（采矿工程专业论文）恩洪煤矿高应力软岩巷道锚注支护研究.pdf

论文题目：恩洪煤矿高应力软岩巷道锚注支护研究 专业：采矿工程 硕士生：鲁建国( 签名) 指导老师：邓广哲( 签名) 摘要 瑶也闺 本文通过理论分析、相似材料模拟、数值模拟和现场应用相结合的方法，对云南恩 洪煤矿高应力软岩巷道最佳锚注支护时间进行了研究。 首先研究了高应力软岩巷道围岩变形特点，分析了碎胀变形的性质，对恩洪煤矿高 应力软岩巷道一配电室进行现场调研，总结其变形特点并分析其影响破坏因素 其次通过松动圈围岩裂隙演化相似材料模拟试验，分析了该条件下松动圈形成与时 间的关系及松动圈值，确定最大松动圈形成时间。 然后在系统分析软岩巷道锚注支护机理和锚注支护时间优化原理的同时，提出了最 佳锚注支护时间和最佳锚注支护时段的概念及其求解方法一特征值法。 应用f l a c 软件对配电室巷道进行数值模拟，通过在不同时刻就有无锚注支护两种 情况模拟，对比分析各个时刻巷道围岩塑性区和围岩变形情况，进而确定最佳锚注支护 时间 ， 最后将最佳锚注支护时段运用于配电室中，分析确定锚注支护施工工艺、支护参数， 对锚注后配电室巷道的变形规律及技术经济效果进行了分析和评价 关键词：高应力；软岩巷道；松动圈；锚注支护；最佳支护时间 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo nt h eb o l t - g r o u t i n gs u p p o r ti ne n h o n gc o a lh e a v i l y s t r e s s e d 阢a kr o c kt u n n e l s s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e：l uj u o - g u o i n s t r u c t o r ：d e n gg u a n g z h e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) b ym e a x i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l d p r a c t i c e ，t h eo p t i m a ls u p p o r t i n gt i m eo fb o l t - g r o u t i n gs u p p o r t i n gt e c h n o l o g yi ne nh o n gc o a l h e a v i l ys t r e s s e dw e a k r o c kt u n n e lw a ss t u d i e d f i r s t ，t h ed e f o r m a t i o n sc h a r a c t e r i s t i co fh e a v i l ys t r e s s e dw e a kr o c kt u n n e lw a ss t u d i e d i t sc h a r a c t e ri s a n a l y s e d t h r o u g hs u r v e yo fe nh o n gc o a l sp e id i a ns h i ，t h ed e f o m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef a c t o r so fd e s t r o yw e r es u m m a r i z e d s e c o n d l y , t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fl o o s ez o n ef i s s u r ee v 0 1 v e m e n t t h e c o n n e c t i o no fl o o s ez o n ea n dt i m e ，a n dt h es i z eo fl o o s ez o n e ，w e r es t u d i e d ，t h ef o n l lt i m eo f t h em o s tl o o s ez o n ew e r ei n d u c t e d t h e n ，t h eb o l t g r o u t i n gs u p p o r t i n gm e c h a n i s ma n do p t i m i z i n gm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y t h ec o n c e p t i o na n dm e t h o do fo p t i m a ls u p p o r t i n gt i m ew e r ei n d u c t e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt op e id i a ns h iw e r ec o m p l e t e db yu s i n gf l a c w i t hd i f 诧r e n t t i m ea n dw h e t h e rb o l t 。g r o u t i n gs u p p o r t ，t h e i rd e s t r u c ta r e aa n dd e f o r m a t i o nw e r ea 1 1 a l y s e d t h e nt h eo p t i m a ls u p p o r t i n gt i m ew a sa s c e r t a i n e d f i n a l l y , t h eo p t i m a ls u p p o r t i n gt i m eo fb o l t - g r o u t i n gs u p p o r t i n gw a sa p p l i e di nt h ec o a l r o a d w a yo fe nh o n gp e id i a ns h i ，t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c s ，g r o u t i n gp a r a m e t e r s ，a n ds of o r t h a r ea n a l y s e d i na d d i t i o n ，t h ed e f o r m a t i o nr u l e so fs u r r o u n d i n gr o c ka n dt e c h n i c a le f i e c t sa r e g e n e r a l l ye v a l u a t e d l o o s ez o n e b o l t 。g r o u t i n gs u p p o r to p t i m a ls u p p o r t i n gt i m e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技丈擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名剿日期：五刁 f7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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西安科技大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：身，；i 已闽 指导教师签名： 鄄亍翘 年f 月9 日 l 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及意义 高应力软岩巷道支护一直是国内外地下工程支护的难题之一。由于开采深度增加， 地层压力逐渐增大，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十分困难。 我国煤矿的巷道总量有3 0 0 0 万米，高应力软岩巷道长达1 8 0 万米，是浩大的地下 工型“。目前的支护方式，巷道服务期间屡遭破坏，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，因此，高应力软岩巷道每年的修复费要高达3 6 亿元，这严重影 响了矿井正常生产和企业的经济发展，是制约煤炭工业进一步发展的技术关键。因此对 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。 1 2 理论基础及国内外研究现状 1 2 1 国外软岩巷道支护理论及支护现状 2 0 世纪初发展起来的以h a i m 、r s n k i n e 和i m 职理论回为代表的古典压力理论认为， 作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量，印( 1 一) 其不同之处在于：a i - i a i m 认 为侧压系数为1 ，w j m r a n k i m 根据松散体理论认为留2 ( 4 r 一州2 ) ，a h h h h k 根据弹 性理论认为是f l - z 1 ，其中，、矿、，分别表示岩体的泊松比、内摩擦角和容重。 但是随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论许多方面都有不符合实际之处， 于是，坍落拱理论应运而生，其代表有t e r z a g h i 理论【3 j 。坍落拱理论认为：坍落拱的高 度与地下工程跨度和围岩性质有关。k t e r z a g h i 认为坍落拱形状为矩形，坍落拱理论的最 大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。 2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题，其中最著名的 是f e n n c r 【4 j 公式和i s t n e r i 习公式。 2 0 世纪6 0 年代，奥地利工程师l v r a b w i c e 在总结前人经验的基础上，提出了 一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法，简称新奥法1 6 】，新奥法目前 已成为地下工程的主要设计旅工方法之一1 9 7 8 年，l m u l l e r 教授比较全面的论述了新 奥法方法的基本指导思想和主要原则。 西安科技大学硕士学位论文 1 9 8 0 年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为“在岩体或土体中设置 的以使地下空间的周围岩体形成一个空筒状支承环结构为目的的设计施工方法”新奥 法的核心是利用围岩的自承作用来支承隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部 分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支承环。新奥法自奥地利起源之后，先后 在欧洲诸国，特别是意大利、挪威、瑞典、德国、法国、英国、芬兰等大量修建山地与 城市隧道的国家得以应用和发展，然后世界各国，特别是亚洲的日本、中国、印度；北 美洲的美国、加拿大；南美洲的巴西、智利；非洲的南非、莱索托以及大洋州的澳大利 亚、新西兰等国家都成功地把它应用于一些不同地质情况下的隧道施工之中，并且从最 初的隧道施工扩展到采矿、冶金、水利电力等其他岩土工程领域。虽然新奥法的应用己 如此广泛，但不同的应用者对它的解释还存在着许多矛盾【7 叫。实际工程中存在着一种 倾向，就是盲目地把新奥法应用于不适宜的地质条件，因而使这些巷道工程出现这样或 那样的问题。这种情况在我国也同样存在，尤其是煤矿，人们对软岩的物理含义和力学 性质理解不够，对利用仪器进行巷道变形及载荷测量的重要性认识不足，不仅时常出现 不合理地套用新奥法理论来解释煤矿采动影响巷道、极软弱膨胀松散围岩巷道的支护机 理，而且也出现过因应用新奥法不当而造成锚喷或锚喷网支护的巷道大面积垮落、坍塌 等事故，导致人力、物力的巨大浪费与损失。 日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论 2 1 。该理论认为，隧道围岩 的应变随支护结构的增加而减小，而容许应变随支护结构的增加而增大。因此，通过增 加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围之内，支护结构的设计则是在 工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。 2 0 世纪7 0 年代，m d s a l a m o n 等人又提出了能量支护理论 2 1 。该理论认为，支护 结构与围岩相互作用，共同变形。在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收 一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整 围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。 总的来看，国外支护技术与我国支护技术相比并不先进，为适应不同围岩的需要， 我国的支护技术类型更多，但国外支护设计、制造更规范、更先进，安装、检测设备也 更先进、更可靠，但因国家不同其支护体系也有很大差异。 在具体支护方式上，美国、澳大利亚除早期在煤矿支护中应用过砌碹，锚喷、金属 支架外，近几十年来一直以锚杆支架为主体。对于稳定、较稳定围岩重点采用普通锚杆 支护；对深部围岩一般采用锚网、组合锚杆( 网) 、高强超长锚杆( 网) 等支护形式；对于 极不稳定围岩主要有采用组合锚杆桁架、锚索支护，对一些特殊地点如随掘随冒，淋水 大又破碎的地方采用金属支架。 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 2 i 绪论 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 ，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、砌碹等。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。 世界上注浆技术最早应用在建筑工程中，从1 8 0 2 年法国的查理士柏尼( c h a r l e s 胁i g n g ) 采用石灰、粘士浆加固迪普港的砖石砌起，至今大约已有2 0 0 年的历史。1 8 6 4 年，阿里因普瑞贝硬煤矿井的一个井筒，第一次使用了水泥注浆法，以后又相继在比利 时，法国和德国等国家使用这种方法。1 8 8 5 年，铁琴斯( i i e j e n s ) 成功采用了地面预注浆 法开凿井筒，获得专利权。从此，注浆法在矿井、市政建设中，作为防水、加固的重要 方法，先后在英国、法国、南非、美国、日本和原苏联得到了广泛应用。以化学药液作 为主要浆液材料的化学注浆只有4 0 多年的历史，7 0 年代后由于化学药剂的毒性污染问 题，化学注浆受到限制。砂、士层的化学注浆防渗加固技术被7 0 年代开发的高压喷射 注浆法逐渐取代。8 0 年代初苏联和德国提出锚注加固理论，为软岩支护问题找到了一个 新的途径。 1 2 2 国内软岩巷道支护理论及支护现状 我国软岩巷道支护系统研究工作始于1 9 5 8 年，当时辽宁的沈北矿区开发，在前屯 矿建设中出现井口报废，以至停工数年。此后，蒲河矿、大桥矿、京西木城润矿也出现 重大技术事故。为此，原煤炭工业部集中了一些科研院所、高校和设计院的技术力量， 在前屯矿二、三进行了多种巷道支护形式的试验和测试工作，在巷道断面、支护形式及 施工工艺等方面都取得了初步经验。 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，使地下工程软 岩问题的理论研究进入了一个新的阶段。 冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基础上发 展起来的，其观点可以概况为：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形式有锚喷网技术、锚喷网 架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。 孙钧、郑雨天和朱效嘉教教授等提出的锚喷一弧板支护理论是对联合支护理论的发 展。该理论的要点是：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住， 即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论要先柔后刚的刚性支护形式， 西安科技大学硕士擘位论文 坚决限制和顶住围岩向中空移动。 松动圈理论【1 0 j 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【l l 】是由方祖烈教授提出，认为巷道开挖后，在围岩中形成拉压 域。压缩域在围岩深部，体现了围岩的自承能力，是维护巷道稳定的主承载区；张拉域 形成于巷道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起辅 助的作用，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【1 2 1 ，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，人为降低支承压力区围岩的承载能力，使支承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 3 2 0 1 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，通过分析软岩巷道支护机制，提出的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。进1 0 年来，该理论在我国8 个省1 5 个局矿的推广应用均取得了成功，经 济效益和社会效益显著。 软岩巷道围岩的支护问题，过去被认为是世界煤矿巷道支护的难题，我国除煤炭行 业多次组织专家攻关外，国家在“七五”、“八五”重大科技攻关项目中，列入攻关课题。 过去在处理这类深部高应力软岩巷道支护时，大多采用料石砌碹、混凝土碹，钢筋混凝 土碹，后来又采用矿用工字钢、槽钢、u 型钢金属支架，当这些支架均不能保持巷道稳 定时，人们又设计用料石圆碹，加木砖可收缩料石圆碹，壁后充填粉煤灰等让压料石圆 碹、条带碹。还采用各种联合支护，如锚网喷、锚带喷、锚网梁喷、锚网架喷、锚网喷 碹联合支护、碹锚网喷支护等也不能完全解决深部高应力软岩支护问题。 对于有底臌的巷道一般要用加反底拱、底梁，加固底板围岩等方法处理，这对深部 高应力软岩巷道围岩来讲也很难凑效。 在“六五”期间，建设北皂煤矿时采用锚网喷、锚网架喷，配合二次支护基本上解决 了北皂煤矿极不稳定软岩巷道的支护问题，这里想说明的是，这里所说的二次支护与新 奥法的二次支护有本质上的区别，新奥法的二次支护是当掘进迎头放炮后，立即喷一层 浆并打上锚杆，目的是放炮后尽快阻止岩块的初始移动，其认为如果初始移动一旦开始， 4 l 绪论 则需要几倍乃至几十倍的支护阻力才能控制围岩移动。故为阻止岩块的初始移动，需尽 快提供第一次支护，然后再进行二次支护即永久支护。这里我们所指的二次支护是在第 一次支护变形到适当时候，再上二次支护。目的是当围岩受压后，第一次支护不能抗拒， 先让压，即当压力释放到一定程度后根据观测结果，让过压力峰值，变形速率减缓后再 上二次支护，一般能使巷道保持稳定，北皂矿及其它矿应用这一技术获得成功，使北皂 矿顺利投产，并基本维持正常生产。 在国家“七五”攻关期间，除继续改善上述支护体系处理深部高应力软岩支护问题 外，重点研究了可伸缩锚杆、预应力高强度大弧板，u m 型全封闭可缩性金属支架来解 决这类软岩巷道的支护问题。 可伸缩锚杆有三种类型，即蛇形锚杆；套管摩擦阻力可伸缩式锚杆；锚杆托盘外设 弹簧式锚杆，实践证明，这类锚秆由于其伸缩量难以与围岩的大变形相适应，很难使围 岩保持稳定而未能获得推广。 预应力高强度大弧板是引进国外隧道支护技术，仅限在东北大桥煤矿、安徽淮南矿 务局、广西右江矿务局等少数矿井进行工业性试验。试验表明，这种支护结构加工要求 高，对矿井巷道而言运输安装困难、进度慢、成本高，一旦压坏维修困难而未获推广。 u 2 9 型全封闭可缩性金属支架，自8 0 年代开始应用以来，至今仍然是许多矿在深部 高应力软岩巷道支护中使用的支护形式。 以上支护结构在解决深部围岩支护时，往往需要多次翻修才能使巷道保持稳定，有 的虽经多次翻修也难以使巷道保持稳定。， 国家“八五”重大科技攻关中，提出两类支护体系：一是由中国矿业大学提出的利用 可伸缩锚杆、u 型钢金属支架，配合高水速凝材料注浆来解决深部高应力软岩巷道的支 护；一是由山东科技大学提出的在锚喷支护基础上进行锚注的支护技术，它是采用锚杆 和注浆相结合的一种新型锚注联合支护体系，利用空心锚杆兼做注浆管，通过注浆将松 散围岩胶结成整体，改善围岩的结构及其物理力学性质，既提高围岩自身的承载能力， 又为锚杆提供了可靠的着力基础，发挥锚杆的锚固作用，从而有效地控制了深部软岩巷 道的大变形。实践证明，可伸缩锚杆、金属支架、高水速凝材料注浆加固法，由于成本 高、工艺复杂，高水速凝材料生产厂家很少，质量不稳定而未能推广应用【2 。锚注技术 由于工艺简单、成本低，只要认真抓好工程质量，支护可靠性高而被广泛应用，它现在 不仅用于煤巷，而且用于岩巷、硐室；不仅用于新掘巷道，而且广泛用于地下工程维修； 不仅用于静压巷道，而且也用于动压巷道。它是目前处理深部高应力软岩巷道这类困难 巷道支护优先选择的支护技术【2 l 】 在国家“七五八五”期间，除上述支护形式外，组合锚杆、桁架锚杆、锚索等支护 形式也逐渐引入我国，以解决深部高应力软岩巷道支护问题，并已为不少矿采用。从施 工技术要求来看，桁架锚杆、锚索只要设计合理是可能解决探部围岩巷道支护问题的。 5 西安科技大学硕士学位论文 但这时要求桁架锚杆、锚索要有相当的长度和较大的预应力，这对施工及成本均有很大 影响，广泛应用受到限制。 近十年来，虽然中国矿业大学、山东科技大学等院校的专家和现场工程技术人员对 锚注的理论和技术推广做了许多工作，但总的来说，人们对高应力软岩巷道的变形破坏 机制，锚注支护机理尤其锚注支护的最佳时间仍缺乏系统、深入的认识，这在一定程度 上限制了锚注支护理论和技术的发展以及进一步的推广应用。因此有必要对高应力软岩 巷道最佳锚注时间进行进一步的研究。 1 3 本文研究的主要内容与方法 本文将云南恩洪煤矿作为研究对象，在认真总结前人试验的基础上，将开展以下研 究工作： ( 1 ) 现场调研 对恩洪煤矿进行现场调研，总结分析配电室巷道变形特点及其影响破坏因素。 ( 2 ) 松动圈裂隙演化物理相似模拟试验 参照恩洪煤矿配电室岩层进行相似材料模拟试验，研究松动圈裂隙演化与时间的相 关性，建立松动圈演化与时间的关系式，确定最大松动圈形成时间和松动圈值。 ( 3 ) 锚注支护机理分析 系统分析高应力软岩巷道的锚注支护机理和锚注支护时间优化原理，提出最佳锚注 支护时间及最佳锚注支护时段的概念，并运用特征值法进行求解。 ( 4 ) 锚注支护时间数值模拟 应用f l a c 软件对配电室巷道不同时刻锚注支护进行数值模拟，分析各个时刻巷道 塑性区和围岩变形，确定最佳锚注支护时间。 ( 5 ) 高应力软岩巷道稳定性控制方法 将最佳锚注支护时段运用于配电室中，分析确定锚注支护旌工工艺、支护参数，对 锚注后配电室巷道的变形规律及技术经济效果进行了分析和评价。 6 2 高应力软岩巷道围岩碎胀变形分析 2 高应力软岩巷道围岩碎胀变形分析 2 i 高应力软岩巷道围岩变形分类 变形压力是由于围岩变形受到支护的阻抗而产生的荷载，变形压力的大小不仅与围 岩的变形量有关，而且与支护的刚度密切相关。围岩变形不同，变形压力的性质也不同， 根据岩石全应力一应变过程曲线( 图2 1 ) ，围岩变形细分为以下几种情况阎： 图2 1 岩石全应力一应变过程曲线 ( 1 ) 岩石强度峰值前弹性变形( o a ) 段： 弹性区内应力引起岩石材料两种性质的变形，一是加压初始段原始微裂隙受压后压 密的过程，体积应交表现为负值：二是在压应力作用下所产生的弹性变形。 ( 2 ) 弹塑性变形或损伤扩容变形( a b ) 段： 随着应力的升高，岩块内的微裂隙不断产生与发展。声发射检测表明，当应力水平 达到岩石峰值强度o 6 5 倍以上时，声发射现象急增，试块内部新的微裂隙激增；达到岩 石峰值强度点时，试块内部微裂隙形成贯穿破坏缝，但尚未滑移扩张。 这一阶段变形性质实质上属于岩石内部微裂隙产生所造成的体积膨胀( 损伤扩容) 变形和岩块本身的弹塑性变形；由于峰值前试块内尚未形成宏观的贯穿裂缝，岩石的“应 力一应变”关系总体上基本符合弹塑性力学和损伤力学的规律( 体积应变q 0 ) 。 ( 3 ) 岩石强度峰值后滑移变形区( b c ) 段： 应力达到峰值强度后，裂缝进一步扩展，大量裂隙张开贯通，致使岩体产生“体积 膨胀变形”，称之为“碎胀一期变形”。 由于裂缝的松弛卸载作用，破裂岩体中的应力由峰值降低到残余强度点的应力水 平，破裂岩块也很快由峰值应力状态回复到低应力级条件下的弹塑性应力状态，弹性变 形基本恢复相应应力级水平，岩块内微裂隙的发展也基本停止，损伤扩容变形不再发生。 试块加载过程中，岩块经历了弹性、塑性和屈服的每一个阶段；试块破裂后，积蓄 在块体内的弹性压缩变形能以裂缝扩张位移的方式释放出来，围岩总的变形特征表现为 破坏岩块破裂缝的扩张。 7 西安科技大学硕士学住论文 ( 4 ) 岩石强度峰值后无约束流动区( c d ) 段： 峰值强度以后的最后变形区段的应力水平较低，破裂岩块内部质点的弹塑性连续变 形及损伤扩容变形基本不存在。在无约束或约束力很小的条件下，破裂块体在较低的应 力作用之下，将沿破坏面无休止的滑移、错动或转动，产生较大的体积膨胀。我们将该 阶段围岩的近乎自由的碎胀变形称为“碎胀二期变形”。 除以上将岩石变形阶段分为4 种不同性质的变形之外，还有岩石的流变变形和吸水 膨胀性变形。 ( 5 ) 岩石流变变形： 研究表明，岩石的长时强度低于瞬时或短时强度，前苏联顿巴斯地区矿井岩石长时 强度试验资料，有以下结论： 民= ( o 7 0 7 5 ) r o ( 2 1 ) 瓦岩石的长时强度 r 岩石的瞬时强度 所以，随着岩石长时强度的降低，松动圈将随着时间的增长而进一步扩展，从而产 生新的附加弹塑性变形、损伤扩容变形和碎胀变形。这部分变形随着时间的延长而增加 岩石的流变变形。 ( 6 ) 岩石的吸水膨胀性变形： 当巷道开掘在膨胀性地层中时，如果处理不当将产生很大的吸水膨胀性变形，其量 值可能远大于岩石的弹塑性及碎胀变形量之和，由此而产生的膨胀性变形压力是软岩巷 道支护破坏的重要原因之一。 综上所述，影响巷道围岩收敛变形的主要因素只能是围岩的“碎胀变形”和“吸水膨胀 变形”；开巷初期所发生的弹塑性、扩容变形量很小，在支护完成之前己部分释放，对 支护不会产生任何压力。当碎胀变形使支架与围岩密贴之后，由于应力峰值向深部转移 而产生的附加弹塑性扩容和流交变形才能作用于支护，产生变形压力。 2 2 围岩碎胀变形的性质 2 2 1 围岩碎胀变形的概念 当围岩应力超过围岩强度之后，围岩中将产生大量新的破坏缝，松动圈支护理论将 单位体积内因裂缝产生与膨胀所产生的岩石体积的增加量定义为“碎胀应变”： = a v v ( 2 2 ) 碎胀变形反映的是岩石强度峰值以后的变形，其物理过程表现为破裂岩块在围岩应 力作用下的滑移、错动和裂缝扩张程度的进一步增加，相对于强度峰值前质点连续变形 8 2 高应力软岩巷道围岩碎胀变形分析 的弹塑性变形而言，其变形量要大的多，如图2 2 所示。 图2 2 岩石应力一应变过程中的体积应变 2 2 2 碎胀变形的影响因素 碎胀变形的大小与裂缝的发育扩张程度及其范围密切相关，其影响因素有围岩性 质、松动圈范围、支护力及施工方式等。 ( 1 ) 围岩性质的影响 裂隙的出现与扩容是岩体岩性弱化的重要因素之一 2 3 - 2 6 1 。一般情况下，岩石强度高 的地层破裂岩块的块体较大，裂隙密度相对较低，但是裂隙的张开程度可能要大些；岩 石强度低，围岩破裂成较小的岩块，裂隙密度大，松动圈测试时耦合水常从四周渗流出 来，说明所产生的碎胀变形相对较大。一般在相同松动圈条件下，岩石强度低的围岩将 产生较大的碎胀变形。 ( 2 ) 松动圈的大小 围岩松动破坏是产生碎胀变形的根源。松动圈大，围岩中所产生的破裂缝就多，产 生的碎胀变形量就大。反之，松动圈小，围岩的碎胀变形量就小。在松动圈从发展到稳 定的过程中，开巷初期靠近巷道表面所产生的破裂缝，在深部围岩碎胀变形压力的推动 下将继续向巷道内变形移动，裂隙的扩张程度会进一步加大，因此，大松动圈围岩中的 裂隙数量及其扩张程度较中小松动圈围岩要大，碎胀变形量相应也较大。 ( 3 ) 支护力与支护类型 围岩弹塑性变形是在较高的集中应力作用下产生的，现有支护手段无法阻止它的产 生和发展。碎胀变形是在岩体中残余应力作用下逐渐扩张产生的，尤其是岩石“碎胀二 期”的流动变形阶段。围岩中应力水平很低，此时及时有效的支护力能显著抑制破裂围 岩的滑移变形，将围岩变形控制在“碎胀二期”流动变形的初始阶段，从而有效控制松动 围岩的碎胀变形。工程实践表明，在一定范围内适当提高支护阻力，能有效抑制围岩的 变形。 2 2 3 碎胀变形的时间性 松动圈是由于围岩中应力超过围岩强度而形成的破裂带，巷道一经掘出，松动圈即 9 西安科技大学硕士学位论文 已产生，人们不能采用支护等手段阻止其产生。如前所述，岩石的长时强度低于瞬时和 短时强度。开巷后即时形成的是岩体瞬时强度条件下的松动圈数值厶，随着时间的延长 和岩体长时强度的降低，松动圈也将进一步扩展，但是随着松动圈的增大，径向应力增 加，切向应力下降最终达到长时强度条件下稳定的松动因数值三。，见图2 3 松动圈的形成具有时间效应，即时松动圈厶一般为最终稳定松动因数值三。的 6 0 9 0 ，岩石硬时百分比高，岩石软则百分比较低。伴随着松动圈的形成和扩展， 碎胀变形随时间延长而逐渐增大，表现出显著的蠕变特性。碎胀变形的增加表现在两 个方面：一方面松动圈扩展碎胀变形要增加；另一方面深部松动圈所产生的碎胀变形压 力推动浅部围岩中裂缝进一步扩张。 碎胀变形的实质是破裂岩块的张开及滑移运动，其能量是储存在破裂岩块内的弹性 能和围岩应力；这一过程中要克服外部岩块的约束力、岩块问的摩擦力和不平滑破裂面 的剪切阻力。在巷道开挖后瞬时松动圈形成的初始状态下，围岩中破裂缝虽已产生，但 在围岩径向、环向应力的作用下，其张开程度受到抑制；在储存破裂岩块内弹性能的作 用下，靠近巷道表面的破裂岩块由于其受到的外部约束力较小，围岩中的破裂缝从闭合 状态率先滑移扩张，围岩中应力水平下降；随着浅部围岩的松弛和对较深部围岩的约束 力下降，又促使深部围岩裂缝的滑移和扩张，碎胀变形增加。这一过程自巷道表面逐渐 向巷道围岩深部转移( 图2 4 ) ，深部围岩破裂及裂缝扩展所产生的变形压力又推动浅部的 松动岩块的位移，促使浅部裂缝进一步扩张，碎胀变形逐渐增加。现场实测调查发现， 围岩碎胀变形的释放滞后于松动圈的产生( 图2 3 ) 。 c a ) 裂缝产生 ( b ) 适度扩张( c ) 过度扩张 图2 3 碎胀变形与松动圈关系图2 4 围岩破裂缝产生及扩展过程示意图 2 3 围岩松动圈与支护分类 用围岩松动圈分类有以下几个突出优点：绕过了原岩应力、围岩强度、结构面性 质测定等困难问题，但又着重抓住了它们的影响结果，即松动圈是一个包含多因素影响 的综合指标；松动圈系现场实测所得，未在重要方面作任何假设；松动圈值很容易 用声测法等多种方法获得，确定支护参数时直观简单，现场应用十分方便t 2 7 1 ；单一综 1 0 2 高应力软岩巷道围岩碎胀变形分析 合指标分类，分类的重复性、可靠性不以人们的经验不同而变化；松动圈分类法的理 论基础较为坚实，它与锚杆支护设计形成了技术系列。 松动圈是地应力与围岩强度的函数，它是一个综合指标，其值越大支护越困难。按 照锚喷支护机理，依松动圈值的大小将围岩分为小松动圈( o o 4 c m ) 、中松动圈( o 4 1 5 m ) 、大松动圈( 1 5 m ) 三大类六个小类。并在此基础上提出了相应的支护机理与支 护方式( 表2 1 ) 。 表2 1 巷道围岩松动分类表 2 4 恩洪煤矿概况 恩洪煤矿是云南省东源煤业集团公司所属的国有煤矿，位于滇东南地区的乌蒙山余 脉。井田岩石绝大部分属于泥岩，砂质泥岩。恩洪煤矿+ 1 8 0 0 水平井底配电室为拱形巷 道，净宽3 4 m ，净高3 0 m ，埋深2 3 5 m 5 5 6 m ，附近无大的地质构造，其中矿井的水 平应力为4 跖5 6 9 m p a ，垂直地应力为1 5 7 5 m p a ，地应力以垂直地应力为主。围岩岩 性差，主副水仓、吸水井和配电室之间距离近，形成硐室群，围岩应力叠加，施工时相 互扰动，造成配电室成为典型的高应力软岩巷道稳定性控制的技术难题。 西安科技大擘硕士擘位论文 2 4 1 恩洪煤矿软岩巷道变形特点 恩洪煤矿配电室围岩处于高应力环境，并且由于软岩的强度低，单轴饱和抗压强度在 9 m p a 左右。因此，其围岩变形破坏非常强烈，主要表现在： ( 1 ) 围岩的自稳时间短、来压快 所谓自稳时间，就是在没有支护的情况下，围岩从暴露到开始失稳的时间。配电室 巷道的自稳时间仅为3 个小时，巷道来压快，要立即支护，方能保证围岩不致冒落。 ( 2 ) 围岩变形量大、速度快、持续时间长 高应力软岩巷道的特点就是围岩交形速度快、交形量大、持续时间长。巷道掘进的 第l 2 天，变形速度达到4 0 6 0 m m d ，变形持续时间为3 0 天左右。 ( 3 ) 围岩的四周来压、底臌明显 在较硬岩层中，围岩对支护的压力主要来自顶板，中硬岩层围岩对支护的压力主要 来自顶板和两帮，但在高应力软岩巷道中，则是四周来压、底臌明显。底臌明显是高应 力软岩巷道的重要特征，如果巷道底臌或底臌不明显，围岩就不是软岩。高应力软岩巷 道四周来压，如果不支护，将出现一个支护结构的薄弱带，巷道破坏首先就是从不设防 的底臌开始，又因底臌导致两帮移近和失脚，直到片帮冒顶，巷道全部破坏 ( 4 ) 普通的刚性支护普遍破坏 高应力软岩巷道变形量大，持续时间长，普通刚性支护所承受的变形压力很大，施 工后很快就发生破坏，必须再次或多次翻修后巷道才能使用这是刚性支护不适应软岩 巷道变形破坏规律的必然结果。 2 4 2 配电室变形因素分析 配电室原支护方式为锚喷支护，由于没有考虑到硐室群形成高应力注意作用在配电 室上，致使支护后三个月后，配电室严重变形，底臌显著，沿巷道两帮大面积发生均匀 性臌出。顶拱严重变形，形成“ ”型破环，在腰线以上位置，两边向中央凸出严重，喷 射混凝土大块掉落，在巷道两帮，有几组宽度较大的裂缝，最大裂缝宽约2 0 m m ，+ 1 8 0 0 水平井底场如图2 6 ，配电室巷道变形破坏情况见图2 7 。 巷道的破坏原因主要有以下几点； ( 1 ) 围岩性质差 配电室所处位置岩层不稳定，大多表现为强度低，易破碎，工程地质条件差。其中 砂岩多为泥质胶结，块状结构，层理交错，裂隙不太发育。侏罗系叠 岩样的成分及物理性质：为进一步把握围岩的物理性质，我们在配电室顶板取粉砂 岩进行矿物成分鉴定，通过d m a x - r a 型x 射线衍射仪( 如图2 8 ) 衍射实验分析显示， 岩样中蒙脱石为钙质蒙脱石，岩石的饱和吸水率较低，吸水膨胀性较小，分析结果如表 1 2 2 高应力软岩巷道围岩碎胀变形分析 2 1 所列。粉砂岩的单轴抗压强度为0 4 6 2m p a ，参考软岩巷道的工程分类，根据配电 室岩性和结构特征可知，配电室巷道为破碎型围岩条件，这是其变形的一个主要原因。 地层煤( 岩) 层厚度( m ) 系群 柱状 岩性描述 量小t 大早均 票厚 耪砂岩， 幢 1 o n 不规则菱铁岩 枯 、0 1 m 耪砂岩夹似层状菱铁岩 量 13 n 粉砂岩、 侏 不规则菱铁岩 0 6 m攥 延 罗 2o m 糟砂岩 安 系 0 1 n 高岭石粘土岩 群 j 耪砂岩， 3 o m 不规则菱铁岩 l 04 n儡 02 m高峙石粘土岩炭厦坭岩 富 0b m攥 叠 摹川 i 主：i 1 l “粉砂岩、不规则菱铁岩 0 i m耪砂岩夹似层状菱铁岩 畚 08 n粉砂岩，不规则菱铁岩 捌 删 02 m攥 矗 ， 0 l n u j n 属 系 延 1 1 n 糟砂岩夹似层状菱铁岩 长 、 0 l m 膏蛉石粘士岩 t群 2 m糟砂岩，不规则菱铁岩 b o8 n粉砂岩夹似层状菱铁岩 00 2 m 白色方解石 3 3 m糟砂岩夹饭层状菱铁岩 圈2 5 她质柱状图 表2 1 恩洪煤矿- t - t a o o 配电室粉砂岩矿物成分 1 3 西安科技大学硕士擘位论文 图2 6 + 1 8 0 0 井底车场图 廓 图2 7 配电室变形图图2 8 d m a x o r a 型x 射线衍射仪 ( 2 ) 硐室群影响 + 1 8 0 0 水平井底车场各硐室及联络巷等工程距离较近，空间上形成了一个立体交叉 的硐室群，施工时又相互扰动，形成应力集中区，其最高应力值达到3 0m p a ，致使它们 的位移影响区相互叠加，加剧了各巷道的变形破坏。 配电室周围地应力明显高于围岩体的单轴抗压强度，其各项特点决定其属于高应力 软岩范畴。常规的锚喷架及其联合支护方式很难适应这种高应力软岩的变形特征，因此 必须改变原支护形式，采用适合这种高应力条件下软岩巷道特点的新型支护体系，该工 程重点研究采用新型的主动加固方式一锚注联合支护。 2 5 本章小结 ( 1 ) 对高应力软岩巷道围岩变形进行了简单分类，简要分析了围岩碎胀变形性质， 得到了碎胀变形的影响因素，指出碎胀变形有一定的时间性，对围岩松动圈与支护分类。 ( 2 ) 简要介绍了恩洪矿区地质概况，重点分析了配电室变形特点及其影响变形因 素，指出其各项特点决定其属于高应力软岩范畴。 1 4 3 松动圈裂隙演化相似材料模拟试验 3 松动圈裂隙演化相似材料模拟试验 采矿和地下工程都需要在地下开挖，形成一定大小的空间，并保持该空间的稳定。 但是，在地下开挖后，将会扰动岩石介质，造成岩石内应力和岩石强度的变化，产生岩 石应力转移、集中和岩石强度的减小，使空间周围岩石发生变形甚至破坏，发生岩石物 理状态的改变。这个在开挖的空间周围所形成的破裂区，一般是围绕开挖空间形成环状。 我们把这个由于应力作用产生的环状破裂带称为巷道围岩松动圈，简称为松动圈。在现 场，可用声波仪、多点位移计等探测出围岩中的这个破裂带的厚度，称其为松动圈值。 理论和实践表明，围岩变形具有明显的时效性【2 8 】，高应力软岩巷道为取得好的支护效果， 其二次支护，即最佳锚注时间的确定是巷道控制的关键技术之一锚注时间过早，一方 面围岩裂隙发育小，浆液无法注入，另一方面巨大的软岩变形能不能有效释放，锚注支 护强度难以抗拒围岩巨大的塑性变形而产生破坏；锚注时间过晚，变形能虽然得以释放， 但围岩强度大部分丧失，转加到支护体上的是失去自承能力的围岩巨大载荷。锚注支护 强度较大也难以抗拒围岩巨大载荷作用，巷道仍变形破坏。因此，确定最佳锚注支护时 间对软岩巷道支护具有重要意义。本章以恩洪煤矿配电室为背景，把围岩裂隙演化转化 为松动圈演化过程，重点研究松动圈演化与时间的关系，建立松动圈与时间关系式，进 而提出合理的锚注时机。 3 1 试验设计 ( 1 ) 模型设计 规格：1 2 m 平面模型； 相似比：1 ：5 0 ，时间比：l ：7 ； 地质柱状图2 5 ；模型全景见图3 1 。 岩层模拟材料为河沙、石膏、大白粉，根据岩层强度参数确定配比，模型配比见表 3 1 分层材料为云母粉，人工制造裂隙。模型开挖按照几何相似比和时间相似比进行。 巷道实际断面尺寸为3 0 m 3 4 m 的半圆拱形巷道，巷道埋深4 0 0 m ，上覆岩层施加的应 力采用外力补偿法来实现，考虑到受采动影响，加配重使该处地应力达到3 0 m p a 。因为 支护对松动圈的尺寸没有显著的影响，即常规支护结构不可能人为控制松动圈尺寸 3 0 l 。 出于简化试验的目的，支护方式由原来的锚喷u 型钢支护改为喷浆支护，喷层厚度为 3 m m ，喷层材料选用石膏加碳酸钙和水配制而成，自然干燥3 天。在巷道顶板和左右两 帮分别按顺序1 一1 0 布置间距2 c m 左右的测点，其中各位置的1 号测点距巷道边缘l c m 。 ( 2 ) 试验方法 照片测量法【3 ”是指在拍照前需设置一定的尺度和垂线等作为参照物，以备下一步的 1 5 西安科技大学硕士学位论文 测量及放大倍数的确定。本试验即在巷道测点位置布置两条横线和一垂线作为参照物， 运用c a d 软件将摄取的照片在计算机上按标志尺度和垂线放大成与实体等大的照片 ( 1 ：1 ) ，并测出各测点的间距，即可计算出各测点位移值。 圈3 1 模型设计布置图 表3 1 恩洪煤矿模型配比( 1 2 米) 霉 岩性 岩嚣度模瑟厚累篙度配比t 河沙、石膏、大白粉，曩 1泥岩6 01 21 28 3