大变形巷道锚网索支护研究与应用.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 大变形巷道锚网索支护研究与应用 姓名王博 申请学位级别硕士 专业桥梁与隧道工程 指导教师惠兴田 论文题目大变形巷道锚网索支护研究与应用 专 业桥梁与隧道工程 硕 士 生王 博 （签名） 指导教师惠兴田 （签名） 摘 要 随着开采深度的增加，其开凿的巷道压力增加，顶板条件变的复杂，支护问题愈趋 严重。特别对于大埋深的软岩煤矿巷道，围岩在掘进影响期间变形剧烈，而掘后较长时 间内难以稳定、变形量大、在服务期间需多次返修，巷道维护极为困难。同时由于埋深 大、围岩强度低等因素，围岩变形破坏严重，经常诱发片帮和顶板岩体架前冒落，安全 隐患严重。 可以说， 大变形巷道支护问题成为困扰中国煤矿生产建设的重要的问题之一。 而目前从理论和实践来讲，大变形软岩巷道的支护大多采用棚式支护形式，往往是支护 成本极高，或者达不到预期的支护目的。而锚网索复合支护形式是一种即经济又先进的 支护形式，如何在大变形巷道中应用好这种支护形式，无疑具有很大的研究价值。 本文以自稳隐形拱锚杆支护理论为基础，对大变形巷道采用锚网索补强支护技术。 文章首先建立了工程软岩的概念，分析得出巷道是否出现大变形特征的判断条件。在总 结大变形巷道变形特征的基础上，提出了大变形巷道的防治原则。以自稳隐形拱理论为 基础推导出锚网索支护模型的参数设计公式。同时在充分发挥岩体自承能力的前提下， 对锚杆的预紧力进行了相关实验研究，得出适合大变形巷道的预紧力值。在白水南桥煤 矿进行了实际工程设计，通过监测数据及数值模拟分析验证了支护技术的可靠性。最后 结合层次分析法的原理对支护设计方案进行了全面的评价。 文章所使用的锚网索补强支护技术，提高了围岩抵抗变形和破坏能力，有利于发挥 巷道围岩的自身承载能力，丰富和完善了锚杆支护理论，促进了锚索网支护在大变形巷 道中的应用，为煤矿巷道锚杆支护设计提供了新的依据。 关 键 词软岩；锚网索；自稳隐形拱 研究类型应用研究 Subject Study and Application of Bolt-mesh-tightwire Compound Support in the Roadway with Large Deation Specialty Bridge and Tunnel Engineering Name Wang Bo Signature Instructor Hui Xingtian Signature ABSTRACT With the increase of mining depth,Pressure of the tunnel increases,Roof becomes complex,Supporting becomes more serious.Especially for soft rock tunnel with large depth,Rock des seriously during excavation,After excavation rock is not stable in long time.It requires to repair many times during the period of service, the supporting is extremely difficult.As the depth of large,Low rock strength factor,Rock deates seriously,Often leads to sidewall damage and roof rock fall,Safety hazards serious.It can be said that the large deation problem as the important problems plagues chinese coal construction.At present, In terms of theory and practice,Most of the large deation of soft rock tunnel with shed-type supporting, It needs high cost,Or can not achieve the desired support purposes.The bolt-mesh-tightwire compound support is an economy and advanced support .How to use this of support in soft rock tunnel, Undoubtedly has great research value. This article bases on theory of homeostasis invisible arch,use bolt-mesh-tightwire compound support technology in soft rovk tunnel.This article first establishes the concept of soft rock,Obtaine the judgment conditions of soft rock tunnel.Summary deation characteristics of soft rock tunnel,Put forward the principle of prevention and treatment of soft rock tunnel.Derive ula parameters bases on base on theory of homeostasis invisible arch.The premise of giving full play to rock self-supporting ability,Carry out research and experiments for preload of bolt.Obtain suitable preload for soft rock tunnel.make real design in Nan Qiao coal mines,By monitoring data and numerical simulation verify the reliability of support technology. Finally, Conducte a comprehensive uation for supporting with principle of AHP. The bolt-mesh-tightwire compound support technology Increases ability of rock deation and resistance,Giving full play to rock self-supporting ability.It enriches and improves the bolt support theory,Promote the application of bolt-mesh-tightwire compound support in spft rock tunnel,Provides a new basis for bolting design in coal mine tunnel. Key words Soft Rock Bolt-mesh-tightwire Compound Support Homeostasis Invisible Arch Thesis Application Research 1 绪论 1 绪论 1.1 研究背景及意义 我国是世界上重要的采煤大国，煤炭的年产量位居世界首位，煤炭工业是国民经济 和社会发展的基础行业。在全国一次性的能源构成中，煤炭资源占 70以上，目前的能 源结构仍将持续相当长时间。因此，煤炭在相当长的时期内还将是我国工业发展。煤炭 工业的可持续发展直接关系着和谐社会的实现和国家的能源安全。[1] 煤矿巷道的支护技术是煤炭开采中的一项关键技术。安全、合理、有效的巷道支护 是实现煤矿高产高效的必要条件、 提高经济效益的必要手段。 随着科学技术的不断进步， 巷道围岩的控制理论和方法取得了长足发展，巷道的支护形式也随之发生了重大的改 变。现在巷道的支护已由过去的被动支护向主动支护转变、由传统的棚式支护向锚杆支 护转变。 在世界矿业系统及其其他地下工程领域里， 锚杆支护已得到大大的推广和普及。 与棚式支护相比，锚杆支护具有支护效果好、支护成本低、施工简单、劳动强度小、巷 道断面的利用率高等优点。锚杆支护简化了工作面端头和超前支护工艺，改善了煤矿巷 道的支护状况，保证了矿井安全生产，为采煤工作面的快速推进创造了良好的条件。锚 杆支护已经成为目前地下工程最可靠、最先进的支护方式。 随着我国煤炭资源的开发，已逐渐向深部煤炭资源发展。对于大埋深的软岩煤矿巷 道，围岩在掘进影响期间变形剧烈，而掘后较长时间内难以稳定、变形量大、在服务期 间需多次返修，巷道维护极为困难。同时由于埋深大、围岩强度低等因素，围岩变形破 坏严重，经常诱发片帮和顶板岩体架前冒落，安全隐患严重。可以说，大变形巷道支护 问题成为困扰中国煤矿生产建设的重要的问题之一。我国煤矿的支护专家、学者及科研 工作者为大变形软岩巷道支护的研究、攻关和实践付出了大量的心血，取得了许多科研 成果， 为大变形巷道支护指明了方向。 但到目前为止， 仍然还不能说已根本解决了问题。 我国具有大变形特征的矿井分布很广，加上矿井开采深度增加，地应力加大，原来巷道 支护不太困难的矿井也面临支护难的问题，并且由于对锚杆锚索联合作用机理不 明， 施工设计缺乏规范化的参考标准及缺乏合理有效的评价标准等因素的困扰致使大变 形巷道的支护工作成为煤矿能否实现高产、高效的先决条件。 1.2 国内外主要研究现状 早在 19 世纪，人们在解决煤矿巷道中的问题时就常常用试验方法来探讨，到本世 纪初，人们开始采用古典材料力学和结构力学理论来解决地下工程中的问题。从 20 世 纪 30 年代开始，人们又将弹性力学和塑性力学引入地下工程的岩石力学分析中，其中 1 西安科技大学硕士学位论文 R.Fenner 和 H.schmidt 等人的巷道围岩弹塑性应力分布和围岩与支架的相互作用理论时 是当时最为典型的代表理论之一。到 60 年代初期，刚性试验机的出现和应用，揭示了 岩石变形破坏根本特性并产生了弹塑性断裂破坏理论。奥地利工程师 L.V.Rabcewicz 总 结前人的施工经验，提出了一种新的隧道施工方法，即新奥法。新奥法是目前地下工程 的应用最广的设计施工方法。新奥法的核心是充分利用围岩的自承能力来支护隧道，使 围岩成为支护结构的一部分而与支护结构共同形成支护体。与此同时，日本人山地宏和 婴井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。他们认为，巷道围岩的应变随支护结构的增 加而减少，而许用应变则随支护结构的增加而增大，因此，通过加强支护结构可较轻松 地实现将围岩的应变控制在许用应变范围内。到了 70 年代，M.DSalamou 等人又提出了 能量支护理论。他们认为，支护与围岩的相互作用、共同变形，在共同变形过程中围岩 释放了一部分能量，而支护则吸收了一部分能量，但能量总和是没有变化的。因此，主 张利用支护结构来使其自动调节围岩释放的能量和支护结构吸收的能量， 使其相互调节 达到平衡。我国在大变形巷道的支护设计等方面的研究工作起始于 1958 年，但是直到 80 年代才取得较大的发展。 大变形巷道的施工技术的研究属于岩石力学的范畴。 岩石力 学这门学科是在 20 世纪 50 年代开始岩石物理学的基础研究，到 60 年代，逐渐发展成 的一门具有独立体系的学科。在岩石力学的发展进程中，有其明显的研究重点。在 60 年代，重点研究完整岩块；70 年代的研究重点是岩体和不连续结构面；80 年代，计算 机数值分析模拟分析成为主流；90 年代，强调综合研究分析，即将岩石材料性质特性分 析，围岩原位测试、计算机数值模拟和工程经验相结合。[3] 随着矿产资源的开发，巷道大变形问题的出现，促进了我国科研工作者对这一问题 的深入研究。在大变形巷道围岩控制的基础理论、软岩力学特性分析及工程地质条件、 大变形巷道围岩变性破坏的力学机理、 大变形巷道支护设计与工艺及施工和监测方面进 行了诸多的试验研究，取得许多的宝贵的科研成果；在大变形巷道的掘进、支护等施工 机具的研制方面也做了卓有成效的工作。通过广大科研工作者的努力工作，产生并形成 了以“耦合支护理论”和“松动圈理论”和“自稳隐形拱理论”为代表的多个学派。目前，主 要的大变形巷道支护设计理论有如下几种 （1）新奥法 新奥法是60年代奥地利专家L.V.Rabcewicz在总结前人经验的基础上提出来的一套 隧道设计、施工的新技术。随后，逐渐运用到煤矿软岩的支护中去。目前，已成为软岩 支护主要应用的理论之一。新奥法的理论是建立在岩石的刚性压缩特性、岩石三轴压缩 应力应变特性以及莫尔Mohr学说基础上的，并考虑到隧道掘进的空间和时间效应所提 出的理论。这一理论集中了体现在支护结构种类贯穿在不断变更的设计施工过程中。 1980 年，奥地利土木工程学会地下空间利用分会把新奥法定义为“在岩质为砂质 介质中开挖隧道，以使围岩形成一个中空筒状支承环结构为目的的隧道设计施工方法”。 2 1 绪论 新奥法最核心的问题是利用围岩的自承能力，使围岩本身形成支护体。其存在问题是 新奥法的理论基础是当时的岩石力学理论基础弹塑性理论， 而软岩流变性等问题已超 出了弹塑性问题所能解决的范围，所以需进一步完善。 （2）关键部位耦合组合支护理论[3] 何满潮教授提出的关键部位耦合组合支护理论。该理论认为大变形巷道的支护破 坏大多是由于支护体与围岩体在强度、刚度、结构等方面存在的不耦合造成的。要采取 适当的支护转化技术，使其相互耦合，大变形巷道支护要分为两次支护，第一次是柔性 的面支护，第二次是关键部位的点支护。该理论的主要缺陷在于在深埋大变形巷道，围 岩变形区域较大，关键部位得不到准确确定。 （3）松动圈理论[6] 围岩松动圈巷道支护理论是由中国矿业大学董方庭教授通过对巷道围岩状态进行 深入研究后提出，认为围岩松动圈的存在是巷道固有的特性，它的范围大小厚度值 L 目前可以用声波仪或者多点位移计等手段进行测定。 巷道支护的主要对象是围岩松动圈 产生、发展过程中产生的碎胀变形力，锚杆承受拉力的来源在于松动圈的发生、发展; 并根据围岩松动圈厚度值的大小，将其分为小、中、大三类。松动圈的类别不同，则锚 杆支护机理不同。Ⅰ类小松动圈 L0～400mm，围岩的碎胀变形量很小，此类围岩巷道 一般无需锚杆，可以裸体或者喷射混凝土单独支护；Ⅱ、Ⅲ类围岩Ｌ400～1500ｍｍ， 用悬吊理论设计锚喷支护参数；Ⅳ、Ⅴ类围岩Ｌ1.5～2.0ｍ、Ｌ2.0～3.0ｍ，采用组合 拱理论确定锚喷支护参数；Ⅵ类围岩Ｌ3.0ｍ，在没有进一步研究资料之前，应采用以 锚喷网为基础的复合支护。该理论的优点是简单直观，对中小松动圈有很重要的价值， 但对大松动圈尤其是深埋大变形的煤矿巷道，实践表明该理论有一定的局限性。 图 1.1 开挖后的围岩理论分析 3 西安科技大学硕士学位论文 图 1.2 围岩松动圈实测结果 （4）轴变理论和系统开挖理论 由于学馥在 1981 年提出的“轴变理论”和“系统开挖控制理论”。 该理论认为 大变形 巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍塌是改变巷道轴比，导致应力重新 分布，高应力下降低应力上升，直至自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴 比，其形状为椭圆形。而开挖系统控制理论认为是开挖扰动了岩体的平衡，这个不平衡 系统具有自组织功能，可以自行稳定。 （5）最大水平应力理论[9] 奥大利亚学者盖尔W. J. Gale在 20 世纪 90 年代初提出了最大水平应力理论。该 理论认为深埋矿井岩层的水平应力一般是垂直应力 1.3～2.0 倍。而且水平应力具有方 向性，最大水平应力一般是最小水平应力的 1.5～2.5 倍。巷道顶板的稳定性主要到受 水平应力影响，具有三个特点①与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶 底板稳定性最好；②与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶板变形破坏偏向巷道某一 帮；③与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。 图 1.3 最大水平应力理论 最大水平应力理论， 论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所 起的作用。在最大水平应力作用下，巷道顶底板岩层发生剪切破坏，因而会出现错动与 4 1 绪论 松动引起层间膨胀，造成围岩变形。锚杆所起的作用是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于 轴向的岩层剪切错动，因此要求具备有强度大、刚度大、抗剪阻力大的高强锚杆支护系 统。 （6）关键承载圈及扩容稳定理论[9] 这一理论观点由煤炭科学研究总院康红普教授提出，该理论认为深埋大变形巷 道围岩的变形和破坏状态在掘进稳定回采等不同阶段是不同的，具有显著差别。因此主 张根据围岩的状态特点分别按“关键承载圈理论”和“扩容稳定理论”分别阐述锚杆支 护作用。 “关键承载圈”是指在巷道周围围岩体在一定深度范围内，存在一个能承受较大切向 应力的“岩石圈”，该岩石圈处于应力平衡状态，具有结构上的稳定性，可以用来悬吊承 载圈以内的岩层。关键承载圈理论认为，承载圈以内的岩石重量是支护的对象即荷 载高度。理论分析及工程实践表明，承载圈厚度越大，圈内应力分布越均匀，承载能力 越大； 在对围岩未采取人工支护等控制措施时， 承载圈离巷道周边越近， 荷载高度越近， 巷道越容易维护。关键承载圈的位置及厚度，可以根据对围岩状态的分析计算得出。锚 杆的支护作用是将破坏区岩层与关键承载圈相连，阻止破碎岩层垮落；对围岩提供径向 和切向约束力，阻止破坏区岩层的扩容、离层、滑动、提高破碎区的承载能力。 图 1.4 关键承载圈示意图 图 1.5 次生关键承载层示意图 巷道经受采动影响之后，围岩的破坏范围会逐渐扩大，锚杆的长度不能伸到关键承 5 西安科技大学硕士学位论文 载圈。 “扩容稳定”理论的核心思想就是控制围岩的扩容变形， 形成次生关键承载层， 提高承载圈的承载能力使围岩趋于稳定。次生关键层的影响因素很多，当其厚度较薄， 小于巷道尺寸时，在水平应力的作用下，次生关键层很容易发生“压曲失稳，弯曲失稳” 的破坏，造成巷道支护失败。因此，合理确定次生关键承载层的厚度至关重要。锚杆的 存在，能减小岩层的压曲或者弯曲失稳得可能性，锚杆预紧力越大，支护效果越好。 （7）自稳隐形拱理论[12] 自稳隐形拱理论由西安科技大学惠兴田教授提出， 该理论巷道开挖后得不到瞬时得 支护，从而巷道得顶板会发生变形，在一定范围内的顶板围岩单元体受拉应力，巷道顶 板中单元体的拉应力大于零的单元体所组成的岩体为潜在危害岩体，如图 1.6 所示。这 种顶板内拉应力为零的应力单元的连线在巷道的平面应变问题中为一椭圆形曲线， 这一 椭圆形曲线以上的区域称之为自穏隐形拱。 自穏隐形拱理论的本质就是研究巷道围岩中 拉-压应力单元的交接位置，以围岩这个界面为基准来研究巷道的稳定性，以此为基准 来设计锚杆支护参数。该理论定义了巷道围岩的需要控制的不稳定区域，其中顶板的不 稳定区域为一个椭圆形，帮部的不稳定区域最深为巷道高度的一半。指出巷道围岩的稳 定性与支护方式无关，是否稳定是由巷道和围岩的自身特性确定的。明确了支护工作只 是防止自稳隐形拱内围岩局部突变，保护围岩的外界视觉。该理论目前已经在部分深埋 巷道得到成功应用，当还必须进行进一步的完善与推广。 图 1.6 巷道顶板的岩体划分图 1.3 目前锚网索支护设计所存在的问题 总结各种围岩控制理论， 均认为在深埋大变形巷道应当采用锚网索联合支护这一形 式。虽然在部分巷道里已经成功应用锚网索支护形式成功的控制了围岩变形，但总体来 说，各种理论都存在着或多或少的不足之处，给设计施工带来了不便，总结目前的锚网 索联合支护设计中存在的主要问题有 6 1 绪论 （1）锚杆锚索联合作用机理不明 现存各种锚杆支护设计理论都把锚索简单视为锚杆的扩大， 忽略了锚索锚索之 间的联合作用，造成了锚索的力学功效不能得到充分发挥。 （2）锚杆锚索网的设计参数不确定 目前的锚杆支护设计中对于锚杆、锚索、网的施工参数往往采用工程类比法，缺乏 实际依据。使得锚杆、锚索、网设计的位置、时间、长度、强度得不到有效确定，支护 效果受到明显影响。 （3）施工设计缺乏规范化的参考标准 目前市面上存在着各种类型锚杆及其护表构件，所能形成的支护体系可以多达上 百种，所能达到的支护效果千差万别。应当统一标准，探索出适合深埋大变形巷道的锚 网素支护构件。 （4）缺乏合理的施工方案的评价体系 现阶段对于一套完整的锚杆支护设计理论的评价体系还不健全，多数时候只是简 单的采用测试锚杆拉拔力，巷道表面位移等来评判支护设计。这些简单的监测只能片面 反映支护效果，应当采用科学的评价体系。 1.4 研究内容 本文以自稳隐形拱理论为基础，提出了对大变形巷道进行锚网索补强支护技术。并 运用理论分析计算、数值模拟等手段，对大变形巷道支护进行设计，在现场实践得以成 功应用。本文所提出的锚网索联合支护技术研究，提高了围岩抵抗变形和破坏能力，有 利于发挥巷道围岩的自身承载能力，丰富和完善了锚杆支护理论，促进了锚索网支护在 大变形巷道中的应用，为煤矿巷道锚杆支护设计提供了新的依据 （1）锚网索支护理论研究 根据自稳隐形拱锚杆支护理论，研究锚网索补强理论作用原理，并对锚网索支护参 数进行确定。 （2）施工方案研究 针对课题中大变形巷道的围岩赋存状况，对煤层及顶底板岩层力学特性进行分析， 并提出适合课题背景的锚网索支护技术方案。 （3）巷道变形破坏数值模拟研究 利用有限差分软件，对锚网索支护进行数值模拟分析计算，研究大变形巷道围岩应 力分布规律及变形位移特征。 论证采用锚网索补强支护加固大变形巷道的可行性与可靠 性，并确定锚网索支护方案。 （4）锚杆护表构件的力学分析 通过工程力学的方法对于锚杆，锚索，网等进行力学分析，给出适合大变形形巷道 7 西安科技大学硕士学位论文 的支护组合方式。 （5）变形观测及评价 完成南桥矿煤巷锚网索补强支护工业试验， 采用现场观测、 数据处理和分析的方法， 对围岩变形进行观测。并利用层次分析法对该技术进行评价。 锚网索支护机理分析 8 图 1.7 技术路线图 1.5 本章小结 （1）当前大变形巷道围岩控制技术主要存在的问题有第一、锚杆锚索联合作 用机理不明；第二、锚杆锚索网的设计参数不确定；第三、施工设计缺乏规范化的参考 标准；第四、缺乏合理的施工方案的评价体系。 （2）论文将以陕西白水县南桥矿为典型研究素材，以自稳隐形拱理论为基础，结 合 FLAC3D数值模拟方法和层次分析法的评价原理来设计锚网索支护，为此类大变形巷 道的支护设计提供参考。 锚固形式的研究 支护设计验证 数值模拟支护设计 监测评价 2 大变形巷道综述 2 大变形巷道综述 2.1 大变形巷道的概念 2.1.1 工程软岩的概念 过去松软岩层是指粘结性差、强度低、易分化、有时遇水膨胀、自稳能力的差的岩 层。它是破碎、软弱、松散、膨胀、流变、强风化和高应力岩体的统称。1984 年 12 月， 我国煤炭系统在昆明召开的“煤矿矿山压力名词”讨论会上明确地将软岩定义统一为“强 度低，孔隙率大，胶结程度差，受构造面切割及风化影响显著，或含有大量易膨胀粘土 矿物的松、散、软、弱岩层。”1986 年 11 月，在广东茂名召开的“软岩分类及支护形式 学术”讨论会上，对软岩的定义在上述定义内容基础上，又补充了“流变性及高地应力” 的内容。 上世纪 90 年代煤炭部软岩支护专家组认为应将软岩定义为地质软岩和工程软岩， 地质软岩概念是具有软弱、松散、破碎、膨胀性岩体的总称；工程软岩是指在工程力的 作用下，能够产生显著塑性变形和流变的工程岩体。工程力是指作用在工程岩体上的力 的总和，它包括重力、构造残余应力、水平作用力和工程扰动力以及膨胀应力等。显著 性塑性变形是指以塑性变形为主的变形超过了工程设计中的允许变形值， 并影响了工程 的正常使用。 工程软岩与地质软岩的关系为当工程力相对于地质软岩的强度足够小时，地质软 岩不产生显著塑性变形的特征，此时不作为工程软岩。只有在工程力的作用下发生了显 著塑性变形的地质软岩，才可以视为工程软岩。在大深度、高应力作用下，部分地质硬 岩（如泥岩、胶结质砂岩等）也可能出现了显著的变形特征，则应视其为工程软岩。 工程软岩定义揭示了软岩的相对性实质，即巷道围岩是否为软岩取决于工程力与岩 体强度的相互间关系。当工程力一定时，不同种岩石可能表现为硬岩特性，也可能表现 为软岩特性。而对于同一种岩石，在较低工程力的作用下可表现为硬岩的变形特性，而 在较高的工程力作用下可能表现为软岩的大变形特性。 就这个意义而言软岩已不是单纯 指围岩的软硬或地应力水平的高低，要综合考虑。下表是软岩巷道支护专家组建议的软 岩综合分级表。[13] 9 西安科技大学硕士学位论文 表表 2.1 软岩巷道支护专家组建议的软岩综合分级软岩巷道支护专家组建议的软岩综合分级 主要指标 级别 单轴饱和抗压强 度（MPa） 干燥饱和吸水率 （） 完整系数 Kv 软化深度系数 较软岩 15～30 20 0.55～0.38 1.0～1.3 软岩 5～15 20～25 0.35～0.15 1.3～2.0 极软岩 50 2.0 2.1.2 大变形巷道的形成条件 工程软岩的存在时大变形巷道形成的前提。 工程软岩要表现出软岩特性必须具备以 下两个重要条件[13] （1）工程力 软岩的蠕变试验表明，当所施加的力小于某一荷载水平时，岩石处于稳定的变形状 态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸而不再变化；当所施加的力大于某一荷载水 平时，岩石出现明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形，这一力就是能使岩石产 生明显变形的工程力。当岩石所受荷载水平低于该工程力时，该岩石属于硬岩范畴；当 荷载水平高于该工程力时，岩石表现出软岩的大变形特性 （2）埋藏深度 一般来讲，巷道变形的临界深度也是一个客观量。当巷道的位置大于某一开采深度 时，软岩产生明显的塑性变形和难支护的现象；但当巷道埋深较浅，小于某一深度时， 塑性变形的现象将明显消失。 这期间可能部分岩体虽然自身绝对强度较高， 但在大埋深， 高地应力作用下，也会发生类似软岩的问题，即围岩压力大，支护困难。应为地应力场 引起井巷周边产生应力集中，其数值超过围岩本身的几线强度，发生破坏，围岩体积扩 容胀大，向井巷空间内移，扰动范围较大，长时间不能稳定，致使支护困难。 综合来讲巷道产生大变形主要是由于第一，岩体破碎、强度和模量相对较低、流变 性强。第二，巷道埋深大，开挖前的岩体处于高围压环境。可以近似的用下式来判断巷 道是否属于大变形软岩巷道， 拿巷道的围岩力学特征用围岩强度与大地自重应力之比来 表示，即 ≤rhRC/ 1 2～3 式中 1 R考虑岩体裂隙，地下水等影响下围岩的强度，用围岩饱和水条件下单轴抗压强 度表示，MPa； r上覆岩层的平均容重，N/m3； 10 2 大变形巷道综述 H巷道埋深，m。 凡符合此条件的岩层所在巷道属于大变形巷道，围岩进入大变形难支护的范畴。 2.2 大变形巷道的特征 大变形巷道围岩以泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩为主，岩体破碎，单轴抗压强度较低， 胶结性差，并含有大量的亲水性矿物，易分化潮解。当煤矿埋深较大时，巷道会出现明 显的变形破坏，主要表现在 （1）变形量大、持续时间长 巷道顶板下沉量大， 变形速度快， 持续时间长， 值班变形量均在 80～100mm 以上， 持续时间一般为 20～40d。 处于巷道顶部的锚杆在顶板离层的作用下已难以达到稳定岩 层范围，破碎围岩在变形加剧的影响下，造成了锚杆的锚固失效。 （2）围岩自稳时间短 所谓自稳时间， 就是在没有支护的条件下， 围岩从暴露起到开始失稳而冒落的时间。 大变形巷道的自稳时间仅为几十分钟到几个小时，巷道来压快，且呈四面来压，要立即 支护或超前支护，方能保证巷道围岩不致冒落。 巷道围岩的自稳时间长短主要取决于围岩强度和地应力大小，同时也和巷道的断 面形状、掘进方法、巷道所处的位置等有关。 （3）变形呈不对称性 帮部变形呈现不对称性，巷道会出现向一边收敛的趋势。由于变形的剧烈，大部分 帮部锚杆出现螺母压坏托板的现象，失去托板承托效应的锚杆锚固力明显减弱。 （4）刚性支护破坏严重 一般的刚性棚式支护普遍被压坏，其中以棚架顶梁的破坏最为明显，棚架柱腿则由 巷道两边向中心收敛。由于巷道变形量大，持续时间长，普通刚性支护所承受的变形压 力很大，施工后很快就发生破坏，必须再次或多次返修后巷道才能使用。这是刚性支护 不适应于软岩巷道变形规律的必然结果。 （5）底鼓明显 巷道底部出现大量的底鼓现象，底鼓明显是大变形巷道的重要特征，并且底鼓的出 现与顶板下沉、帮部收敛同时发生，相互影响，形成恶性循环。巷道破坏往往就是先发 生在底板位置，然后因底鼓致使两帮移进和失脚，直至片帮冒顶，巷道破坏。 （6）围岩遇水膨胀，变形加剧 软岩一般都含有亲水性很强的蒙脱石、伊利石等粘土矿物的岩石，这些岩石遇水后 软化，体积急剧膨胀，因而变形也更剧烈，产生很大的膨胀压力。 11 西安科技大学硕士学位论文 2.3 大变形巷道支护困难分析 造成大变形巷道变形剧烈，支护困难的原因是多方面的，最主要的原因有以下几个 方面。[13] （1）岩层成岩年代晚，胶结程度差 我国软岩矿区主要分布在靠猜新生界第三纪褐煤和开采中生界上朱罗纪的褐煤矿 区。如吉林的舒兰矿区，辽宁的沈北矿区，内蒙古的元宝山矿区和陕西的渭北矿区等。 这些矿区的煤层顶底板岩石都非常松软破碎，易风化，因此怕风、怕水、怕震。 （2）岩石强度低 煤巷软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩等，单向抗压强度都比较低。单向抗压强 度的具体数值是多少才属于软岩，目前还无定论。根据大量工程实践表明，单轴抗压强 度为 20MPa 为标准，即普氏岩石坚固系数f2 为松软岩层。关于凝聚力C一般指小于 0.3MPa，内摩擦角ϕ一般小于 50。由于岩石强度低，表现在围岩松散、软弱，在中等 或稍高应力水平状态下就能产生较大的围岩变形，支护困难。 （3）节理发育，岩体破碎 个别矿区，虽然岩石强度很高，但由于节理比较发育，岩体破碎，支护工作将十分 困难。所以，在岩石强度高的节理化地层中，也可能表现出软岩特征。其原位压缩实验 结果可能会与室内小样岩块的实验指标相差数倍以上。 （4）围岩应力水平高 岩石强度低是产生巷道大变形的重要因素，但只是其中的一个方面。岩石强度的高 低应与地应力紧密相联。假如岩石强度较低，但地应力值也比较低，就表现不出大变形 特性。 比如陕北高原的延安窑洞就可以在不支护的情况下保持长时间稳定围岩应力水平 高，表现在三个方面 a.巷道埋深大 我国立井的平均深度在逐年递增， 目前已超过了 500 米， 随着开采深度的不断增加， 许多原本稳定性较好的围岩也逐渐产生大变形特性。 b.构造应力大 个别矿区虽然开采深度不深，但地质构造应力却很大，在构造应力的影响下，一些 强度很高的岩层（如混合岩、破碎结构花岗岩等）也变成了软岩。 c.集中应力作用 工作面前方支承压力集中系数高达 3～5 倍，跨采巷道、受邻近巷道掘进影响的巷 道其围岩均承受一定的集中压力，从而使围岩由稳定状态过渡到软岩状态。 （5）岩石吸水膨胀 遇水膨胀岩层，多含有蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物成分，亲水后产生显著 12 2 大变形巷道综述 的体积膨胀，巷道开挖在这种软岩地层中，若治水措施不当极难支护。 吸水膨胀性岩层分布在我国煤炭沉积的几个主要成煤年代， 古生带软岩层以海相沉 积为主，岩石的组成主要是泥岩、砂质泥岩和页岩，胶结程度较好，粘土矿物以高岭石、 伊利石为主，蒙脱石较少，吸水膨胀性相对较差；中生代软岩层以陆相沉积为主，和古 代岩层相比，成岩时间短，胶结程度较差，粘土矿物以伊利石和伊蒙混层矿物为主，有 较强吸水的膨胀性；伴随着褐煤的开发，新生代第三纪膨胀性软岩越来越多，该年代地 层成岩时间短，胶结程度差，表现为松、散、软、弱的结构特征，粘土矿物以蒙脱石为 主，亲水性强、易分化，遇水易解体成软泥，膨胀性最为显著。 大变形巷道的特征表现明显，大多出现在岩石强度低而地应力又高的条件下，往往 同时还伴有一定的吸水膨胀性。 2.4 本章小结 （1）工程软岩的存在时大变形巷道形成的前提。工程软岩是指在工程力的作用下， 能够产生显著塑性变形和流变的工程岩体。 （2） 工程软岩要表现出大变形软岩特性必须同时具备工程力和埋藏深度这两个重要 条件。利用公式可以对巷道是否出现大变形特征进行判断。rhRC/ 1 13 西安科技大学硕士学位论文 3 大变形巷道支护原理 煤矿巷道由于开挖，破坏了原岩的应力平衡状态，围岩应力产生了重新分布，随着 时间发展和空间位置的变化，应力和应变又处于不断地调整状况中。下图是以围岩不同 深度径向应变的值随时间变化的情况。[10] 图 3.1 应变时间变化曲线 从上图中可以清楚地发现围岩以自承能力为主的稳定变化过程。 （1）在 0～2.5m 范围内，ϕ,C值大幅度的下降，松弛变形比较明显。这既是我们所 常说的巷道围岩的松驰带。 （2）在纵深2.5～6m范围内，围岩处于压缩状态，出现压密区。这是巷道围岩开始 想稳定方向转化的重要标志。在这个压密区会形成承载圈，一方面对6m以外围岩起着 支撑作用，另一方面对松弛部分起保护作用。 （3）在6～9m区域内，围岩初期压缩状态逐渐转变为后期膨胀状态，并且应变值收 敛稳定在0.008左右。 （4）在9～12m区域内，围岩由后期膨胀状态，逐渐转化为后期压缩状态。总的趋 势仍是压缩、膨胀交替出现，并随深度的增加而逐渐减弱。 可以看出，在围岩纵深12m范围内最终出现了两个压密区，一个膨胀区，一个松弛 区。压密区就是承载区域，承受着绝大部分的地应力，在巷道围岩的稳定过程中起着关 键作用。 上图所显示的深部巷道围岩力学形态变化的重要意义在于从理论和实践上说明了 14 3 大变形巷道支护原理 围岩是以自稳能力为主，充分说明提高围岩的自身强度，也就是提高围岩ϕ,C值的重要 意义。 正是由于有这种认识， 才使得主动加固围岩的锚网索联合支护得到了极大的发展， 取代了传统的支护形式。 3.1 大变形巷道支护原理 大变形软岩巷道支护的着眼点应放在充分利用和发挥岩石自稳能力上。支护原理 是根据巷道岩层的不同属性，地应力状况，运用信息化的设计方法，使支护体系和施 工方法适应