上青矿井巷稳定分析与支护研究.pdf

分类号 U D C 密级 y8 5 t , 0 4 6 学位论文 上青矿井巷稳定分析与支护研究 作者姓名 堡亡 指导教师垫塞整蕉 塞些盘堂壹遵鱼圭盔墨壁堂瞳 申请学位级别塑学科类别兰鲎 学科专业名称墨猩左堂 论文提交日期2 Q Q 5 生1 2 旦论文答辩日期 学位授予日期 2 口口6 ．／．岁 答辩委员会主席；塞查 评阅人i 丝泅 厘垂扛 东北大学 2 0 0 6 年1 月 东北大学硕士学位论文 摘要 上青矿井巷稳定分析和支护研究 摘要 软弱破碎岩体中井巷的稳定，一直是困扰矿山施工的难题，由于地质作用较为 明显，导致巷道在施工中出现垮冒，影响采矿生产的进展，溜井受到断层夹层的影 响井壁片帮，影响放矿工作的进行，因此井巷围岩的稳定是矿山生产关注的重要问 题，论文就这两方面，进行了一系列的研究。 论文概述了围岩失稳判定方法，阐述了锚杆的作用力和锚固方式对锚固体的力 学性能，根据矿山的现场实际进行地质调查、收集地质资料，并结合室内岩石力学 实验，分析地质因素对围岩破坏的影响，通过在巷道典型断面布点进行围岩变形观 测，掌握巷道围岩在地质作用下的变形规律，综合地质因素和量测结果对围岩稳定 性进行分级；按照稳定性分级进行了支护等级的划分，不同的围岩级别采用相应的 支护方案；主要为喷射混凝土支护、锚网支护和钢筋混凝土支护。并利用锚杆在岩 体中形成承载拱理论，对锚网支护参数进行优化；现场分析了溜井的破坏原因，根 据现场生产模拟溜井叉堵破坏实验，数值模拟溜井在断层破碎带影响下的破坏，得 出溜井破坏规律，通过钢纤维混凝土抗冲击性试验，并利用钢纤维混凝土良好的抗 冲击性能，采用锚杆和钢纤维混凝土结合加固溜井井壁。最后选取l l 矿组进行锚网 支护施工。 通过课题的研究，基本解决井巷围岩在生产施工中出现的垮冒，保证了矿山开 采工作的正常进行；对于有类似地质状况的矿山具有一定的指导意义。 关键词岩体稳定性；断层破碎带；锚网支护；参数优化 ．Ⅱ． 东北大学硕士学位论文 A b s t r a c t ．S t u d yO nt h es t a b i l i t ya n dt h eS u p p o r to fD r o ps h a f ta n d R o a d w a yi nS h a n g q i n gI r o nM i n e A b s t r a c t T h es t a b i l i t yo fD r o ps h a f ta n dR o a d w a yi nf l a b b ya n df r a g m e n t i z e dr o c k b o d y ，i s a l w a y sap r o b l e mt h a tp u z z l e dm i n ec o n s t r u c t ，d u et og e o l o g ye f f e c ti sq u i t eo b v i o u s ，i t m a k et h er o o fo fr o a d w a yc a v ei nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n g ．i ti n f l u e n c e sm i n i n g p r o d u c t i o nh e a d w a y , d r o p s h a f t i si n f l u e n c e db yf a u l t a g ei n t e r l a y e ra n dw a l lo fi tf a l l i n ．i ti n f l u e n c e sd r o p p i n gm i n e ．t h e r e f o r et h es t a b i l i t yo fD r o ps h a f ta n dR o a d w a yi st h e i m p o r t a n tp r o b l e mt h a ti se y e do ni nm i n ep r o d u c t i o nT h e t h e s i sm a k e se m p h a s i so nt h e t w oa s p e c t sa n dp r o c e e d sas e r i e so fe x p e r i m e n t s ． T h ep a p e rs u m m a r i z ed e t e r m i n a n tm e a n st h a tw a l lr o c kl o s es t a b i l i t y , e x p a t i a t ea c t i o n o fb o l ta n dt h eq u o m o d oo fb o l tu s i n gh a sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c et oc o m b i n a t i o no f b o l t a n dr o c k ；a c c o r d i n gt om i n el o c a lf a c t ；a d o p t i n gl o c a l eg e o l o g i cr e s e a r c h ，c o l l e c t i n g g e o l o g i cd a t a s ，c o m b i n i n gt h ei n n e re x p e r i m e n t0 nr o c km e c h a n i c sw i t ht h e m ，t h ea u t h o r a n a l y z ew h a tg e o l o g i c a lf a c t o r sh a si n f l u e n c eo nt h eb r e a k a g eo fw a l lr o c k ，g r a s pt h e r u l et h a tw a l lr o c ko fr o a d w a yd i s t o r tu n d e rg e o l o g i c a la c t i o n ，b yd i s t o r t i o no b s e r v a t i o n o fw a l lr o c ki nt h et y p i c a ls e c t i o n sw h e r el a yt h em e a s u r e p o t s ．t h e nm a k ec l a s s i f i c a t i o nt o s t a b i l i t yo fw a l lr o c kb ys y n t h e t i z i n gg e o l o g i cf a c t o r sa n dt h em e a s u r i n gr e s u l t s ．t h e a u t h o rp l o t so u ts h o r i n gg r a d e si nt e r mo f ．s t a b i l i t yg r a d e ．d e f f r i e n ts t a b i l i t yg r a d eh a s c o r r e s p o n d i n gs h o r i n g f o r m ．t h e r ea r et h r e ek i n d so f s h o r i n gf o r m ，s p r a y i n g o n c o n c r e t e ，b o l ta n dm e s hs u p p o r ta n dr e i n f o r c e dc o n c r e t e ．a d o p t i n gb o l tf o r mt h ec a r r y i n g a r c ht h e o r yi nt h ec o c kb o d y ．T h ea u t h o ro p t i m i z et h ep a r a m e t e r so fb o l t ．T h ew r i t e r a n a l y s e st h ec a u s eo fb r e a k a g eo fd r o ps h a f t ，s i m u l a t i n gd r o ps h a f tj a m m i n ge x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ol o c a lp r o d u c t i o n ，s i m u l a t i n gt h eb r e a k a g eo fd r o ps h a f tw h i t hn u m e r i c a l v a l u ew h e r ei ti n f l u e n c e db yt h ef r a g m e n t a t i o no ff a u l t a g e , t h ew r i t e ra c q u i r e st h er u l eo f b r e a k a g eo fd r o ps h a f t ，m a k eu s eo fs t e e lf i b r ec o n c r e t et h r o u g hs t e e lf i b r ec o n c r e t e a n t i ．i m p a c te x p e r i m e n t ，r e i n f o r c ew a l lo fd r o ps h a f tw i t hb o l ta n ds t e e lf i b r ec o n c r e t e ，a t l a s t ．H ep u t su 口b o l ta n dm e s hs h o r i n gf o r ma t11m i n a lt e a m ，a n dv a l i d a t e ss h o r i n g d e s i g ni np r a c t i c e ． B ys t u d y i n gt h et a s k ，Ib a s i c a l l yr e s o l v et h ep r o b l e mt h a tD r o ps h a f ta n dR o a d w a y ．．I I I ．． 查些垄兰堕圭兰堡垒查一垒 皇 L b r e a kd o w ni nt h ep r o d u c t i o n ，e n s u r em i n ee x p l o i t a t i o ni si np r o c e s s ，i th a ss o m eg u i d a n c e t om i n ew i t hg e o l o g i c a ls t a t u st h es i m i l a rt oi t ， K e yw o r d s t h es t a b i l i t yo f w a l lr o c k ；f a u l t a g ef r a g m e n t a t i o n ； r o c k b o l ta n dn e ts u p p o r t ；p a r a m e t e ro p t i m i z e ．1 V ． 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不 包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 候广 日 期三卅．i 罗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定即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磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索、交流。 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名 1 荻歹 签字日期川／．窘 导师签名 签字日期加形7／q 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 课题研究背景和意义 板石矿业公司上青矿地质构造较为发育，巷道围岩受到褶皱、断层、层理和节 理的强烈作用，对位于矿区岩层、岩体的井巷稳定性影响较大。断层横贯整个矿体， 溜井穿过断层地带的井壁在放矿的冲击下易垮冒，造成溜井断面刷大，致使溜井在 运作时发生叉堵影响生产的正常进行。巷道穿过断层地带，岩体遇水后冒落严重， 影响矿山正常施工；因此，对井巷围岩稳定进行研究并采取相应的支护措施保证矿 山正常生产是迫切需要解决的问题。 井巷围岩稳定，特别是深部井巷围岩的稳定，是矿井生产与管理的关键性技术。 开采规模的加强、矿井开采的纵深化，深部井巷围岩破碎、软弱、变质作用极为明 显和地压的显现，使得对井巷支护也成为一项复杂重要的技术。许多专家、学者对 井巷围岩结构的稳定进行了大量的研究和实践，也取得了好多可喜的成果，但就具 体问题的实际应用来看，深都井巷围岩稳定问题还没得到根本的解决，井巷围岩工 程控制等诸多因素问题有待于进一步研究和探讨。 随着时代的发展、科学的进步及其不断的开采实践和理论研究，围岩工程控制 理论取得长足的发展，支护形式也随之发生了重大的变化。支护观念由被动转主动， 巷道支护已由传统的棚式支护向锚杆支护转化。在各国地下工程领域里，锚杆支护 得到了推广和普及。可以说，锚秆支护是当今各种地下工程的一种新型先进的支护 方式。 然而，地下巷道围岩稳定性的控制效果如何，不但取决予支护形式的选择，而 且受到巷道所处的地质条件、巷道围岩应力状态等所制约。就目前来讲对深部巷道 围岩，尤其是地压显现严重的巷道，要么是不能达到预期的支护效果，要么是支护 投入较高，还远远不能满足矿井实现高产、高效的这一要求。可见对深部巷道，尤 其是地压显现明显的巷道和破坏严重的溜井，如何选择合理的支护方案，确保井巷 围岩的稳定，保证矿山旋工的安全、高效开采，无疑具有一定的现实意义。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．2 国内外支护研究现状 1 ．2 ．1 国外支护发展现状 国外地下工程研究大体上分为三个阶段，即锚喷支护阶段、钢架支护阶段和岩 体工程地质规律研究阶段。 1 锚喷支护阶段 早在1 9 世纪初期，美国、英国等国家就已经开始锚喷支护技术的试验研究， 但其系统研究是从4 0 年代开始，5 0 年代以来在金属矿山、水利等地下工程中广泛 应用。锚喷支护用于破碎软岩巷道始于6 0 年代初期【l 】。 为适应矿山岩体变化，锚杆的种类也发展很快。早期的楔缝式锚杆、涨壳式锚 杆、倒楔式锚杆等机械锚杆以及水泥注浆锚杆、摩擦式锚杆等粘结式锚杆。近年来 又发展了性能良好、适应性更为广泛的新型锚杆，如树脂锚杆、水泥锚固锚杆、摩 擦式锚杆和管缝式锚杆等。 适用于巷道支护的喷层材料也有了长足的发展，从原来的素水泥砂浆、素混凝 土，到研制出有一定柔度的纤维混凝土 F i b e rC o n c r e t e ，按材料的不同，可分为 塑料纤维和钢纤维 P l a s t i cF i b e r , S t e e lF i b e r 混凝土，第一份研究纤维混凝土的报告 是本世纪初美国P r o t e r 提出，即在普通混凝土中加入钢纤维，近年来，英国、加拿 大、瑞典、意大利、南非等国也在大力开展新的纤维混凝土材料的研制，如聚乙烯 P r o y l e n e 、尼龙 n y l o n 等结晶性的聚合物制成的复合纤维材料。可以预见，这 种新材料的纤维混凝土，适应与巷道围岩大变形的特点[ 2 】。 2 钢架支护研究阶段 进入8 0 年代末期，随着煤矿开采深度的增大，千米矿井不断出现，围岩破碎、 岩体变质在地下各种因素的作用下，巷道支护难度加大，仅以锚喷支护为主的支护 技术在巷道维护方面成效很低。如波兰的L u b l i n 煤矿，第一水平采深7 0 0 m ，第二水 平采深为1 0 0 0 m 。当开采第一水平时，其巷道围岩为砂质泥岩为主的泥岩类，组成 该泥岩类的成分较为复杂，巷道支护后存在以下问题底鼓、引帮、变形、压力大 初期变形大，以后变形量持续不减，几个月后围岩变形很大，巷道难以稳定，最后 采取不断挖底、扩帮，进行翻修。为了改变这种现状经过三年研究，把锚喷支护改 为钢架支护，目前国外在软岩巷道支护采用的钢支架种类有9 种之多p J 。主要包括 ①O L W ／U 2 9 型可缩性钢架；②钢筋混凝土圆形支架；③钢拱架一钢筋混凝土封闭支 架；④T H 4 4 圆形钢架；⑤钢拱架和T H 4 4 反拱支架；⑥喷网一圆形钢架联合支护； ．2 ． 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ⑦梨型T H 4 4 封闭钢架；⑧锚喷网架和底鼓；⑨U 2 9 型圆钢架加底部棍凝土。 3 岩体工程地质规律研究阶段 在进行了一系列钢架试验后，国外一些学者发现，对一砦泥质岩石仍然难以控 制软岩巷道地压，因而国外近年来转向研究岩体工程地质性质，以期对不同性质的 围岩采取不同的支护方法。 目前，围绕岩体工程地质性质方面的研究，国外进行了软岩性质的试验研究项 目 1 岩石结构、成分的研究，如电子显微镜扫描、x 一光衍射分析等 2 岩石物化性质的研究，如空隙度、离子交换能量的测定等； 3 岩石水理性质的研究，如含水量、塑限、液限、塑性指数等参数的确定； 4 岩石力学性质的研究，如抗压、抗剪特性参数、软岩膨胀力测定，软岩流 变学性质和本构关系的研究。 虽然开展了上述一系列研究工作，但把岩石研究和解决现场工程实际问题结合 起来还没有明显进展。 1 ．22 国内支护研究现状 我国在巷道虽岩支护技术的研究内容分为两个方面，一方面是在巷道围岩支护 中起重要作用的锚喷网支护技术，另一方面是具有自身特色的岩体综合治理技术。 1 国内锚喷支护的进展[ 4 ] 我国自5 0 年代开始使用锚杆技术以来，锚喷支护技术逐步发展，大体可分为 三个阶段。 1 试验阶段 时间大体上是从5 0 年代中期到7 0 年代初期。这一时期的特点是依据现场实际 经验．从单一的锚杆支护试验，发展到喷射水泥砂浆试验，进而发展到喷射混凝土 支护试验，并开始光面爆破的新技术试验。 2 发展阶段 时间上大体是7 0 年代，这一时期，从零星试验。进入到对锚喷支护技术的摸 索实践的系统研究总结。煤炭工业部把锚喷网支护定为井巷支护的发展方向，更促 进了锚喷支护在软岩巷道支护的应用研究。 3 提高阶段 8 0 年代以来是锚喷支护技术的巩周、发展和提高阶段。这一阶段特点是巩固成 果，提高丁程质量，在实践的基础上进一步加强试验和理论研究，开始加强了测量 果，提高工程质量，在实践的基础上进一步加强试验和理论研究，开始加强了测量 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 工作，并针对煤矿的特殊性，开展了软岩支护的研究试验，取得了较好的效果，这 一阶段最大的成就就是锚喷网支护和光面爆破有机结合起来，共同实现对围岩的有 效控制。它最大程度地保护了围岩的强度和完整性，发挥了围岩的自承能力。这是 我国煤矿支护技术上的重大发展和突破。 2 综合治理技术 我国在自己生产的基础上经过各科研院所的共同努力，形成了具有我国特色的 综合治理技术。我国综合支护体系可概括为“综合治理，联合支护，长期监控，因 地制宜”【7 ] 【8 1 。综合治理对控制极为破碎巷道稳定性的膨胀性矿物、构造应力和 地下水等重要原因进行系统分析。综合治理，仅靠传统的锚喷支护技术是不够的， 要把卸压、泄水支护和断面选型有针对性地结合起来，综合治理；联合支护a ．内 部支护和外部支护相结合，内部支护尽量要大，尽可能的提高围岩自身强度；b ．围 岩变形较大，要开发研究适应大变形的支护材料。c ．巷道围岩支护是个动态过程， 不能一蹴而就；长期观测要对围岩进行位移量测，准确把握二次支护时间，同时 对测得的围岩位移资料进行分析。并对支护设计反馈修改，控制围岩变形发展。因 地制宜根据不同地区围岩地质性质的不同，采用不同的支护方法。 1 ．2 ．3 支护理论和技术研究现状 国内外关于巷道围岩的支护理论主要有以下几个比较著名的理论 1 新奥法理论 新奥法是6 0 年代奥地利专家由奥地利学者L ．V ．R a b c e w i c z 教授在总结前人在隧 道方面大量实践经验基础上提出来的一套隧道设计、旌工新技术。随后逐渐应用到 地下巷道支护中来。目前成为巷道围岩支护主要的理论之一。 新奥法的理论是建立在岩石的刚性压缩特性的岩石三轴压缩应力应变特性以 及莫尔圆学说基础上的，并考虑到隧道掘进的空间和时间效应所提出的新理论。这 一新理论集中体现在支护结构种类贯穿在不断变更的设计施工过程中。 1 9 8 0 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”。施工遵循下列原则5 】 1 应当考虑岩体的力学性质； 2 应当在适宜的时机构筑支护结构，避免围岩中出现不利的应力状态； 3 为使围岩形成力学上十分稳定的中空筒状支承环结构，必须构筑一个闭合 的支护结构； ．4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 4 由现场量测监控围岩动态，根据允许变形量求得最适宜的支护结构。 上述定义揭示了新奥法最核心的问题一利用围岩自承能力，使围岩形成支承 环。其存在的问题是新奥法的理论基础是当时的岩石力学理论基础一弹塑性理论， 而巷道深部岩体流变性等问题己超出了弹塑性问题所能解决的范围，所以需进一步 完善。 2 轴变理论和系统开挖理论【6 l 由于学馥等人 1 9 8 1 年 提出的“轴变理论”和“系统开挖控制理论”，认为 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。 3 联合支护理论 由冯豫、郑雨天、陆家梁、朱效嘉等人在总结新奥法基础上，又提出了“联合 支护技术”，【7 ] 【引认为对于软岩巷道支护，要“先柔后刚、先让后抗、柔让适度、 稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网支护、锚喷网架支护技术、锚带网架锚带喷架 等联合支护技术。 4 锚喷一弧板支护理论[ 9 1 以郑雨天、孙均和朱效嘉为代表的学者，提出了锚喷弧板支护理论，该理论认 为对软岩总是强调让压是不行的，放压到一定程度t 要坚决顶住，即联合支护的 先柔后刚的刚性支护形式“钢筋混凝土弧板”，要坚决限制和顶住围岩向中空的位移。 5 围岩松动圈理论 1 0 】[ 1 1 】 由董方庭教授等人提出的围岩松动圈理论，其主要观点为凡是裸体巷道，其 围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要保护， 松动圈越大，收敛交形越大，支护越困难，因此支护的目的在于防止围岩松动圈发 展过程中的有害变形。 6 关键部位的耦合组合支护理论[ 1 2 】【1 3 】 由何满潮提出的关键部位耦合组合支护理论，认为巷道支护破坏大多是由于支 护体与围岩在强度、刚度、结构等方面存在不耦合造成的。，要采用适当的支护转化 技术，使其相互耦合，复杂巷道支护要分两次支护，第一次是柔性的面支护，第二 次是关键部位的点支护。 7 定量的控制分析理论【1 4 1 定量支护理论研究的历史实质是围岩力学模型的研究历史，目前，流变力学、 ．5 ． 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 断裂力学、非连续介质力学、复合材料力学、损伤力学、时间序列分析理论、灰色 系统理论和人工神经网络理论等都9 1 入深部巷道岩体工程的研究。但由于存在以下 的两个主要问题使得定量的支护理论目前难以变成使用的可操作的支护理论。 一是考虑了各种因素的本构关系过于复杂，涉及的各种参数甚多，计算非常复 杂和困难，而要确定支护力的大小，尚需要理论强度理论或稳定准则，复杂条件下 的强度理论或稳定准则目前研究尚不很充分，所以难以将力学模型用于支护力的大 小设计 二是目前建立的模型尚难考虑支护过程和围岩变形过程，现有的定量支护理论 既不能像新奥法那样直接可以指导软岩支护的设计与施工的各个环节，也不能确定 支护力的大小。不过随着计算机和数值计算方法的发展，以有限元、边界元法、离 散元法等为理论基础的计算机软件大量涌现，为地下工程围岩支护理论及方法的研 究提供了有力的工具。 支护技术经过以下几个阶段 1 锚喷支护 自1 8 7 2 年，英国威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡，1 9 1 2 年德国列兹 矿最先用锚杆支护井下巷道以来，锚杆技术至今已有一百多年的历史。但锚杆支护 技术的广泛应用，仅是四、五十年的时间。／2 1 我国自5 0 年代开始试用锚杆。7 0 年代，煤矿工业部把锚喷技术定为井巷支护 技术的发展方向，促进了锚喷技术的应用研究。8 0 年代，出现了一些锚喷技术应用 于软岩巷道的支护成功的范例。 这些年来锚喷支护技术已经获得长足的进步，锚杆由早期的胀壳式锚杆、倒楔 式锚杆、楔缝式锚杆等机械锚杆，发展了锚固性好、适应性强的新型锚杆，树脂锚 固锚杆、快硬水泥药卷锚固锚杆、管缝式锚杆及水胀式管状锚杆等等。但由于一般 锚固技术不能适应巷道围岩大变形的要求，失败的工程实例很多，所以现在的锚喷 支护技术多在调整锚杆的变形以适应围岩大变形，如出现了各种杆体机械结构型、 材质可拉伸锚杆；喷层材料从原来的塑砂浆水泥、混凝土，通过添加各种纤维材料， 如聚乙烯、丙烯、尼龙等塑性纤维和钢纤维材料，增加喷层适应变形的能力，通过 添加微硅增加喷层和岩面的密贴性能与强度等等。但受机具及经济条件的限制，我 国锚喷支护参数的范围非常狭窄，锚杆长度多为1 ．6 - 2 ．O m ，间距为O ．5 ～1 ．O m 。实践证 明，这种单纯的锚喷支护难以从根本上解决深部巷道围岩支护问题。为此锚杆支护 有以下的发展 ．6 ． 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 锚喷支 勰臣司h 向际再衰 应用范围 存在问题 一般软岩巷道 高应力强膨胀地 区锚喷网不能全 部解决问题、节理 化极破碎岩体不 能满足要求 极破碎岩体、强| J 大断面软岩 膨胀高应力区 I I 硐石关键部 l l付 鎏篱票I 鬯备尚不I 配套l 幽1 ．1 锚喷支护发展图 F i 9 1 ．1 b o l ta n ds p r a y i n gc o n c r e t es u p p o r td e v e l o p m e n tc h a r t 2 U 型钢可缩性支架支护 由于锚杆在软岩巷道支护中的局限性，金属可缩性支架在软岩支护中仍然具有 很大的市场。在日本的软岩隧道施工中，采用钢拱架支护是他们的一条成功经验。 u 型钢具有良好的断面和几何参数，且易于实现型钢搭接后的缩让，所以成为 制造金属可缩性支架的主要材料。早在1 9 3 2 年，德国海茨曼公司就研制成u 型钢可 缩性支架，近年来得到了不断的完善与发展，在煤矿巷道支护中获得了广泛的应用。 在德国煤矿巷道中，几乎都使用u 型钢可缩性支架支护，约占巷道总长的9 5 ％，且 在开采深度达到1 4 0 0 米，地压很大，年底鼓量在1 0 0 0 m m 以上，需经常卧底的巷 道中，也获得了非常好的支护效果；支架本身基本上无塑性变形和损坏。 早在6 0 年代初期，我国开滦、淮南等矿务局就已经使用了u 型钢可缩性支架， 在开滦矿务局，采准巷道基本上使用了可缩性支架，支护巷道达3 8 万余米，1 9 8 3 年的比重已占全年全部掘进巷道支架的7 3 ％，现在我国每年投入的U 型钢在1 0 万 吨以上，但是U 型钢架的使用还存在令人不满意的方面 1 支架支护强度低，一般为0 ．0 0 5 ～0 ．1 M P a ，不能有效地控制巷道变形，导致 支架型钢、卡缆的变形破坏严重，复用率低，许多矿区把U 型钢可缩性支架基本上 作为一次性投入，极大地增加了巷道支护的成本。 ．7 ． 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 2 U 型钢可缩性支架的最大优点在于可缩，但在实际应用中，往往其压缩量很 小 远小于巷道断面的2 0 ％ 时就破坏，失去了可缩性破坏的意义。 3 高墙混凝土弧板支架支护【l 5 J 比利时在软岩巷道中利用全断面掘进机掘进，并使弧板安装与壁后充填实现了 机械化，颇引人注目；这种大弧板支架的成本不到u 型钢可缩性支架的一半，而其 承载力可比后者高约2 倍。 我国8 0 年代初引进了比利时的大型弧板技术，经过改进，使其得到进一步完 善与提高。所谓大型钢筋混凝土弧板，其基本上将煤矿建井工作者所熟知的竖井预 制f i 宾块大型化 每节面仅由4 5 块拼装 ，然后应用于软岩圆形巷道中。东北大 学8 0 年代初首先在沈北煤矿软岩巷道中，实验用锚喷网作首次支护，再用大型弧板 二次支护。每块弧板中央均留有中心孔，预埋短管，以便安装通过销子与安装机外 伸臂连接；每块间垫有2 0 m m 木板，壁后充填低标号混凝土或散沙。存在问题安 装机械手不配套，壁后充填缓冲层预留大变形层的施工不配套，不适应软岩巷道的 变形规律。 1 ．3 锚杆应用方面的理论研究 随着锚杆支护的推广和普及，锚杆支护理论也有很大的发展。传统经典的锚杆 支护理论为 1 悬吊作用； 2 组合梁作用； 3 拱形压缩带作用 4 销钉作 用；其主要观点认为锚杆使岩体中形成有利于围岩稳定的机构，由结构承受围岩压 力。但锚杆的锚周强度，结构的承载力和围岩压力三者的关系，以及各自的定量化 都是目前的难题，在复杂的地下岩体中，锚杆并非单一的某一种作用形式，而是多 种的且相互影响的作用形式，这给经典理论指导锚杆支护设计带来了困难。 近年来，国外有些学者，从研究锚杆与围岩相互作用入手，建立了锚杆支护设 计的解析法和数值法。例如加拿大的I n d r a r a t n a 和K m s e r 采用模拟实验，分析了全 长锚固锚杆与围岩的相互作用，建立了全长锚杆分析设计模型，按照简化的、线性 的本构关系和H o k e ．B r o w n 破坏准则确定了围岩的塑性区；法国学者L a b i o u s 研究了 锚杆支护的全部过程，建立了“收敛一约束”的锚杆支护设计的数值模拟法；美国 s ．S 膨和L ‘B 戈提出根据巷道顶板的三种破坏形式的判别式，从而决定锚杆参数。 解析法和数值法，可操作性强，但是没有考虑锚固作用的发生、发展和失效的全过 程及锚杆安装后围岩性质和状态的变化，也没有反应非线性大变形的情况。【l 州 我国学者如孙均、孙学毅、李世辉、王明怒、董方庭等教授对锚杆机理都进行 了深入的研究。孙均、宋得彰的理论分析模型，通过提高围压，实验得出围岩与岩 ．8 ． 东北大学硕士学位论文第一章绪论 体残余强度的关系，并且利用弹塑性理论定量分析锚杆的支护效果；孙学毅的全长 锚固力学模型 砂浆锚杆 ，被国内外学者广泛引用王明恕的中性点理论，提出全 长锚杆的设计方法；李世辉的典型类比分析法，比普通类比分析法更为科学可靠； 董方庭的围岩松动圈支护理论，在确定各种经典锚杆支护作用理论的使用条件和范 围，可操作性强。 1 ．4 论文研究的主要内容 本文以上青矿巷道和溜井的稳定作为研究对象，研究其稳定性和支护，主要进 行以下研究工作 1 通过对上青矿巷道围岩地质状况进行现场地质调查，进行岩体强度实验， 研究巷道围岩在地质因素和岩石力学性质变形下的破坏状况；在巷道围岩典型断面 布设观测点，研究围岩在各种地质因素作用下的变形规律，并对围岩破坏巷道分析 原因；最后综合各个因素对巷道围岩稳定性进行分级。 2 通过现场分析溜井发生破坏的原因，模拟溜井在放矿时发生的叉堵破坏， 研究溜井破坏原因，并运用数值模拟溜弗断面破坏情形；研究矿岩冲刷溜井使之产 生破坏的规律； 3 通过室内钢纤维混凝土的冲击性能试验，研究钢纤维混凝土在冲击作用 下的力学性能，并采用钢纤维混凝土和锚杆组合加固溜井。 4 在对围岩稳定性分类的基础上，对巷道围岩采取支护措施，利用锚杆在 岩体中形成承载拱理论对巷道支护参数进行优化设计，确保支护方式安全可靠，经 济合理。 ．9 ．- 东北大学硕士学位论文 第二章上青矿地压显现规律及岩体力学性质 第二章上青矿地压显现规律及岩体力学性质 板石公司上青矿位于中朝准地台 I 级 ，辽东隆起 I I 级 ，铁岭靖宇隆起 1 1 1 级 ，龙岗复背斜 I V 级 的南翼。区域地层由北向南展布太古宙鞍山群杨家店组； 中元古宙老岭群达台山组和珍珠门组；上元古宙震旦系的钓鱼台组，南芬组，八道 江组，桥头组；古生界的寒武系；中生界的侏罗系及第四系等。在区域上形成复式 向斜构造，矿区位于复式向斜的南翼。矿区地层主要分布鞍山群的杨家店组，老岭 群达台山组和珍珠门组。各矿组的矿体均分布于鞍山群地层中。矿区地层总体为东 西向分布，向南倾，倾角4 0 ～8 56 。杨家店组地层是矿区的主要地层，也是矿区的 含矿层，该地层主要有角闪质岩层、硅铁质岩层、片麻岩层。次有变粒岩层、浅粒 岩层及各类混合岩层等。本次设计对象是上青沟矿区的4 、5 、6 、1 1 矿组5 2 0 米以 上矿段。5 2 0 米水平平巷分布图见图2 ．1 。 2 ．1 地质概况 本区不仅发育着一系列褶皱构造，而且后期断裂构造也极为复杂。 2 ．1 ．1 褶皱构造 由古老的变质岩系组成的四方山一板石沟复向斜，辅向呈北东东向，其中包括 一系列次一级的背斜和向斜，这些褶皱叉被近东西向的断层及后期的一系列北东向 的断层所错断，推移，使北含矿褶皱带形成现在这样总的呈近东西向而其中又有北 西及北东向波状摆动的展布形成。 包括上青矿区在内的北含矿褶皱带为一向斜构造。1 0 线以东两翼皆向北倾，倾 角 7 0 ～8 0 。；l O 线以西由于有次级倒转褶皱，两翼皆向南倾，倾角 7 0 ～8 0 。，使 其中的铁矿体产状上部向南倾，中部近于直立，下部向北倾斜，发生倒转。 2 ．1 ．2 断裂构造 本区断层依其生成序次有东西向、南北向、北东向、北西向，以及后期小断层， 现择其中对矿体影响较大者分述如下 1 东西向断层 1 F ．。．断层 纵贯矿区南部，走向东西，地表倾向北，往下转向南倾且有变缓趋势，使新岩 一1 0 ． 东北大学硕士学位论文 ．1 1 ． 第二章上青矿地压显现规律及岩体力拳陛质 ∞皇一鲁∞目Ib∞q时l∞口一吕。Nn∞凹uI∞脚勺 铀。_奄量u∞口一葛D1J苗lp h日事它日。h _ 【．q ∞E 匝恬求测谗}苌goNn凶k懈叫 乏函 东北大学硕士学位论文 第二章上青矿地压显现规律及岩体力学性质 层逆向在老岩层之上，倾角 7 0 ～7 5 。，为压性断层，由糜岩、断层泥等组成， 其两侧岩石常产生硅化、碳酸盐化及绿泥石化，为早期的断层。 2 南北向断层 F 3 0 2 断层分布于1 0 线附近，倾向2 7 0 。，倾角 6 0 0 ，延伸长2 0 0 m ，水平断距 2 0 m ，上盘北移，为与东西向断层大约同时发育并有成生联系的张性断裂，规模不 大。 3 北东向断层 为一组走向北东，倾向