（矿业工程专业论文）不稳定围岩巷道支护及采场顶板控制技术研究.pdf

东北大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 本文以弹塑性力学为基础，假设水平应力与垂直应力相等，把巷道简化为一 仅受体力作用的厚壁圆筒，分析了在次生应力作用下围岩所处的状态。在此基础 上，导出了围岩中的塑性形变压力和塑性松动压力的计算公式。对于支护后巷道 围岩的流变规律，依据锚杆与围岩共同作用的支护原理，通过计算锚杆的变形反 演了围岩的变形。在上述理论指导下，结合邱集煤矿的生产条件，提出了锚杆设 计方法，对现行的锚喷参数进行了优化。经计算机模拟和现场观测，证明了该锚 喷支护参数的合理性。通过理论与实践相结合的方法，得出以下主要结论： 1 巷道开挖以后，若次生应力小于岩石的屈服极限，则围岩继续保持弹性 状态。围岩次生应力的大小与泊松比的大小有关，与岩体的弹性常数e 无关， 且与径向夹角8 无关。随着距离r 的增大，径向应力仃，先增大，达到极值后逐渐 减小，并在地面处减为o ；随着r 的增大而减小，在巷道周边，最大；仃，+ 是随着r 的增大而线性减小的。若次生应力大于岩石的屈服极限，则在巷道周边 一个有限的范围内出现塑性区。在该区内，随着r 的增大，变形量逐渐减小，在 巷道的周边围岩的变形量最大。塑性区半径r 。的大小，就其变化特性和岩石的力 学性质而言，与围岩压力、径向位移和时间成正比，与岩石的强度成反比。 2 围岩压力是塑性形变压力和塑性松动压力的组合，其大小随径向位移的 增大先减小后增大。随着塑性区半径的增大，围岩中塑性形变压力减小，而塑性 松动压力增大。围岩压力是影响岩体径向位移和塑性区半径大小的主要因素。 3 围岩锚固区在流变时期的变形同锚杆的变形同步，其变形量的大小取决 于锚杆的力学性质及围岩破坏区的大小。锚杆的变形( 围岩锚固区的变形) 同锚 杆的切面面积、弹性模量均成反比，同破坏区的半径成正比。巷道周边位移量的 大小同锚杆变形量成正比。 4 根据松动圈理论和现场实测，邱集煤矿巷道围岩属于类，但在断层附 近属于v 类，在采用本文提供的锚喷支护参数后，有效地控制了围岩的变形。两 东北大学工程硕士学位论文 摘要 近属于v 类，在采用本文提供的锚喷支护参数后，有效地控制了围岩的变形。两 帮移近量和顶底移近量分别比采用原支护方式下降了4 3 和4 5 。采用锚杆支护 与传统的矿工钢支架支护相比，每米巷道支护材料费用节省1 7 4 3 元，材料费节 约率达到3 4 1 。 5 经现场观测，初次来压步距为1 9 m ，动载系数2 1 1 ；周期来压步距为1 1 5 m ， 动载系数为1 4 8 ，并据此确定了采场的支护密度为上面1 4 3 棵，i n 2 ，下面1 6 2 棵 m z o 关键词：塑性巷道围岩压力流变锚喷支护 m 查苎查堂三垦堡圭兰堡垒叁 尘呈翌墨垒! 羔 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fe l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i c s ，s u p p o s e dh o d z o n t a ls t r e s si se q u a lt o v e r t i c a ls w e s s r o a d w a yi ss i m p f i f i e da sa 吐l i c kw a l lc y l i n d e rb o r n eb y p h y s i c a lf o r c e a t t h ea c t i o ns e c o n d a r ys t r e s s0 nt h es u r r o u n d i n gr o c k ，i t ss t a t ei sa n a l y z e d 。a c c o r d i n gt o t h es u p p o r t i n g p r i n c i p l et h a tb o l t i n g a n d s u r r o u n d i n g r o c ka c tt o g e t h e r , t h ed e f o r m a t i o n o fr o c ki se d u c e d b yc a l c u l a t i n gt h ed e f o r m a t i o no fb o l t i n g 。t h e r e b yt h et h e o l o g y l a wi s c o n c l u d e d i na c c o r d a n c ew i t ht h ec o n d i t i o n so fg e o l o g ya n dt e c h n o l o g yo fq i u j i c o a l m i n e ，c o m b i n e dw i t hd e s i g nm e t h o d s u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d t h e s e p a r a m e t e r sa r ep r o v e dr e a s o n a b l eb yc o m p u t e rs i m u l a t i o na n ds p o to b s e r v a t i o n b y c o m b i n e d p r a c t i c ea n dt h e o r y , c o n c l u s i o n s a sf o l l o w ： ( 1 ) a f t e re x c a v a t e d ，t h es u r r o u n d i n gr o c kk e 印t h ee l a s t i cs t a t ei fs e c o n d a r ys t r e s s l e s st h a nr o c ky i e l dl i m i t s e c o n d a r ys t l t e s so ft h es u r r o u n d i n gr o c kh a v ep e r t i n e n c et o p a r a m e t e r s “口”，b u th a v en op e r t i n e n c et oe l a s t i cc o n s t a n t e ”a n dr a d i a la n g l e 0 r a d i a ls t r e s s “盯”w i l li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i s t a n c e r b e f o r ea m o u n tt o e x t r c m u m ，t h e nt h es t r e s sw i l ld e c r e a s et oz e r oi ng r o u n d 。“”w i l ld e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo ft h ed i s t a n c e 甲a n da m o u n tt oe x t r e m u mi n r o a d w a yc i r c u m f e r e n c e “仃，+ d e ”w i l ll i n e a r i t yd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f r i ft h es e c o n d a r ys t r e s sm o r e t h a nr o c ky i e l dl i m i t , t h e r ew i l lb el i m i t e dp l a s t i cs e c t i o ni nr o a d w a yc i r c u m f e r e n c e ，i n w h i c hd e f o r m a t i o nw i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i s t a n c e r a n da m o u n tt o m a xi n r o a d w a yc i r c u m f e r e n c e a st ov a d e t yc h a r a c t e r i s t i ca n dr o c km e c h a n i c s c h a r a c t e r , t h ep l a s t i cs e c t i o nr a d i a l r ? d i r e c ti n t os u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r e ，r a d i a l d i s p l a c e m e n ta n dt i m e ，a n di n v e r s ei n t or o c ki n t e n s i t y ( 2 ) s u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r ei sc o m b i n a t i o no fp l a s t i cd e f o r m a t i o np r e s s u r ea n d p l a s t i cc o n c u s s i o np r e s s u r e t h es i z ew i l ld e c r e a s ef i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s ew i t ht h e r a d i a ld i s p l a c e m e n ti n c r e a s e s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n p r e s s u r ew i l ld e c r e a s ea n d p l a s t i cc o n c u s s i o np r e s s u r ew i l li n c r e a s ew i t ht h ep l a s t i cs e c t i o nr a d i a li n c r e a s e t h e r e a r er e l a t i o na m o n gt h es u r r o u n d i n gr o c kp r e s s u r e ，r o c kr a d i a ld i s p l a c e m e n ta n d p l a s t i c f v 东北大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t 1 一 s e c t i o nr a d i u s ( 3 ) s u r r o u n d i n gr o c kb o l t i n gs e c t i o nd e f o r m a t i o n i np e r i o do ft h e o l o g ya n db o l t i n g d e f o r m a t i o ni s s y n c h r o ，w h i c hs i z ed e p e n do nm e c h a n i c sc h a r a c t e ra n ds u r r o u n d i n g r o c kd e s t r o ys e c t i o ns i z e b o l t i n gd e f o r m a t i o nd i r e c ti n t od e s t r o ys e c t i o nr a d i u sa n d i n v e r s ei n t o b o l t i n g c u t a r e a ，e l a s t i cm o d e l e d i s p l a c e m e n t i n r o a d w a y c i r c u m f e r e n c ed i r e c ti n t ob o l t i n gd e f o r m a t i o n 。 ( 4 ) a c c o r d i n gt oc o n c u s s i o nc y c l et h e o r ya n ds p o to b s e r v a t i o n ，q i u j ic o a l m i n e r o c kb e l o n g st o1 t l s o r t ，b u tb e l o n g st o vs o r ti nf a u l th e r e a b o u t s u r r o u n d i n gr o c k d e f o r m a t i o nw e r ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l ya f t e ru s i n gb o l t i n ga n ds h o t e r e t i n gp a r a m e t e r s p r o v i d e db y t h i sp a p e r , b o t hs i d e sa n db o t t o ma n dr o o fd i s p l a c e m e n td e c r e a s e d4 3 a n d 4 5 r e s p e c t i v e l y c o m p a r ew i t hc o n v e n t i o n a lm i n i n gi - s h a p es t e e ls u p p o r t ，p e rm e t e r r o a d w a y s a v e1 7 4 3 ￥b y u s i n gb o l t i n gs u p p o r t m a t e r i a l c o s td e c r e a s e d3 4 1 ( 5 ) b ys p o to b s e r v a t i o n ，i n i t i a ll o a d i n gp r e s s u r es t e pi s1 9m e t e ra n dd y n a m i c l o a d c o e f f i c i e n ti s2 1 1 ；p e r i o d l o a d i n gp r e s s u r es t e p i s1 1 5m e t e ra n dd y n a m i cl o a d c o e f f i c i e n ti s 1 4 8 a c c o r d i n gt ot h e s es t o p es u p p o r td e n s i t y i s1 4 3p m a r s p e rs q u a r e m e t e r u p a n d1 6 2p i l l a r sp e r s q u a r e m e t e rd o w n k e yw o r d s ：e l a s t i c - p l a s t i cr o a d w a y s u r r o u n d i n g r o c k p r e s s u r e r h e o l o g ys u p p o r l e db yb o l t i n ga n ds h o t e r e t i n g v 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谢的地方外，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。与我同 一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 表示谢意。 本人签名：勿移砬 日期： 多7 ，7 查些垄兰三翌堡主兰苎丝圭l 竺 1绪论 1 1 国内外研究现状 1 9 1 2 年a l f r e db u s c h 首次在煤矿顶板加固中使用锚杆”1 ，美国经过几十年的 试用和改进，于4 0 年代正规采用锚杆支护，从而引起了采矿界的关注。悬吊、 组合梁、组合拱理论咖于5 0 年代相继问世，8 0 年代中期，三大新型锚杆( 树脂、 快硬水泥、管缝) 的研制成功，进一步促进了锚杆支护技术的推广应用。为了深 入了解锚杆支护的作用机理，国内外的专家、学者在巷道围岩变形规律研究方面 做了大量的工作。 中国矿业大学的陆士良教授将巷道岩体深处任意一点的径向位移与周边位移 的比值称为深表比田1 ，并认为它是反映锚杆支护巷道的周边位移与岩体深处位移 规律的主要指标。经过对我国徐州、淮南、平顶山、梅河等矿区各类煤矿巷道的 岩体位移及其深表比的测试研究，得出：在原岩应力条件下，深表比的变化规 律与掘巷引起的围岩应力分布基本一致，即在巷道周边最大，在围岩深处按负指 数曲线衰减。围岩周边位移量的大小、衰减速度、深表比的变化及最终的影响深 度，主要取决于巷道围岩性质，同时还与巷道埋藏深度、断面大小及支护阻力等 有关；巷道受采动影响后，尤其是在相邻采空区与本工作面回采引起的支承压 力叠加作用下，不仅巷道周边，而且岩体深部都处于强烈的支承压力下，产生大 范围的塑性变形而严重破坏。因此，不仅巷道周边位移量很大，而且围岩变形的 变化规律与单一巷道不同，深表比衰减十分缓慢。受采动影响的巷道，由于围岩 性质、开采深度、采动状态等不同，巷道周边位移量一般为2 0 0 1 0 0 0 m m ，岩体 深部显著位移的范围一般为。5 1 6 m 。 山东科技大学宋扬教授针对锚固体的微观结构不同于原岩体的特点，分别赋 予它们不同的本构模型“2 1 ，采用相应原理，导出了锚杆支护圆断面巷道围岩流变 的粘弹性解，分析了锚杆密度、长度变化时，巷道围岩的变形规律及其影响程度。 在分析过程中，以各向同性的线粘弹性围岩中的圆形巷道为研究对象，不考虑影 响圈内的岩体自重，原岩应力为各向等压状态，如图1 1 所示。对原岩体，采用 m a x w e l l 模型口”，考察全长粘结型锚杆，假设锚杆是在巷道掘出后立即安装上的， 且单根锚杆的作用均匀分配在它所支护的面积上，则锚固体可以看作是m 体并 联一个h o o k e 体而构成的，如图1 2 所示。 东北大学工程硕士学位论文 l 绪论 i 皿 b 锚周区 圈1 1 计算横型图1 2 围岩的粘弹性模型 f i g1 1 c a l c u l a t i o nm o d e l f i 9 1 2 v i s c o e l a s t i cm o d e l o f s u r r o u n d i n g sr o c k 通过对上述模型的计算与分析可得到不同锚杆密度的围岩变形规律( 图1 _ 3 ) 和不同锚杆长度时的围岩变形规律( 图1 4 ) 0 6 o 5 0 4 0 ，3 0 2 o i v ( m m ，d 1 图1 3v ( a , o 与锚杆密度的关系图1 4v 执t ) 与锚杆长度的关系 f i 9 1 3 t h er e l a t i o nb e t w e e nv ( a t ) a n d f i 9 1 4 t h er e l a t i o nb e t w e e nv ( a ，t ) a n d a n c h o rb o l td e n s i t ya n c h o rb o l tl e n g t h 英国煤矿的顶板条件差别较大，从几乎无需支护到高应力、大变形的条件都 有，其锚杆支护的设计方法为现场监测与计算机模拟相结合。现在已经研究出了 模拟巷道围岩大变形与岩石破坏特征的计算软件叫。应用计算机模拟需要仔细地 界定岩体在原始状态和破坏状态下的强度性质，同样，也需要详细了解最相近的 模拟地点的应力场与地质变化情况。如果建立的模型足够精确，则可模拟：顶 板与两帮的变形；锚杆轴向力的分布；巷道岩层与煤的强度特性。 1 2 问题的提出及研究意义 尽管研究人员一直在努力寻求锚杆支护设计的定量方法，但由于锚杆与围岩 相互作用关系的复杂性，在分析计算中，锚杆的锚固力( 或预应力) 往往被简化 为集中力或作用在巷道表面的分布力，所得结论与锚杆支护的实际效果存在较大 差异。 2 m m m m m m 0 5 o 5 0 5 1 1 2 2 3 3卜卜卜k扣j! - 查些垄兰三堡堡主兰竺丝圭 ! 竺垒 目前，塑性区的应力、变形及其范围大小的计算仍以弹塑性理论所提出的基 本观点作为研究和计算的依据，即假设岩体是均质的、各向同性的弹塑性体，塑 性区应符合平衡方向和塑性条件，弹性区应满足平衡方向及弹性条件，而且在弹、 塑性区交界处，既满足塑性条件，又应符合弹性条件。在以往的力学分析中，往 往把弹性区看作是半径为无穷大的厚壁筒d j ，外界面上作用有原岩应力，内界面 上作用有塑性区岩体对弹性区岩体的支反力，不考虑计算单元的体力。我认为这 种假设同实际情况略不相符，巷道围岩中的垂直应力和水平应力都是同埋深呈线 性关系增加的，因此，在本文的力学分析中，把巷道简化为一内径为a ( 巷道半 径) 外径为h 的厚壁圆筒，内、外壁均不受外力作用。当侧压系数a = 1 ，任一 方向上的径向力均同垂直方向上的重力一样，与半径r 呈线性关系。采用极坐标 进行分析时，径向上受到一常体力n 的作用。即把计算单元看作一仅受径向体 力i ( r 作用的单元体。 对于巷道支护后发生流变这段时间内围岩的变形规律往往采用粘弹性模型来 分析，即选择一流变模型来模拟原岩区，对于锚固区则用原岩区的流变模型并联 上一个虎克体来模拟。通过数学计算得出围岩的流变规律。巷道开挖以后，围岩 中原有的应力平衡随即遭到破坏，在巷道围岩出现采动影响区。对于煤矿巷道来 说，由于煤系地层属于沉积岩，岩层强度普遍较低，巷道围岩不可能在次生应力 的作用下保持弹性状态，一般会出现塑性区甚至也会出现破坏区1 2 。围岩虽然仍 有一定的抵抗力，但同未破坏前相比，其力学性质已经发生了大幅度的变化。而 锚杆则是在巷道开挖后才打人岩体的，这时围岩已经发生了塑性屈服。由于锚杆 长度有限，绝大多数锚固区也仅限在塑性区，因此在设计锚固体的流变模型时， 不能简单地把锚固体看成是原岩体并联上弹性体。另外，安设锚杆时，围岩的原 岩应力平衡状态已经遭到破坏，巷道周围会出现应力集中，其应力同原岩应力有 较大差别，因此外力也不能考虑成原岩应力。所以采用粘、弹、塑性力学模型很 难准确地描述围岩的流变规律。 由于岩石的流变效应，围岩在次生应力及自身重力的作用下发生缓慢变形， 塑性区岩石中的应力逐渐降低，并有部分岩体发展成松动区蚴。如果不进行支护， 势必会导致巷道破坏。巷道采用锚杆支护以后，由于锚杆的作用，可以抵抗围岩 压力，围岩的变形受到限制，锚固区内岩石的变形与锚杆变形增加，最终形成一 个新应力平衡。由此看来，围岩的变形规律同锚杆的变形规律相同。实际生产中， 我们所需控制的关键是围岩流变变形量的大小，而不是围岩达到平衡时所需要的 时间。对于围岩的流变规律，巷道开挖以后，变形量的观测也比较方便，可以通 过实测来得出，而且这样更具有实用性。 锚杆支护作为一种插入岩体内的巷道支护方式，支架与围岩的相互作用涉及 3 查苎垄兰三堡塑主兰苎笙查 ! 竺垒 到锚杆全长范围，比框式支架与围岩的关系更为复杂，因此，要深入研究锚杆的 力学机理，合理确定锚喷支护参数，提高锚喷支护技术水平，必须掌握锚杆支护 巷道的周边位移与岩体深处位移的变化规律。在不同的深度及地应力的条件下， 巷道开挖后的次生应力不同，产生的瞬间变形也不同；巷道的支护参数不同，从 而围岩的流变规律也不同；总的来说，巷道围岩变形同埋深、地应力、巷道形状、 岩性、支护参数等因素有关“。本课题采用理论研究和现场实践相结合的办法， 对巷道从开挖到破坏的围岩变形规律进行系统的研究。研究成功后，可使锚杆支 护参数更加合理化，提高巷道的稳定性，降低掘进和维护费用，保证安全生产。 1 3 主要研究内容和目标 在已有研究成果的基础之上，本文主要研究以下几个问题：( 1 ) 巷道围岩流 变分析与压力计算；( 2 ) 巷道锚杆支护参数优化；( 3 ) 薄煤层工作面矿压显现特 征；( 4 ) 采场顶板控制技术。 采取的技术路线：在巷道开挖以后，围岩中的原岩应力状态遭到破坏，应力 发生重新分布，巷道附近的岩体发生变形、位移甚至破坏，直到出现新的应力平 衡为止。围岩可能仍处于弹性状态，也可能在巷道的周边出现塑性屈服。对于不 能实现自稳定的巷道，如果不进行支护，围岩中的塑性区可能会继续发展，最终 导致巷道的破坏。为保证巷道在服务期内的稳定，围岩必须加以支护。通过分析 围岩压力的大小及分布特点来确定锚喷支护参数，采用锚喷支护以后，由于岩石 的流变效应，围岩会继续发生变形，并导致锚杆变形，从而在锚杆中产生反向的 抵抗力，最终达到一个新的应力平衡。在此期间，围岩的变形规律将会同锚杆的 变形规律相同。因此，对于该时期想通过研究锚杆的变形来研究围岩的变形，从 而得出巷道从开挖到稳定这一过程的围岩变形规律。根据所得到变形规律，优化 巷道的锚喷支护参数，并对采用这一支护参数的巷道的变形量进行计算机模拟和 现场实测，从而对薄煤层采场顶板进行更好地控制。 查些查兰兰登堡主堂竺丝墨 ! 查兰璺生堕奎坌堑兰垦垄盐茎 2 巷道围岩流变分析与压力计算 2 1 围岩流变分析 2 1 1 岩石的流变性 岩石的流变性是指岩石在外力作用下， 为流变，当外力恒定时，流变一般也称作 蠕变。图2 1 表示了典型的岩石蠕变曲线 。从曲线形态上看，可将该曲线分成三 个阶段： a b 阶段，称为瞬态蠕变阶段。在 施加外荷载之后，首先岩石将产生瞬时的 弹性应变，这一应变是与时间无关的，如 图中所示o a 段。当外荷载维持一定的时 间后，岩石的变形随时问延长而增大，但 此时的应变速率却随时间的增长逐渐减 应变随时间而增大，所产生的变形称 o 图2 1 典型的流变曲线 t f i 9 2 1 t y p i c a lt h e o l o g i c a lc u r v c 小，曲线呈下凹型，并向直线状态过渡。在此阶段，若卸去外部荷载则岩石的瞬 时弹性应变最先恢复，如图中的p q 段。之后，随时间的增加，其剩余应变亦能 逐渐地恢复，如图中的q r 段。q r 段曲线的存在，说明岩石具有随时间的延长 应变逐渐恢复的特性，即弹性后效。 b c 阶段，称为稳定蠕变阶段。在这一阶段最明显的特点是应变与时间的 关系近似地呈直线变化，应变速率为 一常数。若在这一阶段，也将外荷载 卸去，则也会出现弹性后效，但是这 时的变形却不能全部恢复，存在着部 分不能恢复的永久变形。该阶段曲线 的斜率与作用的外荷载的大小和介质 的粘性系数t 1 有关。 c d 阶段，称为非稳态蠕变。 应变达到c 点后，岩石将进入非稳 态蠕变阶段。这时岩石的应变速率剧 图2 2 不同应力水平下的蠕变曲线 f i 9 2 2 t h e c r e e p c u r v eu n d e rt h e c o n d i t i o l io fd i f f e r ts t r e s sl e v e l s 东北大学工程硕士学位论文 2 巷道围岩流变分析与压力计算 烈增加，整个曲线呈上凹型，经过短暂的时间后试件将发生破坏。 影响岩石蠕变的因素除了岩石自身矿物成分不同等内在因素之外，就外因而 言，主要来自应力水平、温度和湿度的影响。蠕变与应力水平的关系如图2 2 所 示，在低应力作用下，蠕变曲线只存在着前两个阶段，并不产生非稳态蠕变。在 工程中，当围岩处在此种状态时，可以实现长期稳定。在高应力作用下，试件经 过短暂的第二阶段后，迅速进入非稳态蠕变阶段，直到破坏。只有在中等应力水 平( 大约为岩石峰值应力的6 0 8 0 ) 的作用下，才能产生完整的蠕变曲线。 大多数硐室围岩都属于这种情况，硐室在服务年限内处于稳定蠕变阶段，一旦废 弃之后，由于不再维护，围岩很快发生破坏。不同的温度和湿度将对蠕变的总变 形量以及稳定蠕变阶段曲线的斜率产生较大的影响。通过试验得知：温度越高， 岩石的总应变量及稳定蠕变阶段曲线的斜率越小，面湿度越高，岩石的总应变量 及稳定蠕变阶段曲线的斜率越大。 试验发现，岩石的常规变形特性和蠕变特性，虽然代表了两种不同试验条件 下的变形特性，但是二者最终的应 变量却有着惊人的相同之处。如图 2 3 所示。在应力一应变金过程曲线 中，蠕变试验的轨迹应该是一条 水平线。例如，以c 点作为施加 在试件上的应力水平，则其应力 应变曲线如图中的c d 所示，而d 点即为该应力水平下蠕变破坏的最 终应变量。这几乎与应力应变全 过程曲线在相同应力水平下的应变 量相同，而图中斜线m 表示了蠕 图2 3 蠕变与长期变形的关系 f i 9 2 3 t h er e l a t i o nb e t w n c r e e p a n d l o n g t i m ed i s t o r d o n 变试验在低应力水平作用下最终应变量的轨迹线。若以e 点的应力水平进行蠕 变试验，那么，f 点则近似地看成在这一应力水平作用下，可能产生的最大应变 量。g 点对应的应力可以看作为低应力水平的上限，当外荷载小于该应力时，岩 石的蠕变曲线只出现前两个阶段；当外荷载大于该应力时，一段时间后，岩石就 会发生破坏，外荷载越大，岩石进入非稳态蠕变阶段的时间越短。 2 1 2 围岩流变分析 ( 1 ) 围岩的瞬时力学状态 岩体在未开挖以前，在三向应力的作用下，属于稳定流变体。巷道开挖后的 瞬间，围岩中原有的应力平衡遭到破坏，在二次应力的作用下，围岩中可能形成 6 东北大学工程硕士学住论文 2 巷道围岩流变分析与压力计算 松动区、塑性区和弹性区的某种组合。不过，需要强调的是，除非非常破碎的岩 体或地应力特别大时，在形成塑性区的同时一般在开挖的瞬间不会立即产生松动 区，松动区是岩体发生流变的产物。 ( 2 ) 弹性围岩流变机理 当围岩中应力低于峰值强度但高于长期强度时，围岩就会产生不稳定流 变。如果不对这类围岩进行支护，围岩表面点因应力差最大而首先产生流变破坏， 随后是次一级应力的深部某点也产生流变破坏，从而在一定时间后，会在周边围 岩处形成一个流变破坏区。而从一般的流变试验中都可发现，进入第三阶段流变 后产生破坏的时间是非常短的，它的破坏最终完成与单轴快速受压超过峰值强度 后的表现一致，即第三阶段流变不再与时间有多少关系，而在三向应力状态下， 这种流变破坏区的表现与一般塑性区的表现一致，它处于塑性流动状态，但象一 般塑性区一样，它属于约束塑性变形，它的流动量也取决于弹性区变形量。开 始初期，这种流变塑性区与一般塑性区有所不同的是由于原平衡力变未破坏，流 变塑性区的应力仍为弹性应力( 未达到一般塑性极限状态) 。随着时问的发展， 只要应力高于岩体的长期强度，围岩就会产生流变塑性流动，内部变形的不断发 展将推动外部塑性区不断地向巷道内变形，最终将使塑性区因变形过大而产生松 动区，岩体自身的强度c 、妒值开始下降，当下降到承载能力低于原弹性应力时， 应力场开始调整，调整的结果是围岩内部应力升高，从而使内部点流变加快发展， 更多的点进入流变塑性，从而使塑性区不断向围岩深部发展、扩大。这种发展将 最终导致松动区完全垮落形成巷道破坏，所以必须通过支护使围岩中的应力场小 于岩体的长期强度。 当围岩中应力低于岩体的长期强度时，理论上无需支护，但它也会产生稳定 流变，特点是围岩被压缩，即形成压缩环，而这一阶段稳定流变的最终稳定时间 取决于围岩表面上点的稳定时间，因它最后达到稳定，现在已经测量到稳定流变 形成的压缩现象。 ( 3 ) 弹塑性围岩流变机理 分析弹塑性围岩流变时，首先必须研究已存在的塑性区的流变特性，即弄清 破坏后的岩体流变特性。以往的研究表明，破坏后的岩石流变就是一种与时间无 关的流动，故塑性区可不考虑流变影响，仍为约束塑性变形，它的流动量取决于 弹性区的流变。 对于未支护的弹塑性围岩，由于弹性区的应力一定高于长期强度，将产生不 稳定流变，由此推动塑性区向巷道内发展，过大的变形将导致塑性区强度下降并 逐步形成松动区，应力调整后使更深部的点( 由于塑性区扩大) 产生不稳定流变。 由于塑性区的存在，围岩产生松动及应力调整的时间是很短的 2 1 ，例如软岩的自 东北大学工程硕士学位论文 2 巷道围岩流变分析与压力计算 稳时间最短的只有几小时。因此这类围岩必须及时支护，但如果支护过柔，围岩 变形过大，也极易形成松动区。因此合理的支护必须使塑性区外侧弹性区的应力 场小于岩体的长期强度。 在围岩中，由于各点受力不同，三阶段蠕变的产生机理也比岩石复杂，可用 图2 2 说明。围岩中不同的应力相当于同一岩样上施加了不同的应力，所不同的 是在分析中必须考虑围岩整体的变形协调( 不考虑不协调变形) 。由上文的分析 可知，塑性区的变形速率取决于紧连的弹性点的速率，亦即整个塑性区服从同一 速率变形规律( 但变形量值不同) d 从图2 2 可以看出，同一时间上，由于应力 值不同，导致变形速率不同，其所位于的蠕变阶段也不同。紧连塑性区的弹性点 由于应力差最大，很快进入塑性，这时扩大后的塑性区服从新的紧连的弹性点的 速率，由于应力差连续的递减分布，这种塑性区的扩大随时间增加连续发生，但 从图2 2 可以看出，应力越大，蠕变速率越快，这样，在塑性区的表面就观测到 了从最大速率逐步下降的减速蠕变。蠕变过程就是应力调整的过程，这种应力调 整相当于多级加载试验，表现在表面收敛曲线上就是第一阶段减速过程中呈现波 动性，即在减速过程中，不断有间断性的小的速度增加。当应力发展达到某一点 时( 假设为图2 2 中的曲线2 ) ，由于该点第二阶段时间长，不立即产生破坏， 故围岩按曲线2 的第二阶段速率进入第二阶段蠕变，这一点也可落在曲线3 的第 一阶段后段上，这取决于应力差的大小及岩石特性等因素，各点上的第一阶段蠕 变服从各个点的应力差，由于差值逐步减小，都处于第一阶段蠕变，各点进入第 二阶段的时间虽有所不同，但从现有资料来看，相关不大，原因是中等应力下的 蠕变进入第二阶段的时闻差不多。进入第二阶段后，一般有一段时间的等速蠕变 ( 无支护情况下这段时间很短) ，但也有上下的波动，向上是因为应力调整，向 下是因紧连的弹性点进入塑性。向下波动在围岩深部不再出现，只有向上波动且 也不明显。而第三阶段的出现时间取决于松动区的突然垮落时间，这种大的松动 区卸载导致内部围岩大的加载，致使所有内部点蠕变曲线上升，最后形成破坏。 由此可以看出，塑性区的扩大是由蠕变进入塑性和应力调整共同形成的。 2 1 _ 3 锚喷巷道围岩流变分析 目前，对于巷道支护后发生流变这段时间内围岩的变形规律往往采用粘弹性 模型来分析，即选择一流变模型来模拟原岩区，对于锚固区则用原岩区的流变模 型并联上一个虎克体来模拟，通过数学计算得出围岩的流变规律。巷道开挖以后。 围岩中原有的应力平衡随即遭到破坏，在巷道周围出现采动影响区。对于煤矿巷 道来说，由于煤系地层属于沉积岩，岩层强度普通较低，加上爆破的破坏作用， 巷道围岩不可能在次生应力的作用下保持弹性状态，大部分会出现塑性区甚至也 会出现破坏区。围岩虽然仍有一定的抵抗力，但同未破坏前相比，其力学性质已 东北大学工程硕士学位论文 2 巷道围岩流变分析与压力计算 经发生了大幅度的变化。而锚杆则是在巷道开挖后才打入岩体的，这时围岩已经 发生了塑性屈服。在实践中，巷道开挖以后，即可测出围岩的松动圈，这说明 破坏区( 塑性区) 是锚杆安设以前形成的。由于锚杆长度有限，绝大多数锚固区 也仅限在塑性区，因此在设计锚固体的流变模型时，不能简单地把锚固体看成是 原岩体并联上弹性体。另外，安设锚杆时，围岩的原岩应力平衡状态已经遭到破 坏，巷道周围会出现应力集中，其应力同原岩应力有较大差别，因此外力也不能 考虑成原岩应力。 由于岩石的流变效应，围岩在次生应力及自身重力的作用下发生缓慢变形， 破坏区岩石中的应力逐渐降低。如果不进行支护，势必会导致巷道破坏。巷道采 用锚杆支护以后，由于锚杆的作用，围岩的变形受到限制，锚固区内岩石的变形 与锚杆变形同步。随着时问的增长，围岩变形的增加，锚杆中的作用力也将逐步 增加，最终形成一个新应力平衡。由此看来，围岩的变形规律同锚杆的变形规律 相同。实际生产中，所需控制的关键是围岩流变变形量的大小，而不是围岩达到 平衡时所需要的时间。对于围岩的流变规律，巷道开挖以后，变形量的观测也比 较方便，大可以通过实测来得出，而且这样更具有实用性。 巷道周边的位移u o ( 从巷道支护到稳定这段时间的位移) 应该等于锚杆固 处岩体的位移u ，与锚杆总变形量e 的和，即 o = d + u l( 2 1 ) 由于锚杆的挤压加固作用，围岩虽有松弛现象，但是岩体中的应力并没有减 为0 。 为了便于计算，现在假设： 锚杆只承担围岩的塑性形变压力或塑性松动压力； 围岩的体积在岩石流变期间不发生变化； 锚固区同锚固区以外的围岩是连续的，即不会出现离层； 锚杆的锚固力及承载力均能满足支护要求。 ( 1 ) 当围岩松动圈不大时，锚杆主要起悬吊作用时，作用在锚杆上的载荷 主要为塑性松动压力，此时锚杆的变形0 1 为： ， 8 = 4 k l g 2 者寿 ( 2 - 2 ) 式中g _ 锚杆的间排距； d 锚杆的直径； e 锚杆的弹性模量： k 被锚固岩层厚度，可近似等于松动区的厚度； 吼围岩的单向抗压强度； 查兰墨兰兰堡壁主兰竺笙查 ! 查垄堕墨塑! 坌堑皇墨查! ! 墨一 k l 安全系数a ( 2 ) 当围岩松动圈较大时，锚杆主要起组合作用，作用在锚杆上的载荷主 要为塑性形变压力，此时锚杆的变形”1 为： 刚妇：a ? h 绁7 r p 匕蕃r p 竺， 对于锚杆锚固处岩体的位移，通过锚杆的 长度可以求得。此时，认为锚固区位移前与位 移后体积不变。如图2 4 所示，实线表示位移 前的体积，虚线表示位移后的体积，1 1 0 为巷道 周边的位移，u 。为锚固处岩体的位移，故建立 下式： 矗+ z “o2 一码 a 式中z 为锚杆的长度。 将上式代入( 2 1 ) 式，得 2 2 1围岩压力的含义及其分类 在实际工程中，很少有不支护就使用的巷道，特别是在煤矿中，由于巷道埋 深较大，岩层又都是沉积岩，强度较低，基本上不存在不支护的巷道或硐室。在 进行支护设计时，使用在支护上的荷载是设计中必不可少的参数。最初，人们将 围岩压力看成是一个很简单的概念，认为支护是一种承载体而围岩压力则是荷 载，二者是相互独立的系统。在这基础上围岩压力的概念鄂为开挖后岩体使用在 支护上的应力( 也被称作狭义的围岩压力) o 随着人们对岩体认识的不断提高， 尤其是通过现场量测试验表明：岩体本身就是支护结构的一部分，它将承担部分 甚至全部二次应力的作用。支护结构应该与岩体是一个整体，共同承担由于开挖 而引起的二次应力作用。在这广义的围岩压力中，最具特色的是支护与围岩的共 同作用。巷道开挖后，岩体的应力调整，向硐内位移变化也说明了围岩与支护一 1 0 查! ! 查堂三堡塑主兰竺垒圭! 查兰堕生鎏壅坌堑量垦生苎苎 起，发挥各自所具有的强度特性，共同参与了这一应力重分布的整个过程。在这 种理论的基础上，锚喷支护得到了广泛的应用。 围岩中的压力可以分为如下四种) ：松动压力、塑性形变压力、冲击压力和 膨胀压力。 ( i ) 松动压力 松动的岩体或者由于施工爆破破坏的岩体等作用在巷道上的压力称为松动压 力。实际上，松动压力就是部分岩石的重量直接作用在支护结构上的压力，所以 松动压力本质上应视为荷载( 松动荷载。因此顶板上的压力最大，而两侧稍小， 底部一般没有。 产生松动压力的原因有地质因素和施工因素两个方面。松动压力在各种地层 中都可能出现。在松散、破碎和完整性很差的岩层中开挖巷道，如果不支护可能 塌落成拱形而稳定下来，如图2 5 所示。拱形与支护结构之间岩石的重量就是作 用在支护结构上的松动压力。在坚硬岩层中，如果层理、节理裂隙切割具有不利 的组合，这将使部分岩体破裂形成松动压力，如图2 6 所示。 ( a ) 水平岩层 ( b ) 缓倾斜岩层 圈2 5 松散岩层中的冒顶现象 h 9 2 - 5 t h e c h o p p i n gp h e n o m e n a i ni n c o m p a c t r o c k j 一。， f ，一一、1 、 、毡盛 圈2 6 坚硬岩层围岩崩塌情形 f i 9 2 6 t h e f a i l i n gc a s eo f h a r d yr o c k s u r r o u n d i n g s 施工工序对松动压力的发展也有决定性的影响。爆破是引起岩层松动的主要 东北大学工程硕士学位论文 2 巷道围岩流变分析与压力计算 原因，松动区的大小受钻孔布置、炸药种类和装药量所控制。在破碎岩层中，松 动压力的大小取决于临时支护的种类。巷道施工中采用临时木支撑，表现出明显 的缺点。实际上，安装木支撑时就不可能与未受抗动的地层保持贴紧，这个孔隙 不久就被地层所填塞；此外，木材本身容易变形，尤其当压力与木材纤维垂直时 变形更大；同时，立柱压人地下会进一步松动和破坏。巷道掘进的新奥法的中心 思想，就是在一经爆破围岩表面暴露后，立即喷射一层薄混凝土，然后再进行出 碴等其它工序，这样可以减少围岩的变形和松动。这种施工方法既能保证施工安 全。又可简化永久支护结构，具有综合性的经济效果。由此可见，及时支护减少 围岩暴露时间，可减小松动压力。除此之外，地下水的影响、空气中的潮气以及 温度差作用都会加剧松支压力。 ( 2 ) 塑性形变压力 松动压力是以重力的形式作用在巷道上的压力，即松动岩体的重量直接作用 于支护结构上的荷载。而塑性形变压力则完全不同，这里，重力是造成围岩压力 的根本原因，但并不是直接原因。由于岩体重力和构造运动的作用所引起的围岩 二次应力状态，才是产生塑性形变压力的原因。当围岩= 次应力状态超过岩体的 强度极限时，巷道周围出现了塑性区域或破坏区域，产生塑性变形。如果巷道周 围的塑性区域扩展不大，随着巷道周边上位移的出现，地层塑性区达到稳定