深部软岩巷道耦合支护关键技术研究.pdf

2 0 0 9 年第 1 期 煤矿支护 1 7 深部 软岩巷道耦合 支护关键 技术研 究 孙晓明 杨 军 郭志飚 [ 1 ．中国矿业大学 北京力学与建筑工程学院；2 ．深部岩石力学与地下工程国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 3 ] 摘要 深部 “ 三高一扰动” 即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动 的复杂地质力学环境，使得深部岩体表现出明显的软岩非线性大变形力学特性，从 而导致单纯的主动支护已无法保证巷道围岩的稳定性，严重影响了深部煤炭资源的 安全开采。“ 耦合支护”作为一种全新的支护理念， 已成功解决 了大量 的软岩巷道 支护问题。研究表明，在深部开采条件下，软岩巷道锚、网、索耦合支护成功的关 键在于在锚杆支护提高围岩强度 的基础上 ，通过锚 网一 围岩耦合效应、锚杆一 网 一 托盘耦合效应、锚 索预应力耦合效应 ，实现耦合支护下的高应力转化效应，从而 达到对深部巷道 围岩的稳定性控制 目标。 关键词 深部 软岩巷道 锚、网、索支护 耦合效应 关键技术 引 言 随着开采深度的增加，巷道支护技术已 从被动支护 以钢架、木支架支护为代表 发展到主动支护 以锚网、锚索支护为代 表 [ 13 。然而，深部 “ 三高一扰动” 即高地 应力 、高地 温、高渗 透压和强烈 的开采 扰 动的复杂地质力学环境，使得深部岩体表 现出明显的软岩非线性大变形力学特性[ 2 ] ， 从而导致单纯的主动支护已无法保证巷道围 岩的稳定性，严重影响了深部煤炭资源的安 全、高效开采E 。 3 。为此，国内外学者对深部 开采巷道围岩力学特性及其稳定性控制技术 进行了大量研究。近年来，锚网索支护技术 的研究与应用 ，对于解决深部采准巷道围岩 稳定 性控 制 问题 具有 明显 的效果E ] 。然 而，由于在深部巷道围岩支护中不能实现 锚、网、索支护与围岩之间的耦合力学效 应 ，往往会造成锚 、网支护变形，锚索拉断 失效，无法有效控制巷道围岩的稳定性，严 重的还会造成巷道顶板大面积垮落等安全事 故 。因此，只有掌握锚、网、索支护与围岩 耦合支护作用规律，才能实现锚索与锚网、 围岩在结构、强度上的耦合，才能实现对深 部巷道围岩变形的有效控制[ 8 1 1 ] 。 1 深部巷道耦合支护技术 何满潮教授于 1 9 9 7 年提出了软岩巷道耦 合支护理论[ 1 2 ] ，通过多年的理论与工程实践 研究 ，形成了系统的软岩工程力学及其支护 技术体系E ” 3 ，解决了大量的软岩巷道大变 形控制问题。在此基础上， 针对深部岩体表 现出的非线性大变形力学特性，研究提出了 深部巷道锚、网、索耦合支护技术E ] 。 深部巷道锚、网、索耦合支护就是针对深 部巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协 调部位， 通过锚、网、索支护之间的耦合以及 支护体与围岩之间的耦合而使其变形协调， 从 而限制围岩产生有害的变形损伤，同时最大限 度地发挥围岩的 自承能力 ，实现支护一体化、 荷载均匀化，达到巷道稳定的 目的。 锚、网、索耦合支护成功的关键在于， 1 8 煤矿支护 2 0 0 9年第 1 期 在锚杆支护提高围岩强度的基础上 ，通过锚 网一围岩耦合效应、锚杆一网一托盘耦合效 应、锚索预应力耦合效应， 从而实现耦合支 护下的高应力转化效应，达到对围岩的稳定 性控制 目标。 2 锚网一 围岩耦合效应 巷道开挖 后，围岩 的受 力状态发 生改 变。巷道不同部位的岩体 ，由于其受力状态 不同，所表现出的强度特性也各不相同 图 1 。当打入锚杆后 ，由于锚杆与围岩的相互 作用 ，形成 了 o 。作用面，改变了边界岩体 的受力状态，使其由一维应力状态转化为三 维受力状态，从而提高了岩体的强度及其承 载能力。 I I I I l 图 1 巷道围岩受力状态分析 传统的组合拱设计观点认为，巷道围岩 注入锚杆后所形成的组合拱厚度与锚杆的间 排距 、锚杆对岩体的控制角 C t 有关 ，一般 a 取 4 5 。 。然而 ，研究表明，锚 、网与围岩初 次支护，在刚度上实现耦合，锚、网支护调 动围岩强度超出锚杆端头范围，远远超过传 统界限，从而最大限度地发挥刚性锚杆的支 护能力。 3 锚杆一网一托盘耦合效应 锚杆一 网一托盘的耦合作 用十分重要 ， 过强或过弱的锚 、网支护，都会引起局部应 力集 中而造成巷道破坏。同时，由于深部巷 道围岩积聚了大量的变形能 ，必须在锚 、网 与围岩之间提供一定的变形空间，使其在释 放一定 的变形 能后，再发挥锚 网的支护能 力 。研究表明，采用刚度较大的钢筋网以及 复合托盘，可以实现锚杆一 网一托盘和围岩 强度 、刚度达到耦合，使变形相互协调 图 2 ，从而能够充分转化围岩中膨胀性塑性能 并能最大限度地利用围岩的 自承能力 。在耦 合作用状态下，围岩应力分布由集中应力区 向低应力区转化 ，锚杆受力趋于均匀化 ，围 岩应力场和应变场趋于均匀化 图 3 。 a 刚度较高的钢筋网代替刚度低的菱形网 预留 围岩 稳 变形 空间 b 复合托盘代替 单一铁托盘 图 2 适合深部巷道圈岩特点的锚杆一 网一 托盘系统 嚣 褥 2 0 0 9 年第 1 期 煤矿支护 1 9 a 不耦合 支护 下 b 锚 网耦合 支护 下 圈 3 不 同支护状态下 o 应 力图 4 锚索预应力耦合效应 _ --- 童 j b 有锚索支护 r 应 力图 圈 4 不同支护 条件下巷道圈岩应力分布图 深部巷道 围岩变形破坏 总是从 某一部 位先开始破坏，此部位即关键部位m] 。研 究表明，在关键部位施加锚索支护后与施 加前巷道围岩应力分布具有明显不同，主 要表现在施加锚索支护后，剪应力明显向 巷道深部 围岩延伸 、扩 张，应力集 中程度 相对减小 ，在巷道围岩深部锚索顶端出现 拉应力集中区。这说明由于锚索的作用， 使巷道深部岩体也承担了浅部围岩的支护 荷载，从而减小了巷道的变形量。同时， 巷道开挖后，围岩的强度由空区向深部逐 渐增大到原岩强度，通过锚索的作用，调 动了巷道深部 围岩 的强度 ，从而 达到 了对 巷道 浅部 围岩的支护效果 图 4 。 7 ．O 6 ． 5 6 ．O 5 ．5 -z 5 ．0 ．R 4 ． 5 筝 ～ 4 ．0 3 5 3 0 2 ．5 ， ／ r ， l l L 1 帮部 _7 顶部 r 7 3 ． f ＼4 J- L ． ， l i 2 3 4 ， O ， 测点 1 一掘进锚喷后 围岩应 力状 态； 2 一锚 网耦合设计作 用后应 力状 态； 3 一应力转 化中 性．≤ ； 4 -- 应力变 化趋势 圈5 耦合支护集中应力区向低应力区 转移过程的数值模拟结果[ 1 4 ] 4 ． 2 锚索预应 力耦合效应 锚、网在实施过程中只强调锚索支护 的强度，往往会造成锚索拉断失效，无法 有效控制巷道 围岩 的稳定性 ，严 重 的还 会 造成巷道顶板大面积垮落等安全事故。因 此，重视各种时空条件下的预应力施加值 的变化至关重要 。研究表 明[ 1 ，在 锚 、网 耦合支护围岩变形趋于稳定时，即在最佳 支护时间施加关键部位锚索支护，能够最 大限度的实现锚索的预应力耦合效应。根 据工程需要，如果在迎头工作面施加锚索 支护，预应力值应适当小一些，约是锚杆 设计值的 0 ． 8 ～1 ． 0 倍 ；在掘进机后实施 锚索支护时，预应力水平应是锚杆设计荷 载值的 1 ． 0 -- - 1 ． 3 倍比较适宜。 2 0 煤矿支护 2 0 0 9 年第 1 期 5 耦合支护的高应力转化效应 围岩和支护体之间的优化组合，使支 护系统达到最佳耦合支护状态，实现了耦 6 结论 合支护的高应力转化效应，即巷道围岩高 应力区向低应力 区转移 ，从 而实现支护体 受力与围岩变形 的均匀化 图 5 。现场观 测结果也证明 了在耦合支护下 的高应力转 化效应 图 6 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l 1 l 2 l 3 1 4 1 5 1 6 1 7 图 6 实测耦合支护后的高应力转化效应[ 14 ] ① 在锚杆支护提高围岩强度的基础上 ， 通过锚网一围岩耦合效应，可以最大限度地 发挥刚性锚杆的支护能力 ； ② 采用刚度较高的金属网及复合托盘， 实现锚杆一网一托盘效应 ，能够充分转化围 岩中膨胀性塑性能并能最大限度地利用围岩 的自承能力，从而使支护体与围岩变形相互 协调 ； ③ 在最佳支护时间施加关键部位锚索 支护，实现锚索预应力耦合效应，能够最大 限度的调动巷道深部围岩的强度，从而达到 了对巷道浅部围岩的支护效果。 ④ 锚、网、索支护巷道围岩实现耦合 力学效应的标志是高应力转化效应，即巷道 围岩高应力区向低应力区转移，达到支护体 受力与围岩变形的均匀化 。 参考文献 [ 1 ] 何满潮，钱七虎． 深部岩体力学基础 研究综述 E c ]／ ／第九届全国岩石力 学与工程学术大会论文集 ． 北京科 学 出 版 社，2 O 0 6 4 9～ 6 2 ． HE Ma n c h a o，QI AN Qi h u ． S u mma r i z e [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] o f b a s i c r e s e a r c h o n r o c k me c h a n i c s a t g r e a t d e p t h[ C ]／ ／ C h in e s e s o c i e t y o f r o c k me c h a n i c s a n d e n g i n e e r i n g e d ．p r o c e e d i n g s o f t h e 9 t h r o c k me c h a n i c s a n d e n g i n e e r i n g c o n f e r e n c e ． B e i j i n g S c i e n c e P r e s s ，2 0 0 6 4 9 6 2 ． i n C h i n e s e 何满潮，谢和平 ，彭苏萍，等 ．深部 开采岩体力学研究 [ J ]．岩石力学 与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． HE M a n c h a o ． XI E He p i n g， P ENG S u p i n g， e t a 1 ． S t u d y o n r o c k me c h a n i c s i n d e e p mi n i n g e n g i n e e r i n g[ J ]．C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g， 2 0 0 5 ，2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． i n Ch i n e s e RUS S O BELL O F。 MURPHY S K． L o n g wa l l i n g a t g r e a t d e p t h i n a g e o l o g i c a l l y d i s t u r b e d e n v i r o n me n t t h e w a y f o r w a r d[ J ]． T h e J o u r n a l o f S o u t h Af r i c a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g An d Ma t a l l u r g y ，Ma r c h ／ A p r i l ，2 0 0 09 1 1 0 0 ． 顾金才，沈 俊，陈安敏，等 ．锚索 预应力在岩体内引起的应变状态模型 2 0 0 9年第 1 期 煤矿支护 2 1 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 试验研究 [ J ]．岩石力学与工程学 报， 2 0 0 0 ， 1 9 S u p p ． 9 1 7 9 2 1 ． GU J i n c a i ， S HEN J u n， CHEN An mi n ， e t a 1 ．M o d e l t e s t i n g s t u d y o f s t r a i n d i s t r i b u t i o n r e g u l a r i t y i n r o c k ma s s c a u s e d b y p r e s t r e s s e d a n c h o r a g e c a b l e[ J 1．C h in e s e J o u r h a l o f Ro c k M e c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g， 2 0 0 0 ， 1 9 S u p p ． 9 1 7 9 2 1 ． i n Ch i n e s e 刘长武． 郭永峰锚网 索支护煤巷 顶板离层临界值分析 [ J 1．岩土力 学 ，2 0 0 3 ，2 4 s u p p ． 2 3 12 3 4 ． L I U Ch a n g wu， GUO Yo n g f e n g ． An a l y s i s o n r o o f b e d d i n g s e p a r a t i o n c r i t i c a l v a l u e o f c o a l mi n i n g g a l l e r y s u p p o r t e d w i t h b o l t s c a b l e s 口]． Ro c k a n d S o i l M e c h a n i c s ， 2 0 0 3 ， 2 4 s u p p ． 2 3 1 2 3 4 ． i n Ch i n e s e 孙晓明，何满潮，冯增强．深部松软 破碎煤层巷道锚网索支护技术研究 ． 煤炭 科学 技 术 ，2 0 0 5 ，3 3 3 4 7 5 0 ． S UN Xi a o mi n g， HE Ma n c h a o ， FENG Z e n g q i a n g ． Re s e a r c h o n b o l t ／ me s h ／ a n c h o r c o mb i n e d s u p p o r t t e c h n o l o g y f o r d e e p s o f t a n d b r o k e n s e a m g a t e w a y[ J ]．C o a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 0 0 5 ， 3 3 3 4 7 5 0 ． i n Ch i n e s e 王卫军， ． 李树清，欧阳广斌 ．深井煤 层巷道围岩控制技术及试验研究 口] ． 岩 石 力学 与工 程 学 报，2 0 0 6 ，2 5 1 0 2 1 0 2 2 1 0 7 ． 、 7 I NG W le i j u n ， I J S h u q i n g ， A NG Gu a n g - b i n ．S t u d y o n t e c h n i q u e a n d t e s t o f s u r r o u n d i n g r o c k c o n t r o l o f d e e p s h a f t c o a l r o a d w a y[ J ]． C h i n e s e J o u r n a l o f R ock Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri ng ，2 0 0 6 ， 2 5 1 0 2 1 0 2 2 1 0 7 ． 孙晓明，何满潮，杨晓杰 ． 深部软岩 巷道锚网索耦合支护非线性设计方法 [ 9 ] [ 1 0 1 [ 1 1 1 [ 1 2 ] 研究 [ J ]．岩土 力学，2 0 0 6 ，2 7 7 1 0 6 1 一 】0 6 5 ． S UN Xi a o m- i n g ，HE Ma n c h a o ，YANG Xi a o j i e ． Re s e a r c h o n n o n l i n e a r me c h a n i c s d e s i g n me t h o d o f b o l t n e t a n c h o r c o u p l i n g s u p p o r t f o r d e e p s o f t r o c k t u n n e 1 ．r o c k a n d s o il me c h a n i c s[ J ] ． 2 0 0 6， 2 7 7 1 0 6 1 1 0 6 5 ． i n Ch i n e s e 孙晓明，何满潮 ．深部开采软岩巷道 耦合支护数值模拟研究 [ J ]．中国 矿业大学 学报 ，2 0 0 5 ，3 4 2 1 6 6 1 6 9 ． S UN Xi a o mi n g ， HE M a n c h a o ． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n c o u p l i n g s u p p o r t t h e o r y o f r o a d w a y wit h i n s o f t r o c k a t d e p t h[ J ]． J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ，2 0 0 5，3 4 2 1 6 6 1 6 9 ． i n Ch i n e s e 孙晓明 ． 煤矿软岩巷道耦合支护理论 研究及其设计系统开发 [ 博士学位论 文][ D ]． 北京中国矿业大学 北 京 校 区 ，2 0 0 2 ． S UN Xi a o mi n g ． Re s e a r c h o n t h e c o u p l i n g s u p p o r t t h e o r y o f s o f t r o c k t u n n e l i n c o a l mi n e a n d d e v e l o p me n t o f s u p p o r t d e s i g n s y s t e m [ P h ． D ． T h e s is ][ D ]． Do c t o r a l d i s s e r t a t i o n o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ，2 0 0 2 ． i n C h i n e s e 曹伍富．深部软岩巷道围岩控制关键 技术研究 [ 博士学位论文][ D I ．北 京 中国矿 业 大学 北 京 ，2 0 0 5 ． CAO W u f u ． S t u d y o n Ke y Te c h - n i q u e s o f Co n t r o l l i n g S u r r o u n d i n g Ro c k o f S o f t Ro c k Ro a d wa y i n De e p Mi n e [ P h ．D ．T h e s i s ] [ D 1．Doc - t o r a l d i s s e r t a t i o n o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ， 2 0 0 5 ． i n Ch i n e s e 何满潮，高尔新，软岩巷道耦合支护 2 2 煤矿支护 2 0 0 9 年第 1 期 [ 1 3 ] E 1 4 ] E 1 5 3 力学2 l世纪学科 生长点，煤炭 学报 ，1 9 9 7 ，2 2 S u p p ． l一 4 ． HE Ma n c h a o， GAO Er x i n ． M e c h a n i e s o f c o u p l e d s u p p o r t a n d i t s u s e i n s o f t r o c k t u n n e l s ．J o u r n a l o f Ch i n a Co a l S o c i e t y ， 1 9 9 7 ， 2 2 S u p p ． 1 4 ． 何满潮 ，景海河，孙晓明 ．软岩工程 力学 [ M]．北京科学 出版社， 2 0 0 2 ． HE Ma n c h a o，J I NG Ha i h e ， S UN Xi a o mi n g ．S o f t r o c k e n g i n e e r i n g me c h a n i c s[ M]．B e i j i n g ，S e i e n c e Pr e s s 。2 0 0 2 ． i n Ch i n e s e 何满潮 ，孙晓明．中国煤矿软岩巷道 工程支护设计与施工指南 [ M] ．北 京 科学 出版社，2 0 0 4 ． He Ma n c h a o ，S u n Xi a o mi n g ．S u p p o r t De s i g n a n d Co n s t r u c t i o n Gu i d e f o r Ro a d wa y w i t h i n So f t R o c k i n C h i n a ．B e i j i n g ， S c i e n c e Pr e s s ，2 0 0 4 i n Ch i n e s e 孙晓明，杨军 ，曹伍富 ．深部回采巷 道锚网索耦合支护时空作用规律研究 I- J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 7 ， 2 6 5 8 9 5 9 0 0 ． S UN Xi a o m i n g，YANG J u n，CAO W u f u ．Re s e a r c h o n s p a c e t i me a c t i o n r u l e o f b o 1 t n e t a n c h o r c o u p l i n g s u p p o r t f o r d e e p g a t e wa y [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g ， 2 0 0 7，2 6 5 8 9 5 9 0 0 ． i n Ch i n e s e 第一作者简介孙晓明 男，1 9 7 0年 出生。 1 9 9 2年毕业 于山东矿业学院，2 0 0 2年获得 中国矿业大学 北京校区岩土工程专业博 士学位。现任中国矿业大学 北京力学与 建筑工程学 院岩土工程研 究所所长，副教 授 。主要从事软岩工程力学、软岩巷道工程 支护理论与技术等方面的研究。作为项目负 责人承担 国家 自然科学 基金 面上项 目 1项 5 0 5 4 4 0 0 9 ，目前作为主要研究人员承担国 家自然科学基金重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 0 和教 育部科学技术研究重大项 目 1 0 4 0 5 各 1 项 。完成 国家 、省部级和现场企业科研项 目 1 0 余项。研究成果获国家科技进步二等奖 1 项、部级科 技进步一 等奖 2项和 三等奖 1 项。出版专著 2 部。获国家实用新型专利 2 项。联系电话0 1 0 --6 2 3 3 1 2 9 4 ；E ma i l x i a o mi n g s 2 6 3 ． n e t 。 收稿 日期2 0 0 9 一O 2 一O 3 ；责任编辑王方荣 田陈矿 为井下锚杆办理 “ 身份证“ “ 顶架响 ，壁片帮，顶板事故要常防” ， 在全国每年发生的大大小小的煤矿事故中， 顶板事故是最常见 、最容易发生的事故 。锚 杆安装不标准，安装质量不过关 ，是造成这 一 事故的主要 “ 元凶”之一。 枣矿集团田陈煤矿以强化安全质量标准 化建设、落实安全责任和提高队伍素质为主 要措施 ，持续推进安全基础管理 。为切实消 除锚杆在安装过程中 “ 人为”留下的安全隐 患 ，该矿重点加强对锚杆安装 的监督 管理 。 对井下安装的每一根锚杆，完工后 ，统一办 理 “ 身份证” ，内容包括锚杆安装地点、 日期 、班次 、责任人、验收人 ，制作成 “ 即 时贴” ，贴在锚 杆托盘上。在今后工 作 中， 如出现由于因锚杆安装质量有问题，引起的 事故，依照 “ 身份证”上提供的信息，按照 矿制订的处理规定，严格追究责任人的责 任。 通过此项措施的实行，提高了施工人员 的责任心，杜绝了原来施工单位为赶进尺、 求进度 ，对锚杆安装质量不重视 ，存在锚杆 间排距不符合标准 、锚杆拉力不够 的问题， 从安装源头上彻底消除了安全隐患。 摘 自 中新 山东网枣庄