岩石力学的相关理论及支护技术

岩石力学及支护技术相关理论，主讲人：谭庆龙，制作人：赵艺庞浏阳、尹、1.岩石力学相关理论和实际测量技术和方法。1.围岩松动圈理论。开挖前，井下岩体处于原始应力平衡状态。这种平衡状态在开挖后将被破坏和破坏，使单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。然而，隧道周边成为单向应力状态，其径向应力r降至零，切向应力t集中。当围岩的集中应力t小于岩体强度时，围岩处于弹性变形状态。当围岩的集中应力t大于岩体强度时，围岩将发生松动，从巷道周围向深部发展。这种破碎松散，深入围岩的距离称为围岩松散带的厚度，而这种破碎带称为围岩松散带。2.围岩分类及松动圈的确定围岩的松动圈是由围岩的应力和强度决定的，因此各煤矿的地质条件不同，围岩松动圈的参数也不同。确定围岩松动圈的最佳方法是进行现场测量。我们可以利用围岩裂纹检测仪，根据声波速度和振幅，从而制作巷道围岩声波速度和振幅的变化曲线，并方便地确定松动圈的范围。在实际运行过程中，可根据围岩松动圈支护理论，结合机组实测数据，对围岩进行详细分类。一般情况下，围岩分为三类，即稳定围岩(松动圈LP40cm)、中等稳定围岩(40 cm 150 cm)。根据这一分类，制定了具体的支持方案和措施。对于回采巷道，测点间距可达50m以上。每个测量站可配备多条测量线，每条测量线可配备6-8个测量孔。顶板测量孔应垂直于顶板的顺层方向，其他测量孔可沿煤层倾斜方向布置。根据煤层柱状图，测量孔的长度一般为2 3m。钻孔完成后，用水冲洗钻孔，将探针插入钻孔中，并在注水关闭后进行测试(参见图1和图2的示例)。例如，3。巷道锚杆支护的机理一般是在现有的支护条件下，不可能试图通过支护手段来防止围岩松动和破坏。支护的主要作用是限制围岩松动圈形成过程中挤压力引起的有害变形。为了达到更好的支护效果，锚杆支护的布置和参数必须充分考虑松动圈岩体的变形和破坏。锚杆支护的作用是稳定巷道周围的几个锚杆，使岩体相互压靠，形成接近原岩强度的组合承载结构，从而锚固围岩表层，防止冒落，利用岩体自身的强度实现稳定的支护效果。因此，锚杆支护参数的选择必须适应围岩松动圈岩体的特点，这是确定松动圈参数和选择锚杆支护的基本依据。只有这样，建筑才能达到预期的效果和效果。4.合理选择锚杆支护参数1)围岩稳定性。由于松动圈中围岩自重有限，锚杆不会发挥更大的作用。因此，完整性和耐候性好的围岩可能无法支护，必要时可采用单一喷射混凝土进行支护。这种工程实践表明，混凝土的最大厚度不应超过20厘米。在节省材料的同时，还能起到稳定的支撑作用。2)中等稳定的围岩。根据理论和实践如果松环厚度较大，锚杆太长且受拉力大，不易安装，锚固效果可能不好。因此，在层状岩石结构下，选择较硬的岩层作为锚杆的锚固点，在巷道表面设置金属网进行喷层处理，达到理想的支护效果。根据悬挂理论计算锚杆支护参数的方法锚杆长度的确定。l=: l l P1 L2公式中的锚定长度m；LP围岩松动圈厚度，m；L1锚杆锚固在松动圈外稳定围岩中的深度宜为0.2 0.3m；L2锚杆在巷道中的暴露长度，m(2)确定锚杆之间的排距。当锚杆间距相等时，锚杆锚固力应满足以下条件：3336 qminlpd 2dqmin/(lp)1/2，D锚杆间距，m；Qmin最小锚固力，kn。围岩重力密度，kN/m3。(3)确定螺栓直径。根据每个锚杆悬挂的岩石重量，计算锚杆的直径。D2LpD2/4D2D(Lp)/()1/2，其中：d螺栓直径，mm；螺栓体许用应力，N/mm2。2.巷道支护技术1。煤矿巷道支护形式根据支护作用于围岩的方式，煤矿巷道支护可分为4种类型(1)拱形支护。砌砖支护是一种非常早期的支护方法，目前仍在一些地下洞室和大巷中使用。根据衬砌材料，可分为：石、混凝土砌块、现浇混凝土、现浇钢筋混凝土等。然而，拱支护属于刚性被动支护，不仅支护成本高、施工速度慢、劳动强度大，而且不能适应围岩的大变形。除特殊巷道和硐室外，一般不宜使用。(2)棚式支架。棚支护曾是煤矿巷道的主要支护方式。在20世纪90年代初，这种支持占到了80%以上。根据支撑材料的不同，可分为木支撑、钢筋混凝土支撑和金属支撑，其中木支撑和钢筋混凝土支撑已逐步淘汰。金属支架根据其工作原理分为刚性支架和伸缩式支架。根据支撑材料的不同，分为工字钢、u型钢等。根据截面，分为梯形、拱形、圆形和环形。然而，棚支也属于被动支。支架难以与巷道表面紧密接触，控制围岩早期变形能力差。在复杂困难的条件下，支护效果差，成本高。棚架数量逐年减少，逐渐被锚杆支护所取代。(3)锚喷支护。中国煤矿从1956年开始在岩巷中使用锚喷支护，至今已有50多年的历史。喷射混凝土能及时封闭巷道周围，实施贴身支护，减少水和风对围岩强度的影响。锚杆能及时支护围岩，发挥主动加固作用，充分发挥围岩的自承载能力。经过多年的不断研究、试验和应用，锚喷支护技术在支护理论、支护设计、支护材料、施工机械和技术、质量检验和矿压监测等方面都取得了长足的进步。锚喷支护不仅成为岩巷首选的优越支护形式，也成为煤巷(4)注浆加固的主要支护形式。在破碎煤岩体中掘进或维护巷道时，采用棚式支护或锚杆支护难以取得良好的支护效果。围岩注浆加固是一种有效的方法。注浆浆液可填充围岩裂隙，加固破碎岩体，改善围岩结构，提高围岩自身承载力。目前主要有两种灌浆材料：水泥基材料和聚合物材料，可根据巷道地质和生产条件进行选择。2、煤矿巷道支护理论中国学者在巷道支护理论方面做了大量工作，提出了多种支护理论，并在生产实践中发挥了积极的指导作用。Th根据：联合支护理论，对于复杂困难巷道，仅通过增加支护体的刚度很难有效控制围岩变形。首先要柔软，然后要坚硬，首先要有抵抗力，然后要柔软，然后要适度，并且要稳定支撑。联合支护理论在困难巷道中得到了广泛的应用，但受到了围岩条件较差的挑战。联合支护对一些巷道来说并不理想，需要多次修复和翻新，围岩变形一直不稳定。(3)松动圈支撑理论。根据围岩松动圈支护理论，松动圈一般在：巷道开挖后出现。围岩最大变形载荷是松动圈产生过程中的破碎变形，围岩破裂过程中的破碎变形是支护对象。松动圈越大，破碎变形越大，围岩变形越大，巷道支护越困难。根据松动圈的大小对围岩进行分类，并提出相应的支护形式。(4)围岩强度加固理论。侯朝炯等4提出了加强巷道锚杆支护围岩强度的理论。认为锚杆支护可以改善锚固体的力学参数和锚固岩体的力学特性。锚固区岩体的峰值强度、峰后强度和残余强度可以得到加强。锚杆支护可以改变围岩应力状态，增加围压，提高围岩承载力。此外，我国学者运用弹塑性力学、流变力学、损伤力学、大变形力学等理论分析巷道围岩的变形破坏特征，从不同角度研究巷道压力规律及围岩与支护体的相互作用。随着锚杆支护技术的快速发展和大量应用，锚杆支护理论的发展对锚杆支护作用的性质有了更深、更全面的认识。目前，锚杆支护理论可归纳为三种模式：被动悬挂有损伤或潜在损伤范围的煤岩体；(2)形成一定的结构(梁、层、拱、壳等)在锚定区域；(3)改善锚固区围岩的力学性质和应力状态，控制围岩变形和破坏。通过不断深入的研究，发现锚杆支护的本质功能主要是第三种模式。同时，借鉴美国煤矿锚杆支护的理论和实践经验，发现开挖后立即支护巷道，并施加足够大的安装力，即锚杆预应力，以提高锚杆体的刚度是非常重要的。4.锚杆支护技术的发展全套锚杆支护技术包括地质力学测试与评价、锚杆支护设计、支护材料、施工机械与工艺、支护工程质量检验和矿压监测、特殊地质条件下的支护技术等诸多方面。(1)巷道围岩地质力学测试技术。针对：围岩单元的应力、强度和结构，煤炭科学研究总院采矿设计研究室开发了1号煤矿下煤岩体快速地质力学测试系统，包括小孔径水力压裂地应力测量装置、钻穿法强度测量装置和矿用电子钻孔窥视孔。(2)锚杆支护的设计方法。随着对巷道围岩地质条件的复杂性和可变性的深入理解，以及数值计算在采矿工程中的迅速发展和应用，动态、系统和信息化的设计方法，即动态信息设计方法，得到了广泛的认可和应用。支持设计不是一次性完成的，而是一个动态的过程。初步设计采用数值模拟方法，通过多方案的比较，确定合理的设计参数。该设计充分利用每个过程中提供的信息，实时收集、分析和反馈信息。(3)螺栓支撑锚杆支护施工技术包括施工机具的选择和配置、施工人员的组织、施工程序的安排、安全技术措施等。根据多个矿区的地质和生产条件，通过合理配置施工机械和人员，安排各支护工序的顺序和时间，采用快速安装机械和技术，缩短各工序占用的时间，并配合掘进、运输等环节，形成了煤巷快速施工技术，煤巷锚杆支护速度明显提高。(5)锚杆支护施工质量检查和矿压监测。锚杆支护的施工质量检验主要包括锚杆的锚固性能和安装质量。为了检测锚杆的锚固力，研制了一系列锚杆拔出仪。为检测地脚螺栓的安装质量，研制了地脚螺栓预紧力检测仪。此外，开发了声波锚杆锚固质量检测器来