高应力软岩巷道破坏机理及锚注技术研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 高应力软岩巷道破坏机理及锚注技术研究 姓名张琨 申请学位级别硕士 专业岩土工程 指导教师任建喜 20090520 论文题目高应力软岩巷道破坏机理及锚注技术研究 专业岩- t - - r 程 硕士生张琨 签名 丞湿 指导老师任建喜 签名 幺配旌 摘要 开展煤矿高应力软岩巷道支护技术研究具有重要的理论意义和工程实用价值。本文 以魏家地煤矿二号石门巷道返修工程为依托，采用理论分析、现场监测和F L A C ．3 D 模拟 相结合的方法，对高应力软岩巷道的围岩变形规律及其返修技术进行了研究。主要内容 与结论有 1 研究了高应力软岩巷道的变形破坏机理，分析了影响高应力软岩巷道稳定的 主要因素。影响高应力软岩巷道稳定的主要因素有巷道围岩的性质、巷道位置、埋深、 地下水的作用、巷道的断面尺寸、掘进破岩方法、暴露时间、采动影响、构造应力影响 以及支护方式等。高应力软岩巷道围岩变形具有流变性、大变形、难控制的特点。 2 采用钻孔内窥仪完成了围岩松动圈范围测试研究，分析了二号石门巷道破坏 的主要原因。完成了高应力软岩返修巷道的支护设计，确定采用锚杆 索 、锚注联合 支护方案作为二号石门半煤岩巷道段的返修方案，给出了支护参数。 3 设计了二号石门巷道的返修施工监测方案，采用信息化技术进行施工，进行 了巷道变形、锚杆 索 受力规律监测研究。结果表明高地应力软岩巷道的变形主要 以两帮收敛和底鼓为主。锚索对控制巷道深部围岩变形有重要作用。注浆可以将松散围 岩胶结成一个整体，使得锚杆和锚索成为全长锚固，可有效地控制围岩变形。 4 采用F L A C ．3 D 软件进行了全煤巷道段开挖施工过程三维仿真计算，分析了巷 道围岩支护前后的变形演化规律，研究了巷道变形与巷道掘进工作面距离之间的关系， 讨论了二号石门巷道施工对邻近巷道稳定性的影响规律，建议了二号石门巷道合理的施 工措施。 关键词高应力软岩巷道；破坏机理；锚注；监测；F L A C ．3 D 模拟 研究类型应用基础研究 S u b j e c t R e s e a r c ho nt h eM e c h a n i s mo fF a i l u r eo fS o f tR o c kR o a d w a y w i t hH i g hG e o - s t r e s sa n dB o l t - g r o u t i n gT e c h n i q u e S p e c i a l t y G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g N a m e Z h a n gK u n I n s t r u c t o r R e nJ i a n x i A BS T R A C T S i g n a t u r e S i g n a t u r e R e s e a r c hs u p p o r tt e c h n o l o g yo fs o f tr o c kr o a d w a yw i t ht h eh i g hg e o s t r e s so fm i n eh a s i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u e ．T h i sa r t i c l ei sb a s e do nr o a d w a yr e p a i r p r o j e c to fW e iJ i ad ic o a lm i n e ，u s et h em a n n e ro f c o m b i n ea s s u ／n es t u d yd e f o r m a t i o no ft h e s u r r o u n d i n gr o c ko fs o f tr o c kr o a d w a yw i t ht h eh i ．g hg e o - s t r e s sa n dr e p a i r i n gt e c h n o l o g yb y t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i n - s i t um o n i t o r i n ga n dF L A C 3 Ds i m u l a t i o nm e t h o d ．T h em a i nc o n t e n t s a n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 S t u d i e dt h ed e f o r m a t i o nf a i l u r em e c h a n i s mf o rs o f tr o c kr o a d w a yw i t ht h eh i g h g e o s t r e s s ，t h em a i ni m p a c tf a c t o ro fs t a b i l i t yf o rs o f tr o c kr o a d w a yw i t ht h eh i 曲g e o s t r e s si s a n a l y s i s e d ．a r et h en a t u r eo fs u r r o u n d i n gr o c k ，l o c a t i o na n dd e p t ho fr o a d w a y , t h er o l eo f g r o u n d w a t e r , r o a d w a yc r o s s - s e c t i o ns i z e ，m e t h o d so fe x p l o s i o n , e x p o s u r et i m e ，t h ei m p a c to f m i I l i n g ，t h ei m p a c to ft e c t o n i cs t r e s s ，s u p p o r tt h et y p eo fc a r ea n dS Oo n ．T h ei m p a c to f s t a b i l i t yo fs o f tr o c kr o a d w a yw i mt h eh i 曲g e o s t r e s sm a i nf a c t o r s t h en a t u r eo fs u r r o u n d i n g r o c k ，l o c a t i o na n dd e p t ho fr o a d w a y , t h er o l eo fg r o u n d w a t e r , r o a d w a yc r o s s - s e c t i o ns i z e ， m e t h o d so fe x p l o s i o n , e x p o s u r et i m e ，t h ei m p a c to fm i n i n g ，t h ei m p a c to ft e c t o n i cs t r e s s ， s u p p o r tt h et y p eo fc a r ea n dS Oo n ．D e f o r m a t i o no fs o f tr o c kr o a d w a y 、Ⅳi t ht h eh i g hg e o s t r e s s w i n lr o c kr h e o l o g y , l a r g ed e f o r m a t i o n ，u n m a n a g e a b l e ． 2 R e s e a r c hs u r r o u n d i n gr o c kl o o s ec i r c l er a n g et e s t st h eb yd r i l l i n gw i t h i ne n d o s c o p e ． a n a l y s i so ft h ed e s t r u c t i o nm a i nr e a s o nf o rt h es e c o n dr o c kc r o s s c u tr o a d w a y ．C o m p l e t e dt h e r e p a i rs u p p o r td e s i g no fs o f tr o c kr o a d w a y 、杭n 1t h eh i g hg e o - s t r e s st od e t e r m i n et h ea n c h o r b o l t s c a b l e ，b o l t g r o u t i n gc o m b i n es u p p o r tp r o g r a ma st h es e c o n dr o c kc r o s s c u ts e m ic o a l a n dr o c kr o a d w a yr e w o r kt h ep r o g r a m ，g i v e nt h es u p p o r tp a r a m e t e r s ． 3 D e s i g nc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gp r o g r a m so fr o a d w a yr e w o r k ．t h eu s eo fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yc o n s t r u c t i o nf o rt h er o a d w a yd e f o r m a t i o n ，t h el a wo fa n c h o rb o l t s c a b l e f o r c e 盎 i n - s i t um o n i t o r i n g ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a t d e f o r m a t i o no fs o f tr o c kr o a d w a yw i t ht h eh i 班 g e o s t r e s sm a i n l yb e t w e e nt w og r o u p so fc o n v e r g e n c ea n da tt h ee n do ft h em a i nd r u m ． A n c h o rc a b l et Oc o n t r o lt h ed e e pt u n n e lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr o c kd e f o r m a t i o n ．G r o u t i n g C a nb el o o s e l yc e m e n t e dr o c ki n t oa w h o l e ，m a k i n gat o t a ll e n g t ha n c h o ro fa n c h o rb l o t sa n d a n c h o rc a b l eh a sb e c o m e ，t ob ee f f e c t i v ei nc o n t r o l l i n gt h ed e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k ． 4 F L A C 一3 Ds o f t w a r eu s e df o rt h et t m n e le x c a v a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no f t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sf o rf u l lc o a l ，a na n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o nb e f o r ea n d a f t e rs u p p o r te v o l u t i o nt os t u d yt h ed e f o r m a t i o no ft h er o a d w a ya n dt h er o a d w a yh e a d i n gf a c e a w a yf r o mt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s c u s s i o no ft h es e c o n dr o c kC R O S S c u tr o a d w a y r o a d w a yc o n s t r u c t i o no nt h es t a b i l i t yo fn e i g h b o r i n gl a wp r o p o s e dr o a d w a yo nt h et h es e c o n d r o c kc r o s s ．c u tr e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o nm e a s u r e s ． K e yw o r d s S o f tr o c kw i t hh i 曲g e o s t r e s sr o a d w a y M e c h a n i s mo fd e f o r m a t i o na n d f a i l u r e B o l t - g r o u t i n g S u p p o r t i n gM o n i t o r i n g F L A C - 3 D T h e s i s A p p l i c a t i o nF u n d a m e n t a ls t u d y 要料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文巾加以标注和致谢的地方外，论文叶l 不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名驭沈日期矽7 罕胡幻a 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章‘一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名多久沈 指导教师签名A 镒S - r ．z ∥厂年厂丹分日 1 绪论 1 绪论 1 ．1 问题提出及研究的意义 高应力巷道围岩 支护结构 的稳定性是一个复杂的岩石力学问题【l 】，从理论上讲， 井下巷道围岩稳定性的基本决定因素是围岩应力与围岩 支护 强度，围岩应力超过围 岩 支护 强度时，巷道将处于一种不稳定状态。但影响巷道稳定性的因素很多，例如， 巷道围岩的性质、围岩结构和破坏情况、巷道位置、深度、巷道轴线方向、地下水的作 用、巷道的断面尺寸、掘进破岩方法、暴露时间、采动影响、构造应力影响以及支护类 型等。 随着我国矿井开采深度逐年增加，采深己由浅部向深部发展，巷道的围岩应力也随 矿井开采深度增加而增大，围岩条件变得更加复杂，出现了地压显现 巷道围岩应力 十 分强烈、巷道变形急剧增大、巷道底鼓及巷道两帮片帮严重【2 l ，并且在一些岩巷中有岩 爆发生、地温普遍增大等现象，这些都严重地危害了巷道围岩的稳定性和巷道维护，并 成为制约深部开采矿井安全生产的主要因素。正是由于深部矿井开采存在着上述的这些 制约因素，深部巷道围岩稳定性分析和巷道支护技术不能简单地照搬现存的巷道围岩稳 定性的分析方法和巷道支护技术，必须根据不同的情况和条件以及影响因素的主要矛盾 和次要矛盾进行重点的综合的分析。全国煤矿顶板事故中有l ／3 ～l ／2 就发生在巷道工程 中，而且有不断增加的趋势。因此，深部巷道围岩的稳定性控制是目前深部开采矿井正 面临的急需解决的问题。深部煤矿巷道围岩稳定性控制的研究，主要包括深部巷道围岩 稳定性分析、巷道围岩变形规律的研究、巷道支护技术的研究。 高应力岩体力学基础研究是岩石力学领域的重要课题之一，已有许多成果发表，但 由于问题的复杂性，该问题仍需进一步研究。因此，本论文拟考虑西部煤矿深井开采的 实际，研究西部煤矿高应力软岩巷道的破坏规律及其巷道支护设计理论。 随着越来越多的煤矿进入深部开采，由于深部岩石具有高应力、高温、流变现象严 重的三个特点，高应力煤矿巷道的破坏模式、破坏规律、支护技术等问题成为深井开采 中急需解决的问题之一。开展高应力软岩巷道破坏机理及其支护技术与数值模拟研究具 有重要的理论意义和工程应用价值。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国内研究现状 自“九五”以来，煤巷锚杆支护就成为我国煤矿工业的主要技术发展方向，并且越来 l 西安科技大学硕士学位论文 1 l i 1 1 i 宣i i i i 置宣宣暑暑宣昌i 宣i 越重要。锚杆支护技术的应用使人们越加重视对锚杆支护巷道受高应力作用的研究。 随着关键层理论、锚杆支护、锚网索联合支护、留空让压技术等采矿及相关技术的 发展，巷道设计和支护技术也得到了快速的发展。给煤矿安全生产带来了技术支撑I j 】。 王连国等提出了以内注浆锚杆为核心的锚注支护体系，来解决深部高应力软岩巷道 支护难题。井下试验表明锚注支护不仅保持了深部高应力软岩巷道的稳定，而且提高 了施工速度，节约了支护成本，技术经济效益十分显著，具有广阔的推广应用前景H 。 在实际的现场生产中，地质条件较好的矿井都采用了锚网、锚索等新的主动支护技 术，在条件较差的矿井，大多采用金属架支护或综合支护技术。对半煤岩巷道，多采用 金属材料支护或综合支护技术。对偶然因掉顶、偏帮或受断层等客观因素影响的非常规 断面支护进行特殊支护的，都是进行刹顶背帮后达到或基本达到常规断面的形状后，按 照常规断面支护技术进行支护的。 所谓工程软岩I J ，是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。目前流行 的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，同时应强调软岩所承受的工 程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的 相对性实质。 按照工程软岩的定义，根据产生塑性变形的机理不同，将软岩分为四类，即膨胀性 软岩 或称低强度软岩 、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。软岩具有两个工程 特性，软化临界荷载和软化临界深度；软岩具有五个力学属性，可塑性、膨胀性、崩解 性、流变性和易扰动性[ o j 。 对于几百米甚至上千米深度的煤矿软岩巷道，其支护荷载的确定一直是一大难题。 通过科研攻关，已经基本解决，为定量化设计提供了可靠数据。在煤矿软岩巷道支护方 面，形成了锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架系列技术、钢架支护系列技术、钢筋混 凝土支护系列技术、料石碹支护系列技术、注浆加固系列技术和预应力锚索支护系列技 术。 但是由于各方面原因，我国煤矿软岩技术在理论上、设计上、支护技术及配套设备 上仍然存在一些问题。 软岩巷道支护盲目性的表现之一是对其变形力学机制不清楚J 。不同的软岩在其特 定的地质力学环境中所表现出的变形机制不同。软岩巷道之所以具有大变形、大地压、 难支护的特点，是因为软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种 变形力学机制的“并发症”和“综合症”是复合型变形力学机制。 采动影响实质上是回采引起的支承压力的作用影响。支承压力有个形成发展和稳定 的过程，从而影响着巷道围岩变形的特征。 对于较为完整的顶板，在未受采动影响或者采动影响较小时，锚杆的组合梁作用较 为明显，围岩变形较小；而对于较为破碎的层状顶板或受动压的剧烈影响时，锚固体的 2 1 绪论 组合成拱效应则起关键作用，不仅可适应围岩的剧烈变形而且还能使变形处于受控状 态。按此理解，锚杆仅仅是使组合梁和组合拱保持稳定的构件。无论何种支护形式，受 动压影响，巷道围岩均要产生剧烈变形p J 。但是，支护形式不同，适应及控制围岩变形 的程度不同。锚杆支护巷道顶板位移发生了较大变化，但随后位移处于受控状态，同时 使顶板深部的围岩变形也得以有效控制，说明锚杆支护既允许围岩有位移又能使位移得 以控制，具有柔性卸载作用，甚至能够同被加固岩体作整体移动。在锚杆与围岩的相互 作用中，保持着围岩位移与支护抗力之间的动态平衡。 有效地保持组合梁作用是形成拱效应作用的基础。锚杆的组合梁作用得以充分发挥 的关键因素是预应力，应保持有效的摩擦作用。锚杆支护的组合拱作用，对于维持围岩 稳定并防止失稳起着关键作用。因此应根据具体围岩条件，考虑到采动的影响，调节锚 杆长度、锚杆间距和锚杆预应力等参数。为提高拱的平衡能力，可采用长锚杆、锚索的 悬吊作用及组合作用。应注意斜锚杆的成拱作用机制，提供足够的抗剪阻力并防止顶板 沿角隅处破裂缝滑落。 。 我国煤矿软岩工程技术的发展起始于矿产资源开发工程【y J 。2 0 世纪6 0 年代，煤矿 软岩问题在部分矿区开始出现，2 0 世纪7 0 年代就更为广泛，引起了有关部门的高度重 视。原煤炭部从“六五”开始，继“七五”和“八五”均有计划地将软岩巷道支护及监测技术 列入煤炭部科技发展规划，组织各方面力量进行科研攻关。中国科学院系统的地质研究 所和武汉岩土力学研究所、水利部、煤科总院北京开采所与建井所、吉林长春煤研所、 中国矿业大学、东北大学、山东矿业学院、淮南矿业学院、西安矿业学院、阜新矿业学 院等在软岩巷道围岩控制的基础理论、软岩的岩性分析及工程地质条件、软岩巷道围岩 变形力学机制、软岩巷道围岩控制、软岩巷道支护设计与工艺及施工和监测方面进行了 试验研究，取得多方面的科研成果；煤科总院上海分院、南京煤研所，在软岩巷道掘进、 支护施工机具研制方面也做了不少卓有成效的工作。国内各涉及到软岩的生产建设单 位，如辽源梅河、平庄、淮南、龙口、舒兰、那龙、茂名等矿务局和葛洲坝、小浪底工 程局等在软岩巷道和软岩隧道支护方面也进行了大量试验工作，积累了丰富的生产实践 经验。进入2 0 世纪8 0 年代，煤矿开采深度日益加大，如开滦矿务局的开采深度已超过 1 2 0 0 m 。深井高应力软岩的普遍出现，更加推动了煤炭系统的软岩研究向纵深层次发展， 产生并形成了以“联合支护理论”和“松动圈理论”为代表的多个学派。2 0 世纪9 0 年代以 后，除了煤炭系统又有新的研究成果之外，我国的三峡工程、小浪底工程、大规模的城 市现代化高层建筑、城市地下工程、道路交通的建设，使得软岩滑坡问题、软岩隧硐及 隧硐群稳定问题、软岩基坑问题的研究进行的十分广泛和深入，并取得了长足发展。作 为全国性软岩工程技术研究繁荣的标志是1 9 9 5 年“中国岩石力学与工程学会软岩工程专 业委员会”的诞生，和1 9 9 6 年“煤矿软岩工程技术研究推广中心”的成立，这一切都有力 地推动了我国煤矿软岩工程技术的研究，并取得了一系列科研成果。 3 西安科技大学硕士学位论文 高应力软岩 H i g l lS t r e s s e dS o f tR o c k ，简称H 型 ，是指在较高应力水平 ；，2 5 M P a 条件下发生显著变形的中高强度的工程岩体。高应力软岩巷道围岩变形破坏机理是与其 原岩的高地应力状态 原岩应力 以及工程岩体的低围压状态 围岩应力 和高应力差相联 系的。原岩应力较高，故一旦开挖，随即发生内应力释放和回弹，并引起相应的应力调 整和变形。巷道开挖卸载后相当于在原岩应力状态上叠加相应反向拉应力，于是工程岩 体 尤其是层状和似层状岩体 在类似横弯或纵弯作用下发生挠曲，或者沿结构面发生剪 胀滑移变形，岩体强度降低，围岩发生体积膨胀变形 扩容 ⋯。 应力释放引起的回弹和应力调整引起的扩容使岩体中原本闭合的结构面张开滑移 [ 1 1 , 1 2 】，在改变岩体应力状态和强度的同时，也改变了围岩水文地质条件，工程用水沿张 开裂隙渗流，进一步降低了岩体强度或者加剧了具有膨胀性岩石的物理化学膨胀和力学 膨胀，从而使围岩产生较大的收敛位移，表现为侧墙鼓出、底鼓和顶压等。变形的进一 步发展导致巷道破坏失稳，如侧墙内移 侧向张裂、片帮 、尖顶 拱顶剪裂 、底鼓和冒 顶等。破坏最严重的部位多在拱顶和拱墙交界处，在这些部位常见巷道剪裂和张裂，钢 筋因过大位移而扭弯屈曲，甚至钢拱架也被扭弯或剪断的现象。 当巷道布置在构造应力、复杂应力和高应力区域时，围岩在很大的水平挤压应力作 用下，其顶板与底板岩层直接承受着水平构造应力的作用，而巷道两帮的围岩由于巷道 开挖解除了水平应力作用处于弹性恢复状态。因此，构造应力主要引起巷道顶板岩层的 挤压破坏，巷道底板岩层发生屈曲破坏。顶板的大范围破坏 鼓出 ，使得构造运动残余 水平应力得到充分释放。重力应力场随着围岩构造应力的释放 解除 而发展成为促使围 岩向已采空间运动的主动力。随着围岩周边破坏向深部发展，岩石破裂范围不断增大， 应力高峰相应向深部转移，支撑压力分为由明显运动的岩层重力作用的内应力场和由巷 道围岩结构整体重力作用的外应力场两个部分。构造应力作用的结果导致顶底板岩体发 生破坏，在一定范围内的构造应力得到释放。巷道围岩主要承受重应力场的作用，在巷 道两帮形成支承压力，两帮出现压缩破坏，两帮的破坏随着支承压力向深部转移而逐渐 发展，直到支承压力达到稳定后，两帮围岩才趋于稳定L l 川。 在高应力区，巷道顶板岩层不仅受到自身重量的作用，还受到水平轴推力的作用。 巷道顶板岩层在自重作用下弯曲变形，水平轴向压力在梁的各个截面上又产生一个分布 弯矩。由于这一弯矩作用，将使巷道顶板岩层弯曲在原有基础上进一步加剧。 底板岩层在支承压力作用下，巷道底板岩层也将承受水平轴向力的作用。当底板承 受的轴向力超过其允许限度后，同样会因底板岩层失稳而引起严重底臌、底板岩层破裂 等严重后果。 巷道开挖后，底板岩体在构造应力作用下发生失稳，然后在顶板压力作用下，巷道 两帮因“卸载”和应力重新分布而产生破裂，围岩处于一次失稳状态。一次破坏失稳后， 底板岩体的二次失稳发生在底板的不同区域，而且这种失稳是动态的蠕变发展过程。 4 1 绪论 巷道底板岩体破裂区总是首先发生在强度最低、应力最为集中的岩层中。底鼓严重 的巷道，围岩破裂区总是首先发生在强度低的巷道两帮和强度较低而应力集中的底角区 域。 构造应力作用的结果导致顶底板岩体发生破坏，在一定的范围内的构造应力得到释 放。巷道围岩主要承受重应力场的作用，在巷道两帮形成支承压力，两帮出现压缩破坏， 两帮的破坏随着支承压力向深部转移而逐渐发展，直到支承压力达到稳定后，两帮围岩 才趋于稳定。 长期以来，国内学者对高应力深井软岩巷道的围岩控制进行了大量深入的研究【I 训。 孙晓明、何满潮通过对深部开采软岩巷道变形破坏机理的研究发现，巷道变形破坏主要 是由于支护体力学特性与围岩力学特性在强度、刚度以及结构上出现不耦合所造成的； 且变形首先从关键部位开始，进而导致整个支护系统的失稳。提出要保证深部软岩巷道 围岩的稳定性，必须实现支护体与围岩的耦合，即锚网索耦合支护理论。并对其进行了 数值模拟，模拟研究表明，当锚杆与围岩在刚度上实现耦合时，能最大限度地发挥锚杆 对围岩的加固作用；当锚网与围岩在强度上实现耦合时，将会使围岩的应力场和位移场 趋于均匀化；当锚索与围岩在结构上耦合时，可以充分利用深部围岩强度来实现对浅部 围岩的支护。周宏伟、谢和平、董正亮等分析深部巷道变形的特点后，成功地将巷道支 护设计中应用的锚一网一喷支护系统中每个支护体都起到应有的作用，提出了改变支护 顺序的方法，即改先锚后喷为先喷后锚，并通过在素喷混凝土中掺入适量钢纤维的方法 来改善混凝土喷层的整体力学性能，使之能很好地适应软岩大变形的力学特征。庞建勇、 郭兰波、刘松玉对高应力巷道发生底鼓及顶板失稳等现象分两种情况，即巷道全周边弱 支护与局部弱支护。后一种情况，围岩从弱支护部位鼓出，到一定程度则诱发牢固支撑 部位支架破坏，发展过程呈缓慢一急剧形式。局部弱支护又是巷道支护工程中的常见现 象，也是理论上缺乏深入研究的问题。以弹性及粘弹性理论为基础，结合实例计算，分 析了高应力巷道局部弱支护机理，阐述了底鼓与顶、帮失稳相互诱发的原因，为巷道支 护结构设计提供新的理论依据。刘文岗、赵毅鑫等在观测不同地质赋存条件深部锚杆支 护煤 岩 巷道的变形破坏特征的基础上，分析了巷道破坏的机理，从而采取有针对性的 锚杆支护方案。用现代巷道支护理论，阐述了深部开采巷道锚杆支护技术特点和支护对 策。中科院岩土所的刘泉声、张华等对淮南矿区深部岩石巷道地应力场和支护研究的基 础上，提出了煤矿深部围岩巷道稳定受高渗透压力和温度梯度的影响。试验和理论分析 表明，采用与围岩内部潜在滑移面呈2 2 ．5 0 布锚方法，运用具高初锚力的超高强锚杆支 护，辅助以注浆固结、能量释放等措施可有效控制围岩稳定。 综上所述，对于高应力软岩巷道支护的研究尚处于探索起步阶段，对应力影响之外 的其他因素如水化、温度等自然因素和掘进、回采等人为因素对巷道围岩变形机理的 影响缺乏较为深入的研究；而对于高应力软岩巷道围岩变形控制研究，缺乏多因素影响 5 西安科技大学硕士学位论文 下的定性及有限定量的分析研究。 随着对巷道支护理论研究的不断深入，提出了多种支护理论，如新奥法理论、松动 圈理论、联合支护理论、锚喷～弧板支护理论等，基本观点为对于软岩支护，单纯加 强支护刚度是难以奏效的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护【I 川L l O J 。然而， 由于原岩应力的增加，深部巷道围岩的力学行为与浅部有较大的差别，经常发生因支护 失效而导致巷道报废的现象。近年来，深井煤层巷道支护技术一直在积极探索之中，支 护形式有锚喷、重型U 型钢支架以及混凝土弧板等，到目前为止，还没有一种支护方法 是十分成功的。实践证明，简单沿用已有的软岩支护理论难以解决深部煤层巷道的支护 问题I I ，JI I 剐。因此，提出今后巷道支护的研究要在理论和试验的基础上，采用深井煤巷 围岩控制的内、外结构耦合平衡，多种支护方式的联合支护，如锚网喷支护、锚网喷棚 注联合支护、锚网喷混凝土注联合支护、锚杆锚索锚注联合加固支护等支护方式l I 刈| 2 U J 。 目前，锚网联合支护技术在高地应力巷道支护中得到普遍应用，深部巷道围岩变形 具有流变性、扩容性和冲击性，深部巷道锚杆支护的作用研究取得了许多成果【2 1 1 ，主要 有 1 深部巷道围岩变形主要包括两部分一是结构面离层、滑动、裂隙张开及新 裂纹产生等扩容变形，属于不连续变形；二是岩石的弹性变形、峰值强度之前的塑性变 形、锚固区整体变形，属于连续变形。由于结构面强度一般比较低，因此开巷以后，不 连续变形先于连续变形。合理的深部巷道支护形式是大幅度提高支护系统初期支护刚度 与强度，有效控制围岩不连续变形，保持围岩的完整性，同时支护系统应具有足够的延 伸率，允许深部巷道围岩有较大的连续变形，使高应力得以释放。 2 锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产 生等扩容变形与破坏，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出 现，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，减小锚固区围岩强度的降低，使围岩成为承 载的主体。在锚固区内形成刚度较大的预应力承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层， 同时改善围岩深部的应力分布状态。 3 锚杆预应力及预应力的扩散对支护效果起着决定性作用。根据深部巷道条件 确定合理的预应力，并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。单根锚杆预应力的作 用范围是很有限的，必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更 远的围岩中。特别是对于巷道表面，即使施加很小的支护力，也会明显抑制围岩的变形 与破坏，保持顶板的完整。护表构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。 4 锚杆支护系统存在临界支护刚度，即使锚固区不产生明显离层和拉应力区所 需要支护系统提供的刚度。支护系统刚度小于临界支护刚度，围岩将长期处于变形与不 稳定状态；相反，支护系统的刚度达到或超过临界支护刚度，围岩变形得到有效抑制， 巷道处于长期稳定状态。支护刚度的关键影响因素是锚杆预应力，因此，存在锚杆临界 6 1 绪论 预应力值。当锚杆预应力达到一定数值后，可以有效控制围岩变形与离层，而且锚杆受 力变化不大。 5 锚杆支护对深部巷道围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整 体变形等连续变形控制作用不明显，要求支护系统应具有足够的延伸率，使围岩的连续 变形得以释放。同时，为适应深部巷道围岩的冲击性变形，要求锚杆有较高的冲击韧性。 6 锚索的作用主要有两方面其一是将锚杆支护形成的预应力承载结构与深部 围岩相连，提高预应力承载结构的稳定性，同时充分调动深部围岩的承载能力，使更大 范围内的岩体共同承载；其二是锚索旋加较大的预紧力，给围岩提供压应力，与锚杆形 成的压应力区组合成骨架网状结构，主动支护围岩，保持其完整性。 7 深部巷道应采用高预应力、强力锚杆组合支护，同时要求支护系统有足够的 延伸量与冲击韧性。应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷 道维修。 数值模拟技术在煤矿巷道破坏特性研究及其支护设计中的应用已经非常广泛，目前 主要是有限元法和有限差分法[ 2 2 4 1 1 。 1 ．2 ．2 国外研究现状 在进行了一系列钢架试验之后，国外一些科学家发现，对一些泥质岩石仍然是控制 不住软岩地压，因而国外近年来转向研究软岩工程地质特性，以期对不同性质的软岩采 取不同的支护办法。 目前，围绕软岩工程地质性质方面的研究，国外进行了如下软岩性质的试验研究项 目 1 软岩结构、成分的研究，如电子显微镜扫描、X 光衍射分析等； 2 软岩物化性质的研究，如孔隙度、离子交换能量的测定等； 3 软岩水理性质的研究，如含水量、塑限、液限、塑性指数等参数的确定； 4 软岩力学性质的研究，如抗压、抗剪特性参数、软岩膨胀力测定，软岩流变 性质和本构关系的研究。 虽然进行了上述一些系统研究工作，但把软岩研究和解决现场工程实际问题结合起 来，尚无明显进展。 总的来看，国外支护技术与我国支护技术相比并不先进，为适应不同围岩的需要， 我国的支护技术类型更多，但国外支护设计、制造更规范、更先进，安装、检测设备也 更先进、更可靠，但因国家不同其支护体系也有很大差异。美国、澳大利亚除早期在煤 矿支护中应用过砌暄、锚喷、金属支架，近几十年来一直以锚杆支架为主体。对于稳定、 较稳定围岩重点采用普通锚杆支护；对深部围岩一般采用锚网、组合锚杆 网 、高强超 长锚杆 网 等支护形式