（矿业工程专业论文）巷道不良部位支护机理与应用.pdf

山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 本文研究了巷道围岩变形破坏和发展模式，建立了巷道围岩破坏的力学模型，并给 出了力学求解，分析了巷道破坏发展的过程；提出了巷道不良部位的概念和分类，重点 研究了不良部位的支护机理；运用岩石破坏过程分析软件，模拟计算了不同不良部位破 坏变形的规律i 根据不良部位破坏发展特征。提出了不良部位耦合增强支护方法；针对 具体的煤岩条件，基于不良部位支护机理，设计并实施了巷道不良部位支护方法，并达 到了较好的效果。 关键词：巷道耦合支护不良部位岩石破坏 生查塑垫查兰堡主兰垒丝茎 一! ! 墨 a b s t r a c t t h ep a p e rh a ss t u d yt h ed e f o r m a t i o nf a i l u r ea n dd e v e l o p m e n tm o d e lo ft h ee n t r y s u r r o u n d i n gr o c k ，h a ss e tu pm e c b m d c a lm o d e lo ft h ee n t r ys u r r o u n d i n gr o c kf a i l u r e da n d p m v i d m gm e c h a n i c st oa s ka n ds o l v e ，i ti sa n a l y s e dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fr o a d w a y f a i l m ea n dp u tf o r w a r dt h ec o n c e p ta n dc l a s s i f i c a t i o no ft h eb a dp o s i t i o no ft h ee n t r ya n d c h i e f l yr e s e a r c ht h es u p p o r tm e c h a n i s mo f t h eb a dp o s i t i o n ；u s i n gt h es o f t w a r er f p a ( t o c k f m l u r ep r o c e s sa n a l y s e ) t os i m u l a t ef a i l u r e - d e f o r m a t i o nl a wi nt h ed i f f e r e n tb a dp o s i t i o n a c c o r d i n gt of a i l u r ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i cl a wo ft h eb a dp o s i t i o n , t h i st e x th a sp u t f o r w a r dc o u p l i n gm e t h o dt oe n h a n c es u p p o r ti nt h eb a dp o s i t i o n t ot h ec o n c r e t ec o n d i t i o no f c o a l r o c k ，b a s e do nt h es u p p o r tm e c h a n i s mo ft h eb a dp o s i t i o n ，i th a sd e s i g n e da n d i m p l e m e m e dt h es u p p o r t m e t h o do f t h eb a d p o s i t i o na n dh a v eg e tb e t t e rr e s u l t k e y w o r d s ：r o a d w a yc o u p l i n g - s u p p o r t t h eb a dp o s i t i o nr o c kf a i l u r e 声明 本人呈交给山东科技大学韵这篇硕士论文，除了所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果该论文尚没有呈交于其他任 何学术机关作鉴定。 a f f i r l a t i o n 研究生签名：，乃菇；手 f 日 期：沙嗲，矿 id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fe n g i n e e ri ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n i e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e s i g n a t u r e ：幻伽y 刁 d a t e ：邪r 玎8 以埘 ， 山束科技大学硬士学位论立 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的意义 影响巷道稳定的因素较多，如巷道顶底板岩石强度、煤层强度、巷道深度、巷道直 接项、底的稳定性、巷道支护形式等“1 。其中煤岩层的结构与强度是影响巷道稳定性的 关键因素，巷道支护一般根据围岩稳定性分类结果进行选择。巷道稳定性分类中没有对 巷道围岩的最薄弱的区域进行研究，而是采用综合的指标进行分类。巷道破坏是从最薄 弱的地方开始经过渐进的破坏发展过程，因此，巷道的稳定性研究应该从其最薄弱的 t 也：h - 进行力学分析、破坏范围等研究。 巷道在构造应力与高应力作用下，其顶板及两帮均发生破坏。在复杂应力状态下， 巷道围岩出现变化的破碎圈( 松动圈) 。3 。当构造应力得到充分释放，巷道承受重力作用 而形成的支承压力趋于稳定，而支承压力分布与大小基本不发生变化时，对巷道围岩的 不良部位加固，加固后的围岩强度比岩层的残余强度提高1 0 7 - 3 0 倍，提高了围岩的整 体性，保证其阻抗力能防止围岩破坏和应力向纵深扩展，则加固后的巷道是稳定的。 巷道不良部位支护理论重点研究围岩首先破坏的区域，然后对其进行有效支护，通 过对不良部位的增强支护，实现巷道整体的稳定性。该研究对我国量大面广的巷道支护 具有重大的经济、社会意义。 1 2 国内外研究现状及存在问题 巷逆支护理论与技术的研究在最近1 0 多年来取得了重大进展，各国学者在对巷道的 支护提出了一系列的重要理论，如刚性支护理论、金属刚性支架及u 型钢可缩性支架支 护理论、利用巷道围岩自稳能力和采用先进的支护技术为特征的理论、松动圈理论、软 岩巷道支护理论、深井巷道支护理论等。 刚性支护理论：5 0 年代，在巷道布置方面比较单一，回采巷道一般采用煤柱护巷， 造成应力集中a 在巷道支护方面仅限于刚性支架，受采动影响后，支架遭到严重破坏， 巷道维护十分困难。 金属刚性支架及u 型钢可缩性支架支护理论：进入6 0 年代，以矿用工字钢为主的刚 性支架及u 型型钢可缩性支架迅速发展，取代了木材支架。支架的支护强度与性能有了 咀显改变。该支护理论的应用与发展使煤矿巷道的维护状况发生了显著变化。 利用巷道围岩自稳能力和采用先进的支护技术为特征的理论“3 ：巷道布置在坚硬岩 层内，充分利用围岩的自稳能力，是支护方式的改革。在8 0 年代初，沿空掘巷在各类煤 层内，充分利用围岩的自稳能力，是支护方式的改革。在8 0 年代初，沿空掘巷在各类煤 山东科技大学硕士学位论文 绪论 层中得到应用，沿空留巷在小采高煤层中得到推广，与此同时，锚杆支护在煤矿巷道中 得到大面积推广。 巷道围岩松动圈支护理论h 1 ：巷道的支护对象为松动圈围岩自重和深部围岩的部分 弹塑性变形及松动圈围岩的碎胀变形，而围岩松动圈是围岩应力和围岩强度的函数，它 反映了巷道稳定程度，因此可按松动圈进行巷道稳定分类并选择相应的支护形式。 近2 0 年来软岩巷道支护取得了新进展，进行了u 型钢支架壁后充填、矿用工字钢可 缩结构支架、弧型结构支架、锚注技术以及联合支护技术等。在深井巷道支护方面，形 成了二次支护理论。 上述理论与支护方法大都将巷道围岩作为均质介质，对巷道围岩的结构特征及应力 环境的研究还不够深入，研究工作也不够系统。不同的围岩结构和应力状态，有着显著 的变化，其巷道支护的要求也不同。因此，本论文对巷道不良部位支护机理进行研究， 通过不良部位与围岩耦合增强支护的研究，其支护研究的成果对类似条件下的矿井有指 导意义。 1 3 论文研究方法及技术路线 研究方法： 本文主要通过数值模拟与理论分析的手段来研究回采巷道不良部位的分类、变形破 坏过程及支护对策：采用现场实测方法研究巷道不良部位的控制技术。 技术路线： ( 1 ) 巷道破坏形式与稳定性调研； ( 2 ) 巷道围岩破坏特征的力学分析( 包括破坏的原因、实现的条件及准则) ； ( 3 ) 巷道破坏的影响因素的分析研究； ( 4 ) 巷道不良部位的分类研究； ( 5 ) 巷道的支护技术研究。 1 4 论文主要研究内容 1 ) 巷道变形破坏的力学机制 2 ) 巷道不良部位的分类研究 ( 1 ) 围岩渐进破坏的特征与演化机制； ( 2 ) 围岩失稳破坏的影响因素的研究； ( 3 ) 不良部位的分类研究。 3 ) 巷道不良部位支护技术的研究。 2 2 巷道变形破坏的力学机制 2 1 巷道变形破坏的发展过程 ( 1 ) 构造应力引起的围岩破坏 巷道在很大的水平挤压应力作用下，其顶板与底板岩层承受水平构造应力的作用， 而巷道两帮的围岩由于解除了应力，处于弹性恢复状态。因此构造应力主要引起巷道的 顶板岩层的挤压破坏，巷道底板岩层发生屈曲破坏。 顶板破坏 a 、模型 由于巷道顶板岩层不仅受到自身重量的作用，还受到轴推力n 的作用。这时，只考 虑自重作用就不全面，顶板岩层的稳定性问题应当转化成岩层在自重q 及轴推力n 共同 作用下复合弯曲时的失稳问题。 如图2 1 所示，梁在自重作用下弯曲变形，轴向压力n 在梁的各个截面上又产生一 个分布弯矩w n 。由于这一弯矩作用，将使梁的弯曲程度在原有基础上进一步加剧。当 梁发生变形后，w n 又将产生新的弯曲变形。如果n 不大，弯曲变形很小，影响不大。 当轴向压力n 达到一定限度后，由n 产生的弯曲变形将是一个恶性循环，梁将无法达到 新的平衡状态而导致破坏，这就是顶板岩层的屈曲破坏。 n q 2 y 厕 几1 _ r t 丁t _ r 1 t t 丁r 厂 ，f l i 一! i 上! _ ! u ! il i ! l x 、 n ! 。z 产 _ = 一一一一7 。 n a b 、破坏准则 图2 - 1 顶板岩层受力示意图 n 山东科技大学硕士学位论文巷道变形破坏的力学机制 如图l 所示，在n 及自重作用下，梁的弯曲变形方程为 一d 2 w 丝 出2彤 式中m x 。x m 。一圭伊2 + ：下q l x 一百q l z 一三q x 2 + 2 21 2 则 窘= 一击譬一鲁一三秘2 + ， 令k ：旦 e d 则上式化简为 百d 2 0 ) + 茁：国：一旦壁陋一。2 一乌 出22 n 、 6 7 上式是一个标准的二阶常微分方程，齐次方程皇+ k ：0 拓 的通解是： ( 0 1 2 a c o s k x + b s i n k x 其中a 、b 是两个待定常数，对应于非齐次项一面q k f 2 始- - x 2i 1 2 ) 的特解是： 2 2 q q _ ( 、x 21 2 2 n6 k 万) 2 因此，方程的通解为 2 印l + ( 0 2 = 加s k x + b s i n 妇+ 景n ( 肛+ 兰6 一刍k - - ( 1 ) 2 、 边界条件为： r j = 0 t 扎= 。 4 山东科技大学硕士学位论文 巷道变形破坏的力学机制 爿= 矿qf 1 一西1 2 ) 占= 4 馆( 争= 矿q f l 一秽1 2 朴k 尹i 将a 、b 代回就可得到在q 及n 作用下顶板岩层的弯曲变形表达式。很显然，在x = 丢 处，挠度最大，其值为： 。= 叫。i = a c o s ( - 肼三- ) + b s i n ( 争+ 景 c 争2 一鲁+ 等一去 = 嘉 ( 1 - 等炳c 争一等邶 由于考虑了n 的作用，较q 单独作用时的最大绕度为大，值为 1 q 1 4 2 面。葛 昔= 一c 啬，2 s c 寺2c t s e c c 等，+ 2 s e c c 警，+ 在x = 吾处的弯曲拉应力为 拈= 乱撕 = c 等+ 城。，等， - 。 z 4 m l + 善卜争s e c 争c 等州 也 上式中的第二部分是由于n 作用而附加的一项。对于式中的s e c 学) ，当夸满足下 式时，该值为无穷大。 丁k i = 三埘( n _ o ，1 ，2 ，) 即 等崭( 1 砌) 2 5 坐蔓型垫查兰堡主兰垡丝苎 兰兰苎堡竺竺翌型兰坠型 s e c 争寸m 意味着粱失去抵抗轴压力n 的能力，发生屈曲破坏现象。使梁达到屈曲时的最小轴 向压力n 为( n - - o ) n o , ：r 2 万e j 若将圭用心表示时 扣圭厝= 詈雁 则等= 一唼序，2 s e 辱) t , - s e c - - i 庄t - - m s e c 唔辱删 ( 与( 是) 间的关系如表及图2 - 2 所示，从图中可以清楚看出， 1 0 0 9 o 8 0 7 0 6 0 5 o 4 o 3 o 2 o 1 ， ， j o24681 01 21 41 61 8 2 0 图2 - 2 当是 0 6 时，艺搴变化很小，当。6 则 令 则上式化简为 = 一里工+ 土口，2 + 土x 2 + 切 2 1 2 1 2 窘一面1 ( 一i q l l i 2 + l q x 2 + ) j f 2 一i 了( 一i x + i + 7 国) k z ：旦 e ， 窘埘一壁( - l x + x 2 + 2 n 三62 ) 出2 、7 与式( 1 ) 比较可以发现，仅等式右边差一负号，因此方程的通解为 口= 名o o s + b s i n 救一景( 石2 一髓+ 等一矿2 ) 7 些查型垫查堂堡主兰垡堡壅j 翌墅型垫墅垡旦翌兰! 旦 同样，根据边界条件 厂珊b = o t 乱= 。 求解出两待定常数为 4 = 一万q 室1 一台 增c 争= 一号咕一铷夸 梁中最大弯曲拉应力发生在工= 昙处，其大小为 扎= 爿， 盯i l2 i j v ” i ”亍i 。：土 = ( 一番+ 一，( 孚一。 = 一生4 m 1 + 善 c 等叫s e c 争c 等删 啦 因此，使梁达到屈益时的最小轴向压力n 为 n ，：”2 f e i 当巷道底板岩层所受轴向力n 0 8 0 时，将发生屈曲现象，即产生明显底鼓、破 裂现象。上式表明，当顶、底板岩性相同时，底板岩层产生屈曲的l 临界轴向力与巷道顶 板岩层屈曲破坏的最小轴向压力n o , 相同。所不同的是，对于巷道顶板岩层来说，自重 帮助其下沉，亦即帮助顶板岩层出现屈曲( 由自重产生的弯曲沉降为n 提供了力臂) 。而 底板岩层的自重阻止其变形( 阻止底板岩层鼓起) ，对屈曲起到了抑制作用。 两帮岩体破坏的条件( 受压岩体破坏条件问题) a 、模型 如图2 4 所示，采动后围岩应力重新分布，两帮岩体承受较高应力作用。由于两帮 岩体( 例图中a 点) 在图示平面内处于单向应力状态 山东科技大学硕士学位论文 巷道变形破坏的力学机制 骣瓣 斋菥积胍r 一下栅 硒素蔓 卜 ) - 叫卅m 肌砷 2 鎏懑割：二燎i 黉 图2 - 4 b 、准则 根据莫尔一库仑准则可以求得两帮岩体不发生剪切破坏的条件为： 2 c c o s 1 l s i n 口 两帮岩体破坏前承受的垂直应力为： q = k y h y 六忒 0 图2 5 9 生奎型垫查兰堡主茎垡堡苎 董望壅翌蔓堑塑查兰塑型 上式可得两帮岩体处于稳定状态时的采深应满足下列关系式： 日 ! ! ! ! 二! ! 呈竺! 二! ! ! ! 竺 1 + s i n c 、实现条件 构造应力作用的结果导致顶底板岩体发生破坏，在一定的范围内的构造应力得到释 放。巷道围岩主要承受重应力场的作用，在巷道两帮形成支承压力，两帮出现压缩破坏， 两帮的破坏随着支承压力向深部转移而逐渐发展，直到支承压力达到稳定后，两帮围岩 才趋于稳定。 巷道围岩破坏发展过程和应力转移的模式及过程 a 、破坏发展过程 在构造应力作用下，顶板与底板岩层发生挤压与屈曲破坏，构造应力逐步得到释放； 促使巷道围岩发生破坏的作用力转化为重应力，分布于巷道两帮的支承压力导致两帮岩 层的压缩破坏或维持稳定，破坏的发展与支承压力的转移程度密切相关。 b 、应力转移过程 顶底板的大范围破坏( 鼓出) ，使得构造运动残余水平应力得到充分释放。重力应力 场随着围岩构造应力的释放( 解除) 而发展成为促使围岩向已采空间运动的主动力。随 着围岩周边破坏向深部发展，岩石破裂范围不断增大，应力高峰相应向深部转移，支承 压力分为由明显运动的岩层重力作用的内应力场和由巷道围岩结构整体重力作用的外应 力场两个部分。 c 、围岩破坏及应力场发展模式 巷道的围岩破坏模式呈现为顶板发生屈曲破坏，巷墙上部的岩层首先发生破坏，两 帮出现较大的松动圈，随着破坏范围的加大，破坏转移到底版岩层，引起底鼓现象。 支承压力开始为峰值在巷帮边缘的单调下降曲线，随着两帮岩层的破坏，应力高峰 向深部转移，形成内外应力场。 1 0 山东科技大学硕士学位论文 不良部位的概念与分类 3 不良部位的概念与分类 3 1 不良部位的概念 根据巷道支护体破坏的力学机制，将首先破坏的部位，称为不良部位。不良部位的 变形特征是明显的，巷道工程中常在一些局部区域出现细小的工程裂纹，根据工程裂纹 的力学性质( 拉、压、剪、扭、弯) 、复合力学性质( 压扭性、张扭性等) 和裂纹体系的 配套关系，可以推得产生裂纹部位的工程载荷性质及整个巷道工程的工程载荷组合特性。 一般将巷道的不良部位分为与岩层结构有关的不良部位和与应力有关的不良部位。 3 2 与岩层结构有关的不良部位 巷道的开挖位置一旦确定，其围岩结构状态就不再改变，岩层结构上的不良部位即 为巷道控制的关键部位。特别是对于巷道两帮岩性属于复合岩层的结构，其中厚度较小、 强度较弱的岩层首先发生破坏，并引起岩层向纵深部发展，显然软弱岩层是不良部位。 图3 - 1 为巷道两帮为不良部位的数值模拟结果，图p 2 为巷道与两帮为不良部位的数值 模拟结果。均在不良部位出现破坏。 山东科技大学硕士学位论文不良部位的概念与分类 图3 - 1 两帮为不良部位破坏过程图( 卜结构图：2 5 一破坏过程模拟图：6 一声发射图) 1 2 山东科技大学硕士学位论文不良部位的摄念与分类 图3 - 2 两帮与底板为不良部位破坏过程图( 卜结构图；2 6 一破坏过程模拟图) 1 3 山东科技大学硕士学位论文不良部位的概念与分类 3 3 与应力有关的不良部位 当巷道位于构造应力区，且构造应力占据主导地位时，巷道开挖后，顶底板岩层中 较硬的岩层，在长期的构造应力作用下，积聚较高的应力及弹性能量，当该岩层的上部 岩层开挖后，必然发生屈曲破坏，出现向上的弯曲运动，当岩层的挠度超过极限时，出 现较大的拉应力，导致巷道的直接项底板岩层出现拉伸破坏，因此巷道顶底板存在软硬 岩层时，顶底板岩层是与应力有关的不良部位。而巷道顶底板主要为软弱岩层的互层结 构时，积聚构造应力的能力很弱。积聚的能量很容易在长时间的流变过程中释放掉。因 此，顶底板岩层的破坏程度弱，顶底板是与应力无关而与结构有关的不良部位。 图3 - 3 为只有重应力作用下的与应力有关的不良部位的数值模拟结果。巷道从两帮 到顶底板出现整体破坏。 ( 4 ) 山东科技大学硕士学位论文不良部位的概念与分类 图3 - 3 应力不良部位破坏过程图( 卜结构图：2 - 6 一破坏过程模拟图) 在巷道的不良部位，工程裂纹出现时常伴随着高应力腐蚀现象，即在支护体不良部 位产生片状支护体剥落。出现高应力腐蚀现象的部位是需要二次支护的不良部位。高应 力腐蚀现象可以作为识别不良部位的标志。 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良部位支护机理 4 巷道不良部位支护机理 以梁宝寺矿矿井的地质条件为依据， 机理，一是两帮与底板为结构不良部位， 4 1r f p a 程序简介 采用数值模拟方法研究了2 类不良部位的支护 二是两帮与顶板为结构不良部位。 采用岩石破坏过程分析软件( r f p a ) ，对巷道围岩的应力分布特征、声发射特征进行 数值模拟研究，了解深部条件下的巷道变形破坏规律，为巷道支护提供依据。 4 1 1r f p a 的原理 r f p a ( r o c kf r a c t u r ep r o c e s sa n a l y s i s ) 是岩石失稳过程分析程序。该程序是基于 有限元计算的原理而开发的，但又不同于传统的有限元基本思路，主要用于研究岩体材 料从细观损伤到宏观破坏的整个过程，其基本原理是：( 1 ) 通过考虑岩石的细观非均质性 模拟岩石变形、破坏的非线性；( 2 ) 通过单元破坏后的材料性质弱化模拟岩石变形、破裂 的非连续性。 4 1 2r f p a 的特点 该程序具有以下特点：第一，通过采用蒙特一卡洛方法和统计描述相结合方法对单元 体力学参数( e 、o 等) 赋初值，以反映材料力学参数非均质性和各向异性特点；第二，采 用增量加载方式。把施加的载荷划分成有限微小的加载量，进行逐步加载，从而可以模 拟出岩体在整个破裂过程中变形、破坏情形；第三，把岩体划分成许多单元体，并假定 每个单元具有弹性体和破裂体两种状态。采用某种强度准则进行判断，当单元达到破裂 强度后，单元体由弹性体转变为破裂体。为了模型的连续性条件得到满足，仍然假定单 元存在，只是其力学的参数得到弱化。 r f p a 软件主要模拟脆性介质的破坏过程，并采用均质度( m ) 描述脆性介质的非均 质性，符合冲击性煤岩体的破坏本质。该软件对煤岩体破坏全过程的声发射能连续模拟 显示，可实现对不同冲击倾向性的煤岩体的声发射特征进行对比分析。因此选用r f p a 软件对冲击地压的孕育过程进行研究。 4 2 模型的简化 取巷道的纵剖面作为计算区域，计算采用平面应变模型，模型的左右边界和下部边界 采用固定约束，岩层只受自重作用。岩层力学参数假定符合韦伯分布，按各 计分层进行赋值。岩层破裂采用库伦一莫尔强度准则判断。算模型为长方形，长2 0 0 m 。 1 6 生查型垫查堂堡主兰焦笙兰 董望至垦塑垒塞芝垫墨 高5 0 0 m ，水平方向为2 0 0 个单元，垂直方向为5 0 0 个单元，共有1 0 0 0 0 0 个单元，每个单 元代表实际煤岩层数值为1 0 m 。根据r f p a 软件本身的特点并结合一水平煤、岩层的赋 存条件，模型的加载过程采用自重加载，并对煤岩层进行简化，主要是改变其自身容重， 减小其厚度。 4 3 岩石力学参数 各岩层的力学参数见表4 - 1 表4 - 6 。 表4 - 1 岩层力学参数 弹性模量强度泊松比容重 ( e m p a ) ( s , m p a )( p )( w , n l m m 3 ) 均值度 551 0 01 0 0 细砂岩 平均值 2 0 0 0 01 2 9 o 2 5 2 5 e 5 均值度 321 0 01 0 0 煤层 平均值 2 0 0 02 0o 3 3 1 3 e - 5 均值度 551 0 01 0 0 细砂、中砂岩 平均值1 6 0 0 0 8 5o 2 6 2 5 e 0 0 5 均值度 551 0 01 0 0 泥灰岩 平均值 6 0 0 05 0o - 3 12 5 e 0 0 5 均值度 551 0 0 l o o 粉砂、粗砂岩 平均值 1 2 0 0 06 50 2 9 2 5 e 5 均质度 55 1 0 01 0 0 灰岩 平均值 1 4 0 0 07 50 2 7 2 5 e 一5 说明；本模型采用1 2 8 1 6 0 模拟3 2 4 0 m 的岩层，上方受3 0 m p a 的均布载荷。巷道是4 x 3 5 m 。 表4 - 2 锚杆的力学参数 均质度 551 0 0 1 0 0 平均值2 5 0 0 01 5 0o 2 4 2 5 e - 5 表4 - 3 水泥的力学参数 l均质度551 0 0 1 0 0 i 平均值2 5 0 0 09 00 2 4 2 5 e 5 1 7 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良部位支护机理 表4 - 4 运输巷道岩石力学参数 弹性模量 强度泊松比容重 ( e m p a )( s , m p a )( )( w , n n u n 3 ) 均值度 551 0 01 0 0 深灰色粉砂岩 平均值 6 0 0 06 50 2 9 2 5 e 5 均值度55 1 0 0 1 0 0 灰岩 平均值 1 0 0 0 09 7o 2 5 1 3 e 5 均值度 551 0 0 1 0 0 中砂岩 平均值 8 0 0 08 00 2 62 5 e 。5 均值度551 0 01 0 0 灰岩 平均值 1 0 0 0 09 7o 2 5 2 5 e 5 均值度 321 0 0 1 0 0 煤层 平均值 2 0 0 02 0o 3 3 1 3 e 5 均质度 551 0 01 0 0 粉砂岩 平均值6 0 0 06 5o 2 9 2 5 e 5 说明；本模型采用1 1 8 1 2 0 模拟2 9 5 3 0 m 的岩层，上方受3 0 m p a 的均布载荷。巷道是4 3 5 m 。 表4 - 5 锚杆的力学参数 均质度 551 0 0 1 0 0 平均值 2 5 0 0 01 5 0 0 2 42 5 e 一5 表4 - 6 水泥的力学参数 均质度 5 51 0 0 1 0 0 平均值2 0 0 0 09 0o 2 4 2 5 e 5 1 8 山东科技大学硕士学位论文巷道不良部位支护机理 1 9 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良部位支护机理 山东科技大学硕士学位论文巷道不良部位支护机理 2 1 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良鼯位支护机理 说明：横轴为单元格节点数( 每4 格代表l m ) 图4 - 1 运输大巷主应力图、声发射图与支承压力分布图( 锚杆长度为1 6 m ) 当至型茎奎兰堡主兰堡笙兰 鳌望至垦塑垡圭茎垫里 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良部位支护机理 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良部位支护机理 上 7 ；o u u c7 u 1 童4 o o e + 0 1 r3 o o e + o l 。扒 h l f 加，、 九 m 扪 摇2 0 0 e + o l v y ” f 旷r 叫旷y y l 酽 悯1 o o e + 0 1 u u u d 7 u u 11 12 13 1 4 15 16 i7 18 1 9 ll o l1 1 1 单元数 说明：横轴为单元格节点数( 每4 格代表i m ) 图4 - 2 运输大巷主应力图、声发射图与支承压力分布图( 锚杆长度为2 5 m ) 山东科技大学硕士学位论文巷道不良部位支护机理 山东科技大学硕士学位论文巷道不怠部位支护机理 上 生4 o o e + o i r3 o o e + o i a k 卜a 入1 6 n 6 九m 6 l 小l 型2 o o e + o i ”叫r 州v 。i ，jv r q pv 叫节1 翟l - o o e + o l ty u lu u ii i2 13 14 1 5 1 6 17 18 19 1 1 0 1i 1 1 单元数 些查型垫查兰婴主堂堡堡奎 鳌望j ! 垦塑些茎芏! ! 堡 中 1 z u 己十u z 蛊1 0 0 e + 0 2 l 弓8 0 0 e + 0 1 j - r 6 0 0 e + 0 1 翅4 0 0 b + 0 1 。酱2 0 0 e + 0 1 m m 州川7n 叫、妒八q 厂m ，广一 ”0 0 0 e + 0 0 一z u u l c u 1 1 1o j告j0 ld 1f lo i，l1 u i 单元数 说明：横轴为单元格节点数( 每4 格代表i r a ) 图4 - 3 运输大巷主应力图、声发射图与支承压力分布图( 锚注1 0 m ) 山东科技大学硕士学位论文巷道不良部位支护机理 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良部位支护机理 山东科技大学硕士学位论文巷道不良部位支护机理 3 生查型茎查兰翌主兰垒丝兰 量堕至垦塑垡奎茎塑墨 ，、5 o o e + o l 呈4 o o e + 0 1 r 3 o o e + 0 1 摇2 0 0 e + 0 1 嘲1 o o e + 0 1 0 o o e + 0 0 1 a a 川l l m l w，州m mm ， 一m m 趔 1 i i i i 。f - x, y 。 厂 、_ 说明：横轴为单元格节点数( 每4 格代表l m ) 图4 - 4 轨道大巷主应力图、声发射图与支承压力分布图( 锚杆长度为1 6 m ) 3 2 山东科技大学硕士学位论文巷道不良部位支护机理 3 3 些查型垫查堂婴主兰堡丝壅 量望至垦墅竺奎芝垫里 3 4 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良部位支护机理 卜 日u l 莹5 o o e + o i 、一4 o o e + o i i i 3 o o e + o i 卜 m mu i i v 、v u m p 川f 1 k h l 商2 o o e + 0 1 y v t - 一l，k r ”1 1 t 1 r _ r y l l r 冒撼o 。e + o i 。 h 一i 。 u u u b u u 11 1 21314151617 1 8 1 9 1 10 1 1 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 器数 生查型鍪查堂堡主兰竺丝苎 董望至垦堡垒茎塑垫堡 一6 o o e + 0 1 耋5 o o e + 0 1 。4 o o e + 0 1 s3 o o e + 0 1 案2 o o e + o i 酱1 o o e + o i 8 0 o o e + 0 0 - 1 1l f 、 h a a n 九胪wvyr 、v o u q nh 7 。 、” 1 o y 1 、f 1 i 1_ 单元数 说明：横轴为单元格节点数( 每4 格代表1 m ) 图4 - 5 轨道大巷主应力图、声发射图与支承压力分布图( 锚杆长度为2 5 m ) 山东科技大学硕士学位论文巷道不良部位支护机理 些查型垫查兰堡主兰堡笙塞 堇堂至垦苎些圭芝垫望 山东科技大学硕士学位论文巷道不良部位支护机理 中 星1 o o e + 0 2 l ；。8 o o e + 0 1 厂 r j 。韫- - 4 4 6 o o e + 0 1 0 0 e + 0 1 小 n 小一巾 们卜n1 m m m 叭” j 阑2 o o e + 0 1 u l 。u u 11 12 13 14 15 16 17 1 8 19 11 0 11 1 11 2 11 3 11 4 11 5 1 单元费 一5 o o e + o i 毫4 o o e + 0 1 r3 o o e + 0 1 型2 o o e + 0 1 删 翎1 o o e + 0 1 0 o o e + 0 0 下 i i i 4 6 。 。 “圳地。 小4 i n i 一i j 4 v vv vyyy ”州旷 。i 。v k yyv y 一 y 叶w 州 说明：横轴为单元格节点数( 每4 格代表l m ) 图4 - 6 轨道大巷主应力图、声发射图与支承压力分布图( 锚注1 o m ) 3 9 些蔓型垫查兰堡主堂堡堡苎 4 4 计算结果与分析 4 4 1 轨道大巷 巷道不良部位支护机理 当轨道巷道采用1 - 6 m 的锚杆支护时，巷道发生破坏，破坏的区域为两帮和顶板，底 板没有破坏；声发射图清晰地表明，破坏是从两帮逐渐发展到顶板的，破坏范围远远超 过了锚杆的组合拱，巷道两帮的支承压力最大，显然，轨道大巷不能采用1 6 m 锚杆支护 方案。采取2 5 m 锚杆支护后，从声发射图可知，组合拱是存在的，起到承载作用；两帮 应力集中程度小于1 6 m 锚杆支护的应力。 4 4 2 运输大巷 当运输巷道采用1 6 m 的锚杆支护时，巷道发生破坏，破坏的区域为两帮和底板，顶 板没有破坏：声发射图清晰地表明，破坏是从底板逐渐发展到两帮的，破坏范围远远超 过了锚杆的组合拱，巷道两帮的支承压力最大，显然，运输大巷不能采用l _ 6 m 的锚杆支 护。采取2 5 m 锚杆支护后，从声发射图可知，组合拱是存在的，起到承载作用；两帮应 力集中程度最大，说明巷道松动圈较小。不良部位是底板，关键是加固底板岩层。 4 4 3 锚注作用 对运输和轨道大巷均进行注浆加固技术，注浆厚度为1 _ 0 m ，采取逐渐加大注浆范围 内围岩强度的方法模拟巷道围岩的破坏过程。当围岩强度达到9 0 m p a 时，巷道呈现为稳 定状态。 4 5 不良部位耦合支护技术原理 不良部位耦合支护技术就是根据位移反分析原理，确定支护系统二次组合支护的最 佳时间( 段) ，在关键部位实施支护体和围岩的再次组合，最大限度地发挥围岩的自承能 力，从而使支护体对围岩的支护力降到最小。耦合支护技术的具体实施过程为：巷道开 挖后，首先对围岩施加锚网支护，通过巷道顶底板、两帮移近量以及锚杆托盘应力的监 测，确定最佳时间( 段) ，对巷道围岩不良部位施加高预应力的锚索、锚注提高围岩强度， 使围岩和支护体达到耦台支护力学状态。其支护的特点是： 1 ) 限度地提高利用围岩的自承能力； 2 ) 最大限度地发挥刚性锚杆的支护能力 3 ) 充分转化了围岩中膨胀性塑性能： 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良部位支护机理 4 ) 适时支护，主动促稳而不是被动等稳； 5 ) 围岩和支护体实现了优化组合，从而使支护系统达到耦合的最佳支护状态。 不良部位耦合支护技术不同于新奥法的二次支护( 表4 1 ) ，其二次组合支护首先在 不良部位进行，而不是全断面二次支护。因此不良部位耦合支护技术比新奥法更为合理。 不良部位耦合支护成功的关键是不良部位的确定和最佳二次支护时间的确定。 4 6 不良部位的确定 通过研究提出了工程裂纹反分析理论，并用之确定需要二次组合支护的不良部位。 工程裂纹反分析的理论可表述为：地下巷道工程是封闭性工程，在工程荷载作用下，在 出现明显的变形之前，巷道工程时常在一些局部出现细小的工程裂纹。根据裂纹的力学 性质( 拉、压、剪、扭、弯) 、复合力学性质( 压扭性、张扭性等) 和裂纹体系的配套关 系可以推得产生裂纹部位的工程荷载性质及整个巷道工程的工程荷载组合特征。据此， 不仅可以进行二次组合支护对策设计，而且可确定出合理的二次组合支护的顺序。 在巷道的不良部位，工程裂纹出现时常伴随着高应力腐蚀现象，即在支护体关 键部位产生鳞片状、片状支护体剥落。高应力腐蚀分为四个阶段：鳞状剥落阶段、片状 剥落阶段、块状崩蒺( 塑性铰出现) 阶段和结构失稳( 崩塌垮落) 阶段。 出现高应力腐蚀现象的部位就是需要二次组合支护的不良部位。因此，高应力腐蚀 现象可以作为识别不良部位的标志。 4 7 支护控制对策 根据对不良部位巷道的变形力学特征属性，破坏力学机制研究，发现不良部位巷道 失稳后具有大变形、难支护的特点，是因为巷道围岩并非具有单一的变形力学机制，而 是同时具有多种变形力学机制的综合症和合并症。但研究发现，任何巷道变形破坏是从 不良部位开始，发展扩大破坏的。因此，巷道支护控制关键，应对以应力机制，围岩自 身和其它类型的不良部位进行发现，然后根据不同类型不良部位进行分析研究，采取不 同的耦合增强技术方法进行控制，才能保证复杂软岩巷道支护的成功。 最佳支护时间和最佳支护时段 岩石力学理论和工程实际表明，硐室开挖以后，变形逐渐加大。以变形速度区分， 可划分三个阶段：即减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入 山东科技大学硕士学位论文 巷道不良部位支护机理 加速变形阶段时，岩体本身结构改组，产生新裂纹，强度就大大降低。显然，加速变形 阶段可以使助一 f a x ，但却大大降低了p 一，这不满足优化原则。解决这个问题的关键是 最佳支护时间概念的建立和最佳支护时段的确定。 巷道塑性区可分为稳定塑性区和非稳定塑性区。出现松动破坏之前的最大塑性区范 围，称为稳定塑性区；出现了松动破坏区之后的塑性我，称为非稳定塑性区。稳定塑性 区所对应的宏观围岩的径向称为稳定变形；非稳定塑性区所对应的围岩的径向变形称为 非稳定变形。 塑性区的出现改变了围岩的应力状态，这种变化对支护来讲具有两个力学效应： 围岩中切向应力和径向应务降低，减小了作用于支护体上的荷载。应力集中区向深层 偏移，减小了应力集中的破坏作用。在巷道两帮发生应力集中时，两帮岩石处于极不利 的单轴受力状态条件，极易产生片帮破坏现象。 应力集中偏移深部后，一方面应力集中程度降低，另一方面深部岩石处于三轴受力 状态，其破坏可能性大大减小。因此，对于高应力软岩巷道支护来讲，要允许出现稳定 塑性区，严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志就是最佳支护时间t s 。t s 之间 出现的变形称稳定变形，对应的塑性区称稳定塑性区。所以最佳支护时间的力学含义就 是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏时所对应的时间。它可以通过计 算机监控得到，也可以通过现场特征判断得到，也可以通过现场特征直接得到。现场具 体施工中，可以根据时间一位移( u t ) 曲线进行判定。通过对巷道表面位移的监测， 可以判定巷道表面位移变化速率由快到趋于平缓的拐点附近作为二次支护的最佳支护时 间。 山东科技大学硕士学位论文 巷道支护设计 5 巷道支护设计 5 1 锚杆支护理论评述 5 1 1 悬吊理论 最早的锚杆支护理论，适合于顶板上部有稳定岩层，其下部存在松散、破碎岩层的 条件。但该理论仅考虑了锚杆的抗拉作用，没有考虑其抗剪和整体作用。 5 1 2 组合梁理论 适合于层状岩层，端锚主要提供轴力，对岩层离层产生约束：全锚能改善锚杆受力， 增加控制顶板离层和水平错动能力。但对于组合梁的厚度问题还没有定量的预计方法， 没有考虑水平力的作用。 5 1 3 加固拱理论 考虑了锚杆的整体作用，在软岩巷道得到应用。但加固拱厚度涉及的因素很多，难 以准确预计，关于加固拱的稳定性没有考虑。 梁宝寺矿巷道围岩属于深井软岩范围，巷道支护设计的锚杆参数参考加固拱理论， 整体设计从巷道的破坏过程出发，主要考虑不良部位的耦合增强、加固成巷因素，针对 不同的区域，进行支护设计。 5 2 破碎区支护设计 5 2 1 破碎区域划分 梁宝寺矿1 水平有大的断层，这些断层的走向与煤层走向斜交( 里1 0 。2 0 夹角) ， 呈羽状排列，使煤岩层受到严重切割，断层两侧发育一定宽度的构造影响带和薄煤带， 同时造成煤岩层产状发生较大变化。在构造影响带内，还发育次一级的伴生小断层，进 一步加剧了对煤层的切割和破坏，给开采带来了一定困难。在以上这些大中型断层中， 又以边界断层影响最大，该断层往往表现为5 7 个平行小断层构成的断层组，破坏和影 响带达百米以上，断层附近煤岩层破碎、松动，容易抽冒，对采掘及巷道开拓施工影响 较大。 断层带属于破碎区，同时又是深井软岩，支护设计采取一次成巷技术。 5 2 2 支护方案 由于巷道处于破碎区，则运输与轨道大巷采取相同的支护方式。巷道支护分三个层次， 且一次成巷。 4 3 些奎型茎查兰堡主兰垡丝奎 童望塞燮兰 1 、破碎带柔性支护 巷道开挖后，破碎岩层变形较快、较大，呈现为围岩收缩变形特征，采取支与护相 结合的对策，对全断面进行支护，并要求支护体有一定的收缩率。采用网壳支架进行柔 性支护。 网壳支架的径向结构与单件结构见图5 1 、5 2 ，图5 3 为组合示意图。 图5 1 网壳支架的径向结构式 o 网壳支架每米的支护阻力为7 0 0 k n ，相当于支护半径为2 0 m 的圆形巷道之外1