（矿业工程专业论文）小岩柱跨采软岩巷道围岩加固技术研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 小岩柱跨采软岩巷道支护问题实质上是受采动影响的高应力软岩巷道支护问 题，是煤矿巷道支护研究的难点之一，也是保证煤矿安全高效生产急需解决的问题 之一。 论文以柴里煤矿三条上山为研究对象，采用适于分析岩土工程中非线性大变形 问题的数值模拟软件f l a c ，分析和研究了小岩柱跨采巷道的围岩变形特点，在现 场加固试验的基础上，粗略地分析了锚杆和锚注支护的加固机理。 已有研究根据支承压力分布来分析开采对底板岩层及巷道围岩稳定性的影响， 近似地将煤柱侧集中应力用分段均布载荷代替，根据弹性力学理论，推导了底板岩 体中的应力分布图形，得出了垂直应力、水平应力、剪应力随深度的变化及其最大 值位置，并根据m o h r - c o u l o m b 破坏准则计算岩体的最大破坏深度以及其距工作面 端部的水平距离、采空区底板岩体沿水平方向破坏最大长度。实际上支承压力是开 采引起围岩集中应力在直接顶与煤层界面上的直接反映，是开采影响围岩体相互作 用的结果。因此文中进一步采用数值力学分析方法分析了开采对底板岩巷的影响。 研究结果表明，由于巷道与回采空间的相对位置关系不同，巷道的受力状况和 围岩变形差别很大，受煤柱侧集中应力作用，底板岩巷围岩位移有两个共同的特点： 一是煤柱侧的巷帮位移较大，二是巷道围岩位移受整个底板位移场的影响较大。为 避免支承压力迭加的强烈作用，采用保护煤柱时，底板岩巷应位于支承压力区外侧。 采用跨采时，跨采工作面位置应推过足够距离，使巷道靠近采空区应力恢复区的下 方。 根据底板岩巷围岩变形特点，只要在工作面开采过程中掌握上下山与工作面开 采引起围岩集中应力的相互关系，选择合理的工作面布置方式和支护方式，在工作 面开采前采取相应的围岩加固措施，并加强煤柱侧巷帮的支护，可有效地控制跨采 岩巷的围岩变形。 现场试验结果表明，对围岩裂隙较为发育的修复巷道，可采用锚注加固提高工 程岩体本身的稳定性，在巷道围岩形成可靠的承载结构。对将受跨采影响而围岩完 整性较好的巷道，跨采前可采用高强树脂锚杆加固。锚杆的各项性能指标测试表明， 锚杆具有较高的初锚力，随着围岩的变形，锚杆轴力迅速增加，而且不丧失，说明 锚杆的工作性能良好，锚网加固取得了较好的效果。 关键词小岩柱跨采锚注锚杆高应力软岩巷道 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r o b l e mo f s u p p o r t i n gi nr o a d w a y o fs m a l lr o c kp o s to v e r h e a dm i n i n gi st h e s u p p o r t i n gp r o b l e mo fs o f tr o c kr o a d w a y u n d e rh i g hs t r e s s e si n d u c e db ye x t r a c t i o n ，i s o n eo ft h ed i f f i c u l tp o i n ts t u d i e d ，i so n eo ft h ep r o b l e m sb a d l yi nn e e do fs o l u t i o nt h a t g u a r a n t e e t h es a f e t ya n d h i g h - e f f i c i e n t l yo f c o a lm i n e s p r o d u c e s t o o t h er e s e a r c ho b j e c t si st h r e ec o l l i e r i e si nc h a i l im i n e ，b a s e do nt h et e s ti n s i t u ， r o a d w a y d e f o r m a t i o nf e a t u r eu n d e rl i t t l er o c ko v e r h e a d m i n i n g a n d r e i n f o r c i n g m e c h a n i s mb yb o l t i n ga n dg r o u t i n gw a ss t u d i e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df l a c s o f t w a r et h a ts u i t a b l ef o r a n a l y s e st h e n o n l i n e a ra n dl a r g ed e f o r m a t i o n t h em a j o r r e s u l t so f t h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s e x i s t i n g s t u d i e da n a l y z ei n f l u e n c eo ft h e s t a b i l i t yi m p a c t o nt h er o c ks t r a t u m b a s e p l a t ea n ds u r r o u n d i n gr o c k ，e v e nl o a dt a k et h ep l a c eo ft h ec o n c e n t r a t el o a da s i d e t h ec o a lp o s ta p p r o x i m a t e l y , a c c o r d i n gt ot h ee l a s t i ct h e o r yo f m e c h a n i c s ，d e r i v i n gt h e d i s t r i b u t ef i g u r eo fs t r e s si nt h eb o d yo fs l a t eo f b o t t o m ，d r a wc h a n g e sa n dm a x i m u m p o s i t i o n st h a tv e r t i c a ls t r e s s ，h o r i z o n t a ls t r e s s ，s h e a r i n gs t r e s s ，c a l c u l a t et h em o s th e a v y d e s t r o yd e p t ho f r o c ka n dt h eh o r i z o n t a ld i s t a n c eo ff a c ea n dt h el a r g e s td e s t r o yl e n g t h i nh o r i z o n t a ld i r e c t i o no f t h es l a t er o c ko f d i s t r i c t s u p p o r t p r e s s u r e i sd i r e c tr e f l e c t i o na t t h ei n t e r f a c eo fd i r e c t l y c a r r ya n dc o a ls e a l t l i n f a c t ，i st h ef u n c t i o ni n f l u e n c i n go f s u r r o u n d i n gr o c ki n t e r a c t i v e l y b a s e do nt h er e l a t i v ep o s i t i o nr e l a t i o n s h i po f r o a d w a ya n de x t r a c t i v es p a c e ，t h e a s s i g nw a y o fd i s t r i c tr i s e ( d i p ) w a sd i v i d e di n t of o u rk i n d sa n df i v es i t u a t i o n s b e c a u s e o f t h ed i f f e r e n c eo fr e l a t i v ep o s i t i o nr e l a t i o no f r o a d w a ya n de x t r a c t i v es p a c e ，d i f f e r e n c e o f s u r r o u n d i n gr o c ks t r e s s e sa n dd e f o r m m i o na r o u n dr o a d w a yw a sl a r g e ，b u tt h e r ea r e t w oc o m m o nc h a r a c t e r i s t i c si ns u r r o u n d i n gr o c kd i s p l a c e m e n ta r o u n dr o a d w a yb e l o w t h ec o a lp i l l a re d g e f i r s t ，t h er o a d w a yo u t e rl e a f d i s p l a c e m e n ti sr e l a t i v e l yl a r g el o c a t e d c o a l p i l l a r ；s e c o n d ，r o a d w a yd i s p l a c e m e n t w a sa f f e c t e d s e r i o u s l yb y b o r o m d i s p l a c e m e n t t h ed i s t r i c tc o a lp i l l a rs h o u l d n tb er e m a i n e da sf a ra sp o s s i b l ef o ra v o i d i n gt h e a b u t m e n tp r e s s u r ef o ral o n gt i m e ，b u te v e ns o ，s t r e n g t hs u p p o r t i n go rc o m b i n e d s u p p o r t i n gm e a s u r e ss h o u l db ea d o p t e d t oc o n t r o ls u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o ni nt h e r i s eo rd i pi n f l u e n c e db yt h ea b u t m e n tp r e s s u r e i ft h ec o a l p i l l a r i s r e m a i n e d ，t h e s u p p o r t i n gb yp i l l a r - a f f e c t e dr e g i o n ss h o u l db e e n h a n c e d t or e p a i r e dr o a d w a yw h i c hs u r r o u n d i n gr o c kc r a c kw a sc o m p a r a t i v e l y d e v e l o p e d ， 1 1 1 东北大学硕士学住论文a b s t r a c t r o c ks t r a t as t a b i l i t yc o u l db er a i s e d1o r2g r a d eb yb o l t i n ga n dg r o u t i n g b o l t i n gf o r c e c a n b y r a i s e d3 - 4t i m e sa f t e rg r o u t i n g t h a tc o u l dc o n t r o li n t e r f a c em o v i n ga n d i m p r o v e s u r r o u n d i n gr o c k w h o l e s t a b i l i t y r o a d w a y , w h i c hs u r r o u n d i n gr o c kw a sb e t t e r , a r er e i n f o r c e db yh i g h s t r e n g t hb o l t s b e f o r eo v e r h e a dm i n i n g t h es u r v e yr e s u l to ft h e b o l t s p r o p e r t i e s i n d i c a t e dt h a t b e g i n n i n g b o l tf o r c ew a sh i 曲a n db o l ta x i a lf o r c ei n c r e a s e dr a p i d l ya n dd on o tl o s ea s t h er o c ks t r a t ad e f o r m a t i o n t h e s ep r o v e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fb o l tw a sg o o da n d b o l t i n gs u p p o r t e f f e c tw a sb e t t e r k e y w o r d s l i t t l er o c ko v e r h e a d m i n i n g ，b o l t i n g a n d g r o u t i n g ，b o l t i n g ，s o f t r o c k r o a d w a y u n d e r h i g hs t r e s s 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致 身 的地方外，不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 本人签名： 日 期：荔脚? 、7 、，口 东北大学工程硕士论文第一章绪论 第一章绪论帚一早三；百t 匕 1 1 问题的提出 我国厚煤层和近距离煤层群赋存比重大，而厚煤层易自燃发火，围岩一 般比较松软。为了改善巷道维护状况，防止煤层自燃发火，减小护巷煤柱损 失，保证安全生产，我国很多矿区主要大巷，开采厚煤层和近距离煤层群采 区上下山及区段集中平巷，都布置在底板岩巷或围岩较稳定下部薄及中厚煤 层中。 与煤层巷道一样，岩石巷道的维护主要取决于围岩应力、围岩的力学性 质以及巷道支护边界条件”1 。如巷道布置不合理，岩巷位于高应力区或松软 的岩层中。岩石巷道的维护将会发生很大困难。底板岩石巷道或下部邻近煤 层巷道的围岩应力，在煤层开采深度等地质条件变化不大的情况下，主要取 决于巷道上部煤层引起地应力变化，巷道与上部煤层之间的垂直距离及与上 部煤柱边缘之间的水平距离。 煤层采动引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围的 煤柱上造成应力集中，而且该应力将向底板岩层深部传递，造成布置在底板 岩层中的巷道变形急剧增大“”。小岩柱跨采软岩巷道支护问题实质上是受采 动影响的高应力软岩巷道支护问题。 高应力软岩巷道支护，一直是国内外采矿界研究的难点和重点，也是制 约煤矿安全生产的关键因素之一。随着我国煤炭开采范围的扩大和开采深度 的增加，高应力极软岩巷道支护问题日益突出“。 根据井下大量观测，软岩巷道的围岩变形具有初期变形速度大、变形持 续时间长、受动压影响大等特点。因此，要在掘巷初期控制住围岩变形所需 的支护强度很大，现有支护难以达到。针对软岩巷道的上述特点，总结出了 软岩巷道支护应具备“高阻可缩”的性能，以适应掘巷初期围岩的强烈变形， 并以较高的支护阻力控制围岩的过度变形。以保证围岩和支护体的整体稳定。 巷道支护一般都需采用二次支护或联合支护“1 ，同时考虑到软岩自稳能力 差，自稳时间短，一般又需要及时支护，以提高围岩的残余强度。因此大断 面软岩巷道一般都需要先锚喷作为一次支护或采用其它l 临时支护，在适当的 时机再作永久支护。框式支护的实质是支护体给围岩提供一定的支护阻力。 不同围岩特性的巷道，要求对围岩的控制程度不同，因而所需的支护阻力也 东北大学工程硕士论文第一章绪论 不同。在通常的硬岩巷道中，支护的作用主要是阻止围岩的垮落，确保围岩 及其结构的稳定与完整，因而所需的支护强度较小，一般都在o 1 m p a 以下。 在软岩、极软岩巷道中支护的作用除阻止围岩的垮落，更主要的是控制围岩 的过度变形以防止支护一围岩体系的失稳破坏。已有的研究结果表明对软岩 巷道经济合理的支护强度在0 3 m d a 左右。 国内过去主要用砌碹、金属支架、锚网喷等支护体系来处理难支护的高 应力极软岩巷道，巷道变形比较严重，为了保证巷道的正常使用，往往需要 反复维修。国外，1 9 8 7 年前，英、法、德、波兰、俄罗斯等国主要采用金属 支架，美国、澳大利亚锚杆支护占巷道支护总量的9 0 以上，1 9 8 7 年后英、 法等国也逐渐用锚杆支护取代金属支架，目前这些国家锚杼支护巷道占巷道 总量的7 0 以上。 从各国的发展情况看，现代支护理论注重发挥围岩的自稳能力。碹体支 护、金属支架等均属被动支护，支护初期往往不承载，待围岩变形后又主要 承受集中载荷的作用，支护的承载能力难以发挥，很难控制住高应力软岩巷 道围岩的大变形。因此各国都在大力发展以锚杆为主的支护技术“2 “”。实践 证明，对高应力软岩巷道无论框式的被动支护还是注浆或锚杆等主动支护， 成功的支护都是自觉或不自觉运用了以下二点：一是较好地利用了围岩的自 承能力；二是较好地发挥了支护的承载能力。二者相辅相成，互为促进“”2 “。 从发挥支护的承载能力和充分利用围岩的自承能力看，锚杆和注浆都是 极为优越的岩土加固方法。锚杆与注浆是两种即独立而又关系密切、相辅相 成的施工工艺和岩土加固技术。它们有时独立使用，有时又联合使用。由于 它们能在原位对岩土进行加固和改性，充分挖掘岩土体的潜力，使一定范围 内的岩土体成为工程结构不可分割的组成部分。因此，多年来一直受到岩土 工程界的高度重视。就锚杆支护来说，虽然锚杆支护得到了长足的发展。“， 但从使用条件看，国外煤巷锚杆支护均使用在煤质中硬以上的煤层中。我国 煤巷锚杆支护主要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的i 、i i 、i 、类 巷道o ”，对于软岩回采巷道、深并巷道、沿空掘巷，小岩柱跨采等复杂条件 下的锚杆支护正在进行试验研究。对松散破碎岩体。围岩的可锚性差，锚杆 的锚固效果并不理想，往往导致锚杆支护失效，围岩变形较大。就注浆技术 来说，自从一百多年前水泥问世以来，注浆就逐渐发展成为岩土工程中行之 有效、应用广泛的技术。它与“锚固”技术一起有时成为复杂地质条件及工 程本身特殊要求等许多不利条件下唯一可以采取的加固措施，而且往往能较 好地解决一些常见的岩土工程稳定与安全问题晗”。通过注浆改变了围岩体 的力学性能，提高了围岩的自稳能力。如前苏联采用锚注支护技术，使松软 破碎岩体注浆后的单轴抗压强度显著增长“5 ，围岩变形量比没有注浆的同 东北大学工程硕士论文 第一章绪论 类巷道降低了8 0 以上；日本、法国、英国等在隧道施工中，采用注浆加固 技术都显著改善了围岩的各项力学参数和支护效果。”1 。国内，中国矿业大 学在跨采巷道以及高应力软岩巷道中采用新型外锚内注的“锚注”技术，成 功地维护住许多困难复杂条件下的软岩巷道，取得了显著的技术经济效益。 山东科技大学在龙口、淮北祁南等高应力软岩巷道中进行了大量成功的试验。 大量工程实践表明。锚注支护采取锚杆与注浆相结合的方法，使锚杆和注浆 各自的适用范围得到扩展。大大提高对软岩的支护效果，是解决深部动压影 响软岩巷道支护的一条有效途径。目前锚注工程实例报导很多，但大多是介 绍锚注的工艺过程及注浆效果，对注浆加固机理分析较少。国内有少数研究 者通过研究初步得出了锚注加固机理的一些定性结论，如对于节理裂隙发育 的软岩，注浆可改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，封闭裂隙阻 止水对岩体的侵蚀。使岩体强度显著提高，从而提高围岩体的自承能力。注 浆加固还可为锚杆提供可靠的着力基础，提高了软弱破碎岩体的可锚性，使 锚杆对松碎围岩的锚固作用得以发挥“。图卜1 为锚注结合加固围岩原 理图。但上述研究过多 的论述了锚注加固的 成功和有利之处，对现 有锚注加固的不足及 改进措施研究较少。如 锚注加固空心锚杆杆 体强度较弱，与树脂锚 固锚杆比，锚固性能较 差：巷道围岩破碎岩体 注浆后围岩完整性提 高与动压影响下的围 图l 一1 锚注结合加固围岩原理图 f i g lim e c h a n i s mo f r e i n f o r c i n gs u r r o u d i n gr o c kb yb o l t i n ga n dg r o u t i n g 岩位移场关系；锚杆的锚固性能与锚注前后，围岩变形损伤的关系等缺乏深 入的研究。 本课题在深入分析小岩柱跨采软岩巷道破坏机理的基础上，针对现有锚 注支护技术的不足，在现场实测资料的基础上，深入分析锚注加固的机理， 提出锚注支护的改进措施，以利于更好的发挥该项技术的优势。 1 2 锚杆支护技术研究现状 1 2 1锚杆支护的发展 在国外“，爱尔弗雷德布希( a 1 f r e db u s h ) 于1 9 1 2 年在阿伯施莱辛 ( a b e r s c h l e s i n ) 的弗里登斯( f r i e d e n s ) 煤矿开始使用锚杆支护顶板。2 0 世纪 东北大学工程硕士论文第一章绪论 4 0 年代，美国、前苏联己在井下巷道中使用锚杆支护，并迅速在煤矿、金属 矿山、水利、隧道以及其他地下工程中得到应用。随后，英、法、德、瑞典 等也开始应用和研究锚杆支护。几十年来，世界锚杆支护经历了如下发展历 程：1 9 4 5 1 9 5 0 年，机械锚杆研究与应用：1 9 5 0 - - 1 9 6 0 年，采矿业广泛应用 机械锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；1 9 6 0 1 9 7 0 年，树脂锚杆推出 并在矿山得到应用：1 9 7 0 1 9 8 0 年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用， 研究新的设计方法，长锚索产生；1 9 8 0 1 9 9 0 年，混合锚头锚杆、组合锚杆、 桁架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂材料得到改进。二十世纪九十年代， 树脂锚杆以其优越的锚固性能和简易的操作工艺逐渐占领了锚杆市场。此外， 各种适应特殊开采条件的锚杆型式得到发展，如适应可切割要求的玻璃纤维 锚杆、塑料锚杆，适应软岩巷道大变形要求的等塑性锚杆、可拉伸锚杆、钢 股( s t e e ls t r a n d ) 锚杆，以及适应大断面巷道和硐室的桁架锚杆、锚索等。 虽然国外锚杆支护应用十分广泛，但仍然局限于围岩较为稳定的巷道。雪山 ( s n o w ym o u n t a i n ) 隧道工程协会根据p e n d e r 围岩分类法( p e n d e r 分类法将 围岩分为6 类) ，建议在质量较好的三类围岩中采用锚杆或以锚杆为主的支护 形式，而在质量较差的三类围岩中不宜采用锚杆或以锚杆为主的支护形式。 新奥法( n a t m ) 也持基本相同的观点，认为在质量较好的的前4 类( 新奥法中围 岩共分7 类) 可采用锚杆或以锚杆为主的支护形式。在软岩锚杆支护方面，德 国人p s t e p h a n 和w g o t z e 通过模拟试验证实提高锚杆支护强度可有效控制 围岩变形。目前，国外锚杆日益向高强度、超高强度发展，并努力提高锚杆 锚固力，扩大锚杆支护应用范围，提高锚杆支护效率。 在我国“。2 ，锚杆支护始于5 0 年代，在矿山、水利、人防、铁路隧道等 部门得到应用。煤矿中使用锚杆支护技术则是从1 9 5 6 年开始，当时，主要采 用机械锚杆和钢丝绳砂浆无托板锚杆支护较为稳定的岩石巷道，获得成功。 6 0 年代，锚杆进入采区，由于煤层巷道围岩松软和受采动影响，对锚杆支护 技术的要求较高，并因技术条件限制，其支护效果不理想。7 0 8 0 年，国家 对软岩巷道锚杆支护的研究进行了重点支持，无论是在铁道部门还是在煤炭 系统都开展了锚杆支护的研究和推广应用工作。1 9 9 6 年，锚杆支护巷道占当 年国有重点煤矿新掘巷道的2 9 0 9 ，其中岩巷锚杆支护率为5 7 3 4 ，煤巷锚 杆支护率为1 5 6 8 。可见，锚喷支护已成为岩巷支护的主要形式，煤巷、半 煤岩巷中所占比重还很低。目前，在回采巷道中锚杆支护主要应用于条件比 较简单的i 、i i 、i i i 类巷道，条件比较复杂的、v 类回采巷道还处于试验、 总结经验阶段或者采用锚杆与其他支护的联合支护形式。煤巷锚杆支护的主 要形式是单体锚杆支护；锚杆加w 钢带( 或钢筋梁) 或加网，或者加w 钢带( 或 钢筋梁) 及网，简称为锚梁、锚网或锚梁网支护。在煤巷锚杆支护发展的过程 东北大学工程硕士论文第一章绪论 中取得了不少宝贵经验，主要有：单体锚杆支护，锚梁网组合支护，桁架锚 杆支护，软岩巷道锚杆支护，深井巷道锚杆支护，沿空巷道锚杆支护，可伸 长锚杆，电动、风动、液压锚杆钻机，锚杆支护监测仪器，锚杆与金属支架 联合支护等。近几年，经过教学、科研与生产单位的联合攻关，煤巷锚杆支 护技术有了较大提高。发展煤巷锚杆支护是我国继推行综采后的第二次重大 技术革命，有利于综放技术在我国煤矿厚煤层开采中的推广应用，实现高产 高效。 1 2 2 国外锚杆支护理论的发展和现状 随着锚杆支护逐渐推广应用，其锚固理论也不断发展。1 9 5 2 1 9 6 2 年， l o u i sa p a n e k 经过理论分析、实验室和现场测试，提出悬吊理论。该理论 认为，锚杆的作用是将直接顶悬吊到上覆坚硬岩层上；对于软弱围岩，锚杆 的作用是将直接顶的破碎岩石悬吊在其上部的自然平衡拱，拱高可采用普氏 的压力拱理论估算。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。跨 度大的软岩巷道中，因围岩破碎区较大，普氏拱高往往大于锚杆长度，悬吊 理论就不适用。1 9 5 2 年，德国人j a c o b i 0 等发表了组合梁理论，他们认为锚 杆的径向力可将叠合梁的岩层挤紧，增大层间的摩擦力，同时锚杆的抗剪能 力也可阻止层间错动，将叠合梁转化为组合梁。运用组合梁进行锚杆支护设 计时，锚杆的锚固力计算公式为： q 三d 2 p 。( 1 ) 式中q 一锚杆的间距； p 。一组合梁载荷，不小于锚固深度范围内岩体自重，可取p 。( 最 小支护抗力) 。根据弹塑性地压理论，若支护阻力小于最小支护抗力，则围岩 压力由变形地压转为松动地压，巷道失稳。 组合梁理论是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释，在顶板较破碎、 连续性受到破坏时，组合梁就不存在了。组合梁理论只适用于层状顶板锚杆 支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。1 9 5 5 年，t l v r a b c e w i c z 提出锚 杆安装后使巷道围岩中形成一定厚度的压缩带承受围岩压力的观点。2 0 世纪 7 0 年代初美国t a l a n g 和p e n d e r 提出拱形压缩带理论，t a l a n g 利用二次 元光弹性实验证实了拱形压缩带的存在。拱形压缩带理论很好地揭示了软弱 围岩中锚杆的作用，由于拱形压缩带的承载能力难以确定，且很难与锚杆锚 固联系起来，故仅作为锚杆加固设计和施工的重要参考。在锚杆支护理论研 究的发展过程中，发现锚杆还具有销钉作用，包括两个方面：利用锚杆将不 稳定块体钉到深部稳定的围岩上；软岩巷道围岩常发生压剪破坏，破坏了 的岩体将沿最不利的滑移面滑动。若沿巷道周边径向布置锚杆，由于锚杆与 东北大学工程硕士论文第一章绪论 滑移面斜交，锚杆就会起到防剪抗滑作用。利用销钉作用进行锚杆支护设计， 对于块状围岩的大型硐室，采用赤平投影先确定不稳定块体，然后进行锚杆 支护设计；对于普通巷道由于不连续面的参数难以获得，以及计算分析工作 量太大而难以进行。近年来，一些学者从锚杆一围岩相互作用关系入手，建 立锚杆支护设计的解析法和数值法”7 “”。1 9 8 9 1 9 9 0 年加拿大学者 i n d r a r a t n a 和k a i s e r 采用模拟试验，对全长锚固锚杆与围岩的相互作用进 行分析，建立了全长锚杆的分析设计模型。1 9 9 4 年法国学者l a b i o u s 研究了 锚杆支护的全部过程及锚固围岩体可能出现的五种应力状态，建立了“收敛 一约束”的锚杆设计的数值模拟法。1 9 9 5 年，美国s s 彭和l b 戈提出软 岩巷道锚杆支护的设计方法，认为软岩矩形巷道顶板有三种破坏形式。直接 顶最下层中部的拉伸破坏、最下层与其上覆岩层分解面的离层及滑移和顶板 肩角处的剪切破坏。据此，采用边界元法进行分析研究认为锚杆支护的作用 是：对巷道顶板施加轴向力使顶板处于三向应力状态；锚杆抵抗岩层沿 层面滑移。澳大利亚学者盖尔( w j g a l e ) 提出最大水平应力理论，根据该理 论锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能约束围岩变形。 1 2 3 我国锚杆支护机理研究现状 目前，锚杆支护技术在我国矿山、水利、人防、铁路隧道以及煤矿巷道 中得到广泛的应用。关于锚杆支护机理研究，我国科研工作者进行了深入地 研究，并取得一定的成果。 孙均和宋德彰两位学者提出的理论分析模型采用先进的塑性软化本构关 系，理论分析结果与实际更加接近。孙学毅根据2 0 世纪7 0 年代我国对砂浆 锚杆轴力研究的丰富实测资料，提出了全长锚固无托板锚杆的力学模型。王 明恕根据锚固后静态锚杆的静力平衡关系，提出了中性点理论，并由全长锚 杆的应力分布和中性点理论，得出全长锚杆的设计方法。中性点理论使人们 对围岩中应力状态及作用原理有了新的认识。李世辉的典型类比分析法是以 典型工程为比较的类心，并参照数值分析的结论，其结果比普通的类比分析 法更为科学和可靠。董方庭教授提出围岩松动分类法，根据松动圈的大小采 用不同的原理设计锚杆支护。可见，松动圈支护理论对于锚杆支护的指导作 用在于确定各种锚杆支护作用理论的适用条件，可操作性强。 近年来，许多学者提出了锚杆支护围岩强化理论“”，探讨了锚杆加固后 提高岩体强度a 、弹性模量e 、粘聚力c 和内摩擦角( p 等问题。具体研究成果 有：( 1 ) 系统布置锚杆可提高岩体地e 、c 、币，并认为，锚固体的c 提高较大， 而币提高的幅度不大。( 2 ) 锚杆锚固区域围岩具有正交异性，当锚杆沿着试 件的轴向时，围岩的e 随着锚杆的密度增大而增大，围岩强度的提高主要是 东北大学工程硕士论文第一章绪论 内摩擦角的提高，而c 几乎没有变化。( 3 ) 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。( 4 ) 锚杆的锚固效果和锚杆密度、形式、长度、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。( 5 ) 锚杆 支护在力学上等价于巷道围岩施加一定量的约束力等。 这些研究成果解决了不同条件下的锚杆支护问题。在一定程度上定性或 定量地弄清了锚杆支护的一些问题，例如锚固体的极限强度和e 、c 、中的提 高等。但这些研究成果主要偏重于地表加固工程和浅埋隧道工程，对于煤矿 巷道特别是煤巷，由于围岩松软、埋藏深、受采动和构造应力影响，地应力 很大，巷道围岩破坏严重，因而，其周围存在着破坏区，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 中，相应锚固区域的岩石强度处于峰后强度或残余强度。大量的工程实践表 明，在这类围岩中，单纯锚杆支护地围岩变形仍然很大。近十年来，许多学 者通过大量地研究，开发和推广锚注支护技术。 在锚网支护技术方面，借鉴国外支护设计方法，总结我国多年来成功经 验，结合我国的实际情况，完善了计算机数值模拟方法，提出了地质调查、 设计、施工、监测、信息反馈的一整套支护设计法。其中初始设计以数值计 算方法为主，根据围岩物理力学参数和已有实测数据确定比较合理的初始设 计。 1 3巷道锚注支护技术研究现状 1 3 1 锚注支护技术的发展现状 在国外，奥地利、前苏联和德国等于2 0 世纪8 0 年代就用空心锚杆作为 注浆管实现了锚注，并得到广泛应用。奥地利的g d a n k e r 公司及德国卡波科 技公司研制了i b 0 型自钻锚杆。它是一根带有一次性钻头的空心钻杆，用自 带钻头钻孔，然后通过钻杆中心孔高压( 2 0 4 0 b a r ) 注浆。前苏联锚注锚杆结 构分为楔式和粘结式两种。这两种注浆锚杆与钻孔壁之间都采用“止浆塞” 来密封。注浆前先采用楔缝式或粘结式锚固，使锚杆端部紧压孔壁。前苏联 提出巷道围岩稳定性系数k ( yh r c ) 三0 4 o 6 的条件下，使用锚杆应用锚 注支护。 在我国，锚注加固技术作为锚杆支护技术和围岩注浆加固技术的有机结 合，是近十年才发展起来的。山东科技大学于9 0 年开发了内注浆锚杆及注浆 时配套用的逆止阀，并且龙口、淮北祁南等矿区进行了大量的试验研究。中 国矿业大学于9 5 年开发了一种新型“外锚内注锚杆”在徐州、淮南、铁法、 枣庄等矿区应用取得了较好效果。目前锚注加固技术的研究应用工作正方兴 东北大学工程硕士论文第一章绪论 未艾。锚注技术关键是注浆锚杆与钻孔岩壁之间的密封。我国著名学者陆士 良教授通过研究开发了将锚固与密封融为一体的外锚内注式锚杆，实现“锚 封一体化”和“锚注一体化”，密封效果非常理想，成功地解决了锚注支护在 松软破碎岩体中高压注浆的密封难题。采用的注桨材料从水泥浆发展到多种 化学浆、水泥一水玻璃浆。高水速凝材料在破碎巷道围岩锚注加固技术中应 用具有明显的优越性和先进性。 1 3 2 锚注加固机理研究现状 锚注加固技术是在锚杆支护技术和注浆加固技术的基础上发展起来的。 它是利用特种中空锚杆兼作注浆等，对巷道围岩实施外锚内注的一种加固方 式。它充分利用锚杆加固和注浆加固的各自优点，在提高岩体强度与稳定性 的基础上使围岩与加固结构形成一个有机整体，共同发挥承载作用，实现对 巷道松软围岩的有效控制。 研究资料表明，由于注浆介质的复杂性和工程的隐蔽性，注浆理论研 究水平严重滞后于注浆工程实践和注浆材料的发展要求，目前应用较多的注 浆理论是渗透注浆理论和劈裂注浆理论。围岩注浆的主要作用有“”7 ”，注 浆加大了巷道围岩弱面的摩擦力，相当于提高围岩岩体的粘聚力和内摩擦角， 增大岩块相对位移的阻力，从而提高围岩的整体稳定性。封闭水源、隔绝 空气。浆液在裂隙中充填、固结后封闭裂隙，阻止水侵入岩体对巷道围岩的 弱化作用，也阻止了围岩的进一步风化。对破碎松散岩体，由于浆液在裂 隙中的胶结作用，使破碎岩块重新胶结成整体，形成一个可以承载的注浆壳， 使之与巷道支架共同承载，充分发挥围岩的自稳能力。在此研究基础上，应 用弹塑性理论分析了锚注加固的机理。 对于极松软破碎巷道围岩，仅靠锚杆支护系统提供的支护作用是不够的， 必须与其它支护形式构成联合支护，提高整个支护系统的强度和整体性，才 能控制围岩变形。锚注支护通过注浆加固在巷道围岩内形成连续的注浆加固 圈，锚杆通过与围岩相互作用在围岩内形成锚杆加固圈，加上金属网和喷射 混凝土这些护表措施，组成一个完整的支护系统，通过注浆加固和锚杆加固 双重作用达到加固围岩、控制巷道围岩变形的目的。 这些研究成果无疑对锚注支护技术的推广应用打下了坚实的基础，但目 前的研究成果对锚注支护中锚杆和注浆的相互作用，锚杆锚固性能与围岩损 伤变形之间关系等缺乏研究。由于缺乏实测资料，得出的结论过于定性，很 难分析锚注支护中是注浆的作用大还是锚杆的作用大，导致针对具体条件时， 确定采用锚杆支护还是锚注支护时缺乏必要的理论依据。因此有必要进一步 分析锚注支护的技术内涵。 东北大学工程硕士论文第一章绪论 1 4 研究的主要内容 本课题以柴里矿南轨上山和南皮上山为试验点，在现场加固试验的基础 上，通过理论分析和采用适于分析岩土工程中非线性大变形问题的数值模拟 软件f l a c ，针对小岩柱跨采巷道的围岩变形特点，分析锚杆和锚注支护的加 固机理。具体的研究内容如下： 小岩柱跨采软岩巷道的失稳破坏机理 根据工作面跨采对小岩柱跨采软岩巷道的矿压测试结果，分析工作面跨 采对小岩柱跨采巷道的动态影响规律。采用理论和数值方法分析工作面跨采 条件下，工作面跨采与巷道围岩稳定之间的时空关系，即工作面位置与跨采 巷道平距和岩柱厚度的动态影响关系。 小岩柱跨采巷道围岩加固试验 根据小岩柱跨采影响巷道的具体条件合理地设计围岩加固方案。为了分 析锚杆锚固性能与围岩变形损伤的关系，合理分析锚注加固机理，试验采用 了两套方案。方案一、树脂锚杆配合锚注支护：方案二、高强锚杆支护。根 据两种支护受动压影响的矿压测试结果，分析两种加固方案的试验效果，为 类似条件下确定加固方案提供理论依据。 小岩柱跨采巷道锚注加固的机理分析 研究注浆对围岩结构及力学特性的影响，深入分析软岩巷道锚杆失效和 可锚性差的原因。从支护一一围岩的相互作用关系出发，研究软岩巷道锚注 加固稳定围岩控制变形的机理，为我国小岩柱跨采软岩巷道锚注支护的完善 和改进提供理论依据。 蔓! ! 叁堂三堡塑堕文第二章小岩柱跨采对软岩巷道围岩稳定性影响分析 第二章小岩柱跨采对软岩巷道围岩稳定性 影响分析 煤层采动引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围的煤柱 上造成应力集中，而且该应力将向底板岩层深部传递。如果巷道与工作面的空间 位置不合理，会造成布置在底板岩层中的巷道变形急剧增大。研究底板岩层里的 应力分布、破坏区和采动岩体的力学特性，对了解受上部煤层采动影响的底板岩 层或邻近煤层巷道受力状况和矿压显现、合理布置工作面、选择合理的支护措施 来控制围岩的变形具有指导意义。 2 1 工作面底板岩体应力与破坏区n 1 2 1 1 底板围岩应力计算 由弹性力学理论，如图2 1 所示， 力口出，在平面体内任点( 0 ，r ) 作用在各向同性均质半无限平面体上的集中 引起的应力为： 2 s i n 2o c o s 国出 2 c o s 3 白出 盯= l 刀 ，一2 s i n o c o s 2 o q a x - 一 册 用直角坐标系( x ，z ) 表示为 2x 2 z d d x 吒。；矿丢下 2z 3 口d x 巳2 i 矿丢下 一 2 船2 q d x k i 碍研 运用叠加原理，可将以上结 果推广到自由边界上受均布载 荷的情况，如图2 1 所示，即： 。i l ，黝lj 。! 局一彩 驴一 、眵 l 1 图2 1 半平面体受均布载荷 f i g 2 1e v e nl o a do n h a l f - s p a c e 东北大学工程硕士论文第二章小岩柱跨采对软岩巷道围岩稳定性影响分析 盯，= 旦 一s i n ( 0 2 0 , ) c o s ( 0 2 + b ) + 岛一目l 】 盯：= 兰 s i n 0 2c 。s 0 2 一s i n bc 。s 只+ 0 2 0 3 ( 2 1 ) k = 导( s i n 2 p ：一s i n 2 b ) 式中q 一作用于底板岩体上的载荷。 根据上述公式，可以绘出均布载荷作用下，底板岩体中的应力分布图形。沿 载荷中心点下部轴线上的垂直应力0 ：最大，在不同深度上，o 。随深度的增加而减 小，其主要影响范围为6 2 5 1 ( f 是载荷分布宽度) ；水平应力o ；的影响深度较浅， 约为1 5 l ：剪应力tx y 的影响约为2 f ，且最大值出现在载荷作用的边界处，所以， 采场边缘下部的岩体容易产生剪切变形和破坏。 根据弹性力学理论，求解平面问题主应力的公式为： o m s 。x = 坐2 j ( 盟2 ) 2 + r ；盯。 v 、 。 掣 将式2 1 代入上式，且令d = e ：一9 。，可以得到底板岩体最大、最小主应力： 盯i ，盯3 = q a + s i n a 最大剪应力可由下式求得： 。= 去扛五万j 玎= 铡q n d 当a = 2 时，剪应力达到极值， r 。= 皇 上式说明，剪应力的极值发生在以分布载荷宽度，为直径的半圆线上。由此可 知，底板中最大剪应力达到的最大深度为： 矗= 三 2 2 1 2 底板岩体破坏深度 下面基于苎善加 上述公式推导 长壁工作面底 板破坏深度 根据圣维 南原理，作用在 弹性表面某一 个不大的局部 图2 2 等效力学模型 f i g2 2e q u i v a l e n tm e c h a n i c sm o d e 东北大学工程硕士论文第二章小岩柱跨采对软岩巷道围岩稳定性影响分析 面积上的力系，被作用在同一局部面积上的另一静力等效力系所代替，则载荷的 重新分布，只在离载荷作用处很近的地方才使应力的分布发生显著变化，在离载 荷较远处只有极小的影响。因此，垂直于煤壁方向的应力分布可用图2 2 的等效力 学模型代替，图中的等效应力q = ( n + 1 ) p 0 2 ，作用宽度为工作面端部至应力峰值距 离x 。的2 倍，即l = 2 x 。 根据前面的计算结果，考虑到底板内由于岩体自重产生的应力y 。，并且研究 的问题为平面应变状态，则底板岩层中任意点m 的主应力为： 盯1 = - q a + s i n a + y z 盯3 = - q a s i n a + y z( 2 2 ) 仃2 = v ( 盯l + 盯3 ) = 兰堡里+ 2 弦 下面采用m o h r c o u l o m b 破坏准则计算底板岩体的破坏深度。 根据m o h r c o u l o