巷道围岩稳定性及控制技术.ppt

巷道围岩稳定性及控制技术 巷道支护理论是巷道支护选择与设计的基础和关键之一 主要解答不同类型巷道支护 加固 的对象 围岩稳定条件 支护 加固 与围岩相互作用的机制 各种支护 加固 技术优化选择设计方法等根本性问题 其正确与否和完善与否直接关系到井巷工程的经济性 可靠性和安全性 所以 长期以来支护理论一直是采矿技术领域研究的一个重点 煤矿巷道支护经历了木支护 砌碹支护 型钢支护到锚杆支护的漫长发展过程 多年来国内外的工程实践经验表明 锚杆支护是煤矿巷道经济 有效的支护技术 煤矿锚杆支护的发展 使矿井的吨煤成本和巷道的支护成本显著降低 巷道推进速度有了很大的提高 支护质量和安全条件得到了很大的改善 锚杆支护是一项系统工程 它涉及到设计 施工 支护材料 实测技术手段等各个方面 但是都依赖于对锚杆支护机理有一个正确的认识 国内外学者在煤矿巷道锚杆支护机理方面也做了大量工作 提出了多种支护理论 在实际应用中也解决了不少问题 但是由于煤矿巷道地质条件的复杂性和多变性 导致对锚杆支护作用机理的认识还缺乏全面 系统性 缺乏细化的 深入的试验研究 因而难以在工程中真正得到实际的应用 因此 深化了对锚杆支护作用本质的认识 进而指导和促进煤矿锚杆支护技术的发展 本课题将锚杆支护作用机理与巷道围岩的变形破坏方式结合起来 在大量理论分析 实验室试验 数值模拟以及井下试验研究成果的基础上 对锚杆支护作用机理作进一步的解释和完善 四 巷道支护理论学说 三 巷道支护机理 悬吊理论 该理论认为 锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软岩层悬吊在上部较稳定的岩层上 以增强较软弱岩层的稳定性 它所依据的是这样一种认识 井下巷道开挖后 巷道上方的岩层会发生弯曲下沉 如果不及时进行支护 层状直接顶会与老顶发生分离并会发生冒落 在这种情况下 顶板锚杆通过其张力将直接顶 钉 在具有自承能力的老顶上 锚杆需要承受被悬吊岩层的自重 虽然悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用 但在分析过程中不考虑围岩的自承能力 而且将被锚固体与原岩体分开 这与实际情况有一定差距 如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软弱层较厚 围岩破碎区范围较大 无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上 悬吊理论便不适用 三 巷道支护机理 组合梁理论 该理论认为 在层状岩体中开挖巷道 当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时 锚杆的悬吊作用居次要地位 如果顶板岩层中存在若干分层 顶板锚杆的作用将表现在两方面 一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力 防止岩石沿层面滑动 避免各岩层出现离层现象 另一方面 锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度 阻止岩层间的水平错动 从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层 即组合岩梁 组合梁理论是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释 在分析中 将锚杆作用与围岩的自稳作用分开 与实际情况有一定差距 而且随着围岩条件的变化 在顶板较破碎 连续性受到破坏时 组合梁也就不存在了 组合梁理论只使用于层状顶板锚杆支护的设计 对于巷道两帮则不适用 三 巷道支护机理 组合拱理论 该理论认为 在拱形巷道围岩的破碎区中安装预应力锚杆时 在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力 当沿巷道周边布置锚杆群 只要锚杆间距足够小 各个锚杆形成的压应力圆锥体相互交错 就能在岩体中形成一个均匀的压缩带 即承压拱 亦称组合拱或压缩拱 这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷 在承压拱内的岩石径向以及切向均受压 处于三向应力状态 其围岩强度得到提高 支撑能力也相应加大 因此 锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度 其厚度越大 越有利于围岩的稳定和支承能力的提高 组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理 但在分析过程中没有深入考虑围岩 支护的相互作用 只是将各支护结构的最大支护力简单相加 从而得到复合支护结构总的最大支护力 缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨 计算也与实际情况存在一定差距 一般不能作为准确的定量设计 但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考 三 巷道支护机理 围岩强度强化理论 中国矿业大学候朝炯教授等在已有研究的基础上 提出巷道锚杆支护围岩强度强化理论 该理论基本内容如下 1 锚杆支护的实质时锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固拱 形成统一的承载结构 2 锚杆支护可提高锚固体的力学参数 如弹性模量 粘聚力 以及内摩擦角等参数 改善被锚固岩体的力学性能 3 巷道围岩存在破碎区 塑性区以及弹性区 锚杆锚固区内岩体的峰值强度 峰后强度及残余强度均能得到强化 4 锚杆支护可以改变围岩应力状态 增加围压 并且提高围岩承载能力 改善巷道支护状况 5 围岩锚固体强度提高后 可减小巷道周围的破碎区 塑性区范围和巷道表面位移 控制围岩破碎区 塑性区的发展 从而有利于巷道围岩的稳定 围岩强度强化理论强调巷道松散围岩的峰后特性 及锚杆对峰后强度围岩的力学性能的改善作用 它揭示了锚杆支护对提高围岩峰值强度和残余强度的作用 三 巷道支护机理 刚性梁理论 我国留美学者郭松等总结煤巷高预应力锚杆支护的应用情况提出刚性梁理论 该理论的要点在于通过锚杆及时提供的很高的预应力来形成刚性顶板 刚性顶板本身形成一个压力自撑结构 即刚性梁 充分利用水平应力来维护顶板稳定性 同时减缓两帮围岩的应力集中和岩体破坏 进而从根本上维持围岩稳定 刚性梁理论认为通过加大锚杆的预紧力可以相应地减小所用的锚杆长度 因而这种理论推出开始曾经对生产现场有很强的吸引力 但是 这种理论的基本原理目前仍有很大争议 国内按照这种理论在矿区巷道进行的有限尝试也因巷道发生多起冒顶以失败而告终 三 巷道支护机理 锚固平衡拱理论 该理论认为 锚杆支护对于提高围岩 特别是松散围岩 自身的最大承载能力没有明显效果 但当围岩产生塑性破坏后 对提高围岩的残余强度及承载能力有显著效果 锚杆与其锚固范围内的煤体构成一种组合型的锚固支护体 在锚杆的约束与抗剪作用下 使塑性破坏后易于松动的煤体或煤顶形成具有一定承载能力 并可适应围岩变形的平衡拱 从而提高了煤体的整体性 防止顶煤松散冒落 锚固平衡拱内存在着关键承载环 对巷道顶板可起到有效的支承作用 全长锚固锚杆的作用就是通过对其锚固长度范围内的煤体提供轴向和横向约束 可有效地阻止煤块体之间的相互错动 防止锚固体的松散变形 保持锚固体的整体性 从而提高顶煤的承载能力和稳定性 该理论实质上是围岩强度强化理论 组合梁理论和组合拱理论的组合 在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理 但是理论本身仍然过于笼统抽象 很难用于现场锚杆支护设计 三 巷道支护机理 最大水平应力理论 最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔博士于八十年代后期提出 该理论认为 巷道开挖引起应力重新分布时 垂直应力向两帮转移 而水平应力向顶 底板中转移 所以 垂直应力的影响主要显现于两帮 而水平应力影响则主要显现于顶 底板岩层 井下地应力观测表明 岩层中的水平应力在很多情况下大于垂直应力 而且水平应力具有明显的方向性 表现出以下特点 1 当巷道轴向与最大水平主应力方向平行时 受水平应力影响最小 对巷道顶 底板的稳定最为有利 2 当巷道轴向与最大水平主应力方向垂直时 受水平应力影响最大 对巷道顶 底板的稳定最为不利 3 当巷道轴向与最大水平主应力以一定角度斜交时 巷道一侧出现应