（采矿工程专业论文）金川二矿区深部巷道支护机理研究以及围岩稳定性的数值模拟.pdf

中南丈学硕士学位论文摘要 摘要 与国内外许多矿山相比，金川镍矿具有深、大、富、碎等特点，因而， 从矿山一投产就开始了科研攻关。在巷道支护方面，尤其投入了不少物力 和人力，也取得了丰硕的成果，如近些年来一直指导金川巷道施工的“先 柔后刚，先让后抗”的支护原则，并在金川二矿区二期工程的建设中发挥 了重要的作用。锚杆支护技术的引进以及在工程中的探索和逐步的推广使 用，彻底改变了传统的支护理念，即支护就是要靠外部支架去支撑围岩的 变形，形成了以强化巷道周边围岩破碎后的残余强度，提高围岩自撑能力 的支护理念。 近年来，随着开采深度的逐渐增加，巷道支护的问题又越来越突出。 原来使用比较普遍的锚杆支护、u 型钢拱架支护以及喷射混凝土支护在 1 0 0 0 m ( 埋藏深度约7 6 0 m ) 开拓工程的施工过程中出现了严重的破坏，巷 道变形速度之快、变形量之大，二矿区历史上从未有过。 巷道的支护有其最佳的支护方式、最佳的支护强度，这根据巷道所处 的地质环境和人们对巷道工程本身的要求不同而不同。“先柔后刚，先让后 抗”的支护原则，似乎限制了人们思想，解决巷道支护的问题就是要分两 步骤支护，且选择二次支护的时间是关系到支护成败的关键。但很少提出 过“先柔”要柔到什么程度，“后刚”要刚到什么程度，以及“先让”要让 到什么程度，“后抗”要抗到什么程度，对支护强度的合理范围并没有过多 的探究。 论文结合金川二矿区深部巷道支护机理的研究以及围岩稳定性的数 值模拟课题，针对金) l l m 矿区开采深度日益增加而所引起的严重的巷道 支护问题，对金川二矿区地质条件以及以往的岩石力学性质的测定结果、 金j i i 二矿区深部岩体以及巷道的变形特征、巷道支护的失效形式、金川二 矿区锚杆支护的支护能力以及巷道支护的机理等展开了研究，并运用a n s y s 有限元软件对1 1 5 0 水平运输巷道的返修方案进行了模拟计算。论文的主要 研究工作如下：五堂 ( 1 ) 对国内外有关巷道支护的技术发展和理论研究进行了研究，包括u 型钢、锚杆支护、锚索支护、喷射混凝土支护以及其它的支护方式。 ( 2 ) 对金川二矿区的地质条件、地应力随深度变化的规律以及以往的关 于岩体的力学特性测试的结果进行了全面的调查和研究，认为金川二矿区 的岩石单体强度较高，岩体的整体强度低，且具有明显的流变性，具有软 中南大学硕+ 学位论文 岩的特征。 ( 3 ) 对巷道围岩变形与支护阻力之间的关系进行了研究，给出了巷道支 护的最佳工作阻力围0 2 o 3 m p a 。分析了u 型钢拱架承载能力和支护阻 力，认为钢拱架的实际支撑能力远未达到理论极限值的原因是实际支护工 作中支架受偏心载荷。对锚杆支护作用方式和支护能力的计算得出，金川 二矿区锚杆的托板的托锚能力与锚杆的锚固能力不足而且不匹配，推导出 金川二矿区锚杆锚固力估算公式：锚杆的最大锚固力的是最大拉拔力的 7 5 。并对喷射混凝土支护的变形机理等进行了研究。 ( 4 ) 分析了金川二矿区深部高应力碎胀岩体的碎胀和时效性以及巷道的 变形特征，研究了巷道深部围岩的变形规律以及锚杆支护巷道支护破坏失 效形式，从而印证了锚杆支护托锚能力与锚杆粘锚能力的不足和相互的不 匹配，提出了强初撑急增阻高阻力锚杆支护是解决金川二矿区支护问题的 有效途径。 ( 5 ) 运用a n s y s 超巨型有限元程序在弹塑性理论的基础上对金j q - - 矿区 1 1 5 0 水平运输巷道的几种返修方案进行了模拟计算和评价。 ( 6 ) 对金j q - - 矿区深部巷道围岩变形的基本特征形成了基本的认识，提 出围岩维护的基本原则是：在变形地压中，围岩与支护是相互影响共同作 用的共同结构体，维护的着眼点在于充分利用和发挥围岩的自撑能力上。 并给出了几点合理的巷道地压控制措施。 关键词：深部巷道；变形特征；支护机理；数值模拟；支护对策 i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hm a n ym i n e si n c h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s j i n c h u a n n i c k e lm i n eh a ss u c hc h a r a c t e r sa s d e e p ，l a r g e ，r i c ha n df r a g m e n t i z e d o n c ep r o d u c t i o nb e g a n ，s t u d i e sa b o u ti tw e r es t a r t e d e s p e c i a l l yt h e r ew e r e m u c hw o r kh a v eb e e nd o n eo nt h e r o a d w a y ss u p p o r ta n d a g r e a t o f a c h i e v e m e n t sh a v eb e e ng o t f o re x a m p l e ，t h ep r i n c i p l eo f c a r r y i n go u tt h e s o f tw a yb e f o r es t i f fw a y , a n dm a k i n gs o m e s i d e s t e pb e f o r es u p p o r t ，w h i c h h a v eb e e nd i r e c t e dt h er o a d w a y ss u p p o r ta n dh a v em a d eai m p o r t a n tr o l ei n 2 ”c o n s t r u c t i o no fj i n c h u a nm i n e i ti s c o m p l e t e l yc h a n g e dt h e i d e ao f t r a d i t i o n a ls u p p o r tt h a tt h ed e f o r m a t i o no ft h er o a d w a yb e i n gr e s t r a i n e db y e y e f r a m e s i n c et h eb o l tw a si n 拓o d u c e d ，s t u d i e d a sw e l la sp o p u l a r i z e d a sa r e s u l t ，t h ei d e at h a ts t r e n g t h e n i n gt h er e t a i n e ds t r e n g t ho fs u r r o u n d i n gr o c k m a s ss oa st oi m p r o v et h es e l f - s u p p o r t i n gc a p a c i t yh a sb e e nf o r m e d w i t ht h ei n c r e a s i n go fm i n i n gd e p t hi nr e c e n ty e a r s ，t h ep r o b l e mo f r o a d w a y ss u p p o r ti nj i n e h u a n n i c k e lm i n eb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s t h et r a d i t i o n a l w a y so fb o l ta n du f o r m e da r c h e df a l s e w o r kh a v eb e e n d e s t r o y e db a d l y i nt h er o a d w a y so f1 0 0 0 ml e v e l i ti st h ef i r s tt i m et h a tt h e r o a d w a yd e f o r m a t i o n sr a t ei ss oq u i c k a n dt h ed e f o r m a t i o ni ss ol a r g e 。 a c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dt h ed e m a n d ，t h e r ee x i s t b e s tr o a d w a y s s u p p o r tw a ya n dm o s tr e a s o n a b l ei n t e n s i t y i t a ：n s t h a t m a n si d e aa b o u ts u p p o r th a sb e e nr e s t r a i n e db yp r e v i o u sp r i n c i p l e ，t h a t s u p p o r tm u s tb ed i v i d e di n t ot w os t e p s a n dt h et i m ei s c r u c i a lt ot h e2 “o s u p p o r t b u tn o n ep o i n t so u th o wg r e a tt h ed e g r e eo f t h ef i r s ts o f tw a ya n d l a t e l ys t i f f w a yi s ，w h a t t h er e a s o n a b l er a n g eo f t h e s u p p o r ti n t e n s i t y i s c o m b i n i n g w i t ht h ep r o j e c tt h a ts t r a yo n r o a d w a y ss u p p o r t m e c h a n i s m i nj i n c h u a n d e e pm i n ea n ds i m u l a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c k m a s s s t a b i l i t y , a i m i n ga tt h es e r i o u sp r o b l e m so f t h er o a d w a y ss u p p o r t ，s t u d i e s h a v eb e e nd o n ei nt h et h e s i sa sf o l l o w s ：t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dt h e f o r m e rt e s tr e s u l t sa b o u tt h er o c ki nj i n c h u a nm i n e ；t h ec h a r a c t e r so ft h e d e f o r m a t i o no ft h er o c km a s sa n dr o a d w a y ；t h ef o r m so ft h e s u p p o r t i n v a l i d a t i o n ；t h ec a p a c i t yo ft h eb o l ts u p p o r ti nj i n c h u a n2 ”m i n ea n dt h e m e c h a n i s mo ft h es u p p o r t t h eb l u ep r i n to f r e p a r a t i o ni nt h e11 5 0 ml e v e l o fj i n c h u a n2 n dm i n eh a v eb e e na n a l y z e dw i t h 也ea n s y s t h e f o l l o w i n g n l 中南大学硕士学位论文 摘要 a r em a i nr e s e a r c h e s ； ( 1 ) t h et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g ya b o u tr o a d w a y ss u p p o r ti nc h i n aa n d o t h e rc o u n t r i e sa r es t u d i e d ，w h i c hi n c l u d et h eu - f o r m e da r c h e df a l s e w o r k ， b o l t ，c a b l ea n c h o r , s h o t c r e t el i n i n ga n do t h e r s ( 2 ) t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n t h el a wo fs t r e s s c h a n g i n ga n dt h et e s t r e s u l t so ft h er o c km a s s m e c h a n i c sc h a r a c t e r s a r e i n v e s t i g a t e d a n d r e s e a r c h e d t h ea u t h o ra r g u e st h a tt h es t r e n g t ho ft h er o c ki sl o wa n dr o c k m a s s i sh i g h ，a n dr o c km a s sc a n c r e e p t h o s ea r e t h ec h a r a c t e r so fs o rr o c k ( 3 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c km a s s a n dr e s i s t a n c eo f t h e s u p p o r t i ss t u d i e d t h er e a s o n a b l e r a n g e ( o 2 o 3 m p a ) o ft h e s u p p o r t i s g i v e n a f t e ra n a l y z i n g t h e b e a r i n gc a p a c i t y a n dt h e s u p p o r t i n gp e r f o r m a n c eo f t h eu - f o r m e da r c h e df a l s e w o r k ，t h er e a s o nt h a t t h ea c t u a ls u p p o r t i n gc a p a c i t yn o tr e a c h i n gt h et h e o r e t i c a ll i m i tv a l u ei st h e s t r e s si s e c c e n t r i c a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i sa b o u tt h e b e a r i n gw a ya n d c a l c u l a t i o no ft h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h eb o l t ，b o t ht h es p l i n ta n dt h eb o l t h a v en o te n o u g h c a p a c i t i e sa n dt 1 1 e ya r en o tm a t c h i n g t h ee s t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yo f t h eb o l ti sg i v e n t h a ti st h ea n c h o r i n gf o r c ei sj u s ta b o u t7 5 o f t h e d r a w i n gf o r c e o ft h eb o l tt e s t t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h e s h o t c r e t ei ss t u d i e d ( 4 ) t h e e x p a n s i o n o nb r e a k i n g t i m ee f f e c ta n dt h ec h a r a c t e r so f r o a d w a y sd e f o r m a t i o na r ea n a l y z e d t h el a wo ft h ed e f o r m a t i o no ft h e r o a d w a y ss u r r o u n d i n gr o c km a s sa n ds e v e r a l f o r m so fb o l t b e c o m i n g i n v a l i da r er e s e a r c h e d s ot h er e s u l to ft h ec a p a c i t yo ft h es p l i n ta n dt h eb o l t i sn o te n o u g ha n d t h e ya r en o tm a t c h i n ga r ev e r i f i e d as u p p o r ts y s t e mo f s 廿o n gi ni n i t i a la n ds t e e pi n c r e a s i n gr e s i s t a n c ea n dh i 【g hb e a r i n gc a p a c i t yi s p u tf o r w a r d i ti st h ee f f e c t i v ew a y t or e s o l v et h e s u p p o r tp r o b l e m ( 5 ) b a s e do nt h et h e o r yo fe l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t y , t h e p r o j e c t s o f r e p a r a t i o n a tt h el1 5 0 ml e v e lo fj i n c h u a n2 “4m i n ea r e a n a l y z e d a n d e v a l u a t e dw i t ha n s y sw h i c hi saf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) ( 6 ) t h eb a s i ci d e aa b o u tt h ec h a r a c t e r so ft h es u r r o u n d i n gr o c km a s s d e f o r m a t i o ni nj i n c h u a nn i c k e lm i n ei sf o r m e d t h ea u t h o rp o i n t so u tt h e b a s i c p r i n c i p l eo fr e s t r a i n i n gt h es u r r o u n d i n gr o c km a s s t h a tt h es u r r o u n d i n g r o c km a s sa n ds u p p o r tw o r kt o g e t h e ra n da c to ne a c ho t h e r n l em o s t i m p o r t a n tm i r 培i ns u p p o r ti st om a k e b e s tu s eo ft h eb e a r i n g c a p a c i t yo f t h e i v 中南大学硕士学位论文摘要 s u r r o u n d i n gr o c km a s s s o m ea d v i s e so nr o a d w a y ss u p p o r t i nj i n c h u a n2 删 m i n ea r eg i v e ni nt h ee n d k e yw o r d s ：d e e p m i n e sr o a d w a y ，d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r ； s u p p o r tm e c h a n i s m ， s i m u l a t i o n ， s u p p o r t c o u n t e r m e a s u r e s v 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文r = p 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而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 名：考麦步醐：一多 关于学位论文使用授权说明 本人r 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。允许学位论文被查阅或借阅：学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，也可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学 校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：彩炒翩签矽缓争吼谚 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 软岩以及破碎岩石中巷道的支护，历来是巷道工程的难题，我国的支护专家、 学者及众多的科技工作者从上世纪8 0 年代起，为软岩即破碎岩石中巷道的支护 的研究、攻关和实践付出了大量心血，取得了一项又一项的成果，为软岩巷道支 护指明了方向。但到目前为止，仍然还不能说已根本解决了问题。 在我国的矿山开发中，许多矿山都遇到软岩工程问题。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”，有的 叫“复杂岩层”、“破碎岩层”等。尽管如此，但其基本特征都是指松、散、软、 弱四个字，它是相对于致密、坚硬、支护容易的岩体而言的。就这个意义而言， 软岩已不是传统意义上的单纯是指围岩的软硬或地应力水平的高低，二者要综合 考虑。金川二矿区的岩体就是属于这一类。 在浅部开采实践中，出于巷道的支护难度相对较小，对巷道围岩体的变形以 及支护技术并没有引起足够的重视。而对于深部矿床开采，由于地应力的变化导 致岩体的物理力学性质和地应力性质发生了变化，岩体在变形破坏程度和变形破 坏方式与浅部有了比较大的不同，一些在浅部运用的常规方法，在深部的实践中 遇到了麻烦。因此研究深部高应力软岩巷道的支护问题具有重要的现实意义。 1 2 国内外巷道支护技术发展现状卜2 6 l 国内外矿山巷道支护技术总的来讲经历了从木支架向剐性金属支架、可缩性 金属支架，到锚杆支护的发展过程，其中，u 型可缩性支架和锚杆被公认为是并 下支护技术上的两次重大突破，今天已经形成了包括各种料石碹、混凝土碹、喷 射混凝土梁网、珩架锚杆、锚索、锚注、高强度混凝土弧板支架等多种支护形式， 不过，不管是受采动影响的采准巷道，还是不受或少受采动影响的开拓巷道，最 主要的支护还是u 型钢可缩性支架与喷锚网支护( 包括塑料网、金属网、喷射 混凝土、w 钢带、钢筋梯子梁或珩架等的联合支护形式) ，特别值得一提的是近 年来国内锚杆支护的应用正以比较快的速度不断发展。为了更有效地发挥支护的 效果，在选择井巷各项参数时就应科学地分析和预测各种因素，这些因素的选择 应服从于巷道围岩稳定和功能的原则。影响巷道围岩稳定性的因素很多，但井巷 一旦开挖就固化了许多因素，如围岩强度以及井巷的走向、断面尺寸等，但要控 中南大学硕士学位论文第一章绪论 制围岩的稳定性就必须在认真研究支护，包括支护材料、支护方法、支护类型等。 1 2 1u 型可缩性镉支架支护技术 u 型可缩性钢支架于1 9 3 2 年最早从德国发展起来的。当时采用的型钢为异 型钢，以后在型钢截面形状与尺寸方面几经改进和优化，有效避免了型钢搭接出 拉断破坏。同时，支架连接件也不断改进。到7 0 年代形成了以新t h 5 8 型型钢 系列为代表的比较完善的u 型型钢支架系列，德国也成为巷道以u 型钢可缩性 钢支架支护为主的国家之一。经常使用的u 型钢有1 3 、1 6 、2 1 、2 5 、2 9 、3 6 、 4 4 k g m 等七种规格。u 型钢支架在英国、波兰、前苏联等国也得到了发展和广 泛的推广应用，一度成为这些国家最主要的支护形式。 为了提高u 型钢可缩性支架质量，改善受力状态和整体稳定性，德国十分重 视型钢的热处理、钢筋网背板与拉杆和支架壁后充填等配套技术与措施的发展。 德国可缩性支架u 型钢一般是3 1 m n 4 、3 2 m n 3 材料，各种u 型钢可缩性金属支 架一般要经过调质处理，调质处理使型钢成本增加不到1 0 ，在延伸率保持1 6 左右时，可以大幅度提高型钢强度性能，其中，屈服极限提高4 8 5 左右，达到 4 9 0 5 2 9 m p a ，抗拉强度极限提高1 8 左右，达到6 5 0 m p a 左右。 壁后充填主要是改善巷道支架受力状态，保证支架及时对围岩产生有效的支 撑作用。因为巷道掘进成形后，不可避免地巷道周边围岩存在不同程度的超挖量， 支架架设后支架与围岩之间的空隙随机不均匀分布，如果对此不进行必要的充填 处理，就不能保证架设的支架与围岩有效地接触，支架不能对围岩起及时的支撑 作用，对于软弱岩石极为不利。巷道支架壁后空隙实际上在0 1 1 0 m 之间，支 架工作时裂隙深度发展大的已经深入到围岩内1 5 2 0 m 远，巷道围岩位移量达 到上百毫米，甚至几百毫米。同时，支架壁后如果不进行有效的充填处理也会使 支架与围岩间呈随机的点、线接触，造成支架受力不均匀分布的集中载荷或偏心 载荷，恶化支架结构的受力条件，使其支撑能力得不到充分发挥。在支架壁后充 填技术，德国试验了石膏、水泥、粉煤灰、聚氨脂等各种不同的充填材料，发展 了适用泵送的湿式充填工艺及相应的充填机具和设各，壁后充填已成为一种成熟 的、规范化的支护配套工艺而得到广泛应用。 我国“六五”期间及其以后，可缩性金属支架取的了很大的发展，逐渐形成 了1 8 、2 5 新2 5 ) 、2 9 、3 6 k g m 等定型u 型钢系列，u 型钢一般1 6 m n 、2 0 m n k 材料，屈服极限3 5 0 m p a 左右，抗拉强度极限5 2 0 m p a 左右，延伸率1 8 2 0 。 1 9 8 7 年制定了我国第一部包括梯形半圆拱、三心拱直腿、三心拱曲腿、马蹄形、 圆形、环形、方环形、长环形等九种支架系列，相应地也成功研制了钢筋网和u 型调质处理等配套技术。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 关于u 型钢支架配套的壁后充填技术，国内有些单位也先后进行了有益的探 索和尝试，进行过矸石、毛石、水泥砂浆、炉渣、粉煤灰袋装材料和高水灰渣材 料等多种材料的巷道支架壁后充填试验，支架壁充填作用十分明显。例如，淮南 谢桥矿u 型钢支架采用“高质型钢”、“高质卡缆”、“壁后充填”使支架对围岩 的支护强度由原有的u 型钢支架的不到0 0 5 0 0 8 m p a 提高到o 4 m p a ，提高幅 度达到4 6 倍，巷道围岩变形速度降低9 5 ，巷道维护面貌得到根本性改善。 但是在国内支架壁后机械充填技术唤没有得到广泛的推广应用，关键问题是成套 的装备与工艺技术还不过关，主要工序还没有实现机械化作业，劳动强度大，充 填速度缓慢，充填材料力学性能不佳，充填效果不够理想。 1 2 2 锚杆支护技术发展现状 锚杆支护技术作为地下巷道和其它地下工程支护技术的一种主要形式，早在 4 0 年代，美国、前苏联就在开始使用。锚杆支护技术是井巷支护比较经济合理 的有效手段，在煤矿、金属矿山、水利、隧道阻及其它地下工程中迅速得到发展， 目前，据估计国内外各种各样的锚杆有数百种至多。一般将几十年来世界锚杆支 护技术发展过程分为五个阶段： 1 9 4 5 年1 9 5 0 年，机械式锚杆研究与应用。 1 9 5 0 年1 9 6 0 年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护技术进 行系统研究。锚杆支护的主要型式是机械端头锚固，分为楔缝式、涨壳式、倒斜 式等，其特点为锚固力低、系统刚度小、可靠性差、岩土影响大，不宜在软岩中 使用。 t 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，发明了管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用。各种形式锚杆同时 推广并应用，如砂浆锚杆、树脂锚杆、管缝式锚杆、水涨锚杆等，它们的特点为 全长锚固，锚固力大、可靠性高、适应性强。现已证明，粘结式锚杆锚固力随着 围岩变形的增加逐渐增大。机械点锚杆锚固力初期总有个急剧下降的过程，然后 就维持在较低的水平。 1 9 8 0 1 9 9 0 年以来，混合锚头锚杆、组合锚杆、珩架锚杆、特种锚秆( 注 浆锚杆、自钻锚杆、接杆锚杆) 以及高强度锚杆得到应用，树脂锚固剂材料得到 改进。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；砂 浆锚杆由于灌浆工艺复杂、凝固时间长、胶结质量难以保证；管缝式锚杆和水泥 锚杆易锈蚀且锚固力受到钢材和围岩松弛的影响，只能有条件地发展应用。此外， 各种适应于特殊开采条件的锚杆形式也得到发展，如适应可切割要求的玻璃纤维 锚杼、钢股( s t e e ls t a n d ) 锚杆，以及适应于大断面巷道和硐室的珩架锚杆、锚 中南火学硕十学位论文第一章绪论 索等。 较长时期以来，美国、澳大利亚等国家的锚杆支护使用十分普遍。在煤矿巷 道的支护比重几乎达到了1 0 0 ，在7 0 8 0 年代形成了主要产煤国家巷道支护的 发展三种类型：一是联邦德国、英国、闩本、波兰等国家以金属支架为主，其中 大部分是金属可缩性支架；二是美国、澳大利亚等国以锚杆支护为主；三是以前 苏联为代表的多种支护并用，采区内则以可缩性金属支架为主。随着开采深度的 不断增加，巷道支护越来越困难，原来主要使用金属支架的国家8 0 年代后越来 越重视锚杆支护技术的发展与应用。英国1 9 8 7 年全面引进澳大利亚成套锚杆支 护技术，锚杆支护得到迅猛的发展。1 9 9 4 年已经完全改变过去以金属支架为主 的局面，锚杆支护达到8 0 。德国在8 0 年代以后，为了解决开采深度日益增加， 矿井机械化程度提高而引起巷道断面不断扩大，使得巷道围岩变形量增加，维护 日益困难等问题，通过改变u 型钢支架间距使得支护费用增高，并难以使巷道 维护困难有改观，也开始在采准巷道推行锚杆支护技术，在鲁尔矿区现己应用到 千米的深井巷道之中。法国的锚杆支护技术也发展很快，锚杆支护已超过5 0 。 俄罗斯第一大矿区一库兹巴斯矿区巷道支护锚杆比重已达5 0 以上。 国外锚杆支护应用十分广泛，但仍然局限于围岩较稳定的巷道，并且比较重 视围岩分类的研究，以此作为巷道支护选择的依据。目前也在开展采深大、岩体 质量差等地质条件下的锚杆支护问题的研究。国外锚杆支护的发展方向为：提高 锚杆的锚固力，并使其得到充分发挥、扩大锚杆支护应用范围，提高锚杆支护效 果。 我国锚杆支护始于5 0 年代，在铁路隧道、矿山、水利、人防备部门都获得 应用。经过几十年的探索，取得了很大进展。 在锚杆支护技术上取得了以下成绩：i 、i i 类巷道单体锚杆支护技术已经成 熟，并获得广泛应用；i i i 类巷道锚梁网支护研究获得一定成功；i v 、v 类巷 道锚梁网、锚架网支护也积累了一定经验；引进消化了国外的锚杆支护技术， 如管缝锚杆、珩架锚杆等：丌发研制了廉价的快硬水泥锚杆；引进、消化高 强锚杆技术；提高了锚杆支护机械化水平；研制成功锚杆支护技术。 我国锚卡t 支护主要存在以下问题：锚杆支护范围还不广泛，不但i v 、v 类 巷道难以应用，同时i i 、i 类巷道也口待推广，尤其是软岩、破碎岩体巷道围 岩变形量普遍较大，而锚杆体系所允许的围岩变形量甚小，这是锚杆支护在动压 巷道中难以推广的主要原因。主要使用锚固力较低、可靠性较差的端锚锚杆以 及全锚锚杆，树脂全长锚固锚杆使用比例较小；锚杆密度大( 间距一般为o 6 1 - o m ) ，安装速度慢。 为了适应软岩巷道以及动压巷道围岩的大变形和流变变形的变形规律，目 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 前，国内外有关单位致力于研究一种能够在静载荷条件下刚度很高，恒定载荷条 件下产生让压的锚杆。让压是发生在当锚杆所承受的力达到设计的让压载荷时， 锚杆开始发生均匀变形滑动。在大变形巷道或动压巷道的围岩破坏的过程中将会 产生扩容，这将导致围岩的大变形和围岩的强烈变形，动态条件下或者静态条件 下的地应力挤压都可能使岩石变形量达到几百毫米，传统的锚杆系统一般情况下 无法适应如此大的围岩变形，而发生破坏。在这样的环境条件下，如果一个支护 系统保持有效的支护作用，则支护系统必须吸收动态能量或者在一定的围岩变形 移动范围内，支护体系要适应围岩的变形而不被破坏，在锚杆的阻力不超过其强 度的条件下，这种圈岩的大变形才会被有效地控制。 与其它的锚杆支护体系对比，上述1 6 m m 直径的4 5 0 m p a 的让压锚杆有如 下的性能特点： ( 1 ) 让压范围能够达到或超过6 0 0 m m ，这取决于准静态或动载荷率。 4 3 5m p a 时，流变变形明显呈现，在试验时间内，每级载荷的流变与瞬时变形相等，即为 总变形量的一半。 试验得到的应力一应变关系曲线表明，随着循环载荷的增加，滞后环的幅 度也越来越大，累积的塑性变形量也随之增加，当盯= 7 1 6 时，残余变形约占总 变形量的2 3 ，而弹性变形仅占l 3 。 在较高应力下，岩体有显著的扩容现象。扩容随着应力差的增加而变的明 显，随围压减小而变的强烈。岩体的扩容主要是裂隙效应引起的，裂隙的发展过 程也是岩体力学性质渐进劣化的过程，岩体渐进破坏的过程； 2 4 本章小结 金) l l - 矿区地质条件复杂，形成以断裂为主的构造形迹，大小断裂纵横交错， 十分发育。由于结构面发育，从而形成岩石的单体强度较高，岩体的强度低，且 具有明显的流变性的特征，具有软岩的特征。二矿区的应力测量结果说明，即随 着深度的增加各个主应力的值呈线形增加的趋势，最大与最小主应力之差也在增 加，这对巷道的稳定性是很不利的。 中南火学硕士学位论文第三章巷道支护的作用机理研究 第三章巷道支护的作用机理研究q z 3 1 支护对围岩的作用方式 无论是锚杆支护还是框式支护，它们的主要功能和作用是将支撑载荷作用到 巷道周边，对围岩施加径向力，加强巷道或硐室周边岩体的稳定性，保持岩体固 有强度，发挥岩体自承能力，以控制巷道围岩变形及防止岩块塌落，巷道支护根 据其对围岩的加固和作用方式可以分为以下四类： ( l ) 支护力作用在巷遒围岩表面的支护方式，如各种类型的支架和碹砌，控制 地鼓和承载能力较大的环形支架，以及适应围岩变形的可缩性支架。 ( 2 ) 改善支架受力状况，提高支护力的方式，如框式支架实施壁后充填，及喷 浆等，对支架尽早承载，均匀受力，提高承载能力，使支架、充填体和围岩三者 形成共同的承载体系具有重要作用。 ( 3 ) 支护力不但作用在围岩表面，而且作用在围岩体内部的支护方式，如锚杆 对提高岩体自身承载能力具有重要作用。 ( 4 ) 改善巷道围岩性质，提高围岩强度的加固方法，如岩体注浆，可明显可以 改善岩体结构，提高岩体的强度和变形模量。 锚杆和表面支护( 或支架) 相比，除锚杆构件用材量比支架要少的多，辅助 运输量也大为减少，有利于实现支护机械化，及巷道断面利用率高等优点外，主 要优点是初撑力高，增阻速度快，围岩自身得到加固，能充分发挥围岩的自承能 力。 3 2 巷道的支护阻力 3 2 1 巷道的支护阻力 巷道支护的主要功能是对围岩施加阻力，支护阻力对提高围岩自承能力及控 制围岩变形具有重要作用，支架提供阻力的效果与巷道围岩的性质和结构有密切 关系。巷道所处的地质开采条件，尤其是围岩性质的不同，保持巷道围岩稳定所 需的支护阻力也不同。在围岩坚硬的巷道中，支护的作用主要是阻止围岩的冒落， 较小的支护阻力就足以确保巷道围岩稳定。在软岩和高应力巷道中，为了有效的 控制巷道围岩的强烈变形，国内外都主要采取提高支护阻力和封闭地板的措施。 支架必须提供足够的支护阻力，才能确保巷道围岩稳定。 中南大学硕士学位论文第二章巷道支护的作用机理研究 经简单计算，就可以发现与围岩相比，支护材料本身能提供的承载能力极为 微小，可以忽略不计，支架所提供的阻力，对采掘引起的围岩应力重新分布的影 响是微不足道的，也不能改变巷道围岩的破裂和塑性区的形成。巷道的主要承压 部分是围岩，支架的主要作用是对巷道围岩提供径向约束力，使破裂岩块间产生 摩擦力，维持破裂岩块间的径向连续性，在巷道围岩破裂区产生并保持一定的三 囱应力状态，最大限度地利用围岩的自承能力，使围岩形成承压圈，以获得最安 全最经济的效果。因此，应尽可能防止围岩松动和离层及大范围的围岩变形，这 需要选择合理的支护方式加以解决。 锚杆与巷道表面支护相比，对发挥围岩自承能力有较大优越性。锚轩的主要 作用是，径向布置的锚杆通过受拉限制围岩径向位移，在巷道周边增加了附加抗 力，同时锚杆还提高了锚固区围岩的内摩擦角，也起到了限制围岩径向移动的作 用。因此，锚杆支护可使围岩的变形和塑性区都会明显减小。无论是锚杆支护还 是框式支护，支护的承载能力能否有效发挥，还取决于支架与围岩的相互作用关 系。锚杆对围岩的锚固力不仅取决于锚杆构件的屈服强度，锚固方法及托板等护 表构件，还取决于围岩的可锚性及其随围岩变形而发生的变化。 孤学位移量( 埘吣 图3 - 1 巷道围岩变形与支护阻力关系曲线 3 2 2 巷道围岩变形与支护阻力之间的关系 国内外研究都表明，巷道围岩变形量( u ) 与支护阻力( p ) 之间按照双曲 线或负指数曲线关系变化( 如图3 1 ) ，这种关系曲线简称为p i i 曲线。在一定 的范围内，随着支架力的下降，会导致巷道围岩变形量显著增长，支架阻力达到 一定值以后，再增加阻力，并不能引起围岩变形量显著减小。这可用双曲线最大 曲率点( 图中a ) 来表示，从a 点向右围岩变形的增长速度要超过支架阻力的降 低速度，而且越向右，这种差别越大。从a 点向左，则相反。与最大益率响应的 支架阻力，称为临界阻力p k 。围岩应力和围岩强度是决定p u 曲线变化的主要 中南大学硕十学位论文第三章巷道支护的作用机理研究 因素。在软岩内，巷道掘进在1 0 0 天内u 与p 的关系为“= 9 2 p _ 1 ”。在坚硬岩 内为“= 0 5 3 p 1 ” 3 3 1 。围岩愈坚硬，阻力对控制围岩变形的作用愈小，反之， 围岩愈松软，阻力对控制围岩变形的作用就愈大，且临界阻力愈高，阻力变化对 软岩巷道的围岩变形量产生十分重要的影响。 英国e t _ 布朗等提出在巷道周围岩体已发生破裂的情况下，支护的主要作用 是维持破裂岩块间接触的径向连续性，而支护阻力决定着破裂岩块表面之间的摩 擦力，从而得出巷道围岩破裂区半径及周边位移与支护阻力之间的幂函数关系。 r ：d f ! ! 二笪1 只d - ” ( 3 1 ) 。 。( 1 + 6 ) p 1 u ：一坠要 盟+ ( ，p g 0 + ，) 2 、，。 1 ( 3 2 ) 式中t 一巷道围岩破裂区半径，m ； 【，一巷道周边的径向位移，m ； 尸静水压力，m p a p 支护阻力，m p a ； a 一圆形巷道的半径，r n ： g 弹性模量，m p a ； c 粘聚力，m p a ； b 、d 、f 一系数； 图3 2 为根据e t 布朗的计算式得出的支护阻力与巷道周边位移的关系， 由图可见，在围岩已经破裂的条件下，巷道支架的最佳工作阻力为o 2 0 3 m p a 。 对某矿极软岩巷道u 型钢马蹄形可缩性支架是否有壁后充填的支护阻力进行测 试也得类似的结果。u 型钢支架壁后不充填时巷道围岩变形量达到5 0 m m 时，初 撑力还近于零，支架的增阻速度平均只有0 0 0 2 m p a j r n m ，最大支护阻力只有 o 1 1 m p a ，随着支架折损，支护阻力降到0 0 5 m p a ，巷道掘出后1 0 0 天内围岩变 形量为7 0 0 r a m 。u 型钢支架采用壁后充填的工艺后，巷道支护2 天内的围岩变 形量为1 6 r a m 时，初撑力就达o 1 l m p a ，支架的增阻速度平均为o 6 m p a j m m ， 最大支护阻力为o 3 6 m p a ，支架的平均阻力为0 2 3 1 m p a ，为无壁后充填的3 4 5 倍。巷道掘后1 0 0 天内的围岩变形量为7 0 r a m ，比无壁后充填时下降了9 0 。国 内外大量研究表明，在软岩巷道或围岩较软，受采动影响强烈的巷道，临界阻力 一般都在o 3 m p a 左右。支护阻力对降低巷道周边位移有重要作用，随着往岩体 深部，作用会逐渐降低。例如，支架阻力为o 1 2 m p a 的围岩中等稳定的动压巷 道中，支架可使l m 深处位移量减少6 0 左右，2 3 m 深处的围岩位移量减少 中南大学硕十学位论文第三章