（礦業(yè)工程專業(yè)論文）潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究及實(shí)踐.pdf

摘要 本文根據(jù)軟巖特性和圍巖松動(dòng)圈理論 針對(duì)軟巖巷道圍巖變形壓力大 速 度快 變形量大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)以及對(duì)各類擾動(dòng)極為敏感等特點(diǎn) 結(jié)合淮南潘三 煤礦高地應(yīng)力條件下軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題 對(duì)軟巖巷道的支護(hù)對(duì)象 支護(hù)原則 錨注支護(hù)參數(shù)及工藝進(jìn)行了探討 研究 論文運(yùn)用軟巖巷道支護(hù)彈塑性圈狀模型理論 分析巷道開挖過(guò)程中圍巖應(yīng) 力狀態(tài)的改變 松動(dòng)區(qū) 塑性區(qū) 彈性區(qū)相互之間的關(guān)系 錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)體共 同作用機(jī)理阻及軟巖巷道支護(hù)的根本技術(shù)措施等 提出了軟巖巷道的最佳支護(hù) 時(shí)間 注漿壓力 錨桿布置等參數(shù)的影響因素和確定方法 并通過(guò)對(duì)潘三礦東 四采區(qū) 4 2 0 m 總回風(fēng)巷錨注加固工程和西一采取石門修復(fù)工程的實(shí)踐 探討了 軟巖巷道的加固 修復(fù) 方案 提出的巷道加固 修復(fù) 技術(shù)在工程實(shí)踐中得 到了驗(yàn)證 并取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果 論文研究對(duì)類似巷道錨注支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的參考意義 關(guān)鍵詞 高地應(yīng)力 軟巖巷道 錨注支護(hù) 圍巖松動(dòng)圈 最佳支護(hù)時(shí)間 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h el o o s i n gc i r c l eo fs u r r o u n d i n gr o c k st h e o r ya n dt h e s o f tr o c k sb a s i cn a t u r e i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fs u r r o u n d i n gr o c k sd i s t o r t i o n i ns o f tr o c kt u n n e l h u g ep r e s s u r e t h eq u i c ks p e e d b i gq u a n t i t ya n dt o n gd u r a t i o n a sw e l la st h ee x t r e m e l ys e n s i t i v et oe a c hk i l a do fp e r t u r b a t i o na n ds oo n a f t e rw e a n a l y z e da l lk i n d so fp r o t e c tm e t h o dw h i c hh a v et h es h o r t c o m i n g s ow ec a r r yo dt h e d i s c u s s i o na b o u ts o f tr o c kt u n n e l sp r o t e c t i o nf r o mo b j e c t p r i n c i p l ea n dt h e t e c h n i c so fb o k g r o u t i n g u s i n gt h es o f tr o c kt u n n e l sc i r c l em o d e la n dt h em e t h o do fb o l t g r o u t i n gt o c h a n g et h es t a t eo fs t r e s s w eo b t a i nam i xo fp r e s t r e s s e dt op r o t e c tt h es t r u c t u r e p r o p o s e dt h ei n i t i a t i v ep r o t e c t s i d e aa n dc e r t a i nm e t h o d so nt h eo p t i m a ls u p p o r t i n g t i m ei ns o f tr o c kt u n n e l t h ep r e s s u r eo fg r o u t i n g d i s p o s a lo fb o l t a n do t h e r p a r a m e t e r s t h r o u g ht h ep r o j e c to fb o l t g r o u n t i n gr e i n f o r c e m e n ta t 一4 2 0 mo ne a s t f o u re x p l o i t i n gf i e l da n dr e p a i rp r o j e c to nx i y ie x p l o i t i n gf i e l di np a n s a nc o a lm i n e d i s c u s st h em e t h o do fr e i n f o r c e m e n ta n dr e p a i r m e n ti ns o f tr o c kt u n n e l i th a s c o n f i r m e dt h et h e o r yi sf e a s i b i l i t ya n ds e r v i c e a b i l i t y o b t a i n e dt h eg o o dt e c h n o l o g y a n de c o n o m i ce f f e c t i th a ss i g n i f i c a n c eo nt h e d e s i g n o fs o f tr o c kt u n n e l s p r o t e c ta n d t h e o p t i m i z a t i o no fc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r k e yw o r d s h i 曲g r o u n ds t r e s s s o f tr o c kt u n n e l b o l t g r o u t i n gp r o t e c t l o o s i n gc i r c l eo fs u r r o u n d i n gr o c ko p t i m a ls u p p o r t i n gt i m e 潘三礦轍巖巷道鋪?zhàn)⒅ёo(hù)研究與實(shí)踐 1緒論 1 1 諜題的攢蹬 在巖土工程活動(dòng)中 地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣 直接影響工程的正常進(jìn)行和工程體 的穩(wěn)定性 裂隙巖體是壩基 邊坡 地下硐室等巖土工程中廣泛遇到的巖體類 型 它的強(qiáng)度 變形 地下水的滲透性等特征將直接影響到工程設(shè)計(jì) 旌工 運(yùn)行期的穩(wěn)定性分析與加固處理 隨著礦山開采的大規(guī)模進(jìn)行和采深的加大 巷道的圍巖條件趨于惡化 原來(lái)具有各種弱面的巖體在二次應(yīng)力作用下將進(jìn)一 步破壞 同時(shí)產(chǎn)生了新的裂隙并引起巷道向不穩(wěn)定方向發(fā)展 因此 為了保證 巷道的穩(wěn)定性 必須采取有效的措施 目前在礦山巷道支護(hù)中 一般采取以下 兩種方法 一是通過(guò)錨固或注漿的方法 改善圍巖的結(jié)構(gòu)和性能 提高圍巖的 自承能力 是一種主動(dòng)支護(hù)方式 二是通過(guò)砌碹 架u 型鋼支架等方法 約束圍 巖的變形 是一種被動(dòng)的支護(hù)方式 但是對(duì)大多數(shù)巷道來(lái)說(shuō) 特別是軟巖巷道 后者需要更多的成本 而效果遠(yuǎn)不如前者 因此 改善圍巖結(jié)構(gòu)及性能 提高 圍巖的自承能力是維護(hù)巷道的最有效 最根本的途徑 另一方面 我國(guó)煤層賦 存條件復(fù)雜 軟巖在近半數(shù)礦井都有賦存n 隨著采深的增加 原巖應(yīng)力水平 不斷提高 當(dāng)其超過(guò)圍巖軟化臨界值后 阻 圍巖原有的弱面進(jìn)一步擴(kuò)展 產(chǎn) 生新的節(jié)理 裂隙 甚至松動(dòng) 破碎 圍巖自承能力進(jìn)一步惡化 給巷道維護(hù) 帶來(lái)極大困難 這就給地下工程圍巖穩(wěn)定性研究提出了新的課題一軟巖工程問(wèn) 題 目前 軟巖工程問(wèn)題已成為困擾礦山開采的主要問(wèn)題之一 也是國(guó)內(nèi)外地 下工程的一個(gè)難題 通過(guò)大量的工程實(shí)踐人們認(rèn)識(shí)到改善圍巖的結(jié)構(gòu)性能 充分發(fā)揮圍巖的自 承能力 是一條維護(hù)圍巖穩(wěn)定的有效途徑 特別是對(duì)高地應(yīng)力軟巖巷道 巖體 注漿加固是一種改善巖體結(jié)構(gòu)及其性質(zhì) 提高巖體承載能力的有效方法 已被 廣泛應(yīng)用于大壩 建筑基礎(chǔ) 礦井建設(shè)等方面 圍巖注漿加固是巖體加固的新領(lǐng)域之一 它是利用壓力把漿液充填到圍巖 體的各種裂隙中去 并把裂隙中的漿液和周圍的巖體重新膠結(jié)起來(lái) 從而提高 圍巖的整體穩(wěn)定性 增強(qiáng)圍巖的承載能力和抗?jié)B性能 據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)戴標(biāo)兵 的研究表明 注漿加固使破裂后砂巖的強(qiáng)度提高1 2 0 1 3 0 使破裂后粉砂巖和 頁(yè)巖的強(qiáng)度提高1 3 倍 前蘇聯(lián)的研究資料也表明 注漿加固可使巖體的粘聚 力平均提高4 0 7 0 巖體靜彈性模量平均提高1 2 3 7 5 動(dòng)彈性模量平均提高 4 5 1 7 5 縱波波速提高1 4 5 3 同時(shí) 注漿后巖體的滲透性也大大降低 據(jù) 前蘇聯(lián)的研究表明 注漿后巖體的滲透性約為注漿前的1 1 0 t 1 0 0 因此 巷 道圍巖注漿是改善圍巖環(huán)境和維護(hù)巷道穩(wěn)定性的有效方法之一 就傳統(tǒng)的錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)而畝 噴射混凝土能及時(shí)封閉圍巖 錨桿能實(shí)現(xiàn)主 動(dòng)支護(hù)和圍巖一起形成加固圈 共同承受地壓 維護(hù)巷道穩(wěn)定 是一種較好的 港三礦坎巖巷遵錨注支妒磺究與實(shí)踐 軟巖支護(hù)形式 但由于其支護(hù)強(qiáng)度不夠離 難以適應(yīng)商地應(yīng)力 大變形的軟巖 巷遭 特別是受采動(dòng)影響瓣囊援巷遂 圈巖浚漿燕淫憝改善邂老結(jié)構(gòu)及其經(jīng)熊 提高圍巖整體性期自承載能力 人們嘗試將二者結(jié)合起來(lái) 即采用錨注支護(hù) 已有了很多成功的例子 但由于對(duì)錨注支護(hù)機(jī)理的研究不夠深入 理論水平滯 蠢予工程實(shí)踐 譴這一技本缺乏登黌靛理論依據(jù) 難戩遂褥舍懋蕊設(shè)詩(shī) 懿髓 影晚了其在現(xiàn)場(chǎng)的推廣應(yīng)用 從發(fā)揮支護(hù)的承鼗能力和充分利用圍巖的自承能力看 h 錨桿與注 漿都燕較好的者 粕閨方法 錨同與注漿是兩稀酃獨(dú)立又可相互聯(lián)合使用的者 燕困技術(shù) 基予它鍛糍在原經(jīng)對(duì)澎 邀行熱圈翻改性 充分挖掘巖 镕塞身 的承載潛力 多年來(lái) 直受到糟土工程界的高度羹視 如前蘇聯(lián)采用錨注支護(hù) 技術(shù) 使松軟破碎者體注漿后的單軸抗鹺強(qiáng)度顯著增靛 麗巖交形量比沒(méi)有注 漿款筏類巷蓮降低了8 0 以上 冒本 法蘑 蒺國(guó)等在糙道施工中 漿瘸注漿麴 圃技術(shù)都顯著地改善了圍巖的備項(xiàng)力學(xué)參數(shù)和支護(hù)效果 農(nóng)國(guó)內(nèi) 山東科技大 學(xué)在跨采軟巖巷道中采用錨注支護(hù)技術(shù) 使松軟的運(yùn)輸大巷成功地度過(guò)了采動(dòng) 影嫡麓 并傈掩了楚努酶維護(hù)狀態(tài) 取樽了駐著靜技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 大餐工程竇 踐表明 3 錨注支護(hù)采用錨抒與注漿摺結(jié)臺(tái)豹方法 饅錨榜鄹沒(méi)漿各塞馳 邋用范圍得到擴(kuò)展 大大提高對(duì)軟糟的支護(hù)效果 是解決軟巖及高地應(yīng)力巷道 支護(hù)酶一種有效途徑 目前 錨注支護(hù)技術(shù)在軟巖巷道的應(yīng)用效果是比較好的 但是仍然處于摸 索階段 其理論仍停留在充填和固結(jié)破碎巖體的層面上 對(duì)注漿材料參數(shù) 壓 力參數(shù) 時(shí)間參數(shù) 加固帶形成后內(nèi)部的應(yīng)力參數(shù)等等都沒(méi)有相 陂的測(cè)試數(shù)據(jù) 和理論分析 在錨注機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化上還沒(méi)有較為定量的分析和研究 為了更 好地推廣和應(yīng)用這一技術(shù) 有必要對(duì)錨注機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的探討 對(duì)錨注參數(shù) 進(jìn)行優(yōu)化 本文主要從工程實(shí)踐入手 通過(guò)工程實(shí)踐對(duì)錨注加固圍巖的穩(wěn)定性 及錨注支護(hù)參數(shù)的合理性進(jìn)行研究 1 2 錨注支護(hù)的研究現(xiàn)狀 1 2 1國(guó)外錨注支護(hù)理論的發(fā)展和現(xiàn)狀 世界上注漿技術(shù)最早應(yīng)用在建筑工程中 從1 8 0 2 年法國(guó)的查理士 柏尼 c h a r l e s b e r i g n g 采用石灰 粘土漿加固迪普港的磚石砌起 至今大約已 有2 0 0 年的歷史 1 8 6 4 年 阿里因普瑞貝硬煤礦井的一個(gè)井筒 第一次使用了水 泥注漿法 以后又相繼在比利時(shí) 法國(guó)和德國(guó)等國(guó)家使用這種方法 1 8 8 5 年 鐵琴斯 t i e j e n s 成功采用了地面預(yù)注漿法開鑿井筒 獲得專利權(quán) 從此 注 漿法在礦井 市政建設(shè)中 作為防水 加固的重要方法 先后在英國(guó) 法國(guó) 南非 美國(guó) 日本和原蘇聯(lián)得到了廣泛應(yīng)用 以化學(xué)藥液作為主要漿液材料的 化學(xué)注漿只有4 0 多年的歷史 7 0 年代后由于化學(xué)藥劑的毒性污染問(wèn)題 化學(xué)注 漿受到限制 砂 土層的化學(xué)注漿防滲加固技術(shù)被7 0 年代開發(fā)的高壓噴射注漿 2 潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 法逐漸取代 8 0 年代初蘇聯(lián)和櫞國(guó)提出錨注加固理論 為軟措支護(hù)閫題找到了 令教軀途徑 1 2 2 國(guó)內(nèi)研究歷史現(xiàn)狀 款蟄巷遘瓣支護(hù)瓣題 蹙是毽 器漾礦黎遙支護(hù)鶼難蘑 蔑匿藤瀠炭囂蔓乏 多次組織專家敬關(guān)外 國(guó)家程 七 五 八 五 麓大科技攻關(guān)項(xiàng)目中 判 冬竣芙漾題e 過(guò)去在懿理這類深鼙騫縫菠力敬簧蘩遙支筍封 太多采爝各轉(zhuǎn)建 體 屆濃又采用型鋼愈屬支架 當(dāng)這魑支護(hù)翰不能保持巷道穩(wěn)定時(shí) 人們又將 罐蜒唆 璉 撼 j 性支縶 可纓蛙支袈避行不爨組合 綴這些多層支護(hù)也來(lái)熊瓣 決高墻應(yīng)力軟禱支護(hù)問(wèn)越 國(guó)家 八 五 重大科技攻關(guān)中 提出兩類支護(hù)體系 一是由中國(guó)礦業(yè)大 學(xué)提出的利用可伸縮錨桿 u 型鋼金屬支架 配合高水速凝材料注漿來(lái)解決深 部高地應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù) 二是由山東科技大學(xué)提出的在錨噴支護(hù)基礎(chǔ)上 進(jìn)行錨注的支護(hù)技術(shù) 它是采用錨桿和注漿相結(jié)合的一種新型錨注聯(lián)合支護(hù) 體系 利用空心錨桿兼做注漿管 通過(guò)注漿將松散圍巖膠結(jié)成整體 改善圍 巖的結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì) 既提高圍巖自身的承載能力 又為錨桿提供了 可靠的著力基礎(chǔ) 發(fā)揮錨桿的錨固作用 從而有效地控制了深部軟巖巷道的 大變形 實(shí)踐證明 可伸縮錨桿 金屬支架 高水速凝材料注漿加固法 由 于成本高 工藝復(fù)雜 高水速凝材料生產(chǎn)廠家很少 質(zhì)量不穩(wěn)定而未能推廣 應(yīng)用 錨注技術(shù)由于工藝簡(jiǎn)單 成本低 只要認(rèn)真抓好工程質(zhì)量 支護(hù)可靠 性高而被廣泛應(yīng)用 它現(xiàn)在不僅用于煤巷 而且用于巖巷 硐室 不僅用于新 掘巷道 而且廣泛用于地下工程維修 不僅用于靜壓巷道 而且也用于動(dòng)壓巷 道 它是目前處理高地應(yīng)力軟巖巷道這類困難巷道支護(hù)優(yōu)先選擇的支護(hù)技術(shù) 近十年來(lái) 山東科技大學(xué) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等院校的專家和現(xiàn)場(chǎng)人員一直在 進(jìn)行錨注的理論研究和技術(shù)推廣 但總的來(lái)說(shuō) 人們對(duì)軟巖巷道的變形破壞 錨注支護(hù)機(jī)理以及錨注支護(hù)的最佳時(shí)間等仍缺乏系統(tǒng) 深入的認(rèn)識(shí) 這在一定 程度上限制了錨注支護(hù)理論和技術(shù)的發(fā)展以及進(jìn)一步的推廣應(yīng)用 1 3 國(guó)內(nèi)錨注支護(hù)理論的發(fā)展和現(xiàn)狀 1 3 1 錨桿支護(hù)簡(jiǎn)況 一百多年前 錨桿支護(hù)就在礦山出現(xiàn) 1 8 7 2 年英國(guó)采用過(guò)金屬錨桿 1 9 0 0 年美國(guó)使用過(guò)木錨桿 工程上大量采用錨桿是在2 0 世紀(jì)4 0 年代末 同時(shí)西歐各 國(guó)和前蘇聯(lián) 臼 澳大利亞 加拿大等國(guó)也開始研制 引進(jìn)與推廣錨桿支護(hù)技 術(shù) 目前美國(guó)和澳大利亞幾乎全部使用錨桿支護(hù)各種礦山巷道 英國(guó)從澳大利 亞引進(jìn)錨桿支護(hù)技術(shù)以后 到目前錨桿支護(hù)比例從1 9 8 7 年的零上升到9 6 以上 印度 印尼 南非等國(guó)都在引進(jìn)錨桿支護(hù)技術(shù) 目前 巷道錨桿支護(hù)技術(shù)已成 為世界性發(fā)展趨勢(shì) 因?yàn)橄锏乐ёo(hù)改革帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益 英國(guó)在大量應(yīng) 3 潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 用錨抒支護(hù)技術(shù)后 醑采工作磷平均舉產(chǎn)鼠5 0 0 t a 上升到了4 5 0 0 t a 巷道支護(hù) 成本下降5 0 平均噸煤成本下降5 0 揀道掘進(jìn)速度撮高1 3 倍 我國(guó)煤礦于1 9 5 6 年開始硬建銹耱 裂了2 0 整紀(jì)6 0 年霞鬣 罐釋靜霞鼴大輻度下簿 簌懣是安裝 工藝未能機(jī)械化及缺芝對(duì)錨枰參數(shù)的了解 后來(lái)由于锫種新型錨桿的研制成功 贛奧法瓣超毽及鑊抒支護(hù)與其它支妒瓣聯(lián)合健援 蕊鐮抒繼續(xù)攘廣 1 9 7 5 年煤 炭部將錨噴支護(hù)確定為井巷支護(hù)技術(shù)改革的發(fā)展方向 并作為重大技術(shù)項(xiàng)目 首先在念匡煤礦巖巷掘進(jìn)中掇廣應(yīng)用 1 9 7 8 冬國(guó)務(wù)院將光爆鑲嶁列為匿家級(jí)新 技術(shù)推廣重點(diǎn)項(xiàng)目之 并確定煤炭都為歸日單位 6 0 年代錨桿支護(hù)開始進(jìn)入 采區(qū)但由于煤艨巷道圈巖松軟等因素加之錨桿支護(hù)理論 設(shè)計(jì)方法 錨桿材料 蓬工橇蒸 鼗測(cè)手段等還不夠完善 戳麗發(fā)袋緩饅 1 9 9 5 年戳有重點(diǎn)煤礦當(dāng)年 新掘巷道中錨桿支護(hù)所占比重為2 8 1 9 其中巖巷中占5 7 2 半巖箍中占 3 0 0 7 漾巷審占1 5 1 5 我毽鏹 平支轤取餐了綴多蜜舞熬經(jīng)驗(yàn) 單髂鐳釋支護(hù) 錨梁網(wǎng)組合支護(hù) 析絮錨桿支護(hù) 軟器巷道錨桿支護(hù) 深井耱道錨桿支護(hù) 沿 窆巷道鎊杼支護(hù) 罐抒與金屬支架聯(lián)合支護(hù) 筏囂進(jìn)入 丸五 簸潤(rùn) 原嫩炭 工業(yè)部將 錨桿支護(hù) 列為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的五個(gè)項(xiàng)目之 后 燎巷錨稈淺 護(hù)的應(yīng)用迅速發(fā)展 至r j l 9 9 8 年 煤巷鍤杼支護(hù)比重提離到2 0 1 4 半煤巖巷提 高蜀了2 9 7 4 發(fā)展蕊道的錨稈支護(hù)蹩筏國(guó)蒙大的支護(hù)技術(shù)擎命 繪我國(guó)帶來(lái) 巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 1 3 2 注漿技術(shù)酶發(fā)展簡(jiǎn)況 注漿技術(shù)是用液壓 氣壓或電化學(xué)的方法 把某些能與巖土體固結(jié)的漿液 注入巖土體的空隙裂隙中去 使巖土體成為強(qiáng)度高 抗?jié)B性好 穩(wěn)定性好的新 結(jié)構(gòu)體 從而達(dá)到改善巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)的目的 注漿技術(shù)的發(fā)展已有二 百多年的歷史 法國(guó)人開辟了注漿施工的先河 英國(guó)于1 8 6 4 年在阿里普瑞貝礦 首次用水泥注漿對(duì)井簡(jiǎn)進(jìn)行注漿堵水 成功的解決了井筒漏水問(wèn)題 發(fā)明了硅 酸鹽水泥 從此水泥成為主要注漿材料 此后又有化學(xué)注漿 水玻璃注漿材料 雙液?jiǎn)蜗到y(tǒng)注漿法出現(xiàn) 促進(jìn)了注漿技術(shù)的迅速發(fā)展 特別在1 9 4 0 年以后 注 漿技術(shù)研究和應(yīng)用進(jìn)入輝煌 各種注漿材料相繼問(wèn)世 注槳技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越 普遍 我國(guó)注漿技術(shù)應(yīng)用較晚 2 0 世紀(jì)5 0 年代初才開始應(yīng)用 經(jīng)過(guò)5 0 年的發(fā)展 我國(guó)注漿技術(shù)己取得了較大的進(jìn)步 特別在水泥注漿材料研制方面處于世界先 進(jìn)行列 注漿應(yīng)用遍及礦業(yè) 水利 交通 鐵路等多個(gè)行業(yè) 對(duì)于煤礦而言 注漿技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛 遍及各類巷道 尤其對(duì)于軟巖巷道 采用注漿后 巖體的力學(xué)性能有了很大的提高 加固效果十分顯著 1 3 3 錨注技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)況 軟巖動(dòng)巷道錨注支護(hù)技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的新型支護(hù)撼術(shù) 它將錨桿支護(hù) 和注漿技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起 共同作用 尤其對(duì)松軟破碎巖體的支護(hù)極為有 效 并且使錨桿和注漿的適用范圍得到擴(kuò)展 大大提高了對(duì)軟巖的支護(hù)效果 4 潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 嶷地利 前蘇聯(lián) 德國(guó)等國(guó)在2 0 世紀(jì)8 0 年代開始用空心錨桿作為注漿管實(shí)現(xiàn)了 錨注 并廣泛使用 我國(guó)錨注技術(shù)起步較晚 燕1 9 9 6 年以后發(fā)展起來(lái)的 大娩 模應(yīng)用開始與最近四 五年 融于我嗣煤礦軟巖巷道眈較多 所以錨注支護(hù)膏 較好的應(yīng)用前娥 1 4 錨注加霹瓶理理論分析 長(zhǎng)期以來(lái) 軟巖巷道維護(hù)一直是煤礦生產(chǎn)建設(shè)中的難題 在軟巖內(nèi)布置巷 道 圍巖變形大 穩(wěn)定性差 使巷道掘進(jìn)和支護(hù)十分困難 而且屢遭破壞 需 經(jīng)常翻修 嚴(yán)重影響礦井的安全和正常生產(chǎn) 就目前的巷道支護(hù)問(wèn)題來(lái)說(shuō) 傳 統(tǒng)的錨噴支護(hù)已不適應(yīng)高地應(yīng)力 大變形的軟巖巷道 對(duì)于碹體支護(hù)由于施工 復(fù)雜 成本高 工期長(zhǎng) 返修工程量大 難以適應(yīng)軟巖巷道支護(hù) 對(duì)以u(píng) 型鋼為 主的各種可縮性金屬支架因軟巖巷道圍巖變形大 支架受力不均易出現(xiàn)支架失 穩(wěn)破壞 目前 對(duì)于軟巖巷道的支護(hù) 還沒(méi)有一種完全行之有效的指導(dǎo)理論 錨注加固是一種理想的改善軟弱圍巖承載性能的措旋 錨注加固巷道圍巖 最初是利用空心錨桿兼作注漿管 簡(jiǎn)稱注漿錨桿 注漿錨桿前段是帶若干個(gè)射 漿孔的注漿段 后段是錨固段 松動(dòng)和裂隙發(fā)育的圍巖經(jīng)過(guò)錨桿注漿加固后圍 巖強(qiáng)度等力學(xué)性能得到提高和改善 使破裂結(jié)構(gòu)的圍巖膠結(jié)成拱形連續(xù)體加固 圈 同時(shí)注漿錨桿又起到懸吊 擠壓 楔固組合拱等作用 防止圍巖松動(dòng)范圍 進(jìn)一步擴(kuò)展 從而僅提供用較小支護(hù)阻力就能使圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài) 因此 錨 注支護(hù)采用錨桿與注漿相結(jié)合的雙重作用達(dá)到加固圍巖 控制圍巖變形的效果 它可以大大地提高軟巖巷道支護(hù)效果和圍巖穩(wěn)定性 在錨噴支護(hù)基礎(chǔ)上或在原 金屬支架 砌碹支護(hù)基礎(chǔ)上 進(jìn)行壁后注漿 可以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承 載能力 保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 既具有錨噴支護(hù)的柔性與讓壓作用 又具有 金屬支架和砌碹等支護(hù)方式的剛性支架的作用 組成聯(lián)合支護(hù)體系 共同維持 巷道的穩(wěn)定性 其支護(hù)機(jī)理包括以下幾個(gè)方面 1 注漿 可以利用漿液封堵圍巖的裂隙 隔絕空氣 防止圍巖風(fēng)化 能有 效防止圍巖繼續(xù)被水浸濕而降低圍巖本身的強(qiáng)度 2 注漿后將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體 提高了巖體的內(nèi)聚力 內(nèi)摩擦角 和彈性模量 從而提高巖體強(qiáng)度 實(shí)現(xiàn)利用圍巖本身的承載效果 3 注漿后使得噴層壁后充填密實(shí) 這樣保證荷載能均勻地作用在噴層和支 架上 避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)而首先破壞 4 注漿充填圍巖裂隙 配合錨噴支護(hù) 可以形成一個(gè)多層有效組合拱 形 成的多層組合拱結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍 提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體 性和承載能力 5 注漿后使得作用在拱頂?shù)膲毫δ苡行У膫鬟f到兩墻 通過(guò)對(duì)兩墻的加 固 又能把荷載傳遞到底板 由于組合拱厚度的加大 不僅減小作用在底板上 的荷載集中度而且也減小了底板巖石中的應(yīng)力 減弱底板的塑性變形 減少底 5 潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 臌爨 底板的穩(wěn)定 有助予掰墻駒穩(wěn)定 程底扳 兩墻穩(wěn)定的情況下又能保掩 拱頂?shù)姆€(wěn)定 頂板的穩(wěn)定不僅僅取決于頂板荷載 在非破壞帶中關(guān)鍵取決于底 板鞍兩麓的稔定 6 通過(guò)注漿也為在松動(dòng)圈中的錨桿提供了若力點(diǎn)并變成全長(zhǎng)鑣固錨轷 從 而將多羼組合拱聯(lián)成一個(gè)整體 旗同承載 提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性 7 注漿使得支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面尺寸加大 闡砉作蒂在支護(hù)結(jié)構(gòu)上靜荷載所產(chǎn)袋 的彎距躐小 從麗降低了支護(hù)結(jié)秘中產(chǎn)生黲拉應(yīng)力和匿應(yīng)力 因此斃承受更大 的荷載 提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力 擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性 8 注漿精的黼者懿俸髓好 與原礱形成一個(gè)整體 瓿而在高遣應(yīng)力下保持 穩(wěn)定囂不易產(chǎn)生破壞 9 在采取特殊的浪漿工藝情況下可改變圍巖加圈圈的應(yīng)力狀態(tài) 有效地阻 止柏固黼外靜圍者彈性變形 鐮題研究酌鞫的意義 軟巖巷道圍巖控制是采礦工程中的難題 我國(guó)軟巖分布很廣 僅煤礦就有 3 0 多個(gè)礦區(qū)存在著軟巖巷道極難維護(hù)的問(wèn)題 一直嚴(yán)重影響若礦井的安全生產(chǎn) 在軟巖巷道中 常規(guī)錨桿 如 村脂錨桿 管縫式錨桿 水泥藥卷錨桿等 很難 發(fā)揮出其錨固特性 巷道圍巖強(qiáng)烈變形引發(fā)錨桿的錨固力的迅速衰減和喪失 從而使巷道圍巖失去自承作用 造成巷道失穩(wěn)破壞 隨著煤礦深井的開采 高地應(yīng)力 軟巖巷道的支護(hù)問(wèn)題將越來(lái)越突出 因 此 從理論上 技術(shù)上及工藝上深入研究軟巖巷道支護(hù)將具有十分重要的現(xiàn)實(shí) 意義 1 6 研究的主要內(nèi)容及路線 主要研究?jī)?nèi)容 1 潘三煤礦高地應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)制 在對(duì)高地應(yīng)力軟巖巷道變形破壞特征 性狀及其影響因素分析的基礎(chǔ)上 進(jìn)行潘三煤礦圍巖變形破壞機(jī)制研究 2 錨注支護(hù)機(jī)理 從支架與圍巖共同作用的理論出發(fā) 對(duì)錨注支護(hù)聯(lián)合體的作用機(jī)理進(jìn)行系 統(tǒng)分析 討論最佳錨注支護(hù)工藝時(shí)間 錨注支護(hù)承載力 控制錨注支護(hù)效果因 素和發(fā)揮錨注支護(hù)加固深部高地應(yīng)力軟巖巷道的機(jī)理 3 高地應(yīng)力軟巖巷道錨注支護(hù)工藝研究 研究適用于潘三高地應(yīng)力軟巖巷道錨注支護(hù)參數(shù)和施工工藝等 進(jìn)行錨注 支護(hù)參數(shù) 工藝以及注漿參數(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)地分析和研究 通過(guò)工程實(shí)踐 以及 對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià) 提出潘三礦軟巖錨注支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及其旌工工藝 研究路線 一6 潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 1 對(duì)潘三煤礦軟巖巷道支護(hù)狀況進(jìn)行收集和分析 2 研究潘三煤礦地質(zhì)情況和錨注支護(hù)機(jī)理 提出錨注支護(hù)工藝參數(shù) 3 進(jìn)行潘三礦東四采區(qū)一4 2 0 m 總回風(fēng)巷錨注加固設(shè)計(jì) 4 進(jìn)行錨注支護(hù)工程實(shí)踐 支護(hù)效果監(jiān)測(cè) 5 對(duì)潘三煤礦軟巖支護(hù)提出建議 一7 潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 2 高地應(yīng)力軟巖巷道的變形及控制方法 2 1 軟巖巷道破壞機(jī)璁與支護(hù) 當(dāng)黲連支護(hù)俸系不縫零受娩鏖力影嗡露 巷遂瓷念發(fā)生變移 乃至疆壞 引發(fā)片幫 頂扳冒落 對(duì)作業(yè)人員構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅 巷道變形破壞的原因備 異 萁變形形態(tài)也不一樣 下蕊裁引起變形熬執(zhí)理寒撼述變形形態(tài) 1 頂板下沉 由于上覆巖層壓力 巷道上方破碎涪體自黧壓力 成其他地 成力引起的垂直應(yīng)力 其變形形態(tài)如圖2 1 2 底臌 贏板巖石較軟 躐遁承藤者石單轆抗壓強(qiáng)度降低 在蘩童壓力佟 用下將產(chǎn)生底臌 或者由于底板巖石含有膨脹性粘土礦物 遇水膨脹 也能引 起底豢 箕交形澎態(tài)麴疆2 2 示 圖2 1 頂板下沉 圖2 2 底臌 3 頂?shù)装逡平?主要是垂直壓力作用 垂直壓力可能是上覆巖層壓力 構(gòu) 造應(yīng)力頂 底板臌脹巖石變形引起的支護(hù)變形 其變形形態(tài)如圖2 3 所示 4 一幫變形 當(dāng)巷道一幫巖石軟 或破碎 一幫巖石硬 當(dāng)在垂直壓力或 側(cè)壓力的作用下均可產(chǎn)生一幫變形 其變形形態(tài)如圖2 4 所示 圖2 3 頂?shù)装逡平鼒D2 4 上幫和下幫變形 5 項(xiàng)板下沉 兩幫擠進(jìn) 這種情況 往往是在垂直壓力作用下 兩幫巖石 較軟 或破碎 而底板巖石又較堅(jiān)硬時(shí)發(fā)生 其變形形態(tài)如圖2 5 所示 一8 潘三礦較磬巷邋囂注支護(hù)群究與蜜殘 圖2 5 頂板下沉兩幫擠避圖2 6 拱頂起尖兩榭擠進(jìn) 圈2 7 頂?shù)装饽陆鼉蓭蛿D進(jìn) 國(guó)貘頊起尖 囂豁擠速 在衡器力翡俸靂下 支轤攘硬超尖 鎂囔饕遵鼷 如現(xiàn)搬頂巖石被擠碎成尖 兩幫擠迸 側(cè)壓力主要采自構(gòu)遣成力 熟變形形態(tài) 懿壅2 引舞示 7 頂?shù)装迥陆?兩幫擠逑一當(dāng)闡巖較較 在垂嶷篋力作糟下 或在垂畿 水平壓力共同作用下 均可班聰這類變形狀態(tài) 其變形形態(tài)如圖2 7 所示 上述壓穗變影獲態(tài)是淀鞍舞型靜支護(hù)變形狀態(tài) 還有一鏊出蘑漪疆震嵩譴 不同 受力條件不同等因素 將會(huì)出現(xiàn)其他 些變形狀態(tài) 2 2 巷遘破舔祝理 巷道支護(hù)的變形或破壞 主要是由于荷載超過(guò)支護(hù)的極限承載能力 這些 外力主要是 1 上覆巖層壓力 任何地下工程均將受到上覆巖層壓力的影響 隨著深度的增加 上覆巖層 壓力有增大的趨勢(shì) 但決不僅是p 刃 式中p 為上覆巖層壓力 為地層巖 石平均容重 t m 3 h 為巷道埋深 m 這一點(diǎn)已為大量的實(shí)踐所證明 但 是上覆巖層的壓力與巷道圍巖性質(zhì)有密切關(guān)系 如圍巖強(qiáng)度低 松散破碎 遇 水泥化 崩解等則巷道變形量將增大 此外 還與巷道的跨度有關(guān) 跨度越大 上覆巖層壓力反映愈明顯 2 構(gòu)造應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力是造成煤礦巷道變形破壞的主要原因 巷道開挖受大地構(gòu)造應(yīng)力 場(chǎng) 或區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力及局部構(gòu)造應(yīng)力的影響 特別是局部構(gòu)造應(yīng)力 如斷層 褶曲所積蓄的殘余構(gòu)造應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力在分布過(guò)程中將對(duì)巷道產(chǎn)生嚴(yán)重影響 當(dāng)支護(hù)不能承受應(yīng)力重新分布帶來(lái)的影響時(shí) 支架將產(chǎn)生變形破壞 3 膨脹應(yīng)力 泥巖 泥質(zhì)頁(yè)巖中會(huì)有高嶺石 伊利石 蒙脫石 遇水則膨脹 其膨脹從 幾倍到幾十倍 特別是鈉蒙脫石遇水其膨脹量更大 更快 這些巖石遇水很快 泥化 體積迅速增大 出現(xiàn)流變 膨脹 流變均會(huì)產(chǎn)生巨大的膨脹應(yīng)力使支護(hù) 變形或破壞 9 溪三礦欺老巷遒鏹注支護(hù)錯(cuò)究與實(shí)跤 4 碎脹威力 巷邋開挖屆在圍者松動(dòng)的形成過(guò)程中 體穰不斷增大對(duì)支護(hù)產(chǎn)生了碎脹穗 力 若這種碎脹過(guò)程得不到極肘有效的控制 則支護(hù)即會(huì)被破壞 5 支承艨力靜影響 煤滕回采越程中 在工作灝前后方將出現(xiàn)商地應(yīng)力集中醫(yī) 睫工作面的攤 避薅移動(dòng) 是一個(gè)韻敷力竣態(tài) 薄弱露巷遭支妒京較大逸影酶 6 沖擊地壓 蟲予地震 她層滔幼 巖爆 煤爆等均霹能影成羚壺地壓 受沖毒地壓影 響的巷道將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形或破壞 外力作用是影響支護(hù)穩(wěn)定的重要因素 但巖石性質(zhì)也很繁要 如松軟 破 碎 遇永崩解潺億 含膨醞往糕 礦秘等者石在上述萊一種或凡稀應(yīng)力 乍用下 閏巖首先失穩(wěn)而引起支護(hù)失穩(wěn) 2 3 巷遴支護(hù)鞠加固艨理 對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)的基本目的在于減少圍巖的移動(dòng) 使巷道斷面不致過(guò)度縮 小 同時(shí)防止已散離和破 壞的圍巖冒落 為了說(shuō)明 巷道圍巖的支護(hù)原理 圖 示2 8 表示支架壓力p 與 圍巖徑向位移點(diǎn)的關(guān)系 對(duì)于邊墻和頂板用不同的 曲線表示 曲線c e g 和b f h 表示還沒(méi)有安設(shè)支護(hù)結(jié) 構(gòu) 巷道側(cè)幫和項(xiàng)部位移 會(huì)沿著e g 和f h 兩條虛線 增加 顯然巷道周邊的位 圖2 8 支架壓力p 與圍巖位移6 的關(guān)系曲線 移和支架反力是一對(duì)矛盾 位移量大 作用到支架上的壓力將減小 但可能不 能滿足巷道的使用 若要控制巷道的變形 則可提高巷道支架的強(qiáng)度和剛性支 護(hù)成本提高 因此 找到最佳的位移控制點(diǎn) 是軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù) 也是充分利用巖體自身承載力 降低支護(hù)成本的關(guān)鍵之所在 為了說(shuō)明支架與圍巖相互作用和共同承載原理 可利用圖2 9 所示的關(guān)系 由該圖可知 如果想依靠支架的支承力完全阻止圍巖移動(dòng) 這時(shí)所要求的支架 支承力p 圖2 1 0 將為最大 m 其值相當(dāng)于開巷前的原巖應(yīng)力 但是只要 圍巖產(chǎn)生少許位移 p 值將會(huì)急劇減少 例如在a 點(diǎn)處由于利用了圍巖的自承力 支架的支承力 將會(huì)比1 m 減小 但是隨著支架支承力的減小 圍巖位移量會(huì) 隨之增加 而移動(dòng)量加大到一定程度 圍巖將會(huì)松動(dòng)破壞 這時(shí)支架所受的松 動(dòng)壓力也會(huì)加大 如曲線2 因此 從理論上說(shuō) 在曲線1 和曲線2 的交點(diǎn)b l o 潘蘭礦軟辮巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 處 灝巖最大限度她發(fā)揮了自承作用 b 點(diǎn)支架支承力達(dá)到了最小r 所以它 是最佳受戴點(diǎn) 該點(diǎn)的位移 酗m 則燕允許的最大位移藿 l 一 墼i 群戡髓 u 圖2 9 支架與圍巖相互作用關(guān)系圖圖2 1 0 支護(hù)構(gòu)件剛度和安設(shè)時(shí) 間對(duì)支護(hù)效果的影響 實(shí)際上 為了保證有一定的安全儲(chǔ)備 通常不允許支架在b 點(diǎn)工作 因而 從設(shè)計(jì)觀點(diǎn)看 比較理想的情況是使直剪的工作點(diǎn)在離b 點(diǎn)不遠(yuǎn)的左面 例如 位于圖中c 點(diǎn) 使支架工作時(shí)的支承力 c 僅稍大于 值 這樣才能獲得即經(jīng) 濟(jì)又安全的效果 因而也是支架于圍巖相互作用和共同承載的合理工作點(diǎn) 由上述支架和圍巖的相互作用原理可知 為了充分利用圍巖的自承力 在 開掘巷道以后應(yīng)使安設(shè)支架的時(shí)間盡量推遲一些 以便通過(guò)巷道變形釋放能量 減輕支架受載 然而從安全角度 支護(hù)時(shí)間不宜過(guò)晚遲 因此 希望找到一個(gè) 既允許圍巖產(chǎn)生一定變形又不致造成圍巖破壞的最佳支護(hù)時(shí)間 如圖2 1 0 反映 了支護(hù)構(gòu)件的剛度和安設(shè)時(shí)間對(duì)上述位移控制的影響 巖體特征線或所需支護(hù) 線由a b c d e 給定 切實(shí)可行的設(shè)置支護(hù)的最早時(shí)間應(yīng)在徑向位移量達(dá)到o f 之后 支護(hù)1 在f 點(diǎn)處安設(shè) 在點(diǎn)b 處與巖體達(dá)到平衡 從實(shí)用上看 這種支護(hù) 剛性過(guò)大 會(huì)招致對(duì)重新分布荷載的過(guò)大負(fù)擔(dān) 結(jié)果支護(hù)構(gòu)件可能破壞 造成 硐室圍巖崩落 支護(hù)2 的剛度較低 在f 點(diǎn)處安設(shè) 在c 點(diǎn)處與巖體達(dá)到平衡 倘若硐室 周圍相應(yīng)的位移在施工作業(yè)中是允許的 這種支護(hù)系統(tǒng)便提供了一個(gè)理想的解 決辦法 在這種情況下 支護(hù)不會(huì)受到過(guò)高的應(yīng)力作用 巖體承受了大部分重 新分布的應(yīng)力 支護(hù)3 的剛度比支護(hù)2 更低 也是在f 點(diǎn)設(shè)置的 但是在d 點(diǎn)才與巖體達(dá) 到平衡 在此點(diǎn)巖體已開始松動(dòng) 雖然這可以提供一個(gè)合理的臨時(shí)性解決辦法 但情況卻很危險(xiǎn) 因?yàn)槿魏胃郊雍奢d 例如在附近進(jìn)行采礦引起的應(yīng)力重分布 而加上去的荷載將必須由支護(hù)構(gòu)件承受 總而言之 支護(hù)3 對(duì)于這種特殊應(yīng)用 情況來(lái)說(shuō) 是過(guò)于柔性了 r 霉 掛蹴悄 潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 支護(hù)4 與支護(hù)2 屬于同種類型 具有同樣的剛度 它是在巖體發(fā)生徑向位 移o g 后才設(shè)置的 對(duì)于這種情況 支護(hù)設(shè)置得太遲 會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的收斂 支護(hù) 構(gòu)件在達(dá)到平衡之前將可能超限受力 在生產(chǎn)實(shí)踐中 巖石和支護(hù)系統(tǒng)之間實(shí)際上是不良接觸或不完全接觸 初 始性狀往往也是非線形的 混凝土和噴射混凝土在養(yǎng)護(hù)期可能蠕變 灌漿錨桿 和錨栓在支護(hù)初期也將引起一定的結(jié)構(gòu)體變形 絕對(duì)剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)是不存在的 24 軟巖巷道主動(dòng)加固支護(hù) 1 利用匿沿鴦身承載 地下禧道中安設(shè)的支護(hù) 與承受固怒靜載的地面結(jié)構(gòu)不同 因?yàn)橄柚ёo(hù)加 載的圍巖 可看作是 種特殊的天然結(jié)構(gòu) 在開鑿巷邋以后形成的 支護(hù)一圍 者 力學(xué)平衡系統(tǒng)中 戮巖通常承受著大部分的巖層囂力 焉支架卻只承擔(dān)其 中一小部分 而且 在支架和圍巖分擔(dān)糟層壓力的過(guò)程中 巷道支架所承擔(dān)的 載贅是多變懿 英分整裝晷匿力豹魄重筏圈巖本身承攆了多少載萄瑟愆 嗣密 分擔(dān)的比厘越多 支架分擔(dān)的比煎將越少 因此如何盡可能大地提高嗣巖自身 支承斃力楚支護(hù)磷變黲蘩本方逡露不是鼙筑邋撼褰支絮本奏承戴力 2 提高圍糟的自承力 在三肉受壓條件下 軟巖的強(qiáng)度要比二向受壓或單轆受壓條傳下糍綴多 對(duì)于層狀圍巖通j 遣組合精 其自承能力將有很大提高 通過(guò)對(duì)軟巖預(yù)加壓力 可以有效在提高其強(qiáng)度 3 控裁圍潦變形 為了究分利用圍巖的自承力 同時(shí)又要保證不導(dǎo)致圈巖松動(dòng)破壞 可行的 辦法之一裁是便穗道支蘩結(jié)穆自強(qiáng)巖攙供一定款交黲整力 搜褥國(guó)巖程承受 憊變形阻力條件下有限制地向巷道空間內(nèi)變形 與此同時(shí) 支絮本身也將受到 尉巖壓力匏作用褥產(chǎn)生一定的鷹緩變形 在此過(guò)程中 支架襄鄹巖雙方蕊受力 和產(chǎn)生的變形大小與任 方的特征均相關(guān) 并隨任一方特征的變化而變化 綜合以上幾點(diǎn)可咀認(rèn)為 巷遵支架可以起到調(diào)節(jié)與控制圍裝變形酶作用 辯予新開挖的巷邋 它巍在萄巖發(fā)生松動(dòng)和破環(huán)以前安設(shè) 戳便使支絮在圍巖 尚保持有自承力的情況下與圍巖共同起承載作用 而不虛等到闌巖發(fā)生松散 酸囂戇時(shí)候 迄就是談 應(yīng)當(dāng)使支架與鬻砉在穩(wěn)曩約束鞠獯互襖贛翁象彳牟下實(shí) 現(xiàn)菸同承栽 對(duì)于已經(jīng)破壞需修復(fù)的巷邋 應(yīng)酋先提高松散圍糟的自然強(qiáng)度和 蠹簿應(yīng)力 l 冀疆止潦部黲變影 按照蔻逡戇囂爨去漾費(fèi)巷遂支絮王佟 扶慧體 上可以獲得更為簡(jiǎn)便 經(jīng)濟(jì)和安眾的支架效果 2 5 最饋支妒瓣瀾饔最鐮支護(hù)霧李羧 巖石力學(xué)理論和工程實(shí)踐表明 巷道開挖以后 巷邋圍巖的變形會(huì)逐漸加 大 戳交影速度褒分 甏涮分戈三令泠莰 減遴交形羚羧 近醞線髟黲毽速交 形階段和加速變形階段 當(dāng)進(jìn)入加速變形階段時(shí) 巖體本身結(jié)構(gòu)改組 產(chǎn)生新 1 2 潘三礦軟老巷遴鏈注支護(hù)磷囊與蜜踐 裂絞 強(qiáng)度裁大大減甄 顯然 魏逮交影殮段可以搜磊 m a x 以變影黲形成 轉(zhuǎn)化的工程力 可以包括a 彈塑性轉(zhuǎn)化 與時(shí)間無(wú)必 b 粘彈塑性轉(zhuǎn)化 與 對(duì)聞棗關(guān) c 膨脹力豹轉(zhuǎn)化 與時(shí)闋鴦關(guān) 對(duì)于軟巖來(lái)說(shuō) 主要是塑性能以 變形的形式釋放 但卻大大降低了n 圍巖的自攆力 這就不滿足優(yōu)化的原則 解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵鼴最佳支護(hù)時(shí)間概念的建立和最佳支護(hù)時(shí)段的確定 2 5 1 最佳支護(hù)時(shí)段的劃分 巷道開挖以后 原有的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞 圍巖中應(yīng)力重新分布 切向 應(yīng)力增大的同時(shí) 徑向應(yīng)力減小 這種變化促使圍巖向巷道臨空區(qū)變形 圍巖 本身的裂隙發(fā)生擴(kuò)容和擴(kuò)展 力學(xué)性質(zhì)隨之不斷惡化 在圍巖應(yīng)力條件下 切 向應(yīng)力在巷道周邊發(fā)生高度集中 致使這一區(qū)域巖層屈服而進(jìn)入塑性工作狀態(tài) 塑性區(qū)的出現(xiàn) 使應(yīng)力集中從巖壁向縱深偏移 當(dāng)應(yīng)力集中的強(qiáng)度超過(guò)圍巖屈 服強(qiáng)度時(shí) 又將出現(xiàn)新的塑性區(qū) 如此逐層推進(jìn) 使塑性區(qū)不斷向縱深發(fā)展 假若不采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施 i 隘空塑性區(qū)將隨變形加大而出現(xiàn)松動(dòng)破壞 塑性 區(qū)和松動(dòng)破壞區(qū)截然不同 松動(dòng)破壞區(qū)沒(méi)有承載能力而塑性區(qū)具有承載能力 塑性區(qū)可分為穩(wěn)定塑性區(qū)和非穩(wěn)定塑性區(qū) 出現(xiàn)松動(dòng)破壞之前的最大塑性 區(qū)范圍 稱為穩(wěn)定塑性區(qū) 出現(xiàn)了松動(dòng)破壞區(qū)之后的塑性區(qū) 稱為非穩(wěn)定塑性 區(qū) 穩(wěn)定塑性區(qū)所對(duì)應(yīng)的宏觀圍巖的徑向變形稱為穩(wěn)定變形 非穩(wěn)定塑性區(qū)所對(duì) 應(yīng)的圍巖徑向變形稱為非穩(wěn)定變形 塑性區(qū)的出現(xiàn) 圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變 對(duì)支護(hù)體來(lái)講具有兩個(gè)力學(xué) 效應(yīng) 1 圍巖中切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力減低 減小了作用于支架體上的荷載 2 應(yīng)力集中偏移深部后 一方面應(yīng)力集中程度減低 另一方面深部巖 石處于三軸受力狀態(tài) 其破壞的可能性大大減小 因此 對(duì)于高地應(yīng)力軟巖巷 道支架來(lái)說(shuō) 要允許出現(xiàn)穩(wěn)定的塑性區(qū) 嚴(yán)格限制非屬性穩(wěn)定區(qū)的擴(kuò)展 其宏 觀判別標(biāo)志就是最佳支護(hù)時(shí)間t 1 之前出現(xiàn)的變形稱為穩(wěn)定變形 對(duì)應(yīng)的塑 性區(qū)稱為穩(wěn)定塑性區(qū) 所以最佳支護(hù)時(shí)間的力學(xué)含義就是最大限度地發(fā)揮塑性 區(qū)承載能力而又不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間 它可以通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控得 到 也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)特征判斷謄接得到 2 5 2 關(guān)鍵部位的支護(hù) 對(duì)于軟巖巷道 無(wú)論是新開巷道還是實(shí)施了多次支護(hù)的翻修巷道 其破壞 過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)的力學(xué)過(guò)程 是從某一個(gè)或幾個(gè)部位開始變 損傷 進(jìn)而導(dǎo)致 整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn) 具體表現(xiàn)特征是 沿巷道斷面各個(gè)方向的位移速度各不 相同 總是從劇烈變形的部位發(fā)生裂紋 鱗狀剝落 變形破壞區(qū)域逐漸加大 最終導(dǎo)致整個(gè)巷道支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn) 這些首先失穩(wěn)的部位稱之為關(guān)鍵部位 1 關(guān)鍵部位的變形特征 1 3 淫三礦款巖巷道錈注支護(hù)研究與實(shí)踐 通過(guò)對(duì)各芹申類型的巷道位移測(cè) 試曲線分析 關(guān)鍵部位的變形特征 均是不穩(wěn)定的變形曲線 大體可分 為鏊靜突型 麴菱2 1 l 掰錄 第1 類曲線 減速一加速變形 鱉 反庭了該關(guān)鍵幫鏈靜曩基強(qiáng)度 遠(yuǎn)低子荷載 譙荷載作用下變形急 速增熱兩破壞 第h 類曲線 緩懂減速嶷彤 型 反應(yīng)了該關(guān)鍵部位支護(hù)聯(lián)合體 靜強(qiáng)壤不及予揀羝莓載 9 第1 i i 類曲線 減遮一恒速一加 速變形蓬 反凌了該關(guān)鍵部穰瓣支 護(hù)體的強(qiáng)度仍抗抵不了外荷載 1 關(guān)鍵部位朱支護(hù)圈巖的變形特征 3 關(guān)鍵部位匿砉支護(hù)不藕合的交形特征 4 圍巖支護(hù)耦合的變形特征 圉2 tl 較老巷遞關(guān)鑲幫往的交形穗 征 第 類曲線 弦遮穩(wěn)定型 反應(yīng)了支護(hù)俅翻圍巖嬲撼互傳月是勰含豹 2 關(guān)鍵部位的裂紋特征 在巷道的關(guān)鍵部位 工程裂紋的出現(xiàn)時(shí)常伴隨著高應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象 即在支 護(hù)體關(guān)鍵部位產(chǎn)生鱗片狀 片狀支護(hù)體剝落 高應(yīng)力腐蝕分為四個(gè)階段 鱗狀剝 落階段 片狀剝落階段 塊狀崩落 塑性鉸出現(xiàn) 階段和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)階段 出現(xiàn) 高應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的部位就是需要第二次耦合支護(hù)的關(guān)鍵部位 因此 高應(yīng)力腐 蝕現(xiàn)象可以作為關(guān)鍵部位識(shí)別的標(biāo)志 2 5 3 關(guān)鍵部位與支護(hù)時(shí)段的耦合 對(duì)于末施加預(yù)應(yīng)力的 支護(hù) 據(jù)以往研究表明 1 張性 張扭性裂縫 寬度達(dá)到l 3 呻 即進(jìn)入耦 合支護(hù)的時(shí)間 2 巷道表面各點(diǎn)變形 量達(dá)到設(shè)計(jì)余量的6 0 即 進(jìn)入耦合支護(hù)的時(shí)間 3 現(xiàn)場(chǎng)具體施工中 可以根據(jù)位移一時(shí)間 u t 曲線進(jìn)行判定 如圖2 1 2 所 ul 最大允許變形值 0 圖2 1 2 最佳支護(hù)時(shí)間的確定 t 示 通過(guò)對(duì)巷道表面位移的監(jiān)測(cè) 可以判定巷道表面位移變化速率由快趨于平 緩的拐點(diǎn)瓦附近作為二次支護(hù)的最佳支護(hù)時(shí)間 1 4 潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 3 巷道圍巖松動(dòng)圈理論與軟巖支護(hù) 3 1 概述 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)董方庭教授 通過(guò)數(shù)十年井巷工程教學(xué)與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐 潛 心研究巷道圍巖與支護(hù)受力破壞的各種現(xiàn)象 特別是對(duì)軟巖巷道支護(hù)與錨噴支 護(hù)的科學(xué)探索 在2 0 世紀(jì)7 0 年代末 首先在我國(guó)提出 巷道圍巖松動(dòng)圈 并 在以后的十多年間 通過(guò)大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐 不斷的加以完善 建立 了從圍巖分類 支護(hù)理論 支護(hù)設(shè)計(jì)與施工的一整套巷道支護(hù)理論體系 成為 我國(guó)軟巖巷道支護(hù)領(lǐng)域重要學(xué)術(shù)流派之一 這一理論 幾乎不作任何假說(shuō) 用 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模擬試驗(yàn) 直感性強(qiáng) 易于掌握 它比國(guó)際上非常流行的 新奧法 在解決軟巖支護(hù)方面又前進(jìn)了一步 圍巖松動(dòng)圈是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得 如何在巷 道開挖前就能得知圍巖松動(dòng)圈的數(shù)值 將其上升到真正的理論階段 仍有很多 事要做a 但在諸多的支護(hù)理論中 圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論簡(jiǎn)單 直觀 尤其在闡 明軟巖巷道的破壞狀態(tài)方面更有其獨(dú)到之處 用它來(lái)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)與施工 3 2 國(guó)卷松動(dòng)強(qiáng)她撅念島性質(zhì) 1 圍巖松動(dòng)圈的概念 并巷開挖懿 巖體處于三自應(yīng)力平德狀態(tài) 開巷蜃潮巖應(yīng)力將發(fā)生兩個(gè)顯 著變化 一是巷道周邊徑向應(yīng)力下降為零 圍糟強(qiáng)度明駐下降 二是弱巖中出 現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象 一般情況下集中系數(shù)大于2 如果集中應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度 那 么囤巖將處于彈塑性穩(wěn)定狀態(tài) 當(dāng)應(yīng)力超過(guò)霞巖強(qiáng)度之后 巷道周邊圈巖將首 先破壞 并逐漸向深部擴(kuò)展 崴歪在一定深度取得平衡為止 我們將嘲巖中產(chǎn) 生瓣這穆孝登箍破耱帶定義為銎窘襝動(dòng)溜 籬稼松動(dòng)圈 其力學(xué)特注表蕊為應(yīng)力 降低 松幼區(qū)之外為塑性極限平衡區(qū)及彈性區(qū) 圈3 1 仰 i 歟7 一 jl 執(zhí)嘲 f 圖3l 巷遵曝巖狀態(tài)分布 圖3 2 圍巖松動(dòng)圈聲測(cè)醒 i s 潘三礦軟巖巷道錨注支護(hù)研究與實(shí)踐 圍巖松動(dòng)圈與冒落拱 冒落高度意義不同 松動(dòng)圈內(nèi)邊界從徑向應(yīng)力等于 零的巷道表面算起 圍巖冒落后松動(dòng)圈邊界又從新的穩(wěn)定邊界計(jì)算 圖 3 2 是采用超聲波圍巖松動(dòng)圈測(cè)試儀獲得的圍巖松動(dòng)圈聲測(cè)圖 國(guó)內(nèi) 外大量的測(cè)試結(jié)果表明 在煤礦 礦山 隧道工程中 圍巖松動(dòng)圈普遍存在 真正只存在彈塑性狀態(tài)的圍巖極少 在試驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)條件下 改變圍巖 強(qiáng)度和應(yīng)力的相互關(guān)系 可制造出不同大小的圍巖松動(dòng)圈 見圖3 3 圍巖的狀 態(tài)特征決定支護(hù)的作用 彈塑性狀態(tài)的圍巖能夠自穩(wěn) 只有當(dāng)圍巖進(jìn)入到破碎 狀態(tài) 才能產(chǎn)生支護(hù)問(wèn)題 b 隧3 3 褶叛模鼙主麓囂老檜動(dòng)潮 a 一模型上的圍巖松動(dòng)圈 b 一耦翊糕辯不強(qiáng)盛力下翡襝費(fèi)潮 2 圍巖松動(dòng)闕影響因素分析 闊砉松動(dòng)圈的大小主簧與囤巖強(qiáng)度和原巖斑力有關(guān) 當(dāng)原者斑力相同時(shí) 圍巖強(qiáng)度低松動(dòng)圈大 反之松動(dòng)圈小 當(dāng)隧巖強(qiáng)度相網(wǎng)時(shí) 原巖應(yīng)力小松動(dòng)圈 小 反之松動(dòng)醐大 相似橫型試驗(yàn)得弼盼松動(dòng)因與蜃籍強(qiáng)度 原籍應(yīng)力問(wèn)的萊 系式為 小s s o 筆硼腳 式中k 為松動(dòng)圈的厚度 c m p 為原巖應(yīng)力 m p a 凡為巖體單軸抗壓強(qiáng)度 m p a 襲3 1 是松凌霆各影嚷霆素模型試驗(yàn)分罄亍縫暴 松動(dòng)黧憝潭瘦與潮巖強(qiáng)度 關(guān)系最大 與原巖應(yīng)力關(guān)系較大 在模擬條件 3 7 m 下 跨度的影響可以忽略 不詩(shī) 表3 1 松動(dòng)鄹各影響因素模烈試駿分析結(jié)果 胬素密體強(qiáng)度 原者應(yīng)力p 巷道跨度d 委交分輯級(jí)差r 5 8 94 8 se 7 7 統(tǒng)計(jì)分析f 8 0 5 63 5 0 6 0 0 0 0 0 5 f s 1 1 4 一4 6 0 f o f s 1 1 4 w1 6 潘三礦軟者巷遴錨注支護(hù)研究與蜜踐 3 溺巖較麓鏨熬慈緩 1 圍巖松動(dòng)圈的性狀 根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 當(dāng)凰巖各項(xiàng)同性時(shí) 如果纛直與水平應(yīng)力楣等 衡壓力系數(shù)x t 松瑟黼為圓形 否搿為橢圓形 置橢霹靜長(zhǎng)軸與最大主 應(yīng)力0 方向垂直 也就是說(shuō)驥真應(yīng)力大 兩幫的松動(dòng)圈大 水平應(yīng)力大 頌底 綴松動(dòng)疆大e 如果爨豢囂嗣羧 巷邀中硬表與較巖申的松旗疆不弱 褒老 囂強(qiáng) 度低的層位將產(chǎn)生較大的松動(dòng)圈 2 圈巖松動(dòng)圈形成的時(shí)間性 伴隨著圍巖應(yīng)力調(diào)整及其重新分布 圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展形成穩(wěn)定也有一個(gè) 時(shí)間過(guò)程 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明 松動(dòng)圈的形成時(shí)間短的需要3 7 天 長(zhǎng)的需要1 3 個(gè)月 通常所指的是應(yīng)力調(diào)整完成后的穩(wěn)定松動(dòng)圈數(shù)值 松動(dòng)圈的形成過(guò)程分為兩個(gè) 階段 一是開巷后形成的 即時(shí)松 動(dòng)圈 即圍巖中集中應(yīng)力超過(guò)圍 巖瞬時(shí)強(qiáng)度形成的松動(dòng)圈 即時(shí)松 動(dòng)圈數(shù)值一般為最終穩(wěn)定松動(dòng)圈 數(shù)值的6 0 9 0 巖石硬這一比 數(shù)高 軟巖則較低 二是在支護(hù)完 成后 伴隨著圍巖長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度的下 降 松動(dòng)潮進(jìn)一步擴(kuò)展 直至形成 最終長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度條件下的穩(wěn)定松動(dòng) 圈數(shù)值 如若不受采動(dòng)或其他應(yīng)力 擾動(dòng)影響 松動(dòng)圈將穩(wěn)定不變 圖3 4 松動(dòng)圈一碎脹變形發(fā)展過(guò)程曲線 巷道收斂量測(cè)表明 松動(dòng)圈發(fā)展穩(wěn)定時(shí)間與巷道收斂變形穩(wěn)定時(shí)間是一致 的 但大量的實(shí)測(cè)表明 松動(dòng)圈穩(wěn)定之前的形成過(guò)程中 圍巖碎脹變形與松動(dòng) 圈的發(fā)展表現(xiàn)出非同步特征 碎脹變形增加速度低于圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展速度 該特點(diǎn)在采動(dòng)巷道中表現(xiàn)得尤為明顯 圖3 4 為松動(dòng)圈k 與圍巖碎脹變形 有 稱剪脹變形 u 隨時(shí)間變化發(fā)展示意圖 3 圍巖松動(dòng)圈與支護(hù)的關(guān)系 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明 當(dāng)松動(dòng)圈l 0 時(shí) 當(dāng)松動(dòng)圈l o o 4 0 c m 時(shí) 只噴混凝土 就能有效支護(hù) 如果l 1 3 0 1 5 0 c m 一般常用的料石碹 剛性 支護(hù)就不適 應(yīng)了 當(dāng)l 1 5 0 c m 剛性支護(hù)就難以 維護(hù) 上述現(xiàn)象說(shuō)明 松動(dòng)圈越大 收 斂變形量就越大 支護(hù)就越困難 四 圍巖物理力學(xué)狀態(tài)分析 圖3 5 為圍巖松動(dòng)圈模型示意圖 a 點(diǎn)為松動(dòng)的內(nèi)邊界點(diǎn) b 點(diǎn)