深井、软岩岩巷二次支护原理.ppt

深井、软岩岩巷二次支护原理,中国矿业大学侯朝炯柏建彪李大伟王襄禹,1概述,煤炭资源的开采不断向深部发展。我国煤矿每年以10～12m的速度向深部发展（东部矿井10～25m/y）。深井、软岩巷道表现出高应力、大变形、强烈底鼓、持续流变的特点，围岩不能稳定，严重影响生产和安全。,1概述,深井、软岩岩巷支护原则先让后抗、先柔后刚的二次支护让、抗、柔、刚的程度、强度以及二次支护的原理未解决。此项研究就是解决以上问题。,1概述,矿井极限深度（浅、深井界限）,2锚杆支护围岩强度强化理论,2锚杆支护围岩强度强化理论,（1）传统的悬吊、组合梁、组合拱理论及计算是针对弹性状态的完整岩体；（2）研究锚杆支护对围岩E、C、的改善也限于岩体破碎前的弹性状态；（3）处于峰后强度和残余强度的破碎岩体，锚杆支护能否起作用作用机理是什么,,传统锚杆支护理论存在的问题,锚杆布置在破碎围岩中,7,2锚杆支护围岩强度强化理论,,围岩强度强化理论,实质是锚杆与围岩相互作用，组成锚固体锚杆可改善锚固体力学参数，提高锚固体的强度，使岩体强度，特别是峰后强度和残余强度得到强化形成共同承载结构，充分发挥围岩自承能力,2锚杆支护围岩强度强化理论,,锚固体C、、C*、*随锚杆支护强度t的增加而提高。,不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、值,2锚杆支护围岩强度强化理论,,不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*、*值,2锚杆支护围岩强度强化理论,,锚固体强度随锚杆支护强度σt的提高而得到强化，达到一定程度就可保持围岩稳定。,图2.1锚固体应力应变曲线图注曲线上数字为锚杆支护强度σt（MPa）,3合理一次支护,3合理一次支护,,合理一次支护的两种方法（1）有限让压合理控制围岩技术锚喷网、可缩性金属支架（2）有控主动卸压技术,3.1有限让压合理控制围岩技术,一次支护的巷道围岩应力状态,弹性区为积分常数待定的弹性应力解。塑性区分应变软化区和破碎区；破碎区又分为锚固区内、锚固区外破碎区。（考虑到深井、软岩巷道围岩破碎区范围较大，以下计算都认为锚固端位于破碎区内）基本方程均为平衡方程和库仑准则。应变软化区、破碎区采用以下非关联流动法则,,应变软化区的强度准则为,,,岩体的剪胀扩容系数,,、,分别为切向、径向上的塑性主应变分量,,软化模量，即软化应力应变曲线的斜率；,,初始屈服时的最大主应变，,3.1有限让压合理控制围岩技术,一次支护的巷道围岩应力状态（弹性区）,,,,由弹性力学轴对称问题的基本解知,,,,原岩应力；,,巷道围岩塑性区半径；,,巷道围岩体位置半径；,,岩体粘结力；,,岩体内摩擦角；,径向应力,径向应变,位移,岩体泊松比。,3.1有限让压合理控制围岩技术,一次支护的巷道围岩应力状态（应变软化区）,,,,,,,,,3.1有限让压合理控制围岩技术,一次支护的巷道围岩应力状态（破碎区内锚固区）,,,,,,,,,,,破碎区内锚固区围岩的粘结力；,,破碎区内锚固区围岩的内摩擦角。,3.1有限让压合理控制围岩技术,一次支护的巷道围岩应力状态（破碎区非锚固区）,,,,,,,,,,,,,破碎区内非锚固区岩体的粘结力。,3.1有限让压合理控制围岩技术,应变软化区（塑性区）半径,,,,,,,,,,,,,3.1有限让压合理控制围岩技术,合理的一次支护强度,,,,,,,,,,,,,选择不同锚杆间排距下锚固体对应的力学参数及原岩应力、岩体力学参数、巷道半径、锚固区半径值代入应变软化区（塑性区）半径的理论计算公式可知，随锚杆间排距减小，锚杆支护强度的增加，巷道围岩塑性区范围迅速减小；一定阶段后，塑性区减小趋缓，如下图。变化拐点的锚杆支护强度为0.25MPa，这就是经济合理的锚杆一次支护强度。,3.1有限让压合理控制围岩技术,合理的一次支护强度,,,,,,,,,,,,,,一次锚杆支护时塑性区半径与支护强度关系,3.2有控主动卸压技术,,深部、软岩岩巷初期变形速度通常都在10mm/d以上，围岩剧烈破坏、支护体失效，掘进初期巨大的变形能必须以某种形式释放。U型钢可缩性支架由于预留变形空间有限，不能充分释放围岩变形能。因此，提出了一种主动有控卸压的方法释放变形能，即巷道掘进时紧跟迎头设置顶板锚杆保证安全、架设棚式支架，当围岩变形挤压支架时，主动破碎一定厚度的围岩，使围岩与支架之间留有一定的变形空间、释放变形能，将高应力向深部转移。,3.2有控主动卸压技术,,开挖前开挖后,3.2有控主动卸压技术,,释放变形能前后垂直应力分布（MPa）,3.2有控主动卸压技术,,有控主动卸压范围与应力转移效果的关系,每次卸压范围（破碎围岩的厚度）150mm，随着卸压次数的增加垂直应力峰值逐渐远离巷道，峰值大小也逐渐减小。当卸压次数从3次增加到5次时应力峰值减小的幅度就不太明显了。,3.2有控主动卸压技术,,有控主动卸压范围与塑性区发展的关系,随卸压次数的增加，塑性破坏区逐渐增大。一次支护形成的塑性区要保证顶板安全和满足断面收敛率的要求，因此，塑性区不易过大。,3.2有控主动卸压技术,,有控主动卸压范围与围岩变形量的关系,卸压次数的增加，巷道周边位移均有不同程度地减小，但当卸压次数达到五次时，巷道周边位移相比卸压四次时有所上升，说明卸压程度必须控制，不能过高。,3.2有控主动卸压技术,,,,,4二次支护时机,4二次支护时机,,,一次支护后形成的塑性区具有显著的流变性质。用弹粘塑性力学模型分析一次支护后塑性区的流变性质。工程实践表明，二次支护过早将难以抗拒围岩的初期剧烈变形，二次支护过晚，围岩破坏加剧，自身承载能力又会急剧下降，即二次支护在时间上与围岩变形特性不能协调。,4二次支护时机,,变形速度/10-6ms-1,t/105s,图4.1一次支护后围岩变形速度随时间变化曲线,4二次支护时机,,应力/MPa,t/105s,图4.2一次支护后巷道周边应力随时间变化曲线,对比图4.1、4.2不难看出，巷道周边应力与围岩变形速度都逐渐趋于稳定的时间基本一致。,4二次支护时机,,图4.3二次次支护后蠕变速度与二次支护时间关系,二次支护时间为600h时蠕变速度最小，这与巷道周边应力和围岩变形速度稳定的时间段非常接近。,4二次支护时机,,高应力软岩岩巷围岩产生大范围的破碎区、塑性区难以避免，一次支护控制高应力软岩巷道围岩大变形难以实现，应进行二次支护。二次支护时机是决定维护效果的关键因素。二次支护最佳时机是围岩应力、塑性区及变形速度趋于稳定，此时围岩的膨胀变形能得到了充分释放而围岩自身承载能力又没有太多的损失。该时机的掌握可以通过对巷道表面位移监测，当巷道表面位移速度由快到趋于平缓的拐点附近为二次支护的最佳支护时机。,5二次支护原则及计算,5二次支护原则及计算,,深井、软岩岩巷产生大范围的破碎区、塑性区难以避免，一次支护为让压支护，巷道围岩达到较小变形速度下的力学平衡，充分释放围岩变形能、发挥围岩承载力；二次支护减少巷道围岩偏应力，促进围岩应力向长时强度和流变停止的状态转化，使围岩长期保持稳定。这样，可避免围岩在高应力状态下再次应变软化与蠕变劣化导致的围岩状态恶化、承载力降低。,5.1基本方程,,二次支护后巷道围岩分为粘塑性破碎区、粘塑性应变软化区和粘弹性区。粘弹性区岩体的流变力学一维模型为HK体三元件粘弹性模型（三维流变模型采用类比法由一维模型导出）。,粘塑性区围岩体满足莫尔库仑强度准则，受长时间应力作用影响，粘结力Ct、C*t、内摩擦角t为时间t的函数变量，不考虑内摩擦角t的应变软化。,5.1基本方程,粘弹性区,应力偏张量；,,应变偏张量；,,,应变球张量；,,应力球张量；,K体积模量。,5.1基本方程,粘塑性区,分粘塑性应变软化区、粘塑性破碎区；其基本方程均为平衡方程和库仑准则。粘塑性应变软化区库仑准则,,为二次支护后径向应力、切线应力随时间t变化的函数变量Ct粘塑性应变软化区粘结力，为时间t的函数变量；C*t粘塑性破碎区粘结力，为时间t的函数变量；t粘塑性应变软化区和粘塑性破碎区的内摩擦角，为时间t的函数变量。,5.1基本方程,粘塑性区,粘塑性破碎区库仑准则,粘塑性应变软化区粘结力，为时间t的函数变量；粘塑性破碎区粘结力，为时间t的函数变量；粘塑性应变软化区和粘塑性破碎区的内摩擦角，为时间t的函数变量。,5.2计算结果分析,粘弹性区,由于流变性质，一次支护后的弹性区转化为粘弹性区，处于稳定状态时的应力为,,,岩体的长期弹性模量,5.2计算结果分析,粘塑性应变软化区,,应变软化区内边界在rRt（粘塑性与破碎区交界处），处于稳定状态时的粘塑性应变软化区径向应力,,,岩体处于流变停止稳定状态时的粘结力软化模量；,岩体长期强度的粘结力；,岩体长期强度的内摩擦角。,5.2计算结果分析,破碎区内非锚固区,,破碎区内锚固区边界rRm（锚杆锚固端交界面），处于稳定状态时的粘塑性破碎区径向应力,,,,岩体残余强度阶段的长期强度粘结力；,5.2计算结果分析,二次支护提供的径向平衡应力,,二次支护后其应力也由静力平衡方程和摩尔－库仑准则求得，当r＝Rm在锚固区外边界位置处，岩体处于流变停止、稳定状态时，促进深部围岩体稳定的径向应力为,,,,,二次支护后锚固区围岩体长期稳定时的粘结力；,,二次支护后锚固区围岩体长期稳定时的内摩擦角。,5.2计算结果分析,巷道稳定条件,,,,,二次支护在锚固区外边界位置r＝Rm处提供的径向稳定应力大于或等于非锚固区内在r＝Rm处所需的径向应力值时，巷道可处于长期稳定状态即,,5.2计算结果分析,巷道稳定条件,,,,,6应用实例,6.1某矿1的应用实例,,,,某矿1-850m二采轨道下山位于砂质页岩和中砂岩互层中。砂质页岩灰色、性脆、具贝壳状断口；中砂岩灰白色，钙质胶结，成分以石英长石为主，含较多暗色矿物，围岩抗压强度小。埋深998～1065m，为深部巷道；现场巷道变形特征也表明二采轨道下山长期流变、大变形、维护困难，显现出深井、软岩岩巷围岩的变形破碎特征。为了保持巷道围岩的稳定，实践证明二次支护是行之有效的方法。,6.1某矿1的应用实例,,,一次支护锚杆间排距为800800mm，锚杆为直径22mm、长度2.4m的左旋高强度螺纹钢锚杆。,二次支护采用锚杆支护与注浆加固，二次支护锚杆布置与一次锚杆布置呈五花型，间排距为800800mm，锚杆为直径22mm、长度2.4m的左旋高强度螺纹钢锚杆。注浆材料采用ZKD高水速凝材料，注浆孔深2.5m。,6.1某矿1的应用实例,,,二次支护理论计算分析,该矿－850m水平地应力测量结果表明，最大主应力值为39.77MPa，理论计算中按原岩应力P040MPa进行分析。目前煤矿巷道中应用的锚杆规格主要为L2000～2400mm长度的锚杆，由于地应力高，围岩破碎区较大，锚杆支护的锚固区通常位于巷道围岩破碎区内，井下实测锚杆的工作阻力为130kN。,6.1某矿1的应用实例,,,二次支护理论计算分析,原岩应力下岩体力学性质参数为,,一次锚杆支护后，围岩力学性质得到强化，其力学参数如下,二次锚杆及注浆加固后，加固区对应围岩体稳定状态时的力学参数为,,6.1某矿1的应用实例,,,二次支护理论计算分析,二次支护后巷道围岩体稳定时，锚固区边界r＝Rm处岩体的径向应力参照5.2节计算公式可得,,二次锚杆、注浆加固后，锚杆及注浆加固区处于长期稳定状态时锚固区边界r＝Rm处，提供的径向平衡应力由5.2节计算公式可得,,6.1某矿1的应用实例,,,二次支护理论计算分析,由巷道二次锚杆及注浆加固后围岩体长期稳定的条件式（5.2节判别式）可知，巷道锚杆注浆加固后，加固区在长期稳定时能提供的径向平衡应力可达到5.37MPa，大于深部围岩体稳定时所需要的径向应力值4.81MPa，保证了巷道处于长期的稳定状态。,6.2某矿2的应用实例,,,某矿2井底车场巷道群埋深520m，所处地层为二叠系石盒子组下部，位于泥岩、砂质泥岩和粉砂岩互层中，被落差45～110m3条大断层切割，围岩呈碎裂结构，层理紊乱，节理发育，粉砂岩节理的平均间距小于、等于0.2m。围岩抗压强度小，泥岩中黏土矿物含量75～78，遇水易膨胀泥化。受围岩松软低强度和埋深及地质构造应力大的双重作用影响，巷道变形初期来压快、变形量大；稳定后围岩仍以一定速度长时间持续流变、大变形，巷道围岩变形强烈。,6.2某矿2的应用实例,,,试验巷道二次支护工作阻力计算,根据某矿2井下条件，进行了一次锚杆支护、二次大刚度高强度支护工作阻力计算。巷道围岩岩性泥岩，考虑岩体与岩石力学性质的差别，原岩应力及岩体的有关参数为P013MPa、C1.2MPa、C*0.25MPa、Mc160MPa、30v0.3、E2000MPa、2、Ct0.884MPaC*t0.162MPa、Mct122MPa、t20、E1400MPa按圆形巷道计算，巷道半径R02.4m。一次锚杆支护工作阻力q＝0.304MPa，锚固长度Lm＝2.5m。,6.2某矿2的应用实例,,,试验巷道二次支护工作阻力计算,将试验巷道一、二次支护有关参数代入二次支护所需最大工作阻力计算公式得,料石碹强度高且为脆性，材料性质在极限破坏之前可视为线弹性。因此，刚性料石碹的极限受力状态为周边岩石达到单轴抗压强度、碹体内部基本为弹性变形。,刚性料石碹的理论承载能力,6.2某矿2的应用实例,,,根据弹性力学轴对称问题的厚壁圆筒应力解,刚性料石碹的理论承载能力,,巷道周边r＝R0,,料石碹极限承载能力状态时，r＝R0，，碹体对围岩支护强度为料石碹在圆形巷道受均布载荷情况,由计算结果可知，封闭的料石碹、混凝土碹支护能够满足二次支护大刚度与高工作阻力的要求，实现巷道稳定。,6.2某矿2的应用实例,,,现场试验结果,支护方式一次支护锚网喷，二次支护锚网喷索,6.2某矿2的应用实例,,,现场试验结果,支护方式一次支护锚网喷、混凝土底拱，二次支护锚网喷索,6.2某矿2的应用实例,,,现场试验结果,支护方式一次支护锚网喷，二次支护全断面半刚性料石碹（单层）,6.2某矿2的应用实例,,,现场试验结果,支护方式一次支护锚网喷＋扩刷，二次支护全断面半刚性料石碹（双层）,6.2某矿2的应用实例,,,现场试验结果,二次支护后稳定期巷道变形速度,6.3某矿3的应用实例,,,某矿3西大巷埋深545m，位于泥岩和砂质泥岩互层中，构造复杂。水平应力22.0MPa，是垂直应力的2.0倍左右。水平应力与泥岩抗压强度之比为1.57，水平应力与砂质泥岩抗压强度之比为1.14。泥岩中粘土矿物含量为75～89％，其中伊蒙层含量为25～33％，伊利石含量为2～4％，高岭土含量为14～33％，绿泥石含量25～32％，强吸水、遇水急剧膨胀泥化，风化；层理破碎，层理节理裂隙十分发育。节理组≥3，节理数平均为12～32条/m3，平均间距≤0.2m。西大巷为典型的深井、软岩岩巷。,6.3某矿3的应用实例,,6.3某矿3的应用实例,,6.3某矿3的应用实例,西大巷支护遵循原则应为,1、采用“先让后抗、先柔后刚”的原则，即围岩卸压与加固相结合的原则。2、应力转移，降低浅部围岩应力3、采用二次支护，合理确定二次支护时机和支护强度。提出一次支护采用有控主动卸压技术（锚杆＋封闭式金属支架，有控主动破碎一定厚度的围岩）。二次支护采用锚杆＋注浆加固技术。,6.3某矿3的应用实例,二次支护参数设计,采用FLAC数值软件中的指数蠕变模型,6.3某矿3的应用实例,二次支护参数设计,二次支护强度对围岩最终流变速度的影响,6.3某矿3的应用实例,1,,完成一次支护后，当围岩变形过大挤压支架、挤压力达到1MPa时，主动破碎一定厚度的围岩，周而复始，直至围岩变形速度稳定；,2,3,紧跟迎头安设封闭式工字钢圆形支架，按照一次支护的锚杆间排距安装锚杆；,二次加强支护，安装锚杆并喷浆封闭围岩，用高水速凝材料进行注浆加固。,施工步骤,6.3某矿3的应用实例,一次支护后巷道围岩变形速度与时间的关系,由图可知，一次支护后变形速度稳定时间大约在38天左右，因此西大巷二次支护时间为变形速度趋于平缓的时间即38天左右。,6.3某矿3的应用实例,二次支护后巷道围岩变形量与时间的关系,6.3某矿3的应用实例,一次支护后巷道维护情况,6.3某矿3的应用实例,二次支护后巷道维护情况,谢谢,