杆是不能满足支护要求的，故在实际工程中常采用 加挂金属网的办法加以辅助。金属网的作用在于兜住围岩，使局部被压坏的喷层或者围 岩不致脱落。但需要注意的是在用金属网辅助锚杆支护时，通常把所有锚杆联系起来， 成为相互作用的整体，由单锚变成群锚，这样不致于由于某一锚杆的支护作用失效而导 致整体的支护破坏，这样整个支护系统仍然有划2 1 。 第3 章地下结构 ：程计算分析方法 第3 章地下结构工程计算分析方法 3 1 解析计算法 围岩稳定性计算是根据不同的岩体结构、不同的力学属性，简化成不同的力学模 型，应用相应的力学方法，研究围岩的变形过程，对围岩稳定性进行定量的计算评价 的方法，其重点是计算围岩压力。围岩压力是指围岩作用在支护( 衬砌) 上的压力， 是确定衬砌荷载大小的依据，围岩压力也称山岩压力或地压。围岩压力有松动压力、 变形压力和膨胀压力三种。 松动压力指由于开挖造成围岩松动而可能塌落的岩体，以重力形式直接作用在支 护上的压力称为松动压力。产生松动压力的因素有地质的，如岩体破碎程度、软弱结 构面与林空面的组合关系等，也有施工方面的，如爆破、支护时间和回填密实程度等。 变形压力指围岩变形受到支护后，围岩对支护形成的压力。其大小决定于岩体的 初始地应力、岩体的力学性质、洞室形状、支护结构的刚度和支护时间等。 膨胀压力指围岩吸水后，岩体发生膨胀崩解而引起围岩体积膨胀变形对支护形成 的压力。膨胀压力也是一种变形压力，但与变形压力性质不同，它严格受地下水的控 制，其定量难度更大，目前尚无完善的计算方法。 地下工程围岩压力的确定，目前有三种方法：第一种是直接测量法；第二种是工 程模拟法，即根据大量实际资料分析统计和总结，按不同围岩类别提出围岩压力的经 验数值和公式，作为确定围岩压力的估算方法。第三种方法是在实践的基础上，从理 论上研究围岩压力的计算方法。由于影响围岩压力的因素很多，企图建立一种完善的 和适合客观实际情况的围岩压力理论及计算方法较为困难。 当地下工程埋深时，作用在支护结构上的围岩压力，按照松动压力的观点，实际 为洞室周边某一破坏范围内岩体的重量。理论和实践证明，围岩愈好则洞室愈稳定， 洞室开挖所影响区域就愈小，围岩压力值也较小。相反，围岩压力值较大；在围岩类 别相同的条件下，跨度愈大，洞室的稳定性就愈差，压力值也就愈大，说明围岩压力 的大小与洞室跨度成正比【2 8 】。 以下是国内外常用的围岩压力理论： 河北大学t 学硕十学位论文 3 1 1 散粒体理论 i普氏理论 在松散介质中开挖坑道，其上方会形成坍落拱。该坍落拱外缘为一质点拱( 厚度 很薄的拱，如右图3 1 所示) 。存在条件有二： ( 1 ) 在任何一截面上无弯矩作用； ( 2 ) 拱脚能保持稳定而不致产生滑动。 x 由条件一知t = 等 由条件二知：竽= 七 根据以上两条件则有： 图3 1 质点拱示意图 t 一 y 作用在支护结构上数值均布压力为q ： 俨肛岩、 作用在支护结构物上的侧压力也可视为均匀分布， 均布围岩压力： p = ( g + 三厂) t a n 2 ( 4 5 。一詈) 卜拱顶推力。 卜作用在坍落拱上的竖向均布压力： 6 坍落拱半跨度； 1 4 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 可按一般土力学原理，得水平 ( 3 4 ) 第3 章地下结构一i ：稃计算分析方法 五坍落拱高度； ，围岩重度； k 安全系数 允普氏系数； 坑道高度； 矽围岩的似摩擦角。 按普氏地压理论计算的竖向压力，对于软土层地质偏小，对于硬土质和坚硬土质 地层则偏大。一般在松散，碎散围岩中较为适用。 i i 泰沙基理论 k 图3 2 压力计算图式 泰沙基把围岩视为散粒体。认为坑道开挖后，其上方围岩形成卸落拱( 如上图3 2 所示) 。假定作用在任何水平断面上的竖向压应力q 是均布的，相应的水平压应力吒与 c r 的比值为以在距地面深度h 处，取出厚度为砌的水平带，考虑竖直方向平衡条件： ，k d h ：0 ( 3 5 ) ( 厂一kt a n 呼o b ) 矽围岩的似摩擦角； 6 松动宽度半径。 河北大学t 学硕十学何论文 引入边界条件h = o ，吒= 0 ，得 吼= 盖卜1 6 ， 随着坑道埋深h 的增大，式中p r 协“气h 趋近于零，则吼趋近于某一个固定值。另外根据 试验结果，得出k = i 肛1 5 ，取k = i 0 ，且t a l l 妒= f 代入上式得到： q = r _ ，b ：加 ( 3 7 ) 与普氏理论一致。泰沙基从理论和实践的分析上，给出了坑道地层压力的经验数 值( 见表3 1 ) ，至今国内外应用都很广泛。 表3 1t e r z a g h i 地层压力表 备注：坑道位于地下水位以上时，表列值可减少5 0 围岩压力因数的方法 我国水利水电部门在大量的工程实践基础上，对普氏的压力拱理论作了修改与补 充，按照岩石的性质、断裂发育程度以及地下水的活动情况，总结出一套反映实际经 验的确定围岩压力的方法水工隧洞设计规范( s d l 3 4 8 4 ) 。 围岩压力系数有垂直方向的压力因数s ：和水平的压力因数s 。两种，其取值的依据 是按岩体中裂隙发育情况和风化程度而定( 见表3 2 ) ，再按下列分别算出围岩压力值。 1 6 第3 章地下结构t 程计算分析方法 铅直围岩压力： 只= 2 s ：加 ( 3 8 ) 水平围岩压力： r = s x 加 ( 3 9 ) 表3 2岩体围岩压力因数表 3 1 2 弹塑性平衡理论 2 0 世纪3 0 年代芬涅尔首先运用弹塑性理论建立了著名的芬涅尔公式，现在已成为 拉勃采维奇总结的新奥隧洞施工方法的理论基础。这种理论的要点是设想在洞室周围 由于应力超过岩石的强度而形成塑性区，塑性区岩体的稳定是由外围弹性区中岩体的 应力和洞室内衬砌的阻力共同维持的。衬砌承受的塑性山压就是围岩压力。 围岩压力可写为： ：陋一州怕n 矽心2 咖) t ( 3 1 0 ) 厂 即芬涅尔一塔罗勃公式。 3 1 3 流变一蠕变理论 流变一蠕变理论的根据是围岩变形具有流变性质，即随着时间的延长变形在发展。 1 7 因此，围岩压力的大小与衬砌时间、洞体应力状态以及岩体的流变参数之间有密切关 系。以简单的粘弹性流变体( 修正的开尔文模型) 为例，在洞室开挖后“时间进行衬 砌，衬砌的刚度为七，当时间为f 时，作用在衬砌上的围岩压力为： r = 志( t 一昝等卜了( t - t o ) 卜 式中：g o 为弹性部分弹性元件的切变莫量，吒为围岩中的初始应力。而 g 。= ( g 。+ g 。g t , t = 。，g 。为粘弹性性部分弹性元件的切变模量，r 。为粘弹 性部分粘性元件的粘滞系数。 3 1 4 块体极限平衡理论 这是种对岩体结构分析来判别不稳定边界及其平衡条件，然后按块体平衡理论进 行计算。应用块体极限平衡理论进行计算时，必须注意：当结构具有足够的抗滑能力 时，衬砌所承受的压力并非塌落体的全部重量；如果地应力和地下水的作用较明显时， 还需要考虑这些因素。 3 2a n s y s 有限元计算法 3 2 1 数值方法的发展 在地下采矿工程中，由于其工程材料和工程结构的复杂性，使得单纯用解析方法和 模拟实验的方法显示出很大的局限性。数值仿真模拟在矿山岩石力学中的应用，被认为 是近三十年来最重的进展之一。 数值模拟方法，包括有限差分法、有限元法、离散元法和边界元法等。在岩土工程 稳定性分析中，有限元较成熟和应用较广泛地数值分析工具。随着计算机技术的发展与 普及，数值方法也得到迅速发展。目前，国内外己经研究开发许多大、中型数值分析软 件，其中具有代表性的有：( 1 ) 西安矿业学院刘怀恒教授研究配发的n c a p 系列有限元软 件：( 2 ) 北京大学殷有泉教授研究开发的n o l m 岩土系统非线性应力变形稳定性分析软 件：( 3 ) 美国明尼苏达i t a s c a 软件公司编制开发的有限差分软件f l a c ( 2 d 、3 9 ) ：( 4 ) 奥地 利i n n o b