深井软岩倾斜巷道支护技术研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 深井软岩倾斜巷道支护技术研究 姓名赵立超 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师华心祝 20110529 摘要 摘要 深井软岩巷道的围岩控制和巷道维护是国内外煤矿急需解决的难题，随着开 采深度的增加，软岩巷道的支护变得更加困难。因此有必要研究软岩巷道的支护， 确保煤矿的正常采掘。本文以袁店一矿1 0 2 运输上山为研究背景，通过理论分析、 数值模拟和现场观测等综合手段，确定了可靠的支护方案，即一次锚网喷 让压 变形 二次锚索和锚注 围岩结构强化 ”分步加强联合支护方式。通过数值模 拟和现场观测分析，进一步证实了该支护方案能有效的控制围岩的变形。为了更 好地控制围岩的变形，本文为深井软岩巷道的支护提供了理论参考，给煤矿的安 全生产提供了较高的保障，同时也相应地提高了经济效益，对于相似条件下的巷 道支护的技术实践，具有重要的指导意义。 图[ 4 7 】表【3 】参[ 5 0 】 关键词深井；软岩巷道；支护参数；锚网喷；数值模拟 分类号T D 3 5 3 安徽理I 大学硕士学位论文 A b s 仃a c t T h es u r r o u n d i n gc o n t r o lo fs o f tr o c ka n dr o a d w a ym a i n t e n a n c ei nd e e pm i n ei st h ep r o b l e mo f h o m ea n da b r o a dc o a lu r g e n t l yn e e d e dt os o l v ea n ds o f tr o c kr o a d w a ys u p p o r tb e c o m e sm o r e d i f f i c u l tw i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n gd e p t h ．T h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h es u p p o r t t e c h n o l o g yo fs o f tr o c kr o a d w a yt oe n s u r et h en o r m a lc o a lm i n i n g ．R e l i a b l es u p p o r tp r o g r a m sw e r e e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rb yc o m p r e h e n s i v em e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d f i e l do b s e r v a t i o n ，w h i c hh a d10 2t r a n s p o r ti nY u a n D i a nlr s tc o a lm i n ea st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ． T h ep r o g r a mW a ss t e pb ys t e pt oe n h a n c ej o i n ts u p p o r tw a y s - - - a n c h o rw i t hs p r a y i n gf i r s t t o p r e s s u r ed e f o r m a t i o n 4 - s e c o n d a r ya n c h o ra n dg r o u t i n g s t r e n g t h e n i n go fr o c ks t r u c t u r e ．T h e r e W a sf u r t h e re v i d e n c ef o rt h es u p p o r ts c h e m ew h i c hc o u l de f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c kb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l do b s e r v a t i o na n da n a l y s i s ．I no r d e rt ob e t t e r c o n t r o lt h ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c k , w h i c hc o u l dn o to n l yp r o v i d eat h e o r e t i c a l r e f e r e n c et os o f tr o c kr o a d w a ys u p p o r ti nd e e pm i n ea n dah i g hs e c u r i t yt ot h ec o a lm i n ep r o d u c t i o n , b u ta l s oc o u l di n c r e a s et h ee c o n o m i cb e n e f i t si nc o r r e s p o n d i n ga n dh a di m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et o t e c h n o l o g yp r a c t i c eo fr o a d w a y ss u p p o r tu n d e rs i m i l a rc o n d i t i o n s ． F i g u r e [ 4 7 】t a b l e [ 3 】r e f e r e n c e s [ 5 0 】 K e yW o r d s d e 印m i n e ，s o f tr o c kr o a d w a y , s u p p o r t i n gp a r a m e t e r , b o l t i n ga n d s b o t c r e t i n g 、析t l lw i r em e s h , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．H ． l 绪论 l 绪论 1 ．1 问题的提出和背景 软岩巷道的围岩控制和巷道维护是世界矿业和岩石力学的难题之一，也是目 前国内外急需解决的问题之一。随着煤矿开采条件的日趋复杂化，软岩支护问题 所涉及到的工程领域会随之增多，问题也会越复杂。我国煤矿煤层的赋存条件比 较复杂，软岩在接近一半的矿井中都有赋存。随着开采深度的增加，原岩应力水 平会越来越大，当采深超过围岩软化临界深度后，巷道围岩会产生明显的塑性大 变形、难以支护现象，并且围岩原有的弱面进一步扩展，随之产生新的裂隙、节 理，甚至会发生破碎和松动，围岩进一步恶化，使之巷道维护困难极大，这就给 地下工程围岩稳定性研究提出了又一个新的课题一软岩工程问题【l J 【2 J 。 矿井深部开采是煤矿未来发展的必然趋势。据不完全统计[ 3 - 4 1 ，我国已经探 明的煤炭资源量占世界总量的1 1 ．1 ％，我国煤炭资源埋深在1 0 0 0 m 以下的为2 9 5 0 0 万亿吨，占煤炭资源总量的5 3 ％左右。我国已有2 0 余座矿井超过千米深，孙村 煤矿目前平均采深达到1 0 0 0 m ，最深的矿井要属沈阳矿务局彩屯矿达11 9 7 m ，仅次 之的是开滦矿务局赵各庄矿达11 5 4 m 。我国煤矿平均采深以8 ～1 2 m ／a 左右的速 度递增，经预测在未来的1 0 “ 一2 0 a 内，我国采深超过7 0 0 m 的矿井可能达到1 0 0 “ - - 1 1 0 处。我国东部矿井开采深度正以每l O 年1 0 一- 2 5 0 m 的速度发展，估计在未来 2 0 年内，将有一大批煤矿进入到1 0 0 0 m 的深度。 目前我国的能源结构中，煤炭资源占总能源的7 0 ％左右。随着经济的快速发 展，对能源的需求也日益旺盛，我国在未来将面临艰难的煤矿开采任务。由于长 时间开采地质条件较为优越的煤炭资源，目前这种条件的煤炭资源已经或者接近 枯竭，所以要提高现在的煤炭产量只能开采那些地质条件复杂、埋深较深的煤炭 资源了，这就意味着未来的采掘工作必然在地应力高、巷道围岩条件相当之差的 环境中进行了。早在“九五”期间，煤矿开采中就已经存在了围岩稳定性差、巷道 变形破坏较严重的软岩问题，目前我国1 0 个能源建设基地中，其中相继有8 个能 源基地出现了软岩问题，每年约有6 1 0 6m 的巷道丌掘工作在软弱围岩中进行。 随着将来开采深度的不断递增，用常规的支护方法来维护巷道稳定相当困难，软 岩问题也会越来越突出，必然给煤矿的安全生产和经济效益带来相当严重的影响。 随着开采深度的增加，一系列新的问题在煤矿采掘中必然出现，比如地压的 增大，巷道压力越来越大，巷道围岩变形量也明显增大，支护物损坏更加严重， 安徽理工大学硕士学位论文 巷道翻修量呈不断增大的趋势，巷道维护难度剧增，它的支护效果的好坏对矿井 的安全高效生产必然产生影响。巷道支护效果已成为能否实现深部矿井的安全高 效生产的重要制约因素之一，对于深井软岩巷道矿山压力的控制是未来深部开采 面临解决的重大技术课题。 本课题以淮北矿业集团袁店一矿为背景。淮北矿区地处我国东部煤矿集中带 的黄淮平原地区，具有新生界覆盖层厚、煤层埋藏深、基底为奥陶系承压水的特 点。矿区内的生产矿井开采深度已达5 0 0 m “ - “ 1 0 0 0 m 。由于过去对深部地质条件 下开采技术的协调配合研究极少，深井开采引发的工程灾害日趋严重。 1 ．2 国内外研究现状 英国、日本、德国、前苏联、比利时和波兰等国都对深部开采的巷道矿压显 现规律及其围岩控制措施做了大量研究，其中德国和前苏联对于深部开采的研究 最为突出。总体看来，不但国外的研究将矿山压力成果和岩石力学应用于深部开 采当中，而且对于深井巷道矿压控制的研究还结合了深部开采的特殊性及其本国 基本国情，主要为以下几个方面 1 深井巷道支护技术；； 2 深井巷道围岩稳 定性评价 3 深井巷道变形量预测； 4 深部开采的应力及其分布规律； 5 深 井巷道围岩状态控制。 我国煤矿深部开采与前苏联和德国等相比较晚，目前大多沿用中、浅部开采 的经验，基本上采用工程类比的矿压控制手段，还没有一整套比较完善的深井巷 道矿压控制理论体系。在实际生产应用中，存在着很大的盲目性，一个矿井不同 的巷道或同一巷道的不同地段采用的矿压控制手段大体上一致，没有针对性。有 些巷道因为支护效果不好，甚至影响到矿井的正常生产，直接制约着矿井安全高 效水平的提高。 1 ．2 ．1 软岩巷道支护理论 围岩稳定理论从七十年代末到八十年代得到了迅猛发展，在这段时间内，奥 地利学者米勒教授提出了“新奥法”思想。为了解决国内越来越突出的软岩问题， 国内煤矿专家不断地将新奥法思想运用到煤矿软岩巷道的支护中去，成为现在软 岩巷道支护理论的一个重要分支。在新奥法理论的基础上，锚喷支护技术得到了 大力推广应用，实践证明了它能够便于施工，并且还能够节省材料，适用性相当 强。然而，对于有些支护困难的岩体，如高应力软岩、破碎性岩体以及膨胀性岩 体等，只使用锚喷支护这种单一的支护方法不能够很好的解决此难题。对于软岩 ．2 ． 1 绪论 工程来说，它本身属于应用科学，并且随着“七五”、“八五～九五”攻关的不断深 入，软岩巷道支护理论在实践的摸索中逐步形成，并在实践中不断丰富与发展， 最终形成了多种方式的支护理论。其中比较成熟的支护理论主要有以下几种。 1 ．联合支护理论 联合支护理论是由陆家梁【5 l 、冯豫、郑雨天、朱效嘉等提出的软岩支护理论， 它是运用新奥法理论和软岩巷道实际情况相结合而创新出来的理论，是在软岩支 护方面对新奥法理论的发展。它的观点可概括为对于软岩支护，只追求加强刚度 是难以达到效果的，必须要先让后抗，先柔后刚，柔让适度，才能做到稳定支护。 在此基础上发展起来的支护方式有锚喷网支护、锚注支护等联合支护技术。 2 ．松动圈支护理论1 3 0 J 松动圈理论是由董方庭教授【6 】忉提出的，该理论可以概括为巷道开挖后，支 护的最大荷载是围岩松动圈形成过程中的碎胀 翦胀 力；但凡裸体巷道，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，但不需要支护；收敛变形 随松动圈的增大而变大，对应的支护也就越困难，因此支护的目的在于最大限度 地减小松动圈范围，防止围岩松动圈发展过程中所产生的有害变形。该理论被应 用于煤炭系统中较多。 3 ．主次承载区支护理论 主次承载区理论是由方祖烈教授【8 I 提出，该理论认为巷道开挖后，围岩中会 产生拉压域，张拉域形成于巷道周围，通过加固支护，形成一定的承载力，但这 只起到辅助作用，称为次承载区。压缩域在围岩深部，在一定程度上体现了围岩 的自撑能力，与次承载区相比，起到主要作用，故称作是维护巷道稳定性的主承 载区。通过主、次承载区的协调作用，最后决定了巷道的稳定性。支护对象为张 拉域，根据主、次承载区相互作用过程中呈现的动态特征确定支护参数和支护结 构。原则上要求支护强度能够一次到位。该理论在国内冶金矿山应用较多。 4 ．应力控制理论1 9 J 应力控制理论方法也称围岩弱化法、卸压法等，它起源于原苏联。该理论认 为在巷道开挖后，从围岩最初发生变形到最大允许变形量这段时问内，首先把巷 道围岩应力释放一部分，然后再向围岩深部转移一部分，最后剩下的那部分由支 护体来承担，使围岩二次强度支护体刚化，目的在于保持围岩稳定，最终确保支 护有效。通过局部围岩弱化来改变原有的围岩应力分布状态，改变应力方向，使 巷道处于良好的应力环境之中，从而达到提高自身稳定性的目的。其卸压方法有 钻孔法卸压、开槽 缝 卸压、松动爆破卸压以及分阶段导巷掘进卸压等。在国内， 3 安徽理亡大学硕 学位论文 这几种方法都有过不同程度的应用，但由于对卸压机理研究不够，没有形成统一 完整的卸压理论，加之卸压工作量大并且复杂，人们对不同的卸压方法存在的看 法不同。对于围岩卸压方法，特别是松动爆破卸压的方法，大多数人还不能接受， 因此，在工程现场中应用比较少。但是随着开采深度不断增加和卸压方法的逐步 改善，预计未来它将会成为一种广泛应用的巷道矿压控制方法。 5 ．工程地质学支护理论 工程地质学支护理论是由何满潮教授‘1 0 】【11 】提出，它是一种把工程地质学与现 代力学结合在一起的方法，通过分析软岩巷道变形力学机制，从而提出的一种新 的软岩巷道支护理论。该理论将软岩变形力学机制划分为物化膨胀类、应力扩容 类和结构变形类三大类。通常软岩巷道的变形力学机制是三种变形力学机制的复 合类型，因此需要合理有效地将复合型转化为单一型。而且还强调软岩支护是一 个力学过程，这个过程中的每个环节都必须适应其复合型变形力学机制的特点。 1 ．2 ．2 围岩一支护作用机理 软岩巷道的变形特征不仅受围岩的力学性质影响，而且受到巷道所处地应力 环境和工程因素制约。目前，应用于高地应力软岩巷道支护的技术与措施有很多， 主要有金属支架、锚喷支护、锚网喷支护以及近年来发展起来的加强型金属支架、 高强度弧板、锚索支护、锚带梁支护、锚注支护等，其中锚喷支护、锚网喷支护 及可缩金属支架是应用范围最广的。锚注支护由于其明显的支护效果而逐渐被煤 矿所接受，应用范围也不断增大。 1 ．锚杆支护 随着锚杆支护工程实践的不断丰富，适用于各种围岩条件下的各种锚杆支护理论 相继被提出并逐步得到发展和完善。目前，较成熟的锚杆支护理论主要有悬吊 理论、组合梁理论、组合拱 压缩拱 理论、最大水平应力理论、围岩强度强化 理论[ 1 2 - 2 2 1 。 1 悬吊理论 L o u i s AP a n e k 提出了锚杆的悬吊理论，该理论认为锚杆支护的作用是将巷道 顶板较为软弱的岩层悬吊在上部稳定的岩层上，增强软弱岩层的稳定性。如果项 板中没有坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破裂区范围较大，无法将锚杆 锚固到上面坚硬岩层或未松动岩层上，悬吊理论就不适用。 2 组合梁理论 该理论由J a c b o i 提出。如果顶板岩层中存在若干分层，组合梁理论认为锚杆 ．4 ． 1 绪论 的作用一方面提供锚固力增加各岩层间的摩擦力，阻止岩层沿层面继续滑动，避 免出现离层现象；另一方面锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水 平滑动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁成一个较厚的岩层。 3 组合拱 压缩拱 理论 组合拱理论认为在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，从杆体两端 形成圆锥形分布的压应力区，如果锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥 体相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即压缩拱。压缩拱内岩石径向、 切向均受压，处于三向应力状态，围岩强度得到提高，支承能力相应增大。组合 拱理论在分析过程中没有深入考虑围岩一支护的相互作用，只是将支护结构的最 大支护力简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体 本身力学行为的进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，故不能作为 准确的定量设计。 4 最大水平应力理论 该理论由澳大利亚学者W ．J ．G a l e 提出。它认为矿井岩层的水平应力通常大于 铅直应力，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响。围岩层状特征比较突出 的回采巷道开挖后引起应力的重新分布时，铅直应力向两帮转移，水平应力向顶 底板转移。铅直应力的影响主要显现于两帮，导致两帮的破坏；水平应力的影响 主要显现于顶底板岩层。锚杆的作用是沿锚杆轴向约束岩层膨胀和在垂直锚杆轴 向方向约束岩层剪切错动。 5 围岩强度强化理论 围岩强度强化理论是针对软岩煤巷围岩特点提出的。通过巷道围岩锚固前后 相似材料模拟实验和理论分析，围岩强度强化理论如下 1 巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结 构。 2 巷道锚杆支护可提高锚固力的力学参数 E 、C 、叩 ，改善被锚固岩体的力 学性能。 3 巷道围岩存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区的岩体则处于破碎区或 处于上述2 “ 3 个区域中，相应锚固区的岩石强度处于峰后强度或残余强度。锚杆 支护使巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度。 4 煤巷锚杆支护可以改变围岩的应力状态，增加围压；从而提高围岩的承载 能力。 5 巷道围岩锚固体强度提高后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷 5 安徽理工大学硕士学位论文 道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳 定。 2 ．巷道金属支架 可缩性支架1 2 3 ～2 4 1 在具有一定的工作阻力的同时还具有可缩性，将支架内力限 定在一定的范围内，既能保持围岩的稳定，又能避免支架的严重损坏。这种支架 由三节 或四节 曲线形构件组成，接头处重叠搭接O ．3 ～0 ．4 m ，并用螺栓箍紧 箍 紧力靠螺栓调节 ，通常取顶部构件的曲率半径r 小于两帮棚腿的曲率半径R ，在 围岩压力作用下，顶部构件曲率半径逐渐增大，当其和棚腿的曲率半径R 相等， 并且沿搭接处作用的轴向力大于螺栓箍紧后所产生的摩擦力时，构件之间便相对 滑动，棚子即产生可缩性。这时，围岩压力得到暂时卸除，支架构件在弹性力作 用下，又恢复到原来r R 的状态，直到围岩压力继续增加至一定值时，再次产生 可缩现象，如此周而复始。这种棚子的可缩量可达到0 ．2 - - - 0 ．4 m 。 3 ．锚喷支护与锚网喷支护[ 2 5 2 9 1 锚喷支护的实质是用锚杆加固深部围岩，用喷层封闭巷道表面，防止围岩弱 化，抵抗围岩压力。对于埋藏很深的软岩和力学性能极差的岩层，单纯的锚喷支 护不能提供足够的刚度使巷道变形收敛并趋于稳定。 锚网喷支护的全称是锚杆、金属网、喷射混凝土支护，是目前软岩巷道有效、 实用的支护形式。这种支护形式是在锚喷支护的基础上发展起来的，是锚杆、金 属网、喷射混凝土三者并用的联合支护结构。与锚喷支护相比较，主要是增加了 金属网。金属网的增加，使喷层不易开裂，从而更好地起到防风化、防水和防止 锚杆间岩体的松动掉落，达到封闭围岩和充分发挥锚杆支护作用的目的，同时使 得喷层压力得到更均匀分布。 4 ．锚索支护与锚网索支护【3 1 3 5 】 锚索技术是在混凝土和一般锚杆支护基础上发展起来的一项软岩锚固技术。 利用锚索技术长度较长的特点，可以穿过围岩松动圈或破碎带达到深部稳定岩层 中，将潜在垮落范围内的顶板岩层悬吊在其上部稳定的老顶岩层上，阻止顶板离 层、跨落的发生。加上施以较大的预应力，形成明显的主动支护，使围岩变形得 到有效控制。锚网索支护与锚索支护的不同之处在于增加了金属网。金属网的作 用主要是防止锚杆和锚索间岩体的松动掉落。它适用于较为破碎的围岩条件下的 巷道支护。 5 ．锚注支护【3 6 ～4 1 】 软岩动巷道锚注支护技术是近年发展起来的新型支护技术。它将锚杆支护和 ．6 ． 1 绪论 注浆技术有机的结合在一起，共同作用， 并且使锚杆和注浆的适用范围得到扩展， 尤其对松软破碎岩体的支护极为有效。 大大提高了对软岩的支护效果。注浆锚 杆前段为带有若干射浆孔的注浆段，后段为锚固段。锚注支护是采用锚杆与注浆 相结合的双重作用，以达到加固围岩、控制围岩变形的效果，它扩大了注浆和锚 杆的使用范围。 1 ．3 软岩巷道变形破坏机理 1 ．3 ．1 软岩巷道变形形态 当巷道支护体系不能承受地应力影响时，巷道将会发生变形，甚至受到破坏， 由此引起片帮、顶板冒落，对工作人员构成了严重的威胁。软岩巷道变形破坏的 原因各不相同，其变形形态也不一样，主要的变形形态有以下几种【4 3 l 1 顶板下沉。由于上覆岩层压力、巷道上方破碎岩体自重压力，或其他地 应力引起的垂直应力，造成了顶板下沉。其变形形态如图1 所示。 2 底臌。底板岩石较软，或遇水后岩石单轴抗压强度降低，在垂直压力作 用下将产生底臌，其变形形态如图2 所示。 图1 顶板下沉图2 底臌 F i g u r e lR o o f s u b s i d e n c eF i g u r e 2F l o o rh e a v e 3 顶底板移近。主要是垂直压力作用，垂直压力可能是上覆岩层压力，构 造应力顶、底板膨胀岩石变形引起的支护变形。它的变形形态如图3 所示。 4 一帮变形。当巷道一帮岩石较软，一帮岩石较硬，当在垂直压力或侧压 力的作用下均可产生一帮变形。它的变形形态如图4 所示。 7 安徽理工大学硕士学位论文 图3 顶底板移近 F i g u r e3R o o f a n df l o o rc o n v e r g e n c e 图4 上帮和下帮变形 F i g u r e 5D e f o r m a t i o no f t h eu p p e rs i d ea n d l o w e rs i d e 5 顶板下沉，两帮挤进。当巷道处于垂直压力作用下，同时两帮岩石较 软，而底板岩石又较坚硬时就会发生这种情况。其变形形态如图5 所示。 6 拱顶起尖，两帮挤进。由于侧压力的作用，巷道支护会发生拱顶起尖， 如果是锚喷巷道则出现拱顶岩石被挤碎成尖，两帮挤进。它的变形形态如图6 所 示。 7 顶底板移近，两帮挤进。当巷道围岩较软，处于垂直、水平压力共同 作用下，便会产生此种变形状态。它的变形形态如图7 所示。 图5 顶板下沉，两帮挤进 F i g u r e5R o o f s u b s i d e n c e ， t w os i d e si n d e n t 1 ．3 ．2 软岩巷道破坏机理 图6 拱顶起尖，两帮挤进 F i g u r e 6A r c hp o i n t ，t w os i d e s i n d e n t 图7 顶底板移近，两帮挤进 F i g u r e 7R o o fa n df l o o r c o n v e r g e n c e ，t w os i d e s i n d e n t 当荷载超过支护的极限承载能力时，巷道围岩的支护就会产生变形和破坏。 这些外力主要包括以下几个【4 3 】 1 ．上覆岩层压力 经过实践证明，所有的地下工程都会受到上覆岩层压力的影响，并且随着深 ．8 ． 1 绪论 度的增大，上覆岩层压力有逐渐变大的趋势，但是上覆岩层压力又不仅仅与深度 有关，此外它还与巷道围岩性质和巷道的跨度有关，如果围岩强度低、松散破碎， 那么巷道变形量将会增大。 2 ．构造应力 它是造成巷道变形破坏的主要原因。在巷道开挖后，它将受大地构造应力场 或其他构造应力的影响，构造应力的重新分布将对巷道产生严重影响，当这种影 响超过支护所能够承受时，围岩就会发生变形破坏。 3 ．膨胀应力 由于泥岩、泥质页岩遇水容易发生膨胀，这些岩石遇水很快泥化、体积迅速 增大，出现流变。它们会产生巨大的膨胀应力使支护发生变形甚至破坏。 4 ．碎胀应力 在围岩松动的形成过程中，体积会不断增大，从而对支护产生了碎胀压力。 如果这种碎胀过程不能被快速、有效的控制，那么支护将会被破坏。 5 ．支承压力的影响 在回采期间，工作面前方和后方将会出现高地应力集中区，它伴随着工作面 的推进而移动，是一个动应力状态，将对周围巷道支护造成严重影响。 6 ．冲击地压 由于地层活动、岩爆等都可能形成冲击地压，受此影响的巷道将会出现严重 变形或破坏。 外力作用是影响支护稳定的重要因素，但同时岩石性质也很重要，岩石在上 述某一种或几种应力作用下，围岩会首先失稳，从而引起支护失稳。 1 ．3 ．3 软岩巷道变形规律 巷道开挖后破坏了原岩应力平衡状态，围岩应力重新分布，随着时间和空间 位置的变化，应力、应变又处于不断变化调整中。方祖烈教授‘8 1 做了以围岩不同 深度径向应变随时间变化的实验 如图8 所示 。 9 安徽理[ 大学硕士学位论文 { 一 囊 t 蜇心T 3 Te 。 。 T2f 7 鋈 孓汝≮滏．． “＼T I出弋T I Ts 图8 深度- 时间应力变化曲线 F i g u r e 8S t r e s sc h a n g ec u r 矿eo f d e p t h s - t i m e 图8 表明，围岩以自承能力为主的稳定过程。 1 在0 ～2 ．5 m 范围内，围岩变形非常明显，形成松动圈 或叫松弛带 。 2 在纵深2 ．5 “ - 一6 m 范围内，围岩处于压缩状态，出现压密区，这是围岩 开始向稳定方向转化的重要标志。 3 在6 ，一- ．．9 m 区段范围，围岩由初期压缩状态逐渐转变为膨胀状态，且其 应变趋于稳定。 4 在9 “ - - - 1 2 m 区段范围，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、膨胀交错产生，并随深度增加而逐渐减小。 巷道开挖后，在巷道周边围岩内将会形成一个松动圈，松动圈内的岩块既不 是连续体，也不是松散体。围岩虽然己出现裂缝，但是破裂岩块之间仍处于相互 衔接、相互啮合的状态。应力一应变曲线如图9 所示。它可以分为四个阶段 ．1 0 ． 1 绪论 图9 应力o - ￡关系曲线 F i g u r e9C u r v eo f s t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p 1 压密阶段该阶段变形主要是由于岩体内的结构面被闭合和裂隙中充填 物受到压密而造成的。此阶段的特点是随着应力的增加，速率不断减小。 2 弹性阶段在这个阶段结构面和结构体共同起承载作用，此阶段的特点 是应力应变关系随着载荷的增加呈线弹性。 3 塑性阶段在该阶段，结构体变形的同时伴随有结构面的剪切滑移变形， 切变形主要沿结构面滑移，岩体的扩容现象越来越明显。该阶段的特点是随着 载荷的增加，其应变曲率逐渐减小。 4 破坏阶段当应力达到岩石抗压强度极限时，岩体沿着某些破损面滑动 导致岩体破坏，岩体进入破坏阶段。当松动圈围岩所受应力达到其极限强度时， 巷道松动圈围岩将发生破坏。 根据理论和实践分析，软岩巷道围岩变形破坏规律【4 5 】主要有 1 围岩自稳时间短，来压快 软岩巷道围岩自稳时间较短、来压较快。在巷道掘进时，通常迎头放炮后1 小时之内必须进行永久性支护，否则巷道帮顶围岩松动、脱落、掉矸甚至出现漏 冒顶现象。 2 围岩变形初始速度较大 巷道在维护过程中，撤除原有支护或开帮期间，巷道变形速度立即增大，巷 道收缩速度是原有巷道的3 ～5 倍。 3 亲水性强 软岩巷道多数含有粘土矿物质，岩层遇水容易膨胀，岩层强度明显降低，造 成巷道底鼓。 4 围岩变形移动范围大 安徽理工大学硕士学位论文 据实践经验可知，软岩巷道的围岩在距离巷道壁3 - 、．4 m 深部基点，甚至更 大范围内围岩都发生明显的位移。 5 巷道四周受压，底臌明显 通常软岩巷道多表现为四周普遍受压，并且全断面收缩，同时底臌现象十分严 重。有的软岩巷道甚至引发顶板冒落和两帮破坏。 1 ．4 存在的问题 1 以往的研究着重于高应力水平软岩巷道的支护，而对于深井倾斜的软岩 巷道支护的研究还不够充分。 2 以往主要研究软岩巷道支护过程的各个环节，而对于复杂条件下软岩巷 道的联合支护的研究还不够充分。 1 ．5 论文研究的主要内容及技术路线 1 调研及现场收集资料。包括1 0 2 运输上山的地质情况、围岩情况，以及 在快速掘进过程中存在的问题和取得的经验和教训等，分析1 0 2 运输上山的围岩条 件和特点。 2 基础力学参数测试。在此岩巷掘进头取岩样，实验室完成该岩巷的物 理力学参数测试。 3 现场监测。监测该岩巷的围岩变形规律，分析矿压显现规律，评价该岩 巷的支护效果。 4 理论分析。在现场实测数据及实验室模拟分析的基础上，结合目前的矿 山压力理论，深入研究岩巷的顶板活动规律和矿山压力分布规律，确定支护的效 果，为此类地质条件下的岩巷支护提供了理论依据。 本课题采用的试验研究方案如图1 0 所示 - 1 2 ． 1 绪论 图1 0 研究方案 F i g u r e10s t u d ys c h e m e 技术路线 调研、收集资料一岩样物理力学参数测试一模拟对比倾斜软岩巷道和水平巷道 一研究软岩巷道支护方案及设计支护参数一监测支护效果一总结撰写毕业论文。 1 ．6 在理论和应用方面的意义 通过多种研究方法和手段，综合研究深井复杂条件软岩巷道支护技术，实现 深井复杂条件软岩巷道变形小、不需返修的目标，从而使袁店矿尽快投产早日出 煤，并为指导后续其它复杂条件软岩巷道支护提供科学依据，为袁店矿实现安全 高效开采提供可靠保障。 1 3 21 0 2 运输上山数值模拟研究 21 0 2 运输上山数值模拟研究 2 ．1F L A C 3 D 软件简介 F L A C 是F a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i so f C o n t i n u a 的简写，渊源于流体动力学，最 早由W i l l k i n s 用于固体力学领域。F L A C 3 D 程序自美国I T A S C A 咨询集团公司推 出后，已成为目前岩土计算中的重要数值方法之一。该程序是F L A C 二维计算程 序在三维空间中的扩展，用于模拟三维土体、岩体或其他材料力学特性，尤其是 达到屈服极限时的塑性流变特性，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、 地下洞室、施工设计 开挖、填筑等 、河谷演化进程再现、拱坝稳定分析、隧道工 程、矿山工程等多个领域。 2 ．2F L A C 3 D 基本原理 F L A C 3 D 的求解方法主要有离散模型方法、有限差分方法和动态松弛方法。 F L A C 3 D 用显式有限差分方法求解，首先也要生成网格，其物理网格映射在数学网 格上，这样数学网格上的某个编号为i ，j ，k 的节点就与物理网格上相应节点的坐 标x ，Y ，Z 相对应，也可以想象为数学网格是一张橡皮做的立体网，拉扯以后就 可以变为物理网格的形状。 假定某一时刻各个节点的速率为已知，则根据高斯定理可求得单元的应变率， 进而根据材料的本构定律可求得单元新的应力。 根据高斯定理，对于函数F 有 协蕊 l A 鼍以 式中 F _ 在封闭曲面边界周围的积分； 胁一曲面s 的单位发向量； 厂一标量、向量或张量； x r 挫标向量 d 卜增量弧长 2 一1 安徽理工人学硕士学位论文 则 p 对表面积A 的积分； 定义在区域面积A 上梯度的均值f 如下 三一笔姒 2 - 2 式中 ‘卜平均值。 对于一个具有N 条边的多边形，上式可写成对N 条边求和的形式 笔 三莓触 2 - 3 式中 △s r _ 多边形的边长； ，广7 在△s i 上的平均值。 假定速度的均值代替上式中的，i ，且将一个区域的应变速率用节点速度表示， 篆嗉；铲 三一c b n j A s i ． 2 4 ．c 厶．即， 三[ ] 址 - 1 6 一 2 ．5 2 6 21 0 2 运输上山数值模拟研究 I ．1 扛J 西 { L 0 f ≠歹 因此，单元的平均应力增量可表达为 △仃扩 硒 △p 盖砌 同时，若以应力表示应变，则其本构关系为 ’ 缸扩 半 锄 盖硒 式中 y 一泊松比o E 一弹性模量5 2 ．7 2 8 2 ．9 I l 一第一不变量。 这样，通过上述各式的迭代求解，便可求出每一迭代时步相应个单元的应力 和应变值。根据不同的塑性屈服准则，通过相关计算结果就可以判断那些单元屈 服与否。 以上己求出了各域 单元 的应力，下面来求各节点的平衡力 又节点的运动方程 掣 pg i p O i 式中O ．i 为总加速度；舀为重力加速度。 对单元应力表达式沿积分路径积分得 触 三∑ 仃咖幽 脂 其中，∑ 卿油血，为某节点周围单元作用在该节点的集中力。 n i _ F a l , g i ．1 7 ． 2 一1 0 2 ．1 1 2 一1 2 安徽理工大学硕士学位论文 式中 卜作用在节点上的合力。 利用中心差分，得某节点加速度和速度 n i 襻华 玉 t 十譬卜易 t 一竽 n ； t A t 2 1 3 2 ．1 4 其中，彬 t 一警 为节点上一时步的速度。． 进一步得节点位移 u i t A t u t 1 9 , t A t A t 2 1 5 按照上述思路，通过迭代求解，便可求出各个时步计算域内各单元 或节点 的应力、变形值，进而可模拟出整个变形 破坏 过程。 2 ．3数值计算方法及计算模型与参数 2 ．3 ．1数值模拟程序及模拟内容 根据现场实际的生产技术条件，结合现场实测、理论分析结果，采用大型非 线性三维数值模拟计算软件 F L A