（采矿工程专业论文）沙曲矿回采巷道软岩复合顶板支护研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 沙曲矿回采巷道软岩复合顶板支护研究 摘要 本文以华晋焦煤有限责任公司沙曲矿南一采区顺槽支护为工程背 景，针对该顺槽巷道软岩复合顶板支护的特殊性及困难程度，通过理论 研究、现场试验研究相结合的方法，应用松动圈理论和耦合支护理论指 导施工，得到了一些有益的研究成果： ( 1 ) 通过对围岩松动圈的形成、确定、性质、分类及以对锚喷支护 结构的理论分析，确定了组合拱的锚喷网设计原理；通过不同的变形力 学机制类型有不同的支护技术对策要点，而且软岩巷道类型的共性是具 有“并发症”和“综合症”的复合型，确定了锚网索耦合支护原理。 ( 2 ) 通过现场试验确定组合拱外载，由此经理论计算，反推出组合 拱的合理厚度，为以后巷道支护设计提供依据。使组合拱厚度选择，由 “完全经验变为经验与理论计算相结合。但由于在工作面顺槽中锚喷支护， 喷浆常使煤质下降，为使经济与技术的圆满结合，同时弥补组合拱理论 的不足，采用耦合支护理论对锚索支护参数进行计算。 ( 3 ) 在锚、网、钢筋梁组合拱( 梁) 支护中，锚杆是支护的主体， 顶、帮锚杆将松动圈内的破碎围岩重新组合起来形成组合梁，网则起到 了“护”的作用，防止顶板破碎岩石冒落及煤帮的垮落，钢筋梁则主要对锚 杆起侧向预紧作用，均衡锚杆受力，改善顶板岩层应力状态，与锚杆共 同形成组合支护系统，增加顶板岩层的稳定性，同时与网一起防止顶板 破碎岩石的冒落。而锚索则起到了关键部位耦合支护的作用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 利用松动圈理论和耦合支护理论相结合的方法，通过对软岩顺槽在 掘进、回采影响下变形、破坏的现场观测以及数值分析研究，找到了较 为合理的支护方式，从而较好的解决了沙曲矿综采工作面复合软岩顶板 条件下顺槽巷道支护的难题。 关键词：软岩，复合顶板，支护，松动圈理论，耦合支护理论 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es u p p o r t i n g s t u d yo fs o f t r o c k c o m p o s i t er o o fo fs t o p i n gt u n n e li ns a q u c o a lm i n e a b s t r a c t t h i sa r f i c ei sa st h es u p p o r t i n go fs t o p i n gt u n n e li ns o u t h - 1s e c t i o ni n s a q uc o a lm i l l eo fh u j i l lc o k ei n c o r p o r a t e dl i a b i l i t yc o m p a n yf o re n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d f o rt h ep a r t i c u l a r i t ys o f tr o c kc o m p o s i t er o o fs u p p o r t i n go ft h e s t o p i n gt u n n e l ，s o m ef a v o r a b l er e s e a r c hf i n d i n ga r eo b t a i n e db yt h em e a n so f t h ec o n j u n c t i o no ft h e o r e t i c a la n df i e l de x p e r i m e n tr e s e a r c ha n d r a p p i n gc i r c l e t h e o r ya n dc o u p l i n gs u p p o r t i n gt h e o r yi n s t r u c t i n gc o n s t r u c t i o n ( 1 ) d e t e r m i n i n g t h e s h o t c r e t e - b o l t - g r a t i c u l e d e s i g np r i n c i p l e o f c o m b i n a t i o n - a r c hb yf o r m a t t i n g ，d e t e r m i n i n g ，n a t u r ea n da s s o r t i n gf o rr a p p i n g c i r c l eo fa d j a c e n tr o c ka n dt h et h e o r ya n a l y z i n gf o rs h o t c r e t e - b o l ts u p p o r t i n g s t r u c t u r e ；d e t e r m i n i n gt h es u p p o r t i n gp r i n c i p l eo fb o l t n e t - t e n d o nc o u p l e s u p p o r t i n gb yv a r i e dd e f o r m i n gm e c h a n i c a lm a c h i n i n gs t y l eh a v i n gv a r i e d s u p p o r t i n gt e c h n o l o g yc o u n t e r m e a s u r ep o i n ta n dc o m m o np r o p e r t yo f t h es o f t r o c k sr o a d w a yh a v i n gt h ef e a t u r eo f “c o m p l i c a t i o n a n d “s y n t n e s i s ” ( 2 ) d e t e r m i n i n gb u r d e m i n go fc o m b i n a t i o n a r c hb yf i e l de x p e r i m e n tt o e j e c tp r o p e rt h i c k n e s so fc o m b i n a t i o n - a r c hb yt h e o r e t i c a la r i t h m e t i c ，f o r d i s t r i b u t i n ga c c o r d eo fs u p p o r t i n gd e s i g no fl o a d w a yi n l a t e r ( 3 ) b o l t i st h em a i n b o d y o f s u p p o r t i n g i nb o l t n e t - b a r g i r d e r c o m b i n a t i o n - a r c h s u p p o r t i n gb yc u l m i n a t i o na n dl a t e r a lw a l lb o l tf o r m a t s c o m b i n a t i o n 。a r c ht o g e t h e rb yr e c o m p i l i n ga s s o c i a t i n gf r a c t u r er o c ki nr a p p i n g i i l 太原理工大学硕士研究生学位论文 c i r c l e b u tn e t sp r o c e s si sp r o t e c t i o nf o rp r e v e n t i n gf r a c t u r er o c ko nr o o f c a v i n ga n dl a t e rw a l lc a v i n g b a rb e a n sp r i n c i p a lp r o t e c t i o n i ss i d e b e f o r e h a n df a s t e n i n g ，a n db o l ta r ef o r m a t t e da s s e m b l a g es u p p o r t i n gs y s t e m t o g e t h e rb yb a l a n c i n gt h eb o l t ss t r e s sa n db e t t e r m e n t i n gs t e s sa n ds t a b i l i t y o fr o o fr o c kf o r m a t i o n ，a n dn e tp r e v e n t i n gf r a c t u r er o c ko nr o o fc a v i n g t o g e t h e r a n c h o rw i r e sp r o c e s s i sc o n p l i n go nk e y p o s i t i o n g a i n i n gt h es u p p o r t i n gm a d ep r o p e ro fc o m p a r i s o nb ya p p l y i n gt h e m e t h o do fc o m b i n i n gr a p p i n g - c i r c l et h e o r ya n dc o u p l i n gs u p p o r t i n gt h e o r y a n df i e l de n g i n e e r i n go b s e r v a t i o na n dn u m b e r e da n a l y z i n gf o rd e f o r m i n ga n d d a m a g eo fs o f t - r o c kf o r m a t i o ns t o p i n gt u n n e la tt u n n e l i n ga n ds t o p i n g ，a n d b e t t e rt h ep u z z l eo fs t o p i n g ss u p p o r t i n go nc o m p o u n ds o f t - r o c kf o r m a t i o n o ft h es t o p eo fs a q uc o a lm i n e k e yw o r d s ：s o f tr o c k ，c o m p o s i t er o o fs u p p o r t ，r a p p i n gc i r c l e t h e o r y , c o u p l i n gs u p p o r tt h e o r y i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 软岩问题从2 0 世纪6 0 年代起就作为世界性难题被提了出来，特别是煤矿软岩 问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一。中国煤炭行业每年巷道掘进约 6 0 0 0 k m ，其中1 0 以上的巷道为软岩巷道。目前，全国3 0 多个矿区存在着软岩巷道 支护问题，有些矿井处理不当，建设困难，甚至有的停产停建，直接影响煤矿安全生 产，危及人身安全。 华晋焦煤有限责任公司沙曲矿自1 9 9 7 年6 月1 4 1 0 1 工作面( 4 号煤层首采面) 形成后，随即面临着三条顺槽巷道严重变形的状况，当时的支护方式为1 1 # 矿工钢 棚子支护，矿压显现明显：钢棚严重变形，钢梁下沉挠度最大约5 0 0 m m ，也有脱落 。现象；钢棚内鼓，甚至折断；有的钢梁扭曲成麻花状；顶板岩石大量风化成碎块，底 。鼓严重。矿方为延续生产，采取了一系列补救措旌，如打点柱、套棚等，经济损失巨 大。从技术经济分析，钢棚支护在沙曲矿顺槽支护问题上是失败的。于是，沙曲矿分 别多次派人从西山矿区、平顶山矿区等处学习较为先进的锚杆支护经验，在1 4 1 0 3 工作面顺槽试采用锚杆加锚索的的支护方式，取得了一定效果，但在1 4 1 0 3 工作面回 采过程中，工作面前方1 5 0 2 0 0 m 范围内开始往里，巷道又发生严重变形，底板上 鼓，两帮同时产生位移，顶板与两帮煤岩体碎裂、鼓包，锚杆、锚索断裂，特别是胶 带顺槽和轨道顺槽，原掘进高2 5 m 、宽3 5m 的大断面矩形巷道变形后为高和宽都不 足1 8 m 的不规则小通道。在采取拉底、打点柱、超前2 0 0 m 加强支护等措施后才勉 强完成1 4 1 0 3 工作面回采工作。这说明，这种经验式的锚杆支护并不能完全适合沙曲 矿软岩巷道支护。 为此，沙曲矿组织有关技术人员先后请中国矿业大学、北京煤科院及太原理工大 学部分专家进行现场调研、试验、论证。最后认为，该区4 号煤层处于一个较为复杂 的地质力学环境是造成巷道围岩应力较大的主要原因。首先，顶板为薄层状煤( 3 号 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤) 、泥岩和砂质泥岩组成的复合顶板，裂隙发育，易于风化、碎胀，岩石单轴抗压 强度约1 2 1 3 m p a 。其次，底板岩性为砂质泥岩、泥岩，下距5 号煤层5 6 m 左右， 岩石的单轴抗压强度约1 0 m p a ，遇水易膨胀，膨胀率为0 3 。这样使得巷道成形后 长期处于高应力膨胀状态，给巷道支护带来相当的困难。 1 2 软岩巷道支护理论研究现状 1 2 1 国外研究现状 一、新奥法 2 0 世纪6 0 年代，奥地利工程师l vr a b c e w i c 在总结前人经验基础上，提出一 种新的隧道设计施工方法一新奥法，目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。 1 9 7 8 年，米勒教授较全面地论述了这种方法的基本指导思想和主要原则，并将 其概括为2 2 条。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使地下空间的周围岩体成一个中空筒状支撑环结构为目的的设 计施工方法”。其核心是利用围岩的自撑作用来支撑隧道，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为坚固的支撑环。 新奥法既不是单纯的施工方法，也不是单纯的支护方法，而是充分利用和调动巷 道围岩强度与自身承载能力，按岩石力学、围岩支护共同作用原理制定的一套地下工 程设计、施工、支护、监测新概念。它是先用工程类比法确定第一次锚喷的参数，随 之进行围岩的监控量测。经过量测信息反馈来调整支护参数。利用现代岩石力学中围 岩与支架共同作用的理论，利用一次支护的变形、收敛以至局部开裂来释放围岩中的 部分能量，延续一段时间后，再用二次支护补强，来解决一般的软岩支护问题。 新奥法非常重视支护过程中的监控量测。将设计、施工、量测结合起来，这是国 际上新奥法的精髓。量测采用现代测试技术( 收敛计) 对围岩变形和支架受力进行量 测。 新奥法适用于各种地质条件的岩层及任何形状大小的巷道断面。用新奥法进行 巷道掘进，可以保证质量，保持稳定性，延长巷道的使用寿命，降低施工费用，还可 减少2 0 的巷道掘进量，实属一种良好的软岩巷道支护方法。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 二、应变控制理论 日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为：隧道围 岩的应变随支护结构的增加而减少，而容许应变则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内。支护结构的设计 则是在由工程量测结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。 三、能量支护理论 萨拉蒙( m d s a l a m o n ) 等人提出了能量支护理论，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。 1 2 2 国内研究现状 我国软岩巷道支护系统研究工作始于1 9 5 8 年。2 0 世纪8 0 年代以来，与软岩工 程有关的全国性会议召开了二十余次，对地下工程软岩问题的理论研究进入一个新的 阶段。目前具有代表性的有以下6 种理论。 一、轴变论和开挖系统控制论 于学馥等人于1 9 8 1 年提出“轴变论”，认为：巷道塌落可以自行稳定；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；塌落是改变巷道轴 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，于学馥等人运用系统论、热力学等理论提出“开挖系统控制理论”： 开挖干扰了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。 二、联合支护技术 该技术是在新奥法基础上发展起来的，以冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉为代表。 主要观点为：对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行的，要先柔后刚，先让后抗， 柔让适度，稳定支护。 三、锚喷一弧板理论 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 该理论是对联合支护理论的发展，其要点为：对软岩总是强调放压是不行的，让 压后要坚决顶住，即强调联合支护理论的先柔后刚的刚性支护形式，坚决限制围岩向 中空位移。 四、松动圈理论 该理论是董方庭教授提出的，其主要内容：凡是裸体巷道，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。 五、关键部位藕合支护理论 该理论是中国矿业大学( 北京校区) 何满潮教授提出的，认为：地下工程的破坏 是由于支护体与围岩在强度、刚度、结构上存在不藕合造成的，巷道的支护应该从其 变形力学机制入手，对症下药。复杂巷道支护应分为两次支护，一次支护为柔性支护， 二次支护为关键部位的藕合支护。 六、围岩动态工程分类理论 该理论从基于诊断具体巷道围岩的结构组合及应力环境下巷道的破坏形式和特 点出发，对巷道围岩破坏演化规律进行分析，最终实现面向巷道围岩不同部位有针对 性的定量控制。 此外，还有高强度弧板支护理论、位移反分析理论、软岩工程地质力学理论、极 限跨度及平衡理论、灰色系统决策理论、优化理论等。 由上述分析可以看出，影响较大、自成体系的主要是新奥法，即新奥地利隧道施 工法。2 0 世纪6 0 年代中期诞生以来，新奥法在很多国家得以成功应用。2 0 世纪7 0 年代被介绍到中国后，按该原理及要求组织的许多工程取得了良好的技术经济效果。 目前，国内外软岩巷道支护普遍是遵循新奥法的基本原理和方法。事实上，新奥法已 成为具有世界声誉的隧道支护技术。我国软岩巷道支护技术的研究大体上是遵循新奥 法的基本原理展开的。 但是近年来，随着我国煤矿采深不断加大，运用新奥法进行软岩巷道支护出现了 一些问题，主要有：新奥法要求一次支护后达到变形相对稳定时再进行二次支护， 但等稳往往是等垮；新奥法的二次支护是全断面等强支护，而围岩荷载是不均匀分 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 布的，因此常常在薄弱环节失稳，进而导致巷道破坏；新奥法二次支护时间的选择， 必须基于大量细致的现场应力、位移监测，但对如何利用量测结果，也缺乏明确的围 岩稳定性的判据。过程比较繁杂，现场工程技术人员不容易接受，可操作性差；对 于煤层巷道来说，二次支护往往不可能，另外喷浆常造成掘进煤质下降。 综上所述，鉴于煤矿工程的特殊性和复杂性，目前对煤巷软岩支护技术的理论研 究，仍处于边实践、边摸索经验、边总结的阶段，还没有一套确切指导旖工技术的完 善的理论。 1 3 主要研究内容、方法及意义 1 3 1 主要研究内容 1 通过对松动圈理论和关键部位耦合支护理论的分析与探讨，得出围岩松动圈 与软岩巷道支护的关系以及软岩巷道复合型变形力学机制； 2 根据围岩松动圈范围合理选择锚杆支护结构，通过耦合支护的原理合理选择 锚索的支护时间及部位，从而确定合理的锚杆、锚索支护参数； 3 通过对沙曲矿软岩回采巷道的实践和研究，确定适合沙曲矿的回采巷道支护 方式； 4 通过对巷道支护效果的分析研究，总结出巷道施工过程中的关键环节，使得 理论指导下的施工，既能够较为快捷的操作，又不偏离理论。 4 对各种支护形式进行技术经济比较分析，证明锚、网、索、钢带( 拉杆) 联 合支护形式是技术上先进、经济上合理的一种支护形式。 1 3 2 研究方法 采用现场调查、数值分析和井下矿压观测与现场监测相结合的方法，利用围岩松 动圈支护理论和耦合支护理论研究回采巷道软岩复合顶板的围岩应力分布与变形、破 坏规律和锚固机理。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 3 研究意义 本课题应用围岩松动圈支护理论和耦合支护理论根据巷道顶板岩性特征进行初 步设计，然后通过现场矿压观测和应力、应变测试及数据整理、分析，调整回采巷道 软岩复合项板的合理锚固参数，确保回采巷道一次支护成功，同时技术经济合理，这 一课题的研究成果，对沙曲矿乃至全国其它矿区类似条件下回采巷道的支护都将起到 积极的推动作用。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章软岩巷道锚杆支护机理 2 1 围岩松动圈理论 2 1 1 巷道围岩松动圈的形成 巷道围岩松动圈是围岩应力和围岩强度的函数，当巷道开掘前，岩体处于三向应 力平衡状态。当巷道开掘后原岩应力受到破坏，围岩应力重新分布，由三向应力状态 变为双向应力状态，并在巷道周围产生应力集中。若围岩松动圈半径为r ，塑性区半 径为r ，当r r 时，围岩 就会产生破裂松动，并由巷道周边向深部发展。直到r = r 时，围岩处于极限平衡状态， 破坏停止发展，至此形成的围岩破裂松动区即称之为围岩松动。 松动圈的大小主要取决于围岩应力和岩体强度。在目前的支护条件下，试图用支 护手段阻止围岩松动是不可能的。而支护的作用在于限制围岩松动圈形成过程中碎胀 力所造成的有害变形，因此，该围岩松动圈是一个反映围岩稳定性的综合指标。 当巷道开掘后，围岩应力将发生两个显著变化：一是巷道周边径向应力下降为零， 围岩强度明显下降；二是围岩产生二倍以上的集中应力。如果集中应力小于岩体强度， 则围岩处于弹塑性稳定状态：当应力超过围岩强度之后，巷道周边围岩将首先破坏， 并逐步向深部扩展，直至在一定深度取得三向应力平衡为止，此时的围岩已过渡到破 碎状态如图2 1 所示。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 s ，：径向应力变化曲线8 e ：垂直应力变化曲线8 0 ：原始应力值 图2 - 1理论分析围岩状态示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i c p l a n o f w a l l - r o c ks t a t e i n t h e m e t h o d o f t h e o d f i c a la n a l y s i s 我们将围岩中产生的这种松弛破碎带定义为围岩松动圈，其厚度为l 。集中应力 大小与围岩松动圈大小成正比。 2 1 2 围岩松动圈的确定 根据弹塑性理论，两向等压下，圆形井巷围岩塑性区内的应力为： c ，2 ( z ：- c 。t 伊j ( 去) 1 6 4 8 _ c 。t 妒 c z 一- ， ：旧+ c t 妒) 单f 1 1 “9 一c c o t 妒 ( 2 2 ) 1 一s i l l 妒iy oj 式中：盯，、一围岩中任意点的径向应力、切向应力，m p a ； c 、妒岩体的粘结力和内摩擦角，m p a ，( 。) ； 只一支护抗力，k n ； 7 一围岩任意点的极坐标值，h i , 在塑性区内，通常认为切向应力造成岩石的破坏，直到围岩拉应力小于或等于岩 石强度s ，时，破坏才会停止，以第一强度理论为准则，以s ，代入盯。，则得： 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 y = y o s ，+ c c o t 妒 p f + c c o t 妒 当支护抗力只= o 时， 坐 兽黧r ”( 2 - 3 ) 1 一s i l l 妒j 则为松动圈最大半径： y 。f 芏兰竺譬磐r 9 ( 2 - 4 ) 吖。i 之百百茹j 心。4 ) 根据围岩应力协调：塑性区与弹性区( 非松动范围) 分界面上应力相等，并同时满足： + 仃，= p 。( 其中：p 。为原岩应力，p a ) ，解得对应的塑性区半径r 为： 1 - s i n c p ( 1 - s i n q , ) p o ：c 蚓c o t 妒 2 “9 ( 2 - 5 ) 式中：当支护抗力量= o 时，得出不支护时围岩对应的最大塑性区半径r 一： 1 - s i a 9 r 一嘞卜螂) 号茅r ( 2 _ s ) 由上式可知：原岩应力愈大，岩体强度愈低( c 舻值愈小) ，则围岩塑性区愈大， 围岩中弹塑性应力分布和分区如图2 - 2 。 1 凇动区( 圈) ； 2 - 塑性区； 3 - 弹性区( 应力升高) 4 - 弹性区( 原岩) 图2 - 2围岩应力分布和分区 f i g 2 - 2 s t r e s sd i s a i b u t i o na n ds u b f i e l do f w a l lr o c k 其它形状井巷围岩的弹塑性应力分布，塑性区范围、松动区范围均可用有限元法 分析而得。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 3 围岩松动圈的性质 1 围岩松动圈的形状特性 根据实验室测试，当围岩各向同性时，如果垂直应力与水平应力相等，围岩松动 圈为圆形，否则为椭圆形，且椭圆的长轴垂直于最大主应力方向( 如图2 - 4 所示) 。 如果围岩非同性，岩石强度低的层位将产生较大的松动圈。 1 - l ，上 。一形孓义i 。 尘之夕7 ； i 1 一垂直与水平应力相同2 - 垂直应力大于水平应力 图2 - 3 均质围岩松动圈的形状示意图 f i g 2 - 3 s c h e m a t i cp l a no fl o o s e - c y c l es h a p eo fh o m o g e n e o u sw a l l - r o c k 2 围岩松动圈的时间特性 随着围岩应力调整及其分布，围岩松动圈的发展有一个时间过程。研究表明：对 于围岩松动圈的稳定时间，小松动圈大约3 7 天，而大松动圈需要1 3 个月。通过巷 道收敛测量，松动圈的发展时间与巷道收敛变形在时间上是一致的。 3 围岩松动圈与支护的关系 通过现场观测和成熟的经验表明，当松动圈l = o 时，如果围岩比较完整，巷道 可以裸体不支护；当l = 0 4 0 0 m m 时，只喷混凝土就能有效维护；当l = 1 3 0 0 - 1 5 0 0 r a m 时，一般常用的刚性支护( 如砌碹支护) 就不适应了；当l 一 1 5 0 0 m m 时，常用的刚性 支护已经很难维护。上述研究表明，松动圈较大，支护越困难。实际测试表明，沙曲 矿南翼采区的岩石松动圈范围是1 5 0 0 2 0 0 0 m m 。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 4 围岩松动圈的分类 围岩分类的目的在于恰当地评定巷道围岩在其所处环境( 地应力、水等) 条件 下巷道支护的难易程度，判明支护的主要对象，以便合理地选择支护、确定工程参数 及施工工艺。国内外有关巷道支护的围岩分类方法有多种，如普氏分级法( f = 1 1 0 0 ，r 咀一岩石单向抗压强度) 、岩芯质量指标法( r o d ) 、围岩位移量分类法、 围岩稳定性指数方法( s = y 1 1 ，y 一围岩容重；日埋深) 、岩体工程地质学分 n o 级和原煤炭部五类围岩分类表等。 围岩的稳定程度，不仅决定于岩体强度，而且还取决于巷道所处位置及地应力的 大小，分类必须考虑两方面的因素，这一点己被公认。然而现有众多的分类方法在实 际处理、量化围岩强度和地应力参数时都不同程度地遇到了难题，尤其是地应力因素 未能确切或者未予考虑，造成分类上的不全面。如同样的砂岩( f = 4 6 ) ，在低应力场 中支护容易，到了高应力区支护就困难了。此外，即使围岩强度和地应力参数定量问 题可以解决，要正确定量两者与支护难度的相关关系，也还有相当大的困难。因此， 虽然分类方法很多，这个问题仍没有被很好解决。通过对围岩松动圈较深入的研究之 后，中国矿业大学董方庭教授于1 9 8 2 年首先提出了巷道支护围岩松动圈分类方法。 1 分类的理论依据 围岩松动圈是由于围岩集中应力超过围岩强度而在巷道周边围岩中形成的破碎 带。理论分析表明，松动圈的大小k 是地应力p 与围岩强度r 。的相互作用结果，即 有函数式k = f ( p ，r 。) 。在实验室模拟条件下，改变围岩强度和地应力的大小，可 产生不同大小的围岩松动圈。相似模型试验研究了凡、p 和d 与k 的关系，表2 - 1 是相似模型试验的正交及统计分析结果。显然r a 、p 对k 的影响显著，而d 在模拟 范围3 - 7 m 内对松动圈的影响很小，可忽略不计。 实验室相似模型试验证明，有锚喷支护和无支护的相同材料的模型巷道，在同样 荷载p 下松动圈数值基本相同；软岩巷道支护实践过程中，实测了不同支护条件下的 围岩松动圈，结果表明支护能有效地控制围岩碎胀变形，但不能明显地阻止围岩松动 圈的发展。因此，从工程角度来讲，支护对松动圈的影响可以忽略不计，这就为用松 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 动圈这一综合指标分类围岩奠定了可靠的基础。 表2 - 1围岩松动圈相关因素模型试验分析结果 t a b 2 - 1r e l a t e df a c t o ra n a l y s i so fl o o s ec y c l eo f w a l lr o c ki nt h em o d e lt e s t 因素 r 。 pd 正交分析极差r j 5 8 9 4 6 60 ，7 7 统计分析 8 0 5 6 3 5 0 6o 0 0 0 0 5 f o 0 6 ( 1 1 4 ) = 4 6 0 f d 娟0 6 ( 1 1 4 ) 2 巷道支护围岩松动圈分类表 经过大量的现场松动圈测试及其与巷道支护难易程度相关关系的调查之后，结合 锚杆支护机理，依松动圈的大小将围岩分为小松动圈( o 0 4 m ) 、中松动圈( 0 a 1 5 m ) 和大松动圈( i 5 m ) 三大类六个小类( 表2 2 ) 。 表2 - 2 巷道围岩松动圈分类表 t a b 2 - 2 l o o s e - - c y c l es o r to f t u n n e lr o c k 围岩松动圈支护机理方 围岩类别 分类名称备注 k e r n ) 式 小 松 i 稳定围岩 0 4 0 喷混凝土支护 围岩整体性好，不易 动风化可不支护 圈 较稳定锚f 1 悬吊理论 由围岩 4 0 1 0 0 局部喷层支护 松 动一般稳定 耕t 基吊理论 圈 i1 0 0 1 5 0 刚性支护有局部破坏 围岩 局部喷层支护 一般不稳锚杆组合拱理 刚性支护大面积破 i v 定围岩 1 5 0 2 0 0 论；喷层金属网 坏，采用可缩性支护 大( 软岩)支护 松 不稳定围岩 锚杆组合拱理 动 v2 0 0 3 0 0 论；喷层金属网 围岩变形有稳定期 圈 做软围岩) 支护 极不稳定围岩 v i 3 0 0 待定围岩变形无稳定期 ( 极软围岩) 3 松动圈分类法的特点 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 该分类法的主要特点是按锚喷支护机理划分围岩类别和便于选择支护形式。小松 动圈的i 类围岩不需要锚杆，仅采用喷射混凝土支护；中松动圈、i 类围岩宜用 锚喷支护参数；大松动圈的、v 类围岩采用锚喷网支护，用组合拱观点设计支护 参数。 观测与研究表明，中小松动圈条件下围岩的收敛变形量较小，仍在普通刚性支护 的适应范围之内，故i 类围岩各种支护都可以取得好的支护效果。松动圈大于1 _ 5 m 的二v 类围岩，刚性支护不是不能用就是不合理了，这些类别己属于软岩支护范畴， 应选用可缩性支护。这里我们把常规支护不能适应的围岩定义为不稳定围岩( 软岩) 。 2 1 5 围岩松动圈对锚喷支护结构的影响 松动圈的大小与巷道的稳定性及支持的难易程度密切相关，因此，根据围岩松动 圈范围大小可以确定锚喷支护结构： ( 1 ) 小松动圈：指巷道周边松动厚度小于4 0 0 m m 。一般围岩应力小于岩体强度， 松动圈往往是由于炮震裂隙造成的。松动范围小，围岩变形量小，可保持其自身总体 稳定，仅有个别危石坠落。因此，只需喷一层混凝土封闭围岩，防止岩块风化即可保 持巷道稳定。 ( 2 ) 中松动圈：厚度为4 0 0 1 5 0 0 r a m ，由于围岩应力大于岩体强度，距周边 1 5 0 0 m m 范围内的围岩产生裂隙或断裂，被节理、裂隙切割的岩块靠相互镶嵌、咬合 而保持暂时的平衡状态。这种情况下，应采用锚喷联合支护，锚杆可提高围岩的抗剪 强度，将具有一定的残余强度的松动圈内岩体，悬吊在未遭破坏的稳定岩层上。 一般情况下锚固深度：l - r - - t o 。当r 较大时，l 口- i d , 于( r r 0 ) ，即位于塑性区 内，但l 必须大于围岩可能出现的松动范围。当r 较小时，l 可大于限一r 0 ) ，即超 出塑性区而锚固于弹性区内，可获得更佳效果。 ( 3 ) 大松动圈：厚度大于1 5 0 0 m m 。由于围岩松动范围大，产生很大的变形压 力，若采用刚性支护难以奏效，而锚喷网支护较合适。锚杆按组合拱理论设计，锚杆 不必打到松动圈以外的稳定岩层中，必要时可铺设金属网，喷射混凝土初次要及时， 适时进行二次支护。 ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 软岩巷道支护理论 2 2 1 巷道支护的主要对象 巷道支护的主要对象包括： ( 1 ) 松动圈内的围岩碎胀变形； ( 2 ) 岩石吸水后膨胀变形( 主要指膨胀岩石) ； ( 3 ) 巷道深部围岩的部分弹塑性扩容变形； ( 4 ) 松动圈内围岩自重。 工业试验及现场观测表明，当松动圈l = 1 5 0 0 衄时，围岩的收敛变形基本上仍 在普通支护的适应范围之内。支护设计时可暂不考虑巷道收敛的影响，而只按松动圈 内围岩自重确定支护参数；当l 1 5 0 0 m i i l 后，支护的载荷随着松动圈的发展而增加， 其支护载荷值为碎胀力和松动圈内围岩自重之和；松动圈发展到最大值时，达到支护 的最大载荷。如果岩石遇水膨胀而又未能有效的防止，则在松动圈载荷测试中有所反 映。 2 2 2 锚喷网组合拱设计原理 围岩松动圈是开巷后地应力超过围岩强度的结果，在现在支护条件下，试图采 用支护手段阻止围岩的松动破坏一般是不可能的。松动圈支护理论认为，支护的作用 是限制围岩松动圈形成过程中围岩碎胀所造成的有害变形。这一观点同支护对象观点 一起构成了围岩松动圈支护理论的核心内容。 围岩松动圈l 是地应力p 与围岩强度r 相互作用的结果，它们之间存在着l = ( p ，r ) 的函数关系，是一个综合性指标。围岩松动圈大小，直接反映了支护的难 易程度。围岩松动圈支护理论用松动圈大小进行围岩分类，将l 1 5 0 0 蛐的松动圈 称为大松动圈，在此类围岩巷道中碎胀变形明显，一般的剐性支护将大量破坏，必须 采用具有可缩性、支护强度较大的，适用于此类岩石的支护类型，此类围岩称为软岩。 在松动圈分类表中，类l = 1 5 0 0 2 0 0 0 m m ) 、v 类( l = 2 0 0 0 3 0 0 0 m m ) ，v i 类( l 3 0 0 0 m m ) 均属软岩范畴。这几类围岩的支护必须遵循软岩支护的基本原则，即： 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 支护结构要有良好的可缩性，以适应围岩较大的变形； 支架应有足够的支护能力，以限制过大的围岩有害变形； 实现全断面支护； 及时封闭围岩，防止围岩风化，潮解及吸水膨胀。 1 锚喷支护原理 近2 0 余年来，锚喷支护在国内外的地下工程中得到了广泛的应用，并积累了很 多经验。 当地下硐室开挖后，围岩总是逐渐地向洞内径向变形。锚喷支护就是在隧道、 巷道及硐室开挖之后及时地向围岩的表面上喷一层薄的混凝土( 一般厚度为2 l o c m ) ，有时布置一些锚杆，从而部分地阻止围岩向内空变形，以达到支护的目的。 这种支护可看作是相对柔性的，在地下岩土工程中，采用这种薄层柔性支护以代替传 统的刚性衬砌，具有明显的优越性。传统的刚性衬砌由于它与岩体不能紧密接触，所 以在衬砌施工完成以后，围岩仍然继续向内空变形、离层，直至部分岩体破坏坍塌。 衬砌结构设计的传统理论认为，岩土开挖后会形成下一个压力拱，造成围岩变形，最 终坍塌，支护和衬砌的作用就是要将压力拱内可能坍塌下来的岩石支撑起来。根据这 种理论，衬砌支护只是一种“被动”地承受较大载荷的结构物，该载荷与衬砌本身无关， 它等于压力拱内坍塌下来的岩石的全部重量。 锚喷支护的情况则不同，它是在岩土开挖后及时进行的。喷层与围岩紧密结合， 并且本身具有一定的柔性和变形特性，因而它能在开挖后及时而有效地保护岩体的结 构和力学性质，防止围岩的变形、松动和坍塌。锚喷支护的这种既让围岩有一定的变 形又限制围岩发生较大变形的作用，充分利用了围岩的自承能力，使得围岩在与锚喷 支护结构共同体的变形过程中取得自身的稳定，从而减小传到支护结构上的力。所以， 从这一点来看，锚喷支护结构不是“被动”承受松动压力，而是与围岩协调工作，承受 变形压力，这就是锚喷支护与传统刚性支护的根本差别。 1 ) 喷层的力学作用 ( 1 ) 防护加固围岩、提高围岩强度 巷道掘进后立即喷射混凝土可及时封闭围岩暴露面，由于喷层与岩壁密贴，故能 有效地隔绝水和空气，防止围岩因潮解风化产生剥落和膨胀，避免裂隙中充填料流失， 】5 太原理工大学硕士研究生学位论文 防止围岩强度降低。此外高压高速喷射混凝土时，可使一部分混凝土浆液渗入张开的 裂隙或节理中，起到胶结和加固围岩的作用，从而提高围岩的强度。 ( 2 ) 改善围岩和支架的受力状态 加有速凝剂的混凝土可在喷射后2 - 2 0 r a i n 内凝固，及时向围岩提供了支护抗力 p 1 ( 径向力) ，使围岩表层岩体由未支护前的二向应力状态变为三向应力状态，提高 围岩强度，如图2 - 4 所示。 无喷层时，相当于厚壁圆筒承受外压力p o ( 原岩应力) 的作用。距巷道中心为r 的任意一点处的应力为： 旷p 。降) 咿p 。怍) c 2 刊 式中：盯。径向应力； 切向应力； a 圆形巷道半径； p 。原岩应力。 一 jtf n 一 1 ， 。，7 氐。3 7绷、 一 0 r h 魏0 一 - l 图2 - 4喷层的力学作用及莫尔圆 f i g 2 4 m o h r sc y c l ea n dm e c h a n i c a le f f e c to f 埘e c t e dl a y e r 在巷道周力时，当r = a 时，则 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 仃。= 0 o - o = 2 e o ( 2 8 ) 喷射混凝土后，存在内压a 作用，相当于厚壁圆筒承受内、外压力。距巷道中 心为r 的任一点处的压力为： 旷十笋 旷十笋 一只譬 ( 2 9 ) 当l - = a 时，作用在巷道周边上的径向应力o r ，、切向应力分别为： o r2 _ ( 2 一l o ) = 2 e o 一号 莫尔应力圆如图2 6 所示。 喷层是一种柔性支架，它允许围岩因寻求新的平衡所产生的有限位移，并可发挥 自身变形的调节作用逐渐与围岩协调，从而改善了围岩的应力状态，减低围岩应力， 允许发挥围岩的自承能力。 2 ) 锚杆的力学作用 锚杆对围岩引起的力学效应如下： ( 1 ) 悬吊作用：认为锚杆的作用是将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以防止 围岩移动滑落。锚杆本身受拉，其应力即为所悬吊岩体的重量。在块状结构或裂隙岩 体中使用锚杆可将松动圈内的松动岩块悬吊在稳固的岩体上，也可把节理弱面形成的 岩块连接在一起，阻止其沿弱面滑动。 ( 2 ) 减跨作用：在巷道顶板岩层中打入锚杆，相当于在巷道顶板上增加支点， 使巷道跨度由l o 变为l l ，从而减小顶板岩层的应力，起到维护巷道的作用。当然，要 使锚杆能有效地起到悬吊和减跨的作用，锚杆顶端必须锚固于坚硬稳固的岩层中。 ( 3 ) 组合作用：在层状岩层中打入锚杆把薄层岩层锚固在一起，类似于将叠置 的板梁组成组合梁，从而提高了顶板岩层的自承能力，起到了维护巷道的作用。 ( 4 ) 挤压加固作用：预应力锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成锥形压缩 区。按一定间隔距离排列的锚杆，在预应力的作用下构成一个均匀压缩带( 承载环) ， 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 承载环中的岩石由于预应力的作用处于三向应力状态，显著地提高了围岩的强度。 3 ) 预应力钢筋梁( 钢带) 的力学作用 由于采煤工作面顺槽的特殊性，一般均布置在煤层中，服务时间短，如有条件 均沿煤层顶、底板掘进，矩形断面，则预应力锚杆群的挤压加固作用在平面上( 项板) 显得较为单薄，特别是软岩巷道，为了加强锚杆群的挤压加固作用，使围岩更好的处 于三向应力状态，特配置预应力钢筋梁。其横、纵剖面如图2 - 5 。 匝 珂田二皿 横剖面 锚杆眼 螺栓怛 纵剖面 图2 - 5 钢筋粱示意图 f i g 2 - 5 s c h e m a t i cp l a no f b a rb e a m 2 组合拱支护原理 在大松动圈软岩巷道中，伴随着开采后围岩松动圈的发展，锚杆锚入岩体后受到 围岩碎胀变形力的作用而受到拉伸，由于锚杆锚固力的作用，锚杆对围岩产生压应力， 就单根锚杆而言，在围岩中就形成了一个双锥体压缩区如图2 - 6 所示。 iu lj - ju 。i ，即： 詈 i l = 署( 3 - - 8 ) 式( 3 8 ) 即为软岩巷道( 锚杆支护) 表明变形量计算式。u j 设计组合拱时即可 确定，a 、6 、n 、e 在设计时是已知的。这样就可保证在巷道设计阶段确定u