（矿业工程专业论文）潘三矿软岩巷道锚注支护研究及实践.pdf

摘要 本文根据软岩特性和围岩松动圈理论 针对软岩巷道围岩变形压力大 速 度快 变形量大且持续时间长以及对各类扰动极为敏感等特点 结合淮南潘三 煤矿高地应力条件下软岩巷道支护问题 对软岩巷道的支护对象 支护原则 锚注支护参数及工艺进行了探讨 研究 论文运用软岩巷道支护弹塑性圈状模型理论 分析巷道开挖过程中围岩应 力状态的改变 松动区 塑性区 弹性区相互之间的关系 锚注支护结构体共 同作用机理阻及软岩巷道支护的根本技术措施等 提出了软岩巷道的最佳支护 时间 注浆压力 锚杆布置等参数的影响因素和确定方法 并通过对潘三矿东 四采区 4 2 0 m 总回风巷锚注加固工程和西一采取石门修复工程的实践 探讨了 软岩巷道的加固 修复 方案 提出的巷道加固 修复 技术在工程实践中得 到了验证 并取得了较好的技术经济效果 论文研究对类似巷道锚注支护参数设计和优化具有一定的参考意义 关键词 高地应力 软岩巷道 锚注支护 围岩松动圈 最佳支护时间 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h el o o s i n gc i r c l eo fs u r r o u n d i n gr o c k st h e o r ya n dt h e s o f tr o c k sb a s i cn a t u r e i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fs u r r o u n d i n gr o c k sd i s t o r t i o n i ns o f tr o c kt u n n e l h u g ep r e s s u r e t h eq u i c ks p e e d b i gq u a n t i t ya n dt o n gd u r a t i o n a sw e l la st h ee x t r e m e l ys e n s i t i v et oe a c hk i l a do fp e r t u r b a t i o na n ds oo n a f t e rw e a n a l y z e da l lk i n d so fp r o t e c tm e t h o dw h i c hh a v et h es h o r t c o m i n g s ow ec a r r yo dt h e d i s c u s s i o na b o u ts o f tr o c kt u n n e l sp r o t e c t i o nf r o mo b j e c t p r i n c i p l ea n dt h e t e c h n i c so fb o k g r o u t i n g u s i n gt h es o f tr o c kt u n n e l sc i r c l em o d e la n dt h em e t h o do fb o l t g r o u t i n gt o c h a n g et h es t a t eo fs t r e s s w eo b t a i nam i xo fp r e s t r e s s e dt op r o t e c tt h es t r u c t u r e p r o p o s e dt h ei n i t i a t i v ep r o t e c t s i d e aa n dc e r t a i nm e t h o d so nt h eo p t i m a ls u p p o r t i n g t i m ei ns o f tr o c kt u n n e l t h ep r e s s u r eo fg r o u t i n g d i s p o s a lo fb o l t a n do t h e r p a r a m e t e r s t h r o u g ht h ep r o j e c to fb o l t g r o u n t i n gr e i n f o r c e m e n ta t 一4 2 0 mo ne a s t f o u re x p l o i t i n gf i e l da n dr e p a i rp r o j e c to nx i y ie x p l o i t i n gf i e l di np a n s a nc o a lm i n e d i s c u s st h em e t h o do fr e i n f o r c e m e n ta n dr e p a i r m e n ti ns o f tr o c kt u n n e l i th a s c o n f i r m e dt h et h e o r yi sf e a s i b i l i t ya n ds e r v i c e a b i l i t y o b t a i n e dt h eg o o dt e c h n o l o g y a n de c o n o m i ce f f e c t i th a ss i g n i f i c a n c eo nt h e d e s i g n o fs o f tr o c kt u n n e l s p r o t e c ta n d t h e o p t i m i z a t i o no fc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r k e yw o r d s h i 曲g r o u n ds t r e s s s o f tr o c kt u n n e l b o l t g r o u t i n gp r o t e c t l o o s i n gc i r c l eo fs u r r o u n d i n gr o c ko p t i m a ls u p p o r t i n gt i m e 潘三矿辙岩巷道铺注支护研究与实践 1绪论 1 1 谍题的攒蹬 在岩土工程活动中 地质环境的优劣 直接影响工程的正常进行和工程体 的稳定性 裂隙岩体是坝基 边坡 地下硐室等岩土工程中广泛遇到的岩体类 型 它的强度 变形 地下水的渗透性等特征将直接影响到工程设计 旌工 运行期的稳定性分析与加固处理 随着矿山开采的大规模进行和采深的加大 巷道的围岩条件趋于恶化 原来具有各种弱面的岩体在二次应力作用下将进一 步破坏 同时产生了新的裂隙并引起巷道向不稳定方向发展 因此 为了保证 巷道的稳定性 必须采取有效的措施 目前在矿山巷道支护中 一般采取以下 两种方法 一是通过锚固或注浆的方法 改善围岩的结构和性能 提高围岩的 自承能力 是一种主动支护方式 二是通过砌碹 架u 型钢支架等方法 约束围 岩的变形 是一种被动的支护方式 但是对大多数巷道来说 特别是软岩巷道 后者需要更多的成本 而效果远不如前者 因此 改善围岩结构及性能 提高 围岩的自承能力是维护巷道的最有效 最根本的途径 另一方面 我国煤层赋 存条件复杂 软岩在近半数矿井都有赋存n 随着采深的增加 原岩应力水平 不断提高 当其超过围岩软化临界值后 阻 围岩原有的弱面进一步扩展 产 生新的节理 裂隙 甚至松动 破碎 围岩自承能力进一步恶化 给巷道维护 带来极大困难 这就给地下工程围岩稳定性研究提出了新的课题一软岩工程问 题 目前 软岩工程问题已成为困扰矿山开采的主要问题之一 也是国内外地 下工程的一个难题 通过大量的工程实践人们认识到改善围岩的结构性能 充分发挥围岩的自 承能力 是一条维护围岩稳定的有效途径 特别是对高地应力软岩巷道 岩体 注浆加固是一种改善岩体结构及其性质 提高岩体承载能力的有效方法 已被 广泛应用于大坝 建筑基础 矿井建设等方面 围岩注浆加固是岩体加固的新领域之一 它是利用压力把浆液充填到围岩 体的各种裂隙中去 并把裂隙中的浆液和周围的岩体重新胶结起来 从而提高 围岩的整体稳定性 增强围岩的承载能力和抗渗性能 据中国矿业大学戴标兵 的研究表明 注浆加固使破裂后砂岩的强度提高1 2 0 1 3 0 使破裂后粉砂岩和 页岩的强度提高1 3 倍 前苏联的研究资料也表明 注浆加固可使岩体的粘聚 力平均提高4 0 7 0 岩体静弹性模量平均提高1 2 3 7 5 动弹性模量平均提高 4 5 1 7 5 纵波波速提高1 4 5 3 同时 注浆后岩体的渗透性也大大降低 据 前苏联的研究表明 注浆后岩体的渗透性约为注浆前的1 1 0 t 1 0 0 因此 巷 道围岩注浆是改善围岩环境和维护巷道稳定性的有效方法之一 就传统的锚喷支护结构而亩 喷射混凝土能及时封闭围岩 锚杆能实现主 动支护和围岩一起形成加固圈 共同承受地压 维护巷道稳定 是一种较好的 港三矿坎岩巷遵锚注支妒磺究与实践 软岩支护形式 但由于其支护强度不够离 难以适应商地应力 大变形的软岩 巷遭 特别是受采动影响瓣囊援巷遂 圈岩浚浆燕淫憝改善邂老结构及其经熊 提高围岩整体性期自承载能力 人们尝试将二者结合起来 即采用锚注支护 已有了很多成功的例子 但由于对锚注支护机理的研究不够深入 理论水平滞 蠢予工程实践 谴这一技本缺乏登黉靛理论依据 难戬遂褥舍懋蕊设诗 懿髓 影晚了其在现场的推广应用 从发挥支护的承鼗能力和充分利用围岩的自承能力看 h 锚杆与注 浆都燕较好的者 粕闺方法 锚同与注浆是两稀酃独立又可相互联合使用的者 燕困技术 基予它锻糍在原经对澎 邀行热圈翻改性 充分挖掘岩 镕塞身 的承载潜力 多年来 直受到糟土工程界的高度羹视 如前苏联采用锚注支护 技术 使松软破碎者体注浆后的单轴抗鹾强度显着增靛 丽岩交形量比没有注 浆款筏类巷莲降低了8 0 以上 冒本 法蘑 蒺国等在糙道施工中 浆瘸注浆麴 圃技术都显着地改善了围岩的备项力学参数和支护效果 农国内 山东科技大 学在跨采软岩巷道中采用锚注支护技术 使松软的运输大巷成功地度过了采动 影嫡麓 并傈掩了楚努酶维护状态 取樽了驻着静技术经济效益 大餐工程窦 践表明 3 锚注支护采用锚抒与注浆摺结台豹方法 馒锚榜鄹没浆各塞驰 邋用范围得到扩展 大大提高对软糟的支护效果 是解决软岩及高地应力巷道 支护酶一种有效途径 目前 锚注支护技术在软岩巷道的应用效果是比较好的 但是仍然处于摸 索阶段 其理论仍停留在充填和固结破碎岩体的层面上 对注浆材料参数 压 力参数 时间参数 加固带形成后内部的应力参数等等都没有相 陂的测试数据 和理论分析 在锚注机理及参数优化上还没有较为定量的分析和研究 为了更 好地推广和应用这一技术 有必要对锚注机理进行进一步的探讨 对锚注参数 进行优化 本文主要从工程实践入手 通过工程实践对锚注加固围岩的稳定性 及锚注支护参数的合理性进行研究 1 2 锚注支护的研究现状 1 2 1国外锚注支护理论的发展和现状 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 b e r i g n g 采用石灰 粘土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 t 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 土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 2 潘三矿软岩巷道锚注支护研究与实践 法逐渐取代 8 0 年代初苏联和橼国提出锚注加固理论 为软措支护阃题找到了 令教躯途径 1 2 2 国内研究历史现状 款蛰巷遘瓣支护瓣题 蹙是毽 器漾矿黎遥支护鹣难蘑 蔑匿藤潆炭嚣蔓乏 多次组织专家敬关外 国家程 七 五 八 五 麓大科技攻关项目中 判 冬竣芙漾题e 过去在懿理这类深鼙骞缝菠力敬簧蘩遥支笋封 太多采爝各转建 体 届浓又采用型钢愈属支架 当这魑支护翰不能保持巷道稳定时 人们又将 罐蜒唆 琏 撼 j 性支絷 可缨蛙支袈避行不爨组合 缀这些多层支护也来熊瓣 决高墙应力软祷支护问越 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 部高地应力软岩巷道的支护 二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 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 它是目前处理高地应力软岩巷道这类困难巷道支护优先选择的支护技术 近十年来 山东科技大学 中国矿业大学等院校的专家和现场人员一直在 进行锚注的理论研究和技术推广 但总的来说 人们对软岩巷道的变形破坏 锚注支护机理以及锚注支护的最佳时间等仍缺乏系统 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 1 3 国内锚注支护理论的发展和现状 1 3 1 锚杆支护简况 一百多年前 锚杆支护就在矿山出现 1 8 7 2 年英国采用过金属锚杆 1 9 0 0 年美国使用过木锚杆 工程上大量采用锚杆是在2 0 世纪4 0 年代末 同时西欧各 国和前苏联 臼 澳大利亚 加拿大等国也开始研制 引进与推广锚杆支护技 术 目前美国和澳大利亚几乎全部使用锚杆支护各种矿山巷道 英国从澳大利 亚引进锚杆支护技术以后 到目前锚杆支护比例从1 9 8 7 年的零上升到9 6 以上 印度 印尼 南非等国都在引进锚杆支护技术 目前 巷道锚杆支护技术已成 为世界性发展趋势 因为巷道支护改革带来了巨大的经济效益 英国在大量应 3 潘三矿软岩巷道锚注支护研究与实践 用锚抒支护技术后 醑采工作磷平均举产鼠5 0 0 t a 上升到了4 5 0 0 t a 巷道支护 成本下降5 0 平均吨煤成本下降5 0 拣道掘进速度撮高1 3 倍 我国煤矿于1 9 5 6 年开始硬建锈耱 裂了2 0 整纪6 0 年霞鬣 罐释静霞鼹大辐度下簿 簌懑是安装 工艺未能机械化及缺芝对锚枰参数的了解 后来由于锫种新型锚杆的研制成功 赣奥法瓣超毽及镬抒支护与其它支妒瓣联合健援 蕊镰抒继续攘广 1 9 7 5 年煤 炭部将锚喷支护确定为井巷支护技术改革的发展方向 并作为重大技术项目 首先在念匡煤矿岩巷掘进中掇广应用 1 9 7 8 冬国务院将光爆镶嵝列为匿家级新 技术推广重点项目之 并确定煤炭都为归日单位 6 0 年代锚杆支护开始进入 采区但由于煤艨巷道圈岩松软等因素加之锚杆支护理论 设计方法 锚杆材料 蓬工橇蒸 鼗测手段等还不够完善 戳丽发袋缓馒 1 9 9 5 年戳有重点煤矿当年 新掘巷道中锚杆支护所占比重为2 8 1 9 其中岩巷中占5 7 2 半岩箍中占 3 0 0 7 漾巷审占1 5 1 5 我毽镪 平支轳取餐了缀多蜜舞熬经验 单髂镭释支护 锚梁网组合支护 析絮锚杆支护 软器巷道锚杆支护 深井耱道锚杆支护 沿 窆巷道镑杼支护 罐抒与金属支架联合支护 筏嚣进入 丸五 簸润 原嫩炭 工业部将 锚杆支护 列为煤炭工业科技发展的五个项目之 后 燎巷锚秆浅 护的应用迅速发展 至r j l 9 9 8 年 煤巷锸杼支护比重提离到2 0 1 4 半煤岩巷提 高蜀了2 9 7 4 发展蕊道的锚秆支护蹩筏国蒙大的支护技术擎命 绘我国带来 巨大的技术经济效益 1 3 2 注浆技术酶发展简况 注浆技术是用液压 气压或电化学的方法 把某些能与岩土体固结的浆液 注入岩土体的空隙裂隙中去 使岩土体成为强度高 抗渗性好 稳定性好的新 结构体 从而达到改善岩土体的物理力学性质的目的 注浆技术的发展已有二 百多年的历史 法国人开辟了注浆施工的先河 英国于1 8 6 4 年在阿里普瑞贝矿 首次用水泥注浆对井简进行注浆堵水 成功的解决了井筒漏水问题 发明了硅 酸盐水泥 从此水泥成为主要注浆材料 此后又有化学注浆 水玻璃注浆材料 双液单系统注浆法出现 促进了注浆技术的迅速发展 特别在1 9 4 0 年以后 注 浆技术研究和应用进入辉煌 各种注浆材料相继问世 注桨技术的应用越来越 普遍 我国注浆技术应用较晚 2 0 世纪5 0 年代初才开始应用 经过5 0 年的发展 我国注浆技术己取得了较大的进步 特别在水泥注浆材料研制方面处于世界先 进行列 注浆应用遍及矿业 水利 交通 铁路等多个行业 对于煤矿而言 注浆技术应用越来越广泛 遍及各类巷道 尤其对于软岩巷道 采用注浆后 岩体的力学性能有了很大的提高 加固效果十分显著 1 3 3 锚注技术的发展简况 软岩动巷道锚注支护技术是近年发展起来的新型支护撼术 它将锚杆支护 和注浆技术有机的结合在一起 共同作用 尤其对松软破碎岩体的支护极为有 效 并且使锚杆和注浆的适用范围得到扩展 大大提高了对软岩的支护效果 4 潘三矿软岩巷道锚注支护研究与实践 嶷地利 前苏联 德国等国在2 0 世纪8 0 年代开始用空心锚杆作为注浆管实现了 锚注 并广泛使用 我国锚注技术起步较晚 燕1 9 9 6 年以后发展起来的 大娩 模应用开始与最近四 五年 融于我嗣煤矿软岩巷道眈较多 所以锚注支护膏 较好的应用前娥 1 4 锚注加霹瓶理理论分析 长期以来 软岩巷道维护一直是煤矿生产建设中的难题 在软岩内布置巷 道 围岩变形大 稳定性差 使巷道掘进和支护十分困难 而且屡遭破坏 需 经常翻修 严重影响矿井的安全和正常生产 就目前的巷道支护问题来说 传 统的锚喷支护已不适应高地应力 大变形的软岩巷道 对于碹体支护由于施工 复杂 成本高 工期长 返修工程量大 难以适应软岩巷道支护 对以u 型钢为 主的各种可缩性金属支架因软岩巷道围岩变形大 支架受力不均易出现支架失 稳破坏 目前 对于软岩巷道的支护 还没有一种完全行之有效的指导理论 锚注加固是一种理想的改善软弱围岩承载性能的措旋 锚注加固巷道围岩 最初是利用空心锚杆兼作注浆管 简称注浆锚杆 注浆锚杆前段是带若干个射 浆孔的注浆段 后段是锚固段 松动和裂隙发育的围岩经过锚杆注浆加固后围 岩强度等力学性能得到提高和改善 使破裂结构的围岩胶结成拱形连续体加固 圈 同时注浆锚杆又起到悬吊 挤压 楔固组合拱等作用 防止围岩松动范围 进一步扩展 从而仅提供用较小支护阻力就能使围岩处于稳定状态 因此 锚 注支护采用锚杆与注浆相结合的双重作用达到加固围岩 控制围岩变形的效果 它可以大大地提高软岩巷道支护效果和围岩稳定性 在锚喷支护基础上或在原 金属支架 砌碹支护基础上 进行壁后注浆 可以增强支护结构的整体性和承 载能力 保证支护结构的稳定性 既具有锚喷支护的柔性与让压作用 又具有 金属支架和砌碹等支护方式的刚性支架的作用 组成联合支护体系 共同维持 巷道的稳定性 其支护机理包括以下几个方面 1 注浆 可以利用浆液封堵围岩的裂隙 隔绝空气 防止围岩风化 能有 效防止围岩继续被水浸湿而降低围岩本身的强度 2 注浆后将松散破碎的围岩胶结成整体 提高了岩体的内聚力 内摩擦角 和弹性模量 从而提高岩体强度 实现利用围岩本身的承载效果 3 注浆后使得喷层壁后充填密实 这样保证荷载能均匀地作用在喷层和支 架上 避免出现应力集中点而首先破坏 4 注浆充填围岩裂隙 配合锚喷支护 可以形成一个多层有效组合拱 形 成的多层组合拱结构扩大了支护结构的有效承载范围 提高了支护结构的整体 性和承载能力 5 注浆后使得作用在拱顶的压力能有效的传递到两墙 通过对两墙的加 固 又能把荷载传递到底板 由于组合拱厚度的加大 不仅减小作用在底板上 的荷载集中度而且也减小了底板岩石中的应力 减弱底板的塑性变形 减少底 5 潘三矿软岩巷道锚注支护研究与实践 臌爨 底板的稳定 有助予掰墙驹稳定 程底扳 两墙稳定的情况下又能保掩 拱顶的稳定 顶板的稳定不仅仅取决于顶板荷载 在非破坏带中关键取决于底 板鞍两麓的稔定 6 通过注浆也为在松动圈中的锚杆提供了若力点并变成全长镳固锚轷 从 而将多羼组合拱联成一个整体 旗同承载 提高了支护结构的整体性 7 注浆使得支护结构断面尺寸加大 阐砉作蒂在支护结构上静荷载所产袋 的弯距躐小 从丽降低了支护结秘中产生黪拉应力和匿应力 因此毙承受更大 的荷载 提高了支护结构的承载能力 扩大了支护结构的适应性 8 注浆精的黼者懿俸髓好 与原砻形成一个整体 瓿而在高遣应力下保持 稳定嚣不易产生破坏 9 在采取特殊的浪浆工艺情况下可改变围岩加圈圈的应力状态 有效地阻 止柏固黼外静围者弹性变形 镰题研究酌鞫的意义 软岩巷道围岩控制是采矿工程中的难题 我国软岩分布很广 仅煤矿就有 3 0 多个矿区存在着软岩巷道极难维护的问题 一直严重影响若矿井的安全生产 在软岩巷道中 常规锚杆 如 村脂锚杆 管缝式锚杆 水泥药卷锚杆等 很难 发挥出其锚固特性 巷道围岩强烈变形引发锚杆的锚固力的迅速衰减和丧失 从而使巷道围岩失去自承作用 造成巷道失稳破坏 随着煤矿深井的开采 高地应力 软岩巷道的支护问题将越来越突出 因 此 从理论上 技术上及工艺上深入研究软岩巷道支护将具有十分重要的现实 意义 1 6 研究的主要内容及路线 主要研究内容 1 潘三煤矿高地应力软岩巷道围岩变形破坏机制 在对高地应力软岩巷道变形破坏特征 性状及其影响因素分析的基础上 进行潘三煤矿围岩变形破坏机制研究 2 锚注支护机理 从支架与围岩共同作用的理论出发 对锚注支护联合体的作用机理进行系 统分析 讨论最佳锚注支护工艺时间 锚注支护承载力 控制锚注支护效果因 素和发挥锚注支护加固深部高地应力软岩巷道的机理 3 高地应力软岩巷道锚注支护工艺研究 研究适用于潘三高地应力软岩巷道锚注支护参数和施工工艺等 进行锚注 支护参数 工艺以及注浆参数等进行系统地分析和研究 通过工程实践 以及 对支护效果进行监测和评价 提出潘三矿软岩锚注支护参数设计及其旌工工艺 研究路线 一6 潘三矿软岩巷道锚注支护研究与实践 1 对潘三煤矿软岩巷道支护状况进行收集和分析 2 研究潘三煤矿地质情况和锚注支护机理 提出锚注支护工艺参数 3 进行潘三矿东四采区一4 2 0 m 总回风巷锚注加固设计 4 进行锚注支护工程实践 支护效果监测 5 对潘三煤矿软岩支护提出建议 一7 潘三矿软岩巷道锚注支护研究与实践 2 高地应力软岩巷道的变形及控制方法 2 1 软岩巷道破坏机璁与支护 当黪连支护俸系不缝零受娩鏖力影嗡露 巷遂瓷念发生变移 乃至疆坏 引发片帮 顶扳冒落 对作业人员构成了严重的威胁 巷道变形破坏的原因备 异 萁变形形态也不一样 下蕊裁引起变形熬执理寒撼述变形形态 1 顶板下沉 由于上覆岩层压力 巷道上方破碎涪体自黧压力 成其他地 成力引起的垂直应力 其变形形态如图2 1 2 底臌 赢板岩石较软 躐遁承藤者石单辘抗压强度降低 在蘩童压力佟 用下将产生底臌 或者由于底板岩石含有膨胀性粘土矿物 遇水膨胀 也能引 起底豢 箕交形澎态麴疆2 2 示 图2 1 顶板下沉 图2 2 底臌 3 顶底板移近 主要是垂直压力作用 垂直压力可能是上覆岩层压力 构 造应力顶 底板臌胀岩石变形引起的支护变形 其变形形态如图2 3 所示 4 一帮变形 当巷道一帮岩石软 或破碎 一帮岩石硬 当在垂直压力或 侧压力的作用下均可产生一帮变形 其变形形态如图2 4 所示 图2 3 顶底板移近图2 4 上帮和下帮变形 5 项板下沉 两帮挤进 这种情况 往往是在垂直压力作用下 两帮岩石 较软 或破碎 而底板岩石又较坚硬时发生 其变形形态如图2 5 所示 一8 潘三矿较磬巷邋嚣注支护群究与蜜残 图2 5 顶板下沉两帮挤避图2 6 拱顶起尖两榭挤进 圈2 7 顶底扳穆近两帮挤进 国貘顼起尖 嚣豁挤速 在衡器力翡俸雳下 支轳攘硬超尖 镁囔饕遵鼷 如现搬顶岩石被挤碎成尖 两帮挤迸 侧压力主要采自构遣成力 熟变形形态 懿壅2 引舞示 7 顶底板穆近 两帮挤逑一当阐岩较较 在垂嶷箧力作糟下 或在垂畿 水平压力共同作用下 均可班聪这类变形状态 其变形形态如图2 7 所示 上述压穗变影获态是淀鞍舞型静支护变形状态 还有一鏊出蘑漪疆震嵩谴 不同 受力条件不同等因素 将会出现其他 些变形状态 2 2 巷遘破舔祝理 巷道支护的变形或破坏 主要是由于荷载超过支护的极限承载能力 这些 外力主要是 1 上覆岩层压力 任何地下工程均将受到上覆岩层压力的影响 随着深度的增加 上覆岩层 压力有增大的趋势 但决不仅是p 刃 式中p 为上覆岩层压力 为地层岩 石平均容重 t m 3 h 为巷道埋深 m 这一点已为大量的实践所证明 但 是上覆岩层的压力与巷道围岩性质有密切关系 如围岩强度低 松散破碎 遇 水泥化 崩解等则巷道变形量将增大 此外 还与巷道的跨度有关 跨度越大 上覆岩层压力反映愈明显 2 构造应力 构造应力是造成煤矿巷道变形破坏的主要原因 巷道开挖受大地构造应力 场 或区域构造应力及局部构造应力的影响 特别是局部构造应力 如断层 褶曲所积蓄的残余构造应力 构造应力在分布过程中将对巷道产生严重影响 当支护不能承受应力重新分布带来的影响时 支架将产生变形破坏 3 膨胀应力 泥岩 泥质页岩中会有高岭石 伊利石 蒙脱石 遇水则膨胀 其膨胀从 几倍到几十倍 特别是钠蒙脱石遇水其膨胀量更大 更快 这些岩石遇水很快 泥化 体积迅速增大 出现流变 膨胀 流变均会产生巨大的膨胀应力使支护 变形或破坏 9 溪三矿欺老巷遒镪注支护错究与实跤 4 碎胀威力 巷邋开挖届在围者松动的形成过程中 体穰不断增大对支护产生了碎胀穗 力 若这种碎胀过程得不到极肘有效的控制 则支护即会被破坏 5 支承艨力静影响 煤滕回采越程中 在工作灏前后方将出现商地应力集中医 睫工作面的摊 避薅移动 是一个韵敷力竣态 薄弱露巷遭支妒京较大逸影酶 6 冲击地压 虫予地震 她层滔幼 岩爆 煤爆等均霹能影成羚壶地压 受冲毒地压影 响的巷道将会出现严重变形或破坏 外力作用是影响支护稳定的重要因素 但岩石性质也很繁要 如松软 破 碎 遇永崩解潺亿 含膨酝往糕 矿秘等者石在上述莱一种或凡稀应力 乍用下 闰岩首先失稳而引起支护失稳 2 3 巷遴支护鞠加固艨理 对巷道进行支护的基本目的在于减少围岩的移动 使巷道断面不致过度缩 小 同时防止已散离和破 坏的围岩冒落 为了说明 巷道围岩的支护原理 图 示2 8 表示支架压力p 与 围岩径向位移点的关系 对于边墙和顶板用不同的 曲线表示 曲线c e g 和b f h 表示还没有安设支护结 构 巷道侧帮和项部位移 会沿着e g 和f h 两条虚线 增加 显然巷道周边的位 图2 8 支架压力p 与围岩位移6 的关系曲线 移和支架反力是一对矛盾 位移量大 作用到支架上的压力将减小 但可能不 能满足巷道的使用 若要控制巷道的变形 则可提高巷道支架的强度和刚性支 护成本提高 因此 找到最佳的位移控制点 是软岩巷道支护设计的关键参数 也是充分利用岩体自身承载力 降低支护成本的关键之所在 为了说明支架与围岩相互作用和共同承载原理 可利用图2 9 所示的关系 由该图可知 如果想依靠支架的支承力完全阻止围岩移动 这时所要求的支架 支承力p 图2 1 0 将为最大 m 其值相当于开巷前的原岩应力 但是只要 围岩产生少许位移 p 值将会急剧减少 例如在a 点处由于利用了围岩的自承力 支架的支承力 将会比1 m 减小 但是随着支架支承力的减小 围岩位移量会 随之增加 而移动量加大到一定程度 围岩将会松动破坏 这时支架所受的松 动压力也会加大 如曲线2 因此 从理论上说 在曲线1 和曲线2 的交点b l o 潘兰矿软辫巷道锚注支护研究与实践 处 灏岩最大限度她发挥了自承作用 b 点支架支承力达到了最小r 所以它 是最佳受戴点 该点的位移 酗m 则燕允许的最大位移藿 l 一 墼i 群戡髓 u 图2 9 支架与围岩相互作用关系图图2 1 0 支护构件刚度和安设时 间对支护效果的影响 实际上 为了保证有一定的安全储备 通常不允许支架在b 点工作 因而 从设计观点看 比较理想的情况是使直剪的工作点在离b 点不远的左面 例如 位于图中c 点 使支架工作时的支承力 c 仅稍大于 值 这样才能获得即经 济又安全的效果 因而也是支架于围岩相互作用和共同承载的合理工作点 由上述支架和围岩的相互作用原理可知 为了充分利用围岩的自承力 在 开掘巷道以后应使安设支架的时间尽量推迟一些 以便通过巷道变形释放能量 减轻支架受载 然而从安全角度 支护时间不宜过晚迟 因此 希望找到一个 既允许围岩产生一定变形又不致造成围岩破坏的最佳支护时间 如图2 1 0 反映 了支护构件的刚度和安设时间对上述位移控制的影响 岩体特征线或所需支护 线由a b c d e 给定 切实可行的设置支护的最早时间应在径向位移量达到o f 之后 支护1 在f 点处安设 在点b 处与岩体达到平衡 从实用上看 这种支护 刚性过大 会招致对重新分布荷载的过大负担 结果支护构件可能破坏 造成 硐室围岩崩落 支护2 的刚度较低 在f 点处安设 在c 点处与岩体达到平衡 倘若硐室 周围相应的位移在施工作业中是允许的 这种支护系统便提供了一个理想的解 决办法 在这种情况下 支护不会受到过高的应力作用 岩体承受了大部分重 新分布的应力 支护3 的刚度比支护2 更低 也是在f 点设置的 但是在d 点才与岩体达 到平衡 在此点岩体已开始松动 虽然这可以提供一个合理的临时性解决办法 但情况却很危险 因为任何附加荷载 例如在附近进行采矿引起的应力重分布 而加上去的荷载将必须由支护构件承受 总而言之 支护3 对于这种特殊应用 情况来说 是过于柔性了 r 霉 挂蹴悄 潘三矿软岩巷道锚注支护研究与实践 支护4 与支护2 属于同种类型 具有同样的刚度 它是在岩体发生径向位 移o g 后才设置的 对于这种情况 支护设置得太迟 会出现过大的收敛 支护 构件在达到平衡之前将可能超限受力 在生产实践中 岩石和支护系统之间实际上是不良接触或不完全接触 初 始性状往往也是非线形的 混凝土和喷射混凝土在养护期可能蠕变 灌浆锚杆 和锚栓在支护初期也将引起一定的结构体变形 绝对刚性支护结构是不存在的 24 软岩巷道主动加固支护 1 利用匿沿鸯身承载 地下禧道中安设的支护 与承受固怒静载的地面结构不同 因为翔支护加 载的围岩 可看作是 种特殊的天然结构 在开凿巷邋以后形成的 支护一围 者 力学平衡系统中 戮岩通常承受着大部分的岩层嚣力 焉支架却只承担其 中一小部分 而且 在支架和围岩分担糟层压力的过程中 巷道支架所承担的 载赘是多变懿 英分整装晷匿力豹魄重筏圈岩本身承撵了多少载萄瑟愆 嗣密 分担的比厘越多 支架分担的比煎将越少 因此如何尽可能大地提高嗣岩自身 支承毙力楚支护磷变黪蘩本方逡露不是鼙筑邋撼褰支絮本奏承戴力 2 提高围糟的自承力 在三肉受压条件下 软岩的强度要比二向受压或单辘受压条传下糍缀多 对于层状围岩通j 遣组合精 其自承能力将有很大提高 通过对软岩预加压力 可以有效在提高其强度 3 控裁围潦变形 为了究分利用围岩的自承力 同时又要保证不导致圈岩松动破坏 可行的 办法之一裁是便穗道支蘩结穆自强岩搀供一定款交黪整力 搜褥国岩程承受 惫变形阻力条件下有限制地向巷道空间内变形 与此同时 支絮本身也将受到 尉岩压力匏作用褥产生一定的鹰缓变形 在此过程中 支架襄鄹岩双方蕊受力 和产生的变形大小与任 方的特征均相关 并随任一方特征的变化而变化 综合以上几点可咀认为 巷遵支架可以起到调节与控制围装变形酶作用 辩予新开挖的巷邋 它巍在萄岩发生松动和破环以前安设 戳便使支絮在围岩 尚保持有自承力的情况下与围岩共同起承载作用 而不虚等到阑岩发生松散 酸嚣戆时候 迄就是谈 应当使支架与鬻砉在稳曩约束鞠獯互袄赣翁象彳牟下实 现菸同承栽 对于已经破坏需修复的巷邋 应酋先提高松散围糟的自然强度和 蠹簿应力 l 冀疆止潦部黪变影 按照蔻逡戆嚣爨去漾费巷遂支絮王佟 扶慧体 上可以获得更为简便 经济和安众的支架效果 2 5 最馈支妒瓣澜饔最镰支护雾李羧 岩石力学理论和工程实践表明 巷道开挖以后 巷邋围岩的变形会逐渐加 大 戳交影速度褒分 甏涮分戈三令泠莰 减遴交形羚羧 近酝线髟黪毽速交 形阶段和加速变形阶段 当进入加速变形阶段时 岩体本身结构改组 产生新 1 2 潘三矿软老巷遴链注支护磷囊与蜜践 裂绞 强度裁大大减甄 显然 魏逮交影殓段可以搜磊 m a x 以变影黪形成 转化的工程力 可以包括a 弹塑性转化 与时间无必 b 粘弹塑性转化 与 对闻枣关 c 膨胀力豹转化 与时阕鸯关 对于软岩来说 主要是塑性能以 变形的形式释放 但却大大降低了n 围岩的自撵力 这就不满足优化的原则 解决这个问题的关键鼹最佳支护时间概念的建立和最佳支护时段的确定 2 5 1 最佳支护时段的划分 巷道开挖以后 原有的天然应力状态被破坏 围岩中应力重新分布 切向 应力增大的同时 径向应力减小 这种变化促使围岩向巷道临空区变形 围岩 本身的裂隙发生扩容和扩展 力学性质随之不断恶化 在围岩应力条件下 切 向应力在巷道周边发生高度集中 致使这一区域岩层屈服而进入塑性工作状态 塑性区的出现 使应力集中从岩壁向纵深偏移 当应力集中的强度超过围岩屈 服强度时 又将出现新的塑性区 如此逐层推进 使塑性区不断向纵深发展 假若不采取适当的支护措施 i 隘空塑性区将随变形加大而出现松动破坏 塑性 区和松动破坏区截然不同 松动破坏区没有承载能力而塑性区具有承载能力 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区 称为非稳定塑性 区 稳定塑性区所对应的宏观围岩的径向变形称为稳定变形 非稳定塑性区所对 应的围岩径向变形称为非稳定变形 塑性区的出现 围岩的应力状态发生了改变 对支护体来讲具有两个力学 效应 1 围岩中切向应力和径向应力减低 减小了作用于支架体上的荷载 2 应力集中偏移深部后 一方面应力集中程度减低 另一方面深部岩 石处于三轴受力状态 其破坏的可能性大大减小 因此 对于高地应力软岩巷 道支架来说 要允许出现稳定的塑性区 严格限制非属性稳定区的扩展 其宏 观判别标志就是最佳支护时间t 1 之前出现的变形称为稳定变形 对应的塑 性区称为稳定塑性区 所以最佳支护时间的力学含义就是最大限度地发挥塑性 区承载能力而又不会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誊接得到 2 5 2 关键部位的支护 对于软岩巷道 无论是新开巷道还是实施了多次支护的翻修巷道 其破坏 过程是一个渐进的力学过程 是从某一个或几个部位开始变 损伤 进而导致 整个支护系统的失稳 具体表现特征是 沿巷道断面各个方向的位移速度各不 相同 总是从剧烈变形的部位发生裂纹 鳞状剥落 变形破坏区域逐渐加大 最终导致整个巷道支护系统的失稳 这些首先失稳的部位称之为关键部位 1 关键部位的变形特征 1 3 淫三矿款岩巷道锩注支护研究与实践 通过对各芹申类型的巷道位移测 试曲线分析 关键部位的变形特征 均是不稳定的变形曲线 大体可分 为鏊静突型 麴菱2 1 l 掰录 第1 类曲线 减速一加速变形 鳖 反庭了该关键帮链静曩基强度 远低子荷载 谯荷载作用下变形急 速增热两破坏 第h 类曲线 缓懂减速嶷彤 型 反应了该关键部位支护联合体 静强壤不及予拣羝莓载 9 第1 i i 类曲线 减遮一恒速一加 速变形蓬 反凌了该关键部穰瓣支 护体的强度仍抗抵不了外荷载 1 关键部位朱支护圈岩的变形特征 3 关键部位匿砉支护不藕合的交形特征 4 围岩支护耦合的变形特征 圉2 tl 较老巷递关镶帮往的交形穗 征 第 类曲线 弦遮稳定型 反应了支护俅翻围岩嬲撼互传月是勰含豹 2 关键部位的裂纹特征 在巷道的关键部位 工程裂纹的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 块状崩落 塑性铰出现 阶段和结构失稳阶段 出现 高应力腐蚀现象的部位就是需要第二次耦合支护的关键部位 因此 高应力腐 蚀现象可以作为关键部位识别的标志 2 5 3 关键部位与支护时段的耦合 对于末施加预应力的 支护 据以往研究表明 1 张性 张扭性裂缝 宽度达到l 3 呻 即进入耦 合支护的时间 2 巷道表面各点变形 量达到设计余量的6 0 即 进入耦合支护的时间 3 现场具体施工中 可以根据位移一时间 u t 曲线进行判定 如图2 1 2 所 ul 最大允许变形值 0 图2 1 2 最佳支护时间的确定 t 示 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趋于平 缓的拐点瓦附近作为二次支护的最佳支护时间 1 4 潘三矿软岩巷道锚注支护研究与实践 3 巷道围岩松动圈理论与软岩支护 3 1 概述 中国矿业大学董方庭教授 通过数十年井巷工程教学与现场工程实践 潜 心研究巷道围岩与支护受力破坏的各种现象 特别是对软岩巷道支护与锚喷支 护的科学探索 在2 0 世纪7 0 年代末 首先在我国提出 巷道围岩松动圈 并 在以后的十多年间 通过大量的科学实验和生产实践 不断的加以完善 建立 了从围岩分类 支护理论 支护设计与施工的一整套巷道支护理论体系 成为 我国软岩巷道支护领域重要学术流派之一 这一理论 几乎不作任何假说 用 现场实测和模拟试验 直感性强 易于掌握 它比国际上非常流行的 新奥法 在解决软岩支护方面又前进了一步 围岩松动圈是在现场实测获得 如何在巷 道开挖前就能得知围岩松动圈的数值 将其上升到真正的理论阶段 仍有很多 事要做a 但在诸多的支护理论中 围岩松动圈支护理论简单 直观 尤其在阐 明软岩巷道的破坏状态方面更有其独到之处 用它来进行支护设计与施工 3 2 国卷松动强她撅念岛性质 1 围岩松动圈的概念 并巷开挖懿 岩体处于三自应力平德状态 开巷蜃潮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 围糟强度明驻下降 二是弱岩中出 现应力集中现象 一般情况下集中系数大于2 如果集中应力小于岩体强度 那 么囤岩将处于弹塑性稳定状态 当应力超过霞岩强度之后 巷道周边圈岩将首 先破坏 并逐渐向深部扩展 崴歪在一定深度取得平衡为止 我们将嘲岩中产 生瓣这穆孝登箍破耱带定义为銎窘裣动溜 篱稼松动圈 其力学特注表蕊为应力 降低 松幼区之外为塑性极限平衡区及弹性区 圈3 1 仰 i 欤7 一 jl 执嘲 f 图3l 巷遵曝岩状态分布 图3 2 围岩松动圈声测醒 i s 潘三矿软岩巷道锚注支护研究与实践 围岩松动圈与冒落拱 冒落高度意义不同 松动圈内边界从径向应力等于 零的巷道表面算起 围岩冒落后松动圈边界又从新的稳定边界计算 图 3 2 是采用超声波围岩松动圈测试仪获得的围岩松动圈声测图 国内 外大量的测试结果表明 在煤矿 矿山 隧道工程中 围岩松动圈普遍存在 真正只存在弹塑性状态的围岩极少 在试验室相似模型试验条件下 改变围岩 强度和应力的相互关系 可制造出不同大小的围岩松动圈 见图3 3 围岩的状 态特征决定支护的作用 弹塑性状态的围岩能够自稳 只有当围岩进入到破碎 状态 才能产生支护问题 b 隧3 3 褶叛模鼙主麓嚣老桧动潮 a 一模型上的围岩松动圈 b 一耦翊糕辩不强盛力下翡裣费潮 2 围岩松动阙影响因素分析 阔砉松动圈的大小主簧与囤岩强度和原岩斑力有关 当原者斑力相同时 围岩强度低松动圈大 反之松动圈小 当隧岩强度相网时 原岩应力小松动圈 小 反之松动醐大 相似横型试验得弼盼松动因与蜃籍强度 原籍应力问的莱 系式为 小s s o 笔硼脚 式中k 为松动圈的厚度 c m p 为原岩应力 m p a 凡为岩体单轴抗压强度 m p a 袭3 1 是松凌霆各影嚷霆素模型试验分罄亍缝暴 松动黧憝潭瘦与潮岩强度 关系最大 与原岩应力关系较大 在模拟条件 3 7 m 下 跨度的影响可以忽略 不诗 表3 1 松动鄹各影响因素模烈试骏分析结果 胬素密体强度 原者应力p 巷道跨度d 委交分辑级差r 5 8 94 8 se 7 7 统计分析f 8 0 5 63 5 0 6 0 0 0 0 0 5 f s 1 1 4 一4 6 0 f o f s 1 1 4 w1 6 潘三矿软者巷遴锚注支护研究与蜜践 3 溺岩较麓錾熬慈缓 1 围岩松动圈的性状 根据理论分析和实验室试验 当凰岩各项同性时 如果纛直与水平应力楣等 衡压力系数x t 松瑟黼为圆形 否搿为椭圆形 置椭霹静长轴与最大主 应力0 方向垂直 也就是说骥真应力大 两帮的松动圈大 水平应力大 颂底 缀松动疆大e 如果爨豢嚣嗣羧 巷邀中硬表与较岩申的松旗疆不弱 褒老 嚣强 度低的层位将产生较大的松动圈 2 圈岩松动圈形成的时间性 伴随着围岩应力调整及其重新分布 围岩松动圈的发展形成稳定也有一个 时间过程 现场实测表明 松动圈的形成时间短的需要3 7 天 长的需要1 3 个月 通常所指的是应力调整完成后的稳定松动圈数值 松动圈的形成过程分为两个 阶段 一是开巷后形成的 即时松 动圈 即围岩中集中应力超过围 岩瞬时强度形成的松动圈 即时松 动圈数值一般为最终稳定松动圈 数值的6 0 9 0 岩石硬这一比 数高 软岩则较低 二是在支护完 成后 伴随着围岩长时强度的下 降 松动潮进一步扩展 直至形成 最终长时强度条件下的稳定松动 圈数值 如若不受采动或其他应力 扰动影响 松动圈将稳定不变 图3 4 松动圈一碎胀变形发展过程曲线 巷道收敛量测表明 松动圈发展稳定时间与巷道收敛变形稳定时间是一致 的 但大量的实测表明 松动圈稳定之前的形成过程中 围岩碎胀变形与松动 圈的发展表现出非同步特征 碎胀变形增加速度低于围岩松动圈的发展速度 该特点在采动巷道中表现得尤为明显 图3 4 为松动圈k 与围岩碎胀变形 有 称剪胀变形 u 随时间变化发展示意图 3 围岩松动圈与支护的关系 现场观测表明 当松动圈l 0 时 当松动圈l o o 4 0 c m 时 只喷混凝土 就能有效支护 如果l 1 3 0 1 5 0 c m 一般常用的料石碹 刚性 支护就不适 应了 当l 1 5 0 c m 刚性支护就难以 维护 上述现象说明 松动圈越大 收 敛变形量就越大 支护就越困难 四 围岩物理力学状态分析 图3 5 为围岩松动圈模型示意图 a 点为松动的内边界点 b 点