【《交岔巷道围岩破坏机理及支护技术研究综述》5400字】

交岔巷道围岩破坏机理及支护技术研究综述目录TOC\o"1-3"\h\u6580交岔巷道围岩破坏机理及支护技术研究综述 1101611.1围岩变形破坏机理 1232731.2交岔巷道围岩破坏机理分析 5213181.3交岔巷道支护技术 8301251.4小结 101.1围岩变形破坏机理潘三矿巷道揭露的岩性主要为砂质泥岩，岩体强度较低，且局部经过断层破碎带，在这种岩性中进行巷道施工，其围岩受地层深度带来的三向地压，且岩体偏软，这将导致巷道的变形过大，因此有必要对潘三矿巷道围岩的变形破坏机理进行研究，为后期巷道的支护设计提供参考，确保巷道施工的顺利进行。1.1.1巷道围岩应力分布形式参考钱鸣高等ADDINNE.Ref.{F0ADBFF7-CF8C-4A36-AE28-8075FE526AF3}[78-80]得出的围岩变形破坏机理可知，巷道未开挖之前，岩体在三个方向上均受到压应力作用，并且保持相对稳定的三向受压状态。巷道施工过程中，围岩受到扰动，原始的三向受压状态发生改变，出现了应力重分布现象。同时，受巷道截面几何形状的影响，巷道断面会发生应力集中现象。这将导致部分围岩的应力状态发生改变，由原始的三向受压状态向单向受压或者两向受压状态进行转变。当岩体所受应力超过其极限强度时，围岩会发生碎裂、破坏，这将对巷道施工安全性带来巨大影响。图18应力分布和变形破坏区Fig.18Stressdistributionanddeformationfailurezone图18反应了巷道掘进过程中围岩应力和变形的分布情况，其中A是围岩破碎区、B是围岩塑性区、C是围岩弹性区、D是围岩原岩应力区；Pi是支护阻力、P是原岩应力、σr是径向应力、σθ是切向应力；R0是塑性区，a是巷道半径。在围岩破碎区(A区)内，围岩的结构受到破坏，导致围岩整体性的损伤破坏，常会伴随着位移现象，其强度和承载能力也发生了比较显著的降低。在围岩塑性区(B区)内，围岩承受的外荷载远超弹性状态下的外荷载，出现强度弱化现象，此时围岩应力随外荷载的增加而逐渐增加，达到岩体极限强度时，围岩强度并非立即失效，而是以一种缓慢的速度逐渐降低，直至围岩破坏，退出工作。巷道施工完成后，围岩应力重分布，并随着时间的推进逐渐趋于稳定，围岩变形量也会随着时间的推进先增加后趋于稳定。此时，依据巷道支护结构的承载能力，围岩变形会出现如下两种结果：(1)围岩变形产生的附加荷载处于支护结构的承载范围内时，支护结构很好的控制了巷道变形，此时巷道处于稳定状态。(2)围岩变形产生的附加荷载超出支护结构的承载范围内时，支护结构无法控制巷道变形，最终导致巷道的失稳破坏。运用围岩极限平衡的有关理论，并同时假设围岩四周的压力条件是完全一样的，R表示围岩塑性区半径、表示塑性区径向应力、表示塑性区切向应力和表示围岩的周围位移，其具体的计算公式如下：(1)塑性区应力表达式：①径向应力：(3-1)②切向应力：(3-2)③塑性区半径R：(3-3)④周围位移：(3-4)式中：G是剪切弹性模量。(2)弹性区应力表达式：①切向应力：(3-5)②径向应力：(3-6)式中：表示原岩应力；表示内摩擦角；表示支护阻力；r表示所求应力处半径；a表示巷道半径；c表示粘聚力。结合上述巷道围岩塑性区计算公式和钱鸣高等ADDINNE.Ref.{F0ADBFF7-CF8C-4A36-AE28-8075FE526AF3}[78-80]的研究成果，进一步研究岩体力学特性(粘聚力和内摩擦角)对巷道塑性区半径的影响规律，如下表所示。表3-1塑性区半径变化规律Table3-1Variationlawofplasticzoneradius粘聚力/MPa1.54.04.55.05.5塑性区半径R/m1.301.181.091.051.00内摩擦角/°1020304050塑性区半径R/m1.501.451.401.291.18(a)粘聚力对围岩塑性区影响(b)内摩擦角对巷道塑性区影响图19岩石特性对围岩塑性区影响Fig.19Influenceofrockpropertiesonplasticzoneofsurroundingrock由图19(a)可知，随着岩石粘聚力的增加，巷道塑性区影响半径非线性减少，由1.3m缩减至1.0m；由图19(b)可知，随着岩石内摩擦角的增加，巷道塑性影响半径非线性减少，由1.5m缩减至1.2m。因此，可以得出结论，当围岩体强度较低时（低粘聚力和内摩擦角），在支护方案选择和设计时因格外重视岩体的塑性区影响半径。同时，上述塑性区影响半径计算公式，可以为巷道围岩支护结构的选择提供参考。基于上述分析与已有的工程案例可知，巷道破坏主要包括剪切破坏和拉裂破坏。(1)剪切破坏①顶板：当受切向压应力作用时，致使原生裂缝逐渐发育，带动巷道顶板发生塑性剪切破坏；②帮部：当受水平和垂直双向应力作用时，致使巷道帮部及其附近围岩产生一定角度的塑性剪切破坏；③底板：当受水平应力作用时，致使巷道底板及其附近围岩内部裂缝逐渐扩展，发生滑动剪切破坏。(2)拉裂破坏①顶板：当受水平和垂直双向应力作用时，巷道顶板抗拉强度值超限，致使顶板拉裂，发生“冒落拱”现象；②帮部：当受水平压应力作用时，巷道帮部抗拉强度值超限，致使帮部拉裂，并被迫向巷道内部变形，发生“鼓出”现象；③底板：当受垂直反压应力作用时，巷道底板抗拉强度值超限，致使底板拉裂，被迫向巷道内部变形，发生“底鼓”现象。1.2交岔巷道围岩破坏机理分析潘三煤矿东一采区2121(3)轨顺进料巷除1.1节面临的复杂围岩应力状态外，还面临着双巷道交叉的施工难题，如图20所示，巷道交岔角度为60°，所处埋深约为730m。基于单巷道围岩变形破坏机理，研究出交岔巷道围岩的变形破坏机理对该处支护方案的设计具有重要意义。图20潘三煤矿东一采区数值计算模型Fig.20NumericalcalculationmodelofDongyiminingareaofPansanCoalMine对于交岔巷道而言，围岩的力学特性、地层的初始应力、巷道断面形状、开挖工序以及支护结构等因素同样是影响围岩应力分布和变形破坏的关键所在，因此，为了方便计算交岔巷道围岩的应力分布情况，分别对交岔巷道的受力特征和尺寸特征进行简化.(1)受力特征简化假设交岔巷道空间受力可以简化成水平方向与竖直方向的叠加，如图23所示。(a)水平计算模型(b)竖直计算模型图21交岔巷道受力简化示意图Fig.21Simplifiedstressdiagramofintersectionroadway如图21所示，交岔巷道共需经过三次开挖工序。第一次开挖是主巷道的施工，对巷道围岩造成首次扰动；后两次开挖是次巷道施工，分别对巷道围岩造成了二次、三次扰动，至此，交岔巷道的围岩将经历三次应力重分布过程。巷道每次开挖施工，其围岩的应力状态都会产生一定的变化，并且在侧帮的位置上会发生应力集中现象，导致巷帮位置处的应力增大。当巷道帮部承受的总应力大于围岩极限承载力时，围岩将会发生变形破坏，最终导致巷道交岔位置处的围岩失稳破坏。(2)尺寸特征简化基于圆形断面巷道的围岩受力变形计算公式，考虑在弹性状态条件下，交岔巷道的三角区位置处，其应力σt以及应力集中系数K的近似解如下所示[66,78,80]：(3-11)(3-12)式中：σ1为原岩的垂直应力；σ2为原岩的水平应力；α为主、支巷交岔角；ρ、θ为某点应力的极坐标；γ1为交岔点巷道中心至塑性变形圈边界的距离；为巷道截面宽高比，；λ为侧压系数(λ=σ2/σ1)。假设交岔巷道设计的关键位置共分为3处，如图22所示，且3个断面均为直墙弧拱型，计算过程中通过等效面积法将其转化为圆形断面进行计算。令=P，=λP，将其代入式(3-11)可得式(3-13)(3-13)由圆形巷道的塑性破坏区半径计算公式得：(3-14)式中：P0为初始地应力；C为岩石的内聚力；φ为内摩擦角。以潘三煤矿东一采区交岔巷道模型为基本计算模型，其中巷道高度5.2m、宽度4.2m，通过等效面积法将交岔巷道3个典型断面简化成圆形断面。计算模型参数取自第二章，岩层大主应力为29.3MPa，岩体平均密度23kg/m3，侧压力系数为0.8，巷道交岔角度60°。其应力集中系数K的计算结果分别如表3-2所示。图22交岔巷道尺寸简化示意图Fig.22Simplifiedschematicdiagramofintersectionroadwaysize表3-2典型断面尺寸简化Table3-2Typicalsectionsizesimplification断面标号1-12-23-3原始尺寸/m5.2×4.25.8×4.210.4×4.2简化尺寸/mΦ5.14Φ5.42Φ7.24应力集中系数K1.01.05.0弹性状态下，3个典型断面中，3-3断面交岔角度最小，应力集中系数K值最大，即此处为最危险区域。因此，截面3巷道交岔点区域最容易出现应力集中现象，使得该区域的岩体提前破坏进入塑性状态。1.3交岔巷道支护技术1.1.1交岔巷道支护的基本特征深层巷道施工之后，采用注浆支护技术和预应力锚杆支护技术进行支护施工时，支护效果常达不到预期的要求，其根本的原因在于围岩和支护结构不能够达到较好的耦合效果，因此解决围岩和支护结构之间的耦合问题就显得至关重要。同时，其耦合的基本特征表现在强度耦合、刚度耦合和结构耦合。(1)强度耦合在深层巷道施工时，围岩受到施工扰动影响，其本身将产生很大的变形能，如果此时仅选用预应力锚杆支护方式进行施工，是无法完全限制住其产生的变形破坏。围岩自身产生的巨大变形能需要最大化地释放出来，这时候在强度方面进行耦合的方法可以对预应力锚索产生一种有效的保护作用，在围岩承载强度的允许范围之内，锚索根据其自身所具有的某些特性，对围岩强度进行补充，从而提高围岩的稳定性。(2)刚度耦合围岩刚度和支护结构刚度都与围岩的变形破坏有着某些影响和联系，这就要求支护结构具有抵抗空间变形的能力，由变形破坏而引起的能量集中的现象足以得到抑制。除此之外，支护结构还要具有良好的刚度和变形能力，这样才能够更好地将其自身的变形能消除。最后还要确保支护结构在工作时的轴力能够与岩体自身的变形达到相互适应的状态。(3)结构耦合围岩自身具有多个结构面，在巷道变形的时候，其表现形式是结构面的变形。针对这一特性，在不连续变形的结构面处通过选用支护结构，并实施结构耦合的控制，进一步阻止了围岩变形，提升了围岩巷道的整体稳定性。1.1.2交岔巷道联合支护技术基于上文大量交岔巷道支护工程实例表明，单一的支护技术无法很好的控制交岔巷道的变形，比如单一的锚杆支护、锚索支护、注浆支护等；而联合支护方案可以较为可靠的控制交岔巷道的变形，比如：“锚杆+锚索”联合支护结构、“锚杆+注浆”支护结构“锚杆+锚索+注浆”支护结构等。其中，“锚杆+锚索+注浆”支护结构对交岔巷道的变形控制效果最好。分析原因，这与三种支护结构的组合效应有关。对于锚杆支护而言，受锚杆长度的限制，锚杆一般支护的有效区域较短，同时巷道近距离围岩层原有的裂缝、复杂层理和挤压结构面进行有规则的修复，提高了围岩的整体性。对于锚索支护而言，其支护的有效长度较长，可以将巷道较远机理围岩原有的裂缝、复杂层理和挤压结构面进行有规则的修复，提高了较远处围岩的整体性。对于注浆加固而言，其对围岩修复的效果最好，可以充分修补围岩中的裂隙，使其整体性提高较多，同时会在巷道四周产生一个拱形加固区，减少围岩开挖扰动造成的应力集中。当这三者联合使用时，注浆形成的加固区使得巷道周围围岩强度得到了保证，尤其是在巷道交岔点附近。而锚杆、锚索联合支护，极大提高了巷道近距离范围内围岩的整体性，提高了巷道较远范围内围岩的整体性。深层巷道围岩开挖施工的时候，受环向应力作用的影响，导致在围岩的自由面上产生了一些径向的应力，并引起巷道围岩产生剪切变形被破坏或者产生拉裂变形被破坏，破坏的范围延伸扩大最终形成围岩松动圈，同时，围岩应力的峰值移到远处。在松动圈内的围岩，发生变形破坏的时候，一定大小的变形能量被释放出来，则围岩应力对其影响作用就显得比较小，同时三向的应力作用在围岩应力的峰值附近的围岩体上。该支护体系的物理力学性能很好，承载的效果也十分显著，同时具有主承载拱可以承载主要的围岩应力。首先布置的是预应力锚杆，其施加预紧力的两端部分会由于预紧力的原因对围岩体产生挤压的作用，同时锚杆具有抗剪切的能力。故在深度较浅的位置处，锚固破碎的围岩体，从而形成一种拱形的承载体，与原本产生破坏的情况相比较而言，承载能力和物理力学性能都得到较为显著地提高，则产生变形破碎的区域被限制住不再发展，同时形成次承载拱，用于承载巷道围岩应力结构。最后布置的是预应力锚索，其长度较长，在深度大的围岩中得到运用，主承载拱和次承载拱叠加起来，形成叠加承载拱，其承载力更大，同时围岩承载情况以及围岩稳定状况都得到了大幅的改善。赵长红ADDINNE.Ref.{BAAACC5A-53CD-40A3-A72F-34FE8C5B599D}[69]采用“锚杆+锚索+喷浆”的联合支护技术，有效的控制巷道交岔点的变形，并提出了“让压柔性支护+封闭刚性”支护的组合支护技术；王波等ADDINNE.Ref.{388C2379-BD75-4D9D-BEC9-0E8F42244284}[70]在许疃矿巷道交叉点施工项目中，“注浆+锚杆+锚索”联合支护效果监测结果表明，加固后的巷道两帮变形值低于100mm，顶底板位移量低于85mm，相较于传统支护方式，联合支护方式更加有效的控制了巷道变形。郭廷稳ADDINNE.Ref.{D37687CF-60CF-420C-A7FC-F261582850B5}[71]采用该联合支护方案，对某矿车场巷道1号交岔点进行支护，施工监测结果表明，“锚杆+锚索+喷混”的联合支护技术可以很好的控制交岔巷道变形。张晶晶ADDINNE.Re