（岩土工程专业论文）深部巷道锚网喷支护结构的数值模拟与优化设计研究.pdf

摘要 摘要 本文探讨了深部巷道开挖过程中及开挖之后变形的一般性规律，讨论了影响 巷道变形的主要因素，通过对实际工程的实测数据的分析，有针对性的对钱营孜 煤矿巷道开挖之后的应力场和位移场进行了讨论，将数值模拟与实测数据进行了 对比分析。 由于开挖施工的影响，原岩受到扰动，数值分析过程中并不能直接把实验测 得的岩石强度等数据直接使用，需要对原岩的弹性模量等进行折减才是比较真实 的岩石特性。因此采用了可以合理考虑开挖等施工因素影响的本构模型 h o e k b r o w n 强度准则。作为该准则中影响强度折减程度的参数g s i 指标，在 本文中论述了g s i 指标的确定和应用。建立了基于定量指标j v 的h o e k b r o w n 强 度参数a 和s 的线性修正公式，并成功将该强度准则应用于数值模拟之中，取得 了比较理想的分析结果。 在本文的数值模拟分析当中，利用f l a c 3 d 内置的f i s h 语言，通过结构单元 函数sn e a r ( ) 、sc i d ( ) 等及自定义的功能函数成功的实现了c a b l e 单元与l i n e r 单 元节点的自动连接、连接属性和锚杆节段属性的自动设置，实现了巷道支护三维 问题中锚杆的端锚效果，使分析结果更加合理可靠。 通过实测数据和数值模拟的对比分析，对钱营孜煤矿风井巷道的锚喷支护参 数提出了优化方案。经实践证明，优化结果合理，支护效果较好。本文的分析为 其他深部巷道的锚网喷支护提供了有益的借鉴。 图【7 8 】表【1 8 1 参 3 9 1 关键词：巷道开挖h o e k - b r o w ng s i 位移场锚杆支护数值模拟 分类号：( t d 3 5 3 ) a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eg e n e r a ll a w so fd e f o r m a t i o ni na n da f t e rt h ep r o c e s so fd e e pr o a d w a y e x c a v a t i o n t h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed i s p l a c e m e n to fr o a d w a ya r ed i s c u s s e d b y a n a l y z i n gt h ed a t ao fa c t u a lm e a s u r e m e n tf r o mt h er o a d w a yo fq i a ny i n g z ic o a lm i n e ， t h es t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l da f t e rt h ee x c a v a t i o no fr o a d w a ya r ed i s c u s s e d ， r e s u l t so fn u m e r i c a lm o d e l i n ga n df i e l dt e s ta r ec o m p a r e d a sar e s u ho ft h ei m p a c to fe x c a v a t i o n , t h es t r e n g t ho fi n t a c tr o c ki sd i s t u r b e d ，s o t h es t r e n g t hi n p u tp a r a m e t e ri nn u m e r i c a la n a l y s i sc a n tu s et h ed a t ad i r e c t l yf r o mf i e l d t e s t , ar e d u c t i o ni sn e e d e d f o rt h i sp u r p o s e ，af a i l u r ec r i t e r i o n - - h o e k - b r o w nf a i l u r e c r i t e r i o nw h i c kc a nc o n s i d e rt h es t r e n g t hr e d u c t i o nh a sb e e na p p l i e d a sp a r to ft h e c r i t e r i at h a ta f f e c tt h ep a r a m e t e r so ft h ed e g r e eo fs t r e n g t hr e d u c t i o n - - g s ii n d e x ，h a sb e e n d i s c u s s e da b o u t 。t h ed e t e r m i n a t i o na n da p p l i c a t i o n b a s eo nt h eq u a n t i t a t i v ep a r a m e t e rj v ，a l i n e a rf o r m u l at oa t t a i nt h e p a r a m e t e r aa n dsf o rh o e k b r o w nc r i t e r i o nw a s e s t a b l i s h e d i nt h en u m e r i c a la n a l y s i so ft h i sp a p e r , u s i n gt h eb u i l t i nf i s hl a n g u a g eo ff l a c 3 d ， a c c o m p l i s h e dt h ep a r t i a lr e s i ng r o u tr o c k b o l tb yu s eo ff i s hl a n g u a g ei nf l a c 3 d ， t h r o u g ht h es t r u c t u r ee l e m e n tf u n c t i o ns _ f i e a r ( ) ，s c i d ( ) ，e t c a n du s e rd e f i n e df u n c t i o n c r e a t el i n k sb e t w e e ne n d p o i n to fr o c k b o l ta n dn o d eo fc o n c r e t el i n e ra u t o m a t i c a l l y , s e t t h ep r o p e r t yo fl i n ka n dc a b l e s e la u t o m a t i c a l l y a c h i e v et h ep a r t i a la n c h o r e dr o c k b o l t i nt h r e ed i m e n s i o np r o b l e m s ot h ea n a l y s i si sm o r er e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e t h r o u g ht h ec o m p a r e o fd a t af r o mf i e l dm e a s u r e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , ao p t i m i z e p r o p o s a lo nt h ep a r a m e t e r so fr o c k b o l tm e s hs h o t c r e t es u p p o r to fq i a ny i n g z ir o a d w a y i sp r o p o s e d p r o v e db yt h ep r a c t i c et h a tt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r er e a s o n a b l e ，t h es u p p o r ti se f f e c t i v e t h e a n a l y s i si nt h i sp a p e rp r o v i d e sa _ u s e f u lr e f e r e n c ef o ro t h e rd e 印r o a d w a yo f r o c k b o l tm e s hs h o t c r e t e s u p p o r t f i g u r e 7 8 t a b l e 18 】r e f e r e n c e 【3 9 】 k e y w o r d s ：r o a d w a y , e x c a v a t i o n , h o e k b r o w n , g s i , d i s p l a c e m e n tf i e l d , r o c k b o l t ， s u p p o r t s ，n t u n e r i c a ls i m u l a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 3 5 3 一i i 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中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 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：鞋吼掣月堕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 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 塞邀堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名：l 奄弋 签字日期：加c ，产石月，l 日 签字日期：2 。罗年占月j 2 ，日 第1 章绪论 1绪论 1 1问题的提出 目前，地下开采仍是硬煤开采的主要方法。6 0 年代以来，多数产煤国家的开 采难度迅速加大，如德国矿井的平均开采深度从1 9 6 0 年的7 2 6 m 增加到1 9 9 5 年 的9 2 7 m ，最大达1 4 4 3 m ，岩石温度高达4 3 。我国目前煤矿最大的开采深度达 到了1 3 5 0 m 。随着浅部煤炭资源的减少，煤炭开采有不断向深部发展的趋势。 我国煤矿的巷道总长有3 0 0 0 万米，其中深部高应力软岩巷道长达1 8 0 万米， 此种条件下的煤炭开采是一个面临诸多挑战的工程。深部高地应力条件下，巷道 在服务期内屡遭破坏，需多次翻修，每米巷道每年的修复费就需要2 0 0 0 元左右。 这严重影响了矿井正常生产和企业的经济发展，制约了煤炭开采的经济效果，是 制约煤炭工业进一步发展的关键因素之一。因此对深部高应力软岩巷道破坏机制、 支护理论与技术进行研究，对我国煤矿安全高效生产具有重要的理论意义与应用 价值。 深部高应力条件下巷道、地下硐室的支护一直是国内外地下工程支护的难题 之一。随着开采深度的增加，地应力逐渐增大，这类巷道的数量在不断的增加； 如果采取不适当的维护措施，巷道围岩变形愈加剧烈，支护也会愈加困难，最终 将导致巷道失稳破坏；破坏后的巷道围岩将更加破碎，再生裂隙更加发育，致使 巷道掘进与支护也变得极其困难。巷道围岩控制技术成为制约现代化生产发展的 重要技术难题之一。 淮南矿区是我国地质条件复杂、灾害频发煤矿的典型代表，煤层赋存特征为 高瓦斯煤层群，煤层瓦斯含量高，煤质极松软，煤层透气性低，瓦斯压力大。目 前，淮南矿区内大部分生产矿井的开采深度在7 0 0 1 0 0 0 m ，且开采深度正以每年 2 0 - 2 5 m 的速度增加，新建矿井首采区多在距地表8 0 0 m 以下深度，未来十年面临 的煤与瓦斯突出威胁增加问题、软岩支护问题、采空侧小煤柱地压问题及地温问 题目趋严重，深部开采面临巨大的安全技术挑战。 钱营孜煤矿设计年产量2 4 m t ，属皖北煤电集团目前最大的矿井，巷道埋深 多在6 7 0 m 以下。整个井田位于淮北煤田南部中段，处于北东向的南坪断层、双 堆断层所夹持韵断块内。区内总体构造形态为一较宽缓向南仰起的向斜，并被一 系列北东向断层切割。全区根据地震、测井、钻探确定的断层有4 5 条。其中正断 层2 6 条、逆断层1 8 条，滑覆断层1 条。按断层落差分：落差1 0 0 m 的断层1 9 条； 5 0 落差 1 0 0 m 的断层4 条；3 0 落差 5 0 m 的断层9 条，2 0 落差 3 0 m 的 安徽理工大学硕士学位论文 断层1 1 条，落差 2 0 m 的断层2 条。岩石力学实验结果表明，在整个矿区范围内 岩体都较为破碎，构造裂隙及节理面极其发育，岩体强度等级多属于较软岩和软 岩类。而井筒检查孔抽水试验发现，基岩段( 3 1 2 8 5 m - 7 5 8 0 5 m ) 涌水量为1 9 4 6 m 3 h ，主要是二叠系砂岩裂隙水。根据煤炭建设井筒水文地质工作规定( 暂 行) 中的井筒水文地质条件分类方案，该矿井井筒水文地质条件为较复杂类型。 在水文与工程地质条件极为复杂的条件下，巷道的支护方法与施工工艺必须 根据地质条件和围岩性质适时进行调整才能确保钱营孜煤矿巷道支护安全、可靠， 因此在巷道开挖之前应结合已经掌握的巷道围岩情况对所采用的支护方案进行科 学的论证，既要保证支护的安全可靠、也要经济合理，结合实际巷道受力变形特 点制定科学合理的支护方案。巷道开挖后对支护效果进行及时的观测，依据观测 结果对支护效果做出判断。 本论文在理论分析的基础上结合数值模拟对钱营孜煤矿支护方案的合理性做 了论证，提出了优化方案，并根据在西翼回风巷道监测断面实测数据与数值模拟 结果的对比，对数值模拟结果与实际巷道的应力场和位移场进行的比较，以检验 数值模拟的可靠性。 1 2 国内外研究现状及动裂1 】【2 】 煤矿巷道锚杆支护是一个复杂的系统，其内容涉及锚杆支护理论、围岩地质 参数测试、支护设计、支护材料、施工机具和工艺及监测技术等诸多方面。 我国的锚杆支护研究是从1 9 5 6 年开始的( 3 j ，但由于技术条件等原因，锚杆支 护的发展一直比较缓慢，直到九十年代，我国煤巷锚杆支护才开始得到逐步发展。 我国国有大中型煤矿每年掘进的巷道总长度高达5 0 0 0 k m 以上，到1 9 9 5 年底，我 国不受回采影响的岩巷，其锚喷( 网) 支护比重达5 7 2 9 ，而在占每年掘进巷道 总长度8 0 的受采动影响的煤巷、半煤岩巷中，其锚杆支护率却很低，煤巷中锚 杆支护率仅为1 5 1 5 。 美国、澳大利亚、英国等国家对锚杆支护技术进行了比较全面的研究，取得 良好的支护效果，锚杆支护率达9 0 以上。但国外煤矿开采深度相对较小，地质 条件相对简单，护巷煤柱宽度大，这些都使国外煤矿锚杆支护所面临的技术难度 远小于国内。 我国锚杆支护技术经历了低强度锚杆、高强度锚杆及高预应力、强力锚杆支 护的发展阶段，目前一些结合工程经验的特种锚杆也得到了发展，如高强让压锚 杆等。随着综采放顶煤开采技术的广泛应用和矿井向深部延伸，煤炭开采面临一 2 第1 章绪论 系列新的挑战，包括全煤巷道、沿空掘巷、极破碎围岩巷道等，而且随着开采强 度增大，要求的巷道断面尺寸越来越大。为了解决这些巷道支护难题，在引进、 消化吸收国外先进技术的基础上，我国煤炭系统经过技术攻关，形成了针对我国 煤矿条件的高强度锚杆支护技术，并得到大面积推广应用，取得良好的技术经济 效果。 近年来，针对深部高地应力巷道、受强烈采动影响的巷道、特大断面巷道等 复杂困难条件，提出了高预应力、强力支护理论，开发了强力锚杆、锚索支护系 统，大幅度提高了巷道支护效果与安全性，并有利于巷道快速掘进，使煤巷锚杆 支护技术发展到更高的水平。 早在2 0 世纪4 0 年代，美国、前苏联就已经在井下巷道使用了锚杆支护，以 后在煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其他地下工程中迅速得到了发展。西欧、 中欧一些主要产煤国家，过去巷道中主要采用金属支架支护。随着巷道维护日益 困难和支护成本的增加，1 9 4 5 1 9 5 0 年，机械式锚杆研究与应用，1 9 5 0 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了应用；1 9 7 0 1 9 8 0 年，发明管缝式锚杆、胀管式锚 杆并得到了应用，同时研究新的设计方法，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、特种锚杆等得到了一应用，树脂锚固材料得到改 进。 美国、澳大利亚等国由于煤层埋藏条件好，加之锚杆支护技术不断发展和日 益成熟，因而锚杆支护使用很普遍，在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了1 0 0 。 澳大利亚锚杆支护技术己经形成比较完整的体系，处于国际领先水平。澳大利亚 的煤矿巷道几乎全部采用w 型钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术，尽管其巷道 断面比较大，但支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板及其巷道交叉点、大 断面硐室等难维护的地方，采用锚索注浆进行补强加固，控制了围岩的强烈变形。 美国一直采用锚杆支护巷道，锚杆消耗量很大。锚杆种类也较多，有胀壳式、树 脂式、复合锚杆等。 澳大利亚全国总产量中大约2 8 是源于地下开采( 9 4m t p a ) ，绝大部分( 8 1 ) 是后退长壁法开采。整个澳大利亚地下工业中，无论是初步支护还是二次支护都 是使用全锚树脂锚杆作为初次支护、配合使用各种形式的板、带、钢筋两 4 1 。 西欧如英、法、德等国直到8 0 年代仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同 的金属支架，但他们的金属支架是根据不同围岩进行设计，并有专门工厂统一加 工。其加工质量好、性能可靠、机械化安装、效果好，但在8 0 年代后期，他们开 气 安徽理工大学硕士学位论文 始引进美国、澳大利亚的锚杆技术。目前，各类不同的锚杆、组合锚杆、锚杆桁 架及锚索支护约占支护总量的9 0 圆6 ，取得良好的经济效益和社会效益。 俄罗斯、波兰等国至今仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同的金属支架 类型，对待深部高应力软岩也是采用翻修的方法处理，金属支架用量约占支护总 量的7 0 左右，其它部分为锚喷、木支架等。但我们认为随着俄罗斯、波兰改革 的发展，锚杆支护技术也将走进俄罗斯、波兰的煤矿。 2 0 世纪8 0 年代以来，与软岩工程相关的全国性会议召开了2 0 余次，对地下 工程软岩问题的理论研究进入了一个新的阶段。中国煤矿矿压专业委负会软岩分 会召集全国的软岩科研、施工、生产各方面的专业人员进行交流，起到了很好的 组织、交流、提高作用。 在岩体支护方面主要有以下一些理论： 岩性转化理论【5 吲 中国著名岩土工程专家陈宗基院士在2 0 世纪6 0 年代从大量工程实践中总结 出岩性转化理论，该理论认为：同样矿物成分、同样结构形态，在不同工程环境 工程条件下，会产生不同应力应变，以形成不同的本构关系。坚硬的花岗岩，在 高温高压的工程条件下，产生了流变、扩容，并指出，岩块的各种测试结果与岩 体的工程设计应有明显的区别。强调岩体是非均质、非连续的介质，岩体在工程 条件下形成的本构关系不是简单的的弹塑、粘弹塑变形特征。 轴变论理论【。7 】 于学馥教授等提出轴变论理论，认为：巷道坍落可以自行隐定，可以用弹性 理论进行分析。围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落是改变巷道 轴比，导致应力重分布。应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向无 拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴 比，其形状为椭圆形。 近年来，于学馥教授等运用系统论、热力学等理论提出开挖系统控制理论。 该理论认为：开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。 联合支护理论【8 1 1 】 冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合技术是在新澳法的基础土 发展起来的，其观点可以概括为：对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行的， 要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护型式有锚喷 网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。 松动圈理论【1 2 】【1 3 】 第l 章绪论 松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬 围岩的裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存 在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支 护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。 主次承载区支护理论【1 4 】 主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出的。该理论认为巷道开挖后，在围 岩中形成拉压域：压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，是维护巷道稳定 的主承载区。张拉域形成于巷道周围，通过支护结构的加固，也形成一定的承载 力，但其与主承载区相比，只起辅助作用，故称为次承载区。主、次承载区的协 调作用决定巷道的最终稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、 次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定。支护强度原则上要求一次到位。 应力控制理论f 1 5 】【1 6 】 应力控制理论也称为围岩弱化法、卸压法等。该方法起源于前苏联，其基本 原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应 力及能量分布，人为降低支撑压力区围岩的承载能力，使支撑压力向围岩深部转 移，以此来提高围岩稳定。 软岩工程力学支护理论【1 7 1 软岩工程程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学 相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出了以转化复合型变形力学机制 为核心的一种新的软岩巷道支护理论：它涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、 软岩的连续性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护荷载的确定和软岩非 线性大变形力学设计方法等内容。 在研究支护结构与围岩之间相互作用关系时，很多学者都采用了“围岩反应 曲线”( g r o u n dr e s p o n s ec u r v e ) ，这一曲线反映了在不同支护荷载作用下围岩有可 能出现的相对变形量。基于不用的塑性变形假设进行了研究，如b r a d y 和b r o w n ( 1 9 9 3 ) 、h o e k 等( 1 9 9 5 ) 采用摩尔库伦本构模型，h o e k 与b r o w n ( 1 9 8 0 ) 、b r o w n 等( 19 8 3 ) 、c a r r a n z a - t o r r e s 与f a i r h u r s t ( i9 9 9 ) 采用h o e k - b r o w n 强度准则进行 了相关韵研究。h o e k 和m a r i n o s ( 2 0 0 0 ) 提出一种更为简单的围岩反应曲线的估 计模型，该模型针对均匀应力作用下圆形截面饷开挖，是基于参数研究的统计分 析。h o e k ( 2 0 0 0 ) 通过闭合的解析解法研究了影响圆形截面开挖应变状态的因素， 并且h o e k 和m a r i n o s ( 2 0 0 0 ) 采用有限元的方法对此进行了验证。a s e f 等 ( 2 0 0 0 ) 通过有限差分程序f l a c 模拟了直径为1 0 m 的圆形隧道承受静水压力的情 5 安徽理工大学硕士学位论文 况，提出了针对特定问题的、对应r m r 值从2 0 到8 0 的围岩反应预测曲线。 在锚杆计算方法方面。主要有这样一些计算理论。 反向点荷载方法一是一种对锚杆作用效果的简单近似。在这一方法中，锚 轩被看做作用在杆件端部同一轴线上、大小相等、方向相反的集中力，如图所 示。这种方法忽视了锚杆本身的结构特性。s t a n k - u s ( 1 9 9 5 ) 曾使用a n s y s 进行这 种方式的模拟。 图1 秆单元端部的两个反向点荷载 f i g u r el t w oo p p o s i t e p o i n t f o r c ea t 恤ee n d o f a 口i l s se l e m e n t 锚固杆( b 目单元法一这种方法锚杆被两端锚固的杆单元代替以近似模拟锚 杆的力学特性( z i e n l d e w i c z 和t a y l o r ，1 9 9 4 ) 或者沿杆单元多点锚固以模拟全锚 锚杆。这一方法假设锚杆与岩石之间是完全粘合的，忽略了树脂锚固体的影响。 连接单元法n g o 和s c o r d e l i s ( 1 9 6 7 ) 提出了连接单元法来体现预应力混 凝土中钢筋和混凝土之间的滑移。采用相同的理念，连接单元亦可以用来体现锚 杆和围岩之间的滑移。这种连接单元没有物理的尺寸，只有竖向和水平的剐度。 图2 连摇单兀( n 窖。和s c o r d c l i s t1 9 6 力 f i 9 2 l i n k a g ee l e m e n t s 州g oa n ds c o r f l e l i s 】9 6 7 ) 剪切弹簧法一剪切弹簧法用以模拟锚固体的粘结效果。并且剪切弹簧可以 用数值的方法描述锚杆与锚固剂以及围岩与锚固剂之间接触面上的相对位移。锚 杆通过可以承受轴向拉力的杆单元来模拟，该杆单元不能考虑受弯。f l a c 和 u d e c 都是通过这种方法来模拟锚杆特性的。 第1 章绪论 图3 剪切弹簧示意图 f i 9 3s h e a rs p r i n gm e t h o d ( t a n ge ta 1 ，2 0 0 0 ) 我国煤巷锚杆支护技术在过去几十年的发展中取得以下主要成果： 加深了对锚杆与围岩相互作用机理的认识。认为锚杆支护的本质在于阻止 围岩出现张开裂隙和裂纹扩展，控制结构面出现离层与滑动，最大限度地保持围 岩的完整性。高强度、高刚度锚杆组合支护系统得到广泛认可，不仅重视锚杆强 度，而且强调支护结构与围岩之间的刚度耦合。认识到锚杆预紧力和组合构件的 重要性，使锚杆支护真正实现了主动、及时支护。 快速原位测试系统得到应用。开发出了巷道围岩地质力学快速原位测试系 统，包括地应力、围岩强度及围岩结构测定装置，实现了井下巷道围岩地质力学 参数的快速、经济、大范围测量，能够满足设计和施工的需要。 动态的、系统的、信息话的、实时的锚杆支护设计方法得到普遍认可与应 用。认为锚杆支护设计不是次完成的，而是一个动态的、系统的过程，设计应 充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、信息分析与信息反馈，并 及时对支护效果作出评价，如有必要应结合实际情况对原有设计进行合理的修正。 数值计算逐渐得到推广应用。有限差分( f l a c 、f l a c 3 d ) 、有限元 ( a n s y s 、a d i n a 等) 、离散元( 3 d e c 、t j h d e c ) 等数值计算软件已广泛应用于锚 杆支护设计，提高了设计的科学性、合理性与可靠性。 研发出了更多的新型支护结构。研发出高强度、高刚度树脂锚杆支护系统， 在煤矿巷道支护材料上实现了突破。包括左旋无纵筋螺纹钢锚杆，达到高强度和 超高强度级别，树脂锚固剂及生产设备，高强度异形钢带，小孔径树脂锚固预应 力锚索系列等。 7 安徽理工大学硕士学位论文 1 3 研究方法、内容及技术路线 1 3 1 研究方法 本文对巷道变形的分析考虑了研究对象的空间效果，即在三维空间内研究巷 道开挖所产生的影响，研究支护的效果，因此在一定理论分析的基础上采用了数 值模拟的方法进行研究。 同时，在施工现场安设了监测元件，对巷道开挖施工过程中的应力、位移场 变化情况进行监测，与数值模拟的结果进行对比分析。一方面以经过筛选的可靠 的监测数据对数值模拟进行校核与修正，另一方面，以经过实测修正的数值模拟 还原整个硐室内的应力场和位移场的分布情况和发展趋势。因为监测只是局部的， 而整个硐室的应力和应变情况的展现则要依靠数值模拟的结果。 数值模拟的可靠与否，能否发挥对施工的指导作用，还要依靠对深部高地应 力条件下硐室变形规律及特点的理解，正确的选择岩石的本构模型，合理的输入 相关参数，如岩石的变形模量、波松比、粘结强度、抗拉强度等等。因此对深部 高地应力下硐室开挖的理论分析是数值模拟分析的基础。 综上，本文在分析过程中采用了，以理论分析为基础、依靠数值模拟、结合 实测数据综合分析的方法。 1 3 2 研究内容 本文主要研究了以下一些主要内容： ( 1 ) 高地应力条件下巷道的应力场、位移场随施工推进的变化规律。 ( 2 ) 与实测数据进行对比，探寻高地应力条件下特定岩石所对应的本构模型 的合理性。 ( 3 ) 深化锚杆、锚索支护在硐室支护中所发挥作用的认识，探寻不同地应力 条件下巷道围岩应力分布特点，探寻合理的锚杆、锚索布置方式。 ( 4 ) 结合以上分析，对已有的巷道支护方案提出优化意见。 1 3 3 技术路线 本文在大量数值模拟的基础上，总结巷道周岩变形规律，依据模拟结果并参 照实测数据，对支护参数，如锚杆长度、锚杆间排距、锚索长度及间排距等提出 优化，提出安全、经济、合理的支护参数。另外借鉴新奥法施工原理，为充分发 挥围岩的自身承载能力，允许围岩在开挖后适当出现变形后再进行支护，对安装 8 第1 章绪论 支护结构的时间进行优化。 总体技术路线如图所示： 、 ， 不同支护参数，施工工艺下巷道变形模拟 j ! ：广 7 广 广 ； lj 竺垩堡查奎翌垒塾竺全墨竺l 茎芏叁塾垡些坌堑ii塞翌堕垫箜垡堡i i l1 。j 1 一i 一 1 。一一一一。一。工。一。一。一。 图4 技术路线图 f i g ot e c h n i c a lr o u t ec h a r t 9 安徽理工大学硕士学位论文 2 深部巷道围岩特征、分类与支护探讨 2 1 深部巷道围岩的特征 认识深部巷道围岩在力学、变形等方面的特点，是分析围岩变形破坏机理和 确定合理支护的前提条件。 浅部岩体由于所受外部应力较小，多数处于弹性应力状态。但进入深部以后 在高地应力以及采掘扰动力等因素的作用下，浅部表现为普通坚硬的岩石在深部 可能表现出非线性的力学行为。 深部开采受高地压、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动影响。深部矿井 重力引起的垂直应力明显增大，构造应力场复杂，地应力尤其水平地应力高；在 高地应力作用下，开采扰动影响强烈，围岩易出现严重破坏。 在高地应力环境下，煤岩体的变形特性发生了根本变化：由浅部的脆性向深 部的塑性转化；高地应力作用下，煤岩体变形具有较强的时间效应，表现为明显 的流变或蠕变；煤岩体的扩容现象突出，表现为大偏应力下煤岩体内部节理、裂 隙、裂纹张开，出现新裂纹，导致煤岩体积增大，扩容膨胀；煤岩体变形的冲击 性，表现为变形不是连续的、逐渐变化的，而是突然剧烈增加。高地应力环境和 煤岩体变形特征决定了深部矿井会遇到一系列动力灾害，包括冲击矿压、煤岩与 瓦斯突出、瓦斯爆炸、矿井突水、矿压显现剧烈、巷道围岩大变形、冒顶片帮等 灾害，对深部矿井的安全、高效开采带来巨大威胁。因此深部巷道的支护问题是 涉及生产安全和效率的关键问题【1 8 】。 2 1 1 深部巷道围岩具有软岩的力学特征 深部巷道围岩常受到岩体自重应力和构造应力的同时影响。在深部高应力环 境下，当围压较高时岩体尚具有较高的强度和模量；而当围压较低时，岩体则表 现出“软岩 的特征。因此深部巷道围岩一般相对具有软岩的性质。当巷道所在 工程环境的应力水平一定时，强度高于外部应力水平的岩体大多表现为硬岩的力 学特性，强度低于外部应力水平的则可能表现为软岩的力学特性。而对同种岩石， 在较低的外部应力的作用下，则表现为硬岩的小变形特性，应力与应变近似弹性 变形节段。在较高外部应力的作用下则可能表现为软岩的大变形特征。 h o e k 通过分析认为，单轴抗压强度与岩体初始地应力p o 之间的比值，可 以作为岩体是否出现潜在碎胀变形的指标。通过无量纲的指标：诉m p o 以及巷道 断面收敛变形比上巷道半径，来预测巷道出现流塑状态的可能性。如图5 所示， 1 0 第2 章深部巷道围岩特征、分类与支护探讨 从中可以看出当初始地应力p o 在较大数值时，出现碎胀变形的可能性高，而且碎 胀的程度更严重【1 9 1 。 仃a _ ，p p r o c k m 曩窜8 翻蚋冼i g 也，1 n s l 啦囊l 秭瞄 图5h o c k 对巷道碎胀的分类( h o e k2 0 0 0 ) f i 9 5h o e kc a t e g o r i e so f t u n n e ls q u e e z i n g ( a f t e rh o e k2 0 0 0 ) 2 1 2 深部巷道围岩的变形特征 深部巷道原岩应力大，围岩一般将表现出软岩的大变形特征，决定了巷道收 敛具有变形量大的特点。 深部巷道围岩变形的另一个特征是明显的时效性。高地应力下巷道变形的发 展不是在短时间内完成的，且变形不是均匀和等速发生的。巷道开挖后，初期的 变形增长速度快，之后变形逐渐区域平缓。经过较长时间变形才能最终稳定。 严格地讲，以往应用弹性力学和弹塑性力学求得的巷道变形及应力都是瞬时 发生的，既量测不到也无法阻止。围岩变形可分为剧烈变形、缓慢变形和稳定变 形三个阶段。巷道开挖施工过程中，采用钻爆法挖除岩体的瞬间就会出现开挖临 界面处岩体的变形，开挖刚刚结束的一段时间内变形发展仍然相对较快，安装支 护结构后很长的一段时间内还会有变形的发展，但相对很小。围岩最终收敛变形 是否稳定还取决于围岩和支护结构的刚度和强度。 2 1 3 深部圈岩的载荷特征 现代支护理论认为，支护结构所承担的荷载并不占由开榴i 起的荷载音勺大部， 大部分荷载最终还是依靠围岩自身来承担。合理的支护形式应该充分发挥围岩的 ” 挖 n 埒9 s 7 5 3 2 ， o 8ic琴藿吾畜售葺g詈藿熏幻q薯 安徽理工大学硕士学位论文 自身承载能力，减少在开挖过程当中围岩自身承载能力的削弱，并通过支护结构 改善开挖范围附近围署酌受力状态。 围岩本身既是载荷的来源又是支护结构的主体。围岩的自承力是由开挖巷道 的断面形式、尺寸和围岩本身的物理力学性质等因素决定的。根据松动圈支护理 论( 图6 ) ，围岩的状态特征决定着支护能够起的作用，弹塑性状态特征的围岩能 够自稳，多数不需要支护；只有当围岩进入到破碎状态之后才产生亍支护问题。 凡揭露巷道，围岩松动圈都接近于零，此时的弹塑性变形依然存在，但它不需要 支护；松动圈越大收敛变形越大，支护越困难；巷道收敛与松动圈形成在时间上 是一致的。因此，围岩松动圈所产生的碎胀变形是支护控制的主要对象( 未考虑水 等因素的影响) ，同时应该在松动圈形成时，及时采取支护措施，获得最佳支护 效果，这就是深部巷道围岩对控制支护时间的要求【2 0 1 。 p lliiill 一 弹性区+一 ll lll l l p 图6 蠕变围岩的应力分布 f i 9 6s t r e s sd i s t r i b u t i o ni ns q u e e z i n gg r o u n d 深部地下结构所处围岩环境内的地应力状况较浅部发生了明显变化。浅部地 下结构如地铁、隧道等承受的外载主要来自土体或岩体的自重应力，而很少或几 乎不受构造应力的影响。而深部地下结构不但明显受构造应力影响，而且整体的 地应力水平也要比浅部高很多。 高地应力作用下的深部围岩当受到开挖扰动后，应力会发生重新分布，而这 种重新分布会导致临近围岩的人工地下结构迅速承受很大的应力，结构的承载力 和稳定性面临严峻的考验。深部围岩来压明显而快速。 2 1 4 围岩砬力场具有分区破裂化特征 对于深部工程活动来说，由于地应力性质大于岩体单轴极限强度时，就 1 2 第2 章深部巷道围岩特征、分类与支护探讨 会出现一些不同于浅层现象的性质反映，即可观察到深部坑道围岩地质力学能的 “量子化 效应，这说明围岩内稳定或准稳定状态区域的分布直径是分开排列的 【2 i 】，在很多相关研究中称之为“区域破裂现象 1 9 8 6 年俄罗斯学者用4 篇专题文章讨论了分区破裂问题。随后各国学者从块 度、间隙到序列分布，从裂隙、断裂到相变，从地壳结构到月球等多方面，进行 了相关的研究和讨论。从1 9 9 9 年到2 0 0 0 年，该问题还被延伸到了地质力学非线 性问题的讨论阎。新世纪以来，仍还有相关论文发表。s h e m y a k i n i 等 p a l 、m v k u r l e n y a 和vn o p a r 泌【2 4 】认为在实体或模型中观察到的荷载静态特性和变形变 化相当缓慢，区域性破裂现象是在外部条件不变或缓慢变化时所形成的。m a g u z e v 和a a p a r o s h i n e 2 5 利用非欧几何模型寻找应力随离巷道表面距离的非单调 性的变化规律，这种非单调性与沿着巷道的应力场衰减有关，或者与应力随时间 的周期变化有关。王明洋等通过围岩应力状态及体积变化的关系建立与之相应的 静力模型来解释这一现象，最后根据分区破裂出现的条件提出了“深部”界定的 基本准则。 高地应力作用下的硐室或巷道围岩受挤压破坏形成塑性区或松动圈，但分区 破裂现象与此不同，呈现的是围岩严重断裂和弱断裂交替出现的不均匀破坏现象。 图7 淮甬深并断面b 分区破裂图像 f i 9 7f r a c t u r eb yz o n ei nh u a i n a nd e 印m i n e 围岩由于形成过程中的种种因素影响不可能是理想的各向同性的均质体，内 部存在岩性的交叠变化，这种变化多数是沿深度方向的，但由于岩层的倾斜等因 素的影响，在岩层的横向岩性也是不均匀的。国内较早就发现围岩中有不同于松 动圈挤压破坏的现象。1 9 7 9 年李世平【2 6 ：i l t 过大量锚杆的测力数据表明其中有相 当一部分锚杆受到压力作用。方祖烈【2 刀通过实测获得了钻孔围岩的拉压交替现 象。这些已有的研究反映了围岩变形或受力并非是单纯受压、并可能披拉破裂的 情况。淮南矿区深井巷道利用钻孔视频照相及钻孔比较方法绘制获得的图像比较 13 安徽理工大学硕士学位论文 明显的证明了分区破裂现象的存在 2 8 】( 如图7 ) 。 睁前了一书阿瓒岖裂变现象酶完善的理论解释还没有出现了仍处于试验研究阶 段。基于连续介质理论的数值计算方法很难模拟分区裂变现象，基于非连续介质 的数值方法，如离散元等或基于非连续介质理论与基于连续介质理论耦合的分析 方法可能实现分区破裂现象的数值再现。 2 2 深部巷道变形的常见研究方法 对巷道应力的分析有几种常见的有效方法，从最初的闭合的数值解法到后期 才兴起的数值模拟方法。随着计算机性能的不断提升，求解复杂的工程问题所花 费的成本也达到了人们能接受的程度。解析解法对于一些满足特定假设条件的情 况能提出完备的、闭合的结果，对于认为对问题的理论理解有帮助，解析解也能 够帮助人们对于实际复杂的工程问题，在接近假设条件的情况下有一个定性的理 解，或对问题能有初步的快速的判断。 2 2 1 解析分析法 由于巷道的开挖引起的应力和变形可以通过解析方法进行初步的估计。 s c h w a r t z 和e i n s t e i n 的基于围岩和支护结构之间相对刚度的解析计算方法 ( e i n s t e i n 与s c h w a r t z ，19 7 9 ) 应用的比较广泛。其他一些科研工作者也提供了其他 形式的解析解，如考虑渗流的影响( f e r n a n d e z 与a l v a r e z ，1 9 9 4 ：f e m a n d e z ，1 9 9 4 ： b o b e t ，2 0 0 1 ；b o b e t 与n a m ，2 0 0 6 ) 、考虑巷道深度影响( b o b e t ，2 0 0 1 ，2 0 0 3 ) 、考 虑围岩变形影响( v e r r u i j t ，1 9 9 7 ，1 9 9 8 ：b o b e t , 2 0 0 1 ；c h o u 与b o b e t , 2 0 0 2 ) 、地震 影响( w a n g ，1 9 9 3 ；p e n z i e n 与w u ，1 9 9 8 ：p e n z i e n , 2 0 0 0 ：b o b e t , 2 0 0 3 ) 、非圆形断 面开挖形式( e x a d a k 锣l o s 与s t a v r o p o u l o u , 2 0 0 2 ) 以及围岩的塑性变形 ( s c h w a r t z a n de i n s t e i n , 19 8 0 ；c a r r a n z a - t o r r e sa n df a i r h u s t , 19 9 9 ，2 0 0 0 ； c a r r a n z a - t o r r e s ，2 0 0 3 ) 。 在实际工程情况与理论假设比较接近的情况下，闭合的解析解可以对巷道、 支护体和开挖之间的相互影响提供快速的定量的估计，可以提供一个合理的三者 之