A090101-深部軟巖巷道耦合支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究

深部軟巖巷道耦合支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究孫曉明1，2楊軍1郭志飚1【1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院；2.深部巖石力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實驗室，北京100083】摘要深部“三高一擾動”(即高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓和強(qiáng)烈的開采擾動)的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，使得深部巖體表現(xiàn)出明顯的軟巖非線性大變形力學(xué)特性，從而導(dǎo)致單純的主動支護(hù)已無法保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響了深部煤炭資源的安全開采?！榜詈现ёo(hù)”作為一種全新的支護(hù)理念，已成功解決了大量的軟巖巷道支護(hù)問題。研究表明，在深部開采條件下，軟巖巷道錨、網(wǎng)、索耦合支護(hù)成功的關(guān)鍵在于：在錨桿支護(hù)提高圍巖強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過錨網(wǎng)—圍巖耦合效應(yīng)、錨桿—網(wǎng)—托盤耦合效應(yīng)、錨索預(yù)應(yīng)力耦合效應(yīng)，實現(xiàn)耦合支護(hù)下的高應(yīng)力轉(zhuǎn)化效應(yīng)，從而達(dá)到對深部巷道圍巖的穩(wěn)定性控制目標(biāo)。關(guān)鍵詞深部軟巖巷道錨、網(wǎng)、索支護(hù)耦合效應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)-----------------------------------------------------------------------1引言隨著開采深度的增加，巷道支護(hù)技術(shù)已從被動支護(hù)(以鋼架、木支架支護(hù)為代表)發(fā)展到主動支護(hù)(以錨網(wǎng)、錨索支護(hù)為代表)[1]。然而，深部“三高一擾動”(即高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓和強(qiáng)烈的開采擾動)的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，使得深部巖體表現(xiàn)出明顯的軟巖非線性大變形力學(xué)特性[2]，從而導(dǎo)致單純的主動支護(hù)已無法保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響了深部煤炭資源的安全、高效開采[3]。為此，國內(nèi)外學(xué)者對深部開采巷道圍巖力學(xué)特性及其穩(wěn)定性控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究。近年來，錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用，對于解決深部采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性控制問題具有明顯的效果[4～7]。然而，由于在深部巷道圍巖支護(hù)中不能實現(xiàn)錨、網(wǎng)、索支護(hù)與圍巖之間的耦合力學(xué)效應(yīng)，往往會造成錨、網(wǎng)支護(hù)變形，錨索拉斷失效，無法有效控制巷道圍巖的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的還會造成巷道頂板大面積垮落等安全事故。因此，只有掌握錨、網(wǎng)、索支護(hù)與圍巖耦合支護(hù)作用規(guī)律，才能實現(xiàn)錨索與錨網(wǎng)、圍巖在結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度上的耦合，才能實現(xiàn)對深部巷道圍巖變形的有效控制[8～11]。2深部巷道耦合支護(hù)技術(shù)何滿潮教授于1997年提出了軟巖巷道耦合支護(hù)理論[12]，通過多年的理論與工程實踐研究，形成了系統(tǒng)的軟巖工程力學(xué)及其支護(hù)技術(shù)體系[13～14]，解決了大量的軟巖巷道大變形控制問題。在此基礎(chǔ)上，針對深部巖體表現(xiàn)出的非線性大變形力學(xué)特性，研究提出了深部巷道錨、網(wǎng)、索耦合支護(hù)技術(shù)[10]。深部巷道錨、網(wǎng)、索耦合支護(hù)就是針對深部巷道圍巖由于塑性大變形而產(chǎn)生的變形不協(xié)調(diào)部位，通過錨、網(wǎng)、索支護(hù)之間的耦合以及支護(hù)體與圍巖之間的耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，同時最大限度地發(fā)揮圍巖的自承能力，實現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化，達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的。錨、網(wǎng)、索耦合支護(hù)成功的關(guān)鍵在于，在錨桿支護(hù)提高圍巖強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過錨網(wǎng)—圍巖耦合效應(yīng)、錨桿—網(wǎng)—托盤耦合效應(yīng)、錨索預(yù)應(yīng)力耦合效應(yīng)，從而實現(xiàn)耦合支護(hù)下的高應(yīng)力轉(zhuǎn)化效應(yīng)，達(dá)到對圍巖的穩(wěn)定性控制目標(biāo)。3錨網(wǎng)—圍巖耦合效應(yīng)巷道開挖后，圍巖的受力狀態(tài)發(fā)生改變。巷道不同部位的巖體，由于其受力狀態(tài)不同，所表現(xiàn)出的強(qiáng)度特性也各不相同（圖1）。當(dāng)打入錨桿后，由于錨桿與圍巖的相互作用，形成了σ3作用面，改變了邊界巖體的受力狀態(tài)，使其由一維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三維受力狀態(tài)，從而提高了巖體的強(qiáng)度及其承載能力。圖1巷道圍巖受力狀態(tài)分析傳統(tǒng)的組合拱設(shè)計觀點(diǎn)認(rèn)為，巷道圍巖注入錨桿后所形成的組合拱厚度與錨桿的間排距、錨桿對巖體的控制角α有關(guān)，一般α取45°。然而，研究表明，錨、網(wǎng)與圍巖初次支護(hù)，在剛度上實現(xiàn)耦合，錨、網(wǎng)支護(hù)調(diào)動圍巖強(qiáng)度超出錨桿端頭范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)界限，從而最大限度地發(fā)揮剛性錨桿的支護(hù)能力。4錨桿—網(wǎng)—托盤耦合效應(yīng)錨桿—網(wǎng)—托盤的耦合作用十分重要，過強(qiáng)或過弱的錨、網(wǎng)支護(hù)，都會引起局部應(yīng)力集中而造成巷道破壞。同時，由于深部巷道圍巖積聚了大量的變形能，必須在錨、網(wǎng)與圍巖之間提供一定的變形空間，使其在釋放一定的變形能后，再發(fā)揮錨網(wǎng)的支護(hù)能力。研究表明，采用剛度較大的鋼筋網(wǎng)以及復(fù)合托盤，可以實現(xiàn)錨桿—網(wǎng)—托盤和圍巖強(qiáng)度、剛度達(dá)到耦合，使變形相互協(xié)調(diào)（圖2），從而能夠充分轉(zhuǎn)化圍巖中膨脹性塑性能并能最大限度地利用圍巖的自承能力。在耦合作用狀態(tài)下，圍巖應(yīng)力分布由集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化，錨桿受力趨于均勻化，圍巖應(yīng)力場和應(yīng)變場趨于均勻化（圖3）。（a）剛度較高的鋼筋網(wǎng)代替剛度低的菱形網(wǎng)（b）復(fù)合托盤代替單一鐵托盤圖2適合深部巷道圍巖特點(diǎn)的錨桿—網(wǎng)—托盤系統(tǒng)（a）不耦合支護(hù)下（b）錨網(wǎng)耦合支護(hù)下圖3不同支護(hù)狀態(tài)下y應(yīng)力圖5錨索預(yù)應(yīng)力耦合效應(yīng)5.1錨索關(guān)鍵部位支護(hù)調(diào)動深部圍巖強(qiáng)度深部巷道圍巖變形破壞總是從某一部位先開始破壞，此部位即關(guān)鍵部位[13]。研究表明，在關(guān)鍵部位施加錨索支護(hù)后與施加前巷道圍巖應(yīng)力分布具有明顯不同，主要表現(xiàn)在施加錨索支護(hù)后，剪應(yīng)力明顯向巷道深部圍巖延伸、擴(kuò)張，應(yīng)力集中程度相對減小，在巷道圍巖深部錨索頂端出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)。這說明由于錨索的作用，使巷道深部巖體也承擔(dān)了淺部圍巖的支護(hù)荷載，從而減小了巷道的變形量。同時，巷道開挖后，圍巖的強(qiáng)度由空區(qū)向深部逐漸增大到原巖強(qiáng)度，通過錨索的作用，調(diào)動了巷道深部圍巖的強(qiáng)度，從而達(dá)到了對巷道淺部圍巖的支護(hù)效果（圖4）。（a）無錨索支護(hù)τxy應(yīng)力圖（b）有錨索支護(hù)τxy應(yīng)力圖圖4不同支護(hù)條件下巷道圍巖應(yīng)力分布圖5.2錨索預(yù)應(yīng)力耦合效應(yīng)錨、網(wǎng)在實施過程中只強(qiáng)調(diào)錨索支護(hù)的強(qiáng)度，往往會造成錨索拉斷失效，無法有效控制巷道圍巖的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的還會造成巷道頂板大面積垮落等安全事故。因此，重視各種時空條件下的預(yù)應(yīng)力施加值的變化至關(guān)重要。研究表明[15]，在錨、網(wǎng)耦合支護(hù)圍巖變形趨于穩(wěn)定時，即在最佳支護(hù)時間施加關(guān)鍵部位錨索支護(hù)，能夠最大限度的實現(xiàn)錨索的預(yù)應(yīng)力耦合效應(yīng)。根據(jù)工程需要，如果在迎頭工作面施加錨索支護(hù)，預(yù)應(yīng)力值應(yīng)適當(dāng)小一些，約是錨桿設(shè)計值的0.8～1.0倍；在掘進(jìn)機(jī)后實施錨索支護(hù)時，預(yù)應(yīng)力水平應(yīng)是錨桿設(shè)計荷載值的1.0～1.3倍比較適宜。6耦合支護(hù)的高應(yīng)力轉(zhuǎn)化效應(yīng)圍巖和支護(hù)體之間的優(yōu)化組合，使支護(hù)系統(tǒng)達(dá)到最佳耦合支護(hù)狀態(tài)，實現(xiàn)了耦合支護(hù)的高應(yīng)力轉(zhuǎn)化效應(yīng)，即巷道圍巖高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)支護(hù)體受力與圍巖變形的均勻化（圖5）?，F(xiàn)場觀測結(jié)果也證明了在耦合支護(hù)下的高應(yīng)力轉(zhuǎn)化效應(yīng)（圖6）。1-掘進(jìn)錨噴后圍巖應(yīng)力狀態(tài)；2-錨網(wǎng)耦合設(shè)計作用后應(yīng)力狀態(tài)；3－應(yīng)力轉(zhuǎn)化中性點(diǎn)；4－應(yīng)力變化趨勢圖5耦合支護(hù)集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移過程的數(shù)值模擬結(jié)果[14]圖6實測耦合支護(hù)后的高應(yīng)力轉(zhuǎn)化效應(yīng)[14]7結(jié)論①在錨桿支護(hù)提高圍巖強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過錨網(wǎng)—圍巖耦合效應(yīng)，可以最大限度地發(fā)揮剛性錨桿的支護(hù)能力；②采用剛度較高的金屬網(wǎng)及復(fù)合托盤，實現(xiàn)錨桿—網(wǎng)—托盤效應(yīng)，能夠充分轉(zhuǎn)化圍巖中膨脹性塑性能并能最大限度地利用圍巖的自承能力，從而使支護(hù)體與圍巖變形相互協(xié)調(diào)；③在最佳支護(hù)時間施加關(guān)鍵部位錨索支護(hù)，實現(xiàn)錨索預(yù)應(yīng)力耦合效應(yīng)，能夠最大限度的調(diào)動巷道深部圍巖的強(qiáng)度，從而達(dá)到了對巷道淺部圍巖的支護(hù)效果。④錨、網(wǎng)、索支護(hù)巷道圍巖實現(xiàn)耦合力學(xué)效應(yīng)的標(biāo)志是高應(yīng)力轉(zhuǎn)化效應(yīng)，即巷道圍巖高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，達(dá)到支護(hù)體受力與圍巖變形的均勻化。參考文獻(xiàn)何滿潮，錢七虎.深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)研究綜述[C]//第九屆全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集.北京：科學(xué)出版社，2006：49～62.(HEManchao，QIANQihu.Summarizeofbasicresearchonrockmechanicsatgreatdepth[C]//Chinesesocietyofrockmechanicsandengineeringed.proceedingsofthe9throckmechanicsandengineeringconference.Beijing：SciencePress，2006：49–62.(inChinese))何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(16)：2803–2813.(HEManchao，XIEHeping，PENGSuping，etal.Studyonrockmechanicsindeepminingengineering[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2005，24(16)：2803–2813.(inChinese))RUSSO-BELLOF，MURPHYSK.Longwallingatgreatdepthinageologicallydisturbedenvironment-thewayforward[J].TheJournalofSouthAfricanInstituteofMiningAndMatallurgy，March/April，2000：91–100.顧金才，沈俊，陳安敏，等.錨索預(yù)應(yīng)力在巖體內(nèi)引起的應(yīng)變狀態(tài)模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，19(Supp.)：917–921.(GUJincai，SHENJun，CHENAnmin，etal.Modeltestingstudyofstraindistributionregularityinrockmasscausedbyprestressedanchoragecable[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2000，19(Supp.)：917–921.(inChinese))劉長武.郭永峰錨網(wǎng)(索)支護(hù)煤巷頂板離層臨界值分析[J].巖土力學(xué)，2003，24(supp.)：231–234.(LIUChangwu，GUOYongfeng.Analysisonroofbeddingseparationcriticalvalueofcoalmininggallerysupportedwithbolts(cables)[J].RockandSoilMechanics，2003，24(supp.)：231–234.(inChinese))孫曉明，何滿潮，馮增強(qiáng).深部松軟破碎煤層巷道錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)研究.煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33(3)：47–50.(SUNXiaoming，HEManchao，F(xiàn)ENGZengqiang.Researchonbolt/mesh/anchorcombinedsupporttechnologyfordeepsoftandbrokenseamgateway[J].CoalScienceandTechnology，2005，33(3)：47–50.(inChinese))王衛(wèi)軍，李樹清，歐陽廣斌.深井煤層巷道圍巖控制技術(shù)及試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(10)：2102–2107.(WANGWeijun，LIShuqing，OUYANGGuangbin.Studyontechniqueandtestofsurroundingrockcontrolofdeepshaftcoalroadway[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2006，25(10)：2102–2107孫曉明，何滿潮，楊曉杰.深部軟巖巷道錨網(wǎng)索耦合支護(hù)非線性設(shè)計方法研究[J].巖土力學(xué)，2006，27(7)：1061–1065.(SUNXiaoming，HEManchao，YANGXiaojie.Researchonnon-linearmechanicsdesignmethodofbolt-net-anchorcouplingsupportfordeepsoftrocktunnel.rockandsoilmechanics[J].2006，27(7)：1061–1065.(inChinese))孫曉明，何滿潮.深部開采軟巖巷道耦合支護(hù)數(shù)值模擬研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34(2)：166–169.(SUNXiaoming，HEManchao.Numericalsimulationresearchoncouplingsupporttheoryofroadwaywithinsoftrockatdepth[J].JournalofChinaUniversityofMiningandTechnology，2005，34(2)：166–169.(inChinese))孫曉明.煤礦軟巖巷道耦合支護(hù)理論研究及其設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)[博士學(xué)位論文][D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū))，2002.(SUNXiaoming.Researchonthecouplingsupporttheoryofsoftrocktunnelincoalmineanddevelopmentofsupportdesignsystem[Ph.D.Thesis][D].DoctoraldissertationofChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，2002.(inChinese))曹伍富．深部軟巖巷道圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)研究[博士學(xué)位論文][D]．北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2005.(CAOWufu.StudyonKeyTechniquesofControllingSurroundingRockofSoftRockRoadwayinDeepMine[Ph.D.Thesis][D].DoctoraldissertationofChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，2005.(inChinese))何滿潮，高爾新，軟巖巷道耦合支護(hù)力學(xué)——21世紀(jì)學(xué)科生長點(diǎn)，煤炭學(xué)報，1997，22(Supp.)：1-4.(HEManchao,GAOErxin.Mechanicsofcoupledsupportanditsuseinsoftrocktunnels.JournalofChinaCoalSociety,1997，22(Supp.)：1-4.)何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.(HEManchao，JINGHaihe，SUNXiaoming.Softrockengineeringmechanics[M].Beijing，SciencePress，2002.(inChinese))何滿潮，孫曉明．中國煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計與施工指南[M]．北京：科學(xué)出版社，2004.(HeManchao,SunXiaoming.Supp