软岩巷道锚喷与锚索联合支护技术的研究与应用.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目软岩巷道锚喷与锚索联合支护技术的研究与 应用 英文题目英文题目Study and Application on Shotcreting and Cable Support Technology of Soft-Rock Roadway 学位类学位类 别别工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名刘伟学号学号201102054 学科学科领域领域名称名称采矿工程 指导教指导教 师师王文才职称职称教授 协助指导教协助指导教师师职称职称 2014 年 6 月 7 日 分类号分类号 TD322TD322密密级级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 软岩工程问题早在上个世纪 60 年代就被作为世界性难题提出来了，特别是在煤 矿的安全建设和生产中长期困扰着工程技术人员。在工程实践中，软岩最大的问题 是塑性变形大，难以支护或支护成本太高。为了研究松软破碎软岩巷道变形破坏机 理和开挖后支护方法，基于前人已有研究成果的基础上通过理论分析、有限元数值 模拟和现场应用于工程实践的研究方法，对松散破碎软岩巷道联合支护技术系统进 行了分析和验证。 论文首先对软岩巷道围岩变形破坏特点及其影响因素进行了分析，对二区胶带 带巷道松软围岩力学特性进行了研究，分析了变形破坏机制。巷道大变形的原因与 工程地质条件不利有关。根据对现场的地质调查和对巷道围岩岩性的分析可知，巷 道围岩以泥岩、铝制泥岩、砂质泥岩为主，易吸水潮解，可塑性和膨胀性较大，再 加上围岩层理发育，导致围岩强度普遍较低，自承力较差，容易发生失稳变形。 根据二区胶带巷围岩松、软、破、碎的地质特性，提出了提出了合理的支护原 则，即及时支护与二次支护的原则。即在巷道开挖后，围岩受风化和水的影响，强 度损失很快，必须及时进行支护，用喷射混凝土封闭围岩表面，防止围岩风化潮 解。软岩巷道初期变形量大、变形速度快，一次支护难以成功。初次支护提高围岩 残余强度，不至于产生过度膨胀变形。在围岩变形稳定后进行二次支护，提供最终 支护强度和刚度，保证巷道长时间的稳定性。 运用有限元软件 ANSYS 对锚喷加锚索的联合支护方案进行数值模拟分析，研究 了巷道的断面设计，对比分析了围岩在不同的支护条件下的应力、位移和塑性区变 化特点，数值模拟分析结果显示该支护方案满足巷道围岩稳定性的要求。通过对巷 道现场的监测结果同理论分析和数值模拟的结果进行比较分析，得出三者的巷道围 岩变形量和变形规律是基本一致的。锚喷加锚索联合支护可以显著提高围岩的强度 和承载能力，符合工程实际需要。 关键词软岩巷道；锚喷；锚索；联合支护；数值模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Soft rock engineering as a worldwide problem was proposed as early as in the last century 60s. Especially in the coal mine safety construction and production, it plagued the enginner and technicist for a long time. Soft rock has some geologiccal features such as swelling, plasticity, dispersibility, disintegrative and rheological properties.The biggest problem of soft rock tunnel in engineering practice is dfficult to support beacause of its huge plastic deation. In order to study the deation failure mechanism and support of excavted soft rock tunnel, based on the exixting research results, finite element numerical simulation and field research are used to study and validate the combined support system. The failure deation characteristic and influencing factors of surrounding rock in soft rock tunnel are analyzed. Based on fileld observation and analysis of tunnel surrounding rock lithology, the cause of large deation in of roadway related to enginering geology conditon. Tunnel surrounding rock is easy bibulous deliquescence with obvious plasticity and dilatability because it contain too much aluminum and sandy mudstone. The lower intensity of surrounding rock because of its plentiful stratification make the tunnel easier to buckling deation. Based on the geological characteristic that loose, soft, break and smash of surrounding rock in NO.2 conveyors tunnel, the rational support principle is proposed that is timely support and secondary support. The soft rock tunnel should be supported timely after excavation, because the strength of surrounding rock lose quickly for the influence of weathering and water. The surface of surrounding rock is closed by shotcrete to prevent its weathering deliquescence. The deation of soft rock tunnel is so fast and huge that the support is very diffcult to suceess for one time. The first time support improve the residual strength of surrounding rock, avoid excessive expansion deation. The second time 内蒙古科技大学硕士学位论文 III support is implemented after huge deation finished , provide the ultimate strength and rigidity, guarantee the stabilityof the soft rock tunnel for a long time. The finite element software ANSYS is used to design the cross section of tunnel. It is analyzed by contrast the stress, displacement and plastic zone of surrounding rock with different support. The combined support, shotcreting and anchor suport, is proposed. The results of numerical simulation analysis shows that the support scheme satisfies the stability requirement of tunnel with soft surrounding rock. By means of comparative analysis between the fiedl monitoring results and numerical simulation results, it is concluded that the deation rule of soft surrounding rock between them is consistent basicly. It shows that the combined support system by bolt, shotcrete and anchor can significantly increase the strength and ability to bear weight of soft surrounding rock, con to the need of engineering practice. KeywordSoft roadway; Shotcreting support; Anchor cable support; United support; Numerical simulation 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目录录 摘要.........................................................................................................................I Abstract..........................................................................................................................II 1 绪论............................................................................................................................1 1.1 研究的目的和意义.........................................................................................1 1.2 国内外软岩工程研究现状.............................................................................2 1.2.1 国外研究现状......................................................................................2 1.2.2 国内研究现状......................................................................................3 1.3 软岩巷道支护理论.........................................................................................4 1.4 研究的内容、技术路线及方法.....................................................................7 1.4.1 研究内容..............................................................................................7 1.4.2 研究技术路线......................................................................................8 1.4.3 研究方法..............................................................................................8 2 矿区工程地质条件概况..........................................................................................10 2.1 井田位置........................................................................................................10 2.2 井田地质........................................................................................................11 2.2.1 地质构造.............................................................................................11 2.2.2 地层岩性.............................................................................................12 2.2.3 水文地质.............................................................................................13 2.3 本章小结........................................................................................................13 3 软岩巷道破坏机理分析..........................................................................................14 3.1 软岩的定义....................................................................................................14 3.2 软岩的分类....................................................................................................14 3.2.1 地质软岩.............................................................................................15 3.2.2 工程软岩.............................................................................................15 3.2.3 地质软岩和工程软岩的关系.............................................................15 3.3 软岩的工程特性及力学属性........................................................................16 3.3.1 软岩的工程特性.................................................................................16 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.3.2软岩的基本力学属性..........................................................................17 3.4 巷道破坏原因................................................................................................18 3.4.1 地应力.................................................................................................18 3.4.2 岩性.....................................................................................................20 3.4.3 巷道支护强度.....................................................................................21 3.4.4 二区胶带巷变形失稳分析.................................................................22 3.5 本章小结........................................................................................................23 4 软岩巷道支护原理与技术的分析..........................................................................24 4.1 软岩巷道支护原理.......................................................................................24 4.2 最佳支护时间和最佳支护时段....................................................................25 4.2.1 最佳支护时间和最佳支护时段的概念.............................................25 4.2.2 最佳支护时间的物理意义.................................................................26 4.3 软岩巷道支护原则........................................................................................26 4.4 巷道支护设计方法........................................................................................27 4.4.1 工程类比法.........................................................................................27 4.4.2 理论计算法.........................................................................................27 4.5 软岩巷道支护技术........................................................................................28 4.5.1 软岩巷道锚喷支护.............................................................................28 4.5.2 软岩巷道围岩改性增强技术研究.....................................................29 4.6 软岩巷道支护施工工艺...............................................................................30 4.6.1 锚杆与锚索的支护机理.....................................................................30 4.6.2 金属网作用原理.................................................................................31 4.6.3 喷射混凝土设计.................................................................................31 4.6 本章小结........................................................................................................32 5 软岩巷道锚喷与锚索联合支护数值模拟分析......................................................33 5.1 有限元理念及软件介绍................................................................................33 5.1.1 有限元基本理论.................................................................................33 5.1.2 ANSYS 简介.......................................................................................33 5.2 软岩巷道支护模拟分析理论........................................................................34 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 5.2.1 软岩巷道支护模拟分析的主要问题................................................34 5.2.2 数值计算巷道模型的特点................................................................34 5.2.3 本构模型及力学参数选取................................................................35 5.2.4 ANSYS 分析的基本过程..................................................................36 5.3.1 数值模拟模型.....................................................................................37 5.3.2 断面设计.............................................................................................38 5.3.3 单纯锚杆支护.....................................................................................40 5.3.4 锚喷与锚索联合支护.........................................................................43 5.4 本章小结.......................................................................................................46 6 软岩巷道锚喷与锚索联合支护现场监控量测及分析..........................................47 6.1 监测的目的和内容........................................................................................47 6.1.1 监测目的.............................................................................................47 6.1.2 监测内容.............................................................................................47 6.2 巷道围岩变形量监测方法............................................................................47 6.3 巷道围岩变形量测结果及分析....................................................................50 6.3.1 实测巷道围岩位移量分析................................................................50 6.3.2 现场监测结果和数值模拟结果的对比分析....................................52 6.4 本章小结........................................................................................................53 结论......................................................................................................................54 参考文献......................................................................................................................55 在学研究成果..............................................................................................................59 致谢........................................................................................................................60 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 1绪论绪论 1.1研究的目的和意义研究的目的和意义 软岩巷道支护是当今世界地下工程中的一个复杂的技术问题[1]。软岩工程问题 在矿山、交通等领域都会涉及到，不仅会造成巨大的经济损失，而且会拖延施工速 度，威胁到现场施工人员的安全，如何保持软岩地下工程的稳定性及制定有效的支 护方法已经成为一个亟待解决的问题。在某一个特定的工程环境下的具有粘弹性变 形和显著塑性变形的岩石就被称作软岩，其基本理论和方法是迫切需要进一步的研 究[2]。 喷射混凝土和注浆加固是提高岩体的结构和性能的有效方法。对于传统的巷道 锚喷支护结构，喷射混凝土可以及时封闭围岩，锚杆可以积极支护和围岩形成加固 圈，共同承受地应力 [3]。但是因为其支护强度不高，很难适应高应力软岩巷道开挖 大变形。因此，不能单独使用喷射混凝土来支护软岩巷道，所以人们试图结合两 者，即使用锚注支护。大量的工程实践表明，锚杆与注浆结合方法用于组合，使得 注浆和锚杆支护各自的适用范围扩大，大大提高了软岩支护的效果，是一种有效的 软岩巷道解决方案。锚注支护技术仍处于探索阶段，其理论还在破碎岩体水平，填 充和固结灌浆材料参数、压力、时间参数、加固带形成后内部的应力参数等参数没 有相应的实验数据和理论分析，锚注机理和参数优化的定量分析和研究目前还没 有。为了更好的推广锚杆支护的应用，需要进一步探索和研究锚杆注浆的机理[47]。 本文通过具体的支护计划付诸实践，对巷道锚喷加固围岩机理和支护参数的影响在 工程可行性进行进一步的研究。 虽然针对软岩巷道进行了一定程度的工程实践和研究，但在支护方法的系统理 论上还存在许多问题，主要内容如下 （1）变形破坏机理。支护是一个和围岩变形相协调的过程，这个过程必须要全 面和深入的研究围岩变形机理，只有在此基础上，才能选择合适的软岩支护时间， 支护的类型，并确定适当的支护的参数。因此，支护关键是要找出变形破坏机理， 采取有效的支护措施来支护它。 （2）支护措施。软岩巷道的围岩变形破坏特性不同于硬岩巷道，采取的支护对 策应该适用于软岩巷道。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - （3）支护的参数。合理的选择支护参数是影响巷道的稳定性重要因素，在以往 的工程实践中工程类比法是确定合理支护参数的主要方法。在简单的工程地质条件 下，该方法基本可以满足要求；在地质条件比较复杂时，不能满足需求，目前软岩 巷道支护成功的案例很少，可以用来进行工程类比的就更少了，所以急需针对软岩 巷道支护参数的确定方法。 1.2国内外软岩工程研究现状国内外软岩工程研究现状 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 在国外，软岩工程研究可以分为三个阶段，即喷射混凝土支护阶段，钢架支护 阶段和软岩的工程地质研究阶段。 （1） 巷道锚喷支护研究阶段 在十九世纪初，美国，英国等国家已经开始测试锚杆技术，但是从 50 年代开始 系统的研究已被广泛应用于金属矿山，水利，地下工程。60 年代初煤矿软岩开始采 用锚喷支护[8]。，开发出多种锚杆以应对软岩的变化。早期楔形连接锚杆、壳锚 杆、楔锚固装置，如机械锚杆和其他锚杆和灌浆水泥。喷射混凝土支护材料适合煤 矿软岩也有很大的发展，从最初的纯水泥砂浆和混凝土，纤维混凝土的灵活性。 根据材料类型分类，可以分为钢纤维混凝土和塑料纤维混凝土[9]。近年来，英 国等其他国家也正在开发新的纤维材料，如聚乙烯等复合纤维材料。在不远的将 来，这些新材料纤维混凝土，在具有大变形特点的软岩巷道支护应用方面具有重要 的意义。 （2） 钢架支护研究阶段 到 80 年代，随着开采深度的增加，深井矿山不断出现，软岩问题更为突出，仅 有喷射混凝土为主要支护技术，在软岩巷道的支护效果不是很好。以波兰卢布林煤 矿为例，第一级的开采深度 700 米，第二层次的开采深度 1000 米。当挖掘一水平 时，巷道围岩是砂质页岩泥质岩石，占了绝大多数的泥质岩石矿物蒙脱石、云母矿 物水和少量的矿物层。主要的问题是，在初期采取锚喷支护，对巷道的大变形和压 力集中有所帮助。首次 80 毫米/天的变形，变形量的前 10 天达到 800 毫米左右，前 一个月的底鼓量达到了 900 毫米，三个月后是 1200 毫米，底鼓量的前六个月的总共 是 1350 毫米。采取防护措施是挖掘底板，不断扩大两帮。为了扭转不利局面，波兰 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 煤矿研究所进行研究后，实验研究用钢框架支护替换原来的锚喷支护，巷道支护采 用 U29 和 U36 钢架支护，但是巷道支架的成本太高。 目前，国外用于的软岩巷道的钢支架类型使用了多达 9 种[10]U29 伸缩型钢支 架；钢筋混凝土圆形拱封闭支架；TH44 圆钢框架；钢拱和 TH44 拱支护；喷射混凝 土圆形钢网联合支架；梨形 TH44 封闭钢架；喷射混凝土和底部拱形桁架；U29 底 部的圆形混凝土钢框架。 （3）软岩工程地质研究的阶段 钢架在一系列实验后，一些国外的科学家已经发现了对一些泥质岩软岩地压力 仍不能有效控制。 近年来，国外工程地质学开始对软岩特性进行研究，通过各种不同的方法给予 不同的软岩体进行支护。目前，软岩的工程地质特性，国外对软岩的工程地质性质 长期项目的实验研究[11] ①软弱岩体结构组成，如扫描电子显微镜（SEM ）、X 射线衍射分析； ②软岩石的物理性质，如孔隙率，离子交换确定的能量； ③软岩水的物理性质，如水分含量测定，塑性指数等参数； ④软岩力学参数，如剪切流变性能，抗压强度，软岩，应力测量和膨胀性软岩 的本构关系。 虽然系统进行了研究，但软岩工程对于解决实际问题，没有明显的进展。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 我国在软岩和软岩巷道支护技术的研究内容可分为两个方面一方面，锚喷支 护技术在支护软岩发挥了重要作用，而另一方面是我国特色的软岩支护技术。 （1）锚喷技术支护在我国的发展现状 自上世纪 50 年代，由于巷道锚喷支护的发展大致可分为三个阶段[12]。 试点阶段，大约从 50 年代到 70 年代初。在这一段时期内在单一锚杆支护的基 础上，结合现场支护经验，通过测试，发展成水泥砂浆试验的实践经验，喷射混凝 土支护随之得到发展应用，光面爆破新技术开始进行测试。 发展阶段，时间是在 1970 年代，这一时期的主要特征，从零星测试锚杆支护到 喷射混凝土支护技术体系的系统探索与实践总结。煤炭工业部规定井巷支护以喷射 混凝土支护技术的发展为主，大大促进了喷射混凝土技术在软岩巷道的应用支护。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 改进阶段，自 80 年代以来，是整合、发展和完善巷道锚喷支护阶段。这一阶段 软岩支护技术的