夹河煤矿1.5Mta新井设计【含CAD图纸+文档】
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专 题 部 分煤矿软岩巷道锚网索耦合支护技术研究摘要:本文介绍了软岩巷道支护理论和技术的发展及研究现状,分析了软岩巷道的破坏机理、变形影响因素及支护原理。单纯的依靠某一种支护理论或某一种支护形式很难满足工程需要,因而介绍了锚网索耦合支护,阐述了耦合支护的概念、支护原理及支护原则,并通过工程实例来说明软岩巷道锚网索耦合支护的实现。关键词:软岩;巷道支护;耦合支护1 绪论煤炭资源自工业革命以来一直是工业发展的基本推动力,煤炭的开采随着经济的发展逐渐成为一门专业学科。在开采过程中,如何维护巷道的稳定性成为采矿工程乃至岩土工程急需解决的问题。多年来,巷道的支护手段和支护方法有了长足的发展。从被动的棚子支护到主动的锚杆支护,针对不同的地质条件和实际工程条件,它们有不同的使用范围。同时,在支护的发展过程中,支护理论有了比较完备的发展。锚杆支护是一种比较先进的支护方式,它可以适用于不同的地质条件,而且劳动强度低、经济效益好,但是对于地应力较大、岩层较软的巷道,单纯只用锚杆是不能达到巷道的稳定性的要求的。锚杆和锚索联合支护就能很好的维护软岩高应力巷道。在锚网索联合支护过程中,往往由于其中一种因素失效而导致整个支护结构失去作用,或者矿山压力只是作用于其中一种构件,其他构件不起作用,不能使联合支护达到完全耦合,充分发挥他们的共同作用。在以往的支护过程中,为了达到巷道的稳定性,单纯的从增加锚杆和锚索的强度和刚度上着手,没有考虑支护结构和围岩的相互作用,不能充分挖掘锚杆和锚索支护潜力,尽管在经济上增加了投入,但是支护效果不明显。充分发挥联合支护的耦合作用不但能良好的维护巷道的稳定性,而且可以为煤矿经济带来更大的效益,在煤矿安全生产、高产、高效中具有重要意义。1.1中国煤矿软岩巷道工程的现状及特点1.1.1中国煤矿软岩巷道工程的现状(1) 地理分布范围广中国煤矿煤系地层中,具有软岩的矿井分布十分广泛。北起黑龙江、内蒙古南到广东、广西,东起山东、浙江,西到、青海,具有软岩的矿井遍布全国各主要产煤省区,近半数的矿务局存在软岩矿井,有的矿务局甚至大部分或全部矿井是软岩矿井。据不完全统计,有软岩的矿务局有黑龙江的鹤岗、鸡西,吉林的辽源梅河矿区、通化、舒兰、洋春,辽宁的抚顺、阜新、铁法、沈阳,内蒙古的扎责诺尔、大雁、平庄,河北的开滦、邢台、邯郸、峰峰,山东的龙口、新汉,河南的平顶山、郑州,江苏的徐州、大屯,沥江的长广,安徽的淮南、淮北,江西的萍乡,湖南的涟邵,四川的芜蓉、松藻,贵州的盘江、水城、六枝,云南的田坝、小龙潭、昭通,广东的茂名,广西的那龙、右江,陕西省的铜川、韩城,甘肃的靖远、华亭、阿干,的乌鲁木齐,宁夏的石嘴山,青海的大通,还有相当数虽的地方矿等。随着中国第三纪新生代煤田的开采及老矿井采深的增加,软岩煤矿的数量和分布范围将会继续增加和扩大。(2) 跨越地质年代长中国煤矿软岩的赋存,伴随着煤炭沉积的几个主要成煤时代。白古生代石炭二叠纪,中生代的三叠纪、侏罗纪、白垩纪到新生代的第三纪均有软岩赋存。由于生成地质年代不同,受区域构造影响不同,变质程度与成岩胶结作用不同,中国软岩各具特色,井具有明显的时代痕迹。古生代软岩多分市在中国华北、华东地区。其特征是以海相沉积为主,岩石的组成多以石灰岩、泥岩、砂质泥岩、页岩为主。岩石结构多以块状、层状为主,一般岩石胶结程度软好。黏土矿物以高岭石、伊利石为主,蒙脱石一般较少,也有部分岩层含伊蒙混层,含量多在5%15%,相对膨胀性稍差。受区域地质构造影响和多次构造影响的叠加,浅部及中深部软岩特征不甚明显,深部多数为高应力破碎软岩。中生代软岩在大兴安岭以西、阴山以北均有分布。其特征是:岩石以陆相沉积为主,比古生代岩层成岩时间短,受构造破坏影响相对较小,成岩胶结程度较差。黏土矿物以伊利石和伊蒙混层矿物为主。部分矿区蒙脱石含量较高,司达20%35%,遇水泥化,有膨胀性。岩石结构多为层状、块状、破碎状结构。新生代第三纪软岩分布广泛。吉林、内蒙古、辽宁、山东、广东、广西、万南、均有第三纪软岩存在。岩石成岩时间短,胶结程度差,强度低。黏土矿物以蒙脱石为主。一般含量为15%45%,最高可达70%,岩石亲水性强,有的膨胀性显著,物理化学活性强,风化耐久性差,遇水易解体成软泥。(3) 成因和结构复杂按成岩情况,中国软岩有沉积形成的厚层状、薄层状、间层状、夹层状软岩,有火成岩低温蚀变及火山灰转化和断层泥状的软岩。其膨胀性、胶结性和物化活性各具特色。按岩石的结构状态有软弱型、松散型、破碎型及膨胀型软岩。1.1.2中国煤矿软岩巷道工程的特点和铁路、水电、公路等硐室、隧道工程相比,中国煤矿软岩巷道有如下特点:(1) 围岩软,强度低煤作为一种沉积矿产,与沉积岩共生,而且由于沉积韵律的控制,煤矿顶、底板往往是泥质岩,其强度一般较低。(2) 膨胀性煤矿软岩组分中一般含有大量的膨胀性矿物,岩石强度低,易风干脱水而产生塑性流变,尤易遇水变形、崩解、膨胀。煤矿中的一些泥岩属于此种岩类,是工程中最难处理的一种有代表性的岩体。(3) 深度大,应力水平高铁路、水电、公路等硐室、隧道工程多在浅部开挖,地应力水平较低。然而,煤矿的开采深度目前多在500600 m,超过1000 m的矿井也越来越多。有些矿井在浅部开采时,软岩问题并不明显,但是到了深部以后,在高应力的作用下,软岩的大变形、大地压和难支护的现象明显地显露出来。(4) 无选择性由于煤系地层的赋存条件、沉积环境以及地质构造应力等的影响,煤矿软岩问题不可避免。例如,煤层顶、底板一般是含有大量膨胀性矿物的泥页岩,由于软岩膨胀而产生的变形破坏在所难免,要维持巷道围岩的稳定就必须采取相应的支护对策。另外,矿井开拓超过一定深度后,软岩问题就更加突出。(5) 动荷载作用由于受到施工扰动、放炮震动、煤层开采等动荷载的作用以及相邻巷道施工和支护效果的影响,巷道或硐室围岩的受力状况进一步恶化,加大了支护的难度。(6) 时限性煤矿不同用途的巷道与硐室,其服务年限各不相同。对于开拓巷道,如井底车场、主要大巷等巷道和碉室,将服务干整个矿井,服务年限可以是几十年;采区上、下山等巷道服务于整个采区,服务年限一般为十几年;对于采区顺槽,它只服务于该区段,服务年限一般为1年左右。因此,煤矿软岩巷道有其明显的时限性。1.2巷道支护技术研究现状煤矿巷道支护经历了棚式支护到锚固支护的过程。锚固支护表现为主动支护,相对棚子的被动支护具有明显的优势:可显著提高支护效果、降低成本、减轻工人劳动强度、改善作业环境、保证安全生产、有利于采煤工作面快速推进。1.2.1锚杆支护理论锚杆在锚固支护中起主导作用。由于近年来煤炭开采的强度逐年增大,锚固支护技术在大面积推广使用。实践表明,锚固技术除了以上的明显优势以外,它还能适应于不同的地质条件。在锚固技术推广使用过程中,以锚杆为主体的锚固理论得到了很大的发展。按现有锚杆支护理论,锚杆支护作用主要有悬吊理论、组合梁理论、加固拱理论、构造应力作用理论、提高围岩强度理论等。(1) 悬吊理论悬吊理论认为:锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上,以增强较软弱岩层的稳定性。这种支护理论应用比较广泛,但存在以下明显的局限性: 锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下,锚杆的支护阻力等于破碎岩层的重量,而这种条件在巷道中并不多见。 没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应力比较大时,顶板离层很大。为了减小破碎岩层的离层,保持顶板的稳定性,锚杆工作阻力必须增大。 当锚杆穿过破碎岩层时,锚杆提供的径向和切向约束会不同程度的提高破碎岩层的整体强度,使其具有一定的承载能力,从而减小锚杆受力。总之,悬吊理论在分析过程中不考虑围岩的自承能力,而是将锚固体与原岩体分开,与实际情况有一定差距。悬吊理论只适用于巷道顶板,不适用于巷道帮、底。(2) 组合梁理论组合梁理论认为:如果顶板岩层中存在若干分层,顶板锚杆的作用,一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力,防止岩石沿层面滑动,避免各岩层出现离层现象;另一方面,锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度,防止岩层间的水平错动,从而将巷道顶板的锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层(组合梁)。组合梁理论充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用,原理上对锚杆作用分析的比较全面,但它存在以下缺陷: 组合梁有效厚度很难确定。它涉及到影响锚杆支护的众多因素,目前还没有办法可较可靠的估计有效组合的厚度; 没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的作用。在水平应力较大的巷道中,水平应力是顶板破坏失稳的主要原因。(3) 组合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时,在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力,如果沿巷道周边布置锚杆群,只要锚杆间距足够小,各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错,就能在岩体中形成一个均匀的压缩带,即承压拱,这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压,处于三向应力状态,其围岩强度得到提高,支撑能力也相应加大,如图1所示。图1 锚杆的组合拱作用组合拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用,在软弱煤层中得到广泛应用。但也同样存在一些缺陷: 加固拱厚度涉及的影响因素多,很难准确估计; 加固拱厚度远小于巷道跨度时,加固拱是否发生破坏不仅与其强度有关,更主要取决于加固拱的稳定性,在该理论中没有考虑。(4) 构造应力理论构造应力作用理论即最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔(W.J.Gale)提出。该理论认为矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力,水平应力具有明显的方向性,最大水平应力一般为最小水平应力的1.52.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响,且有三个特点: 与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小,顶底板的稳定性达到最好; 与最大水平应力呈锐角相交的巷道,其顶底板变形破坏就会偏向巷道的某一帮; 与最大水平应力垂直的巷道,顶底板稳定性最差。在最大水平应力作用下,顶底板岩层易于发生剪切破坏,出现错动与松动而膨胀造成围岩变形,锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于铀向的岩层剪切错动,因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大,才能起约束围岩变形的作用。最大水平应力理论,论述巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。(5) 提高围岩强度理论主要有以下几点: 锚杆锚固后围岩岩体力学性能得到了改善,锚杆加固后提高岩石强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角; 系统布置锚杆可以提高岩体的物理力学参数,锚固体的粘聚力提高较大,而内摩擦角提高的幅度不大; 锚杆锚固区域围岩具有正交异性,在锚杆沿着试件的轴向时,围岩的弹性模量随着锚杆密度的增加而增大,围岩强度的提高主要是内摩擦角增加,而粘聚力几乎没有变化; 合理的锚杆支护可以有效地改变围岩的应力状态和应力应变特性,且不同弹性模量的带锚岩体所表现的锚固效果是不同的; 锚杆的锚固效果与锚杆密度、长度、型式、锚杆材料的抗剪刚度和强度有关,并从不同角度提出了最佳的锚杆布置方案; 锚固体的变形破坏符合莫尔库仑准则; 锚杆支护在力学上等价于对孔硐周围岩体施加一定量的径向约束力。以上各种锚杆支护理论都是在不同的地质条件下提出来的,它们都从不同的侧面阐述了锚杆支护围岩的作用机理。在实际的支护过程中,一般情况下是几种支护理论共同作用,它们在很多情况下并不矛盾。在锚杆支护理论中,锚杆相对于传统的支护方式最明显的优势体现在它的主动支护上。主动支护的具体方法就是在锚杆影响围岩的情况下,让围岩自身产生承载层,即次生承载层。次生承载层形状以拱形最为理想。以组合拱为基础,悬吊于稳定岩层之上就会使巷道支护达到最理想效果。建立组合拱使其具有承载作用,除了要在外在应力的作用下形成拱的形状之外,最主要就是通过锚杆支护改善围岩的力学参数,提高围岩的强度。所以对于一个具体工程而言,将几种支护理论综合考虑,从而达到最好的支护效果。这些研究成果,在一定程度上定性或定量地说明了一些重要问题,例如锚固体的极限强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角的提高等。但这些研究成果主要偏重于地表加固工程和浅埋巷道工程。对于煤矿巷道特别是煤巷,由于围岩松软、埋藏深,受采动、构造应力的影响,地应力很大,巷道围岩破坏严重,因而,其周围存在着破碎区、塑性区和弹性区,相应巷道周围锚杆锚固区域的岩体则处于破碎区或处于上述两个或三个区域之中,相应锚固区域的岩石强度处于峰后强度或残余强度。只有掌握围岩峰值后强度和变形的特点以及锚杆对提高围岩峰值后强度和残余强度的作用,才能从根本上揭示锚杆支护的作用机理。1.2.2锚索支护理论锚索与围岩的作用机理和锚杆相似,但是相对于锚杆,锚索又有自身很大的优势。在锚固支护技术中,对于高应力软岩,单纯的使用锚杆显然是不能满足巷道稳定性需要的。锚索补强支护具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、锲固作用以及改善围岩强度作用以外,与普通锚杆不同的是对顶板进行深部锚固而产生的强大的悬吊作用,并且沿巷道纵轴线形成连续的支撑点,以大预紧力减缓顶板变形扩张,改善巷道受力条件,使顶板得到有效控制,片帮问题也得到了解决。锚索相对于锚杆具有的明显优势:长度较长,能够锚入到深部稳定岩层中去,可施加预应力。锚杆支护对巷道顶板起加固作用,改善并保持顶板的整体性。当其上有极软弱夹层时,钉几根锚索,就可以将锚固体悬吊于稳定坚硬的老顶上,避免其离层及出现巷道顶板整体下沉或垮落。构成锚索的主要材料,一般有高强预应力钢绞线、高强预应力钢丝和精轧螺纹钢筋。预应力锚索加固岩体的实质,就是通过锚索对被加固的岩体施加预应力,限制有害变形的发展,从而保持岩体的稳定。在煤矿软岩巷道加固工程中采用预应力锚索,有如下两个特点: 锚索的长度较长,可根据实际需要来确定,使其能够锚入到深部比较坚固稳定的岩层中去,并且能够施加相当数量级的预应力,是一种有效的主动支护方式。 锚索的施工比较灵活,可以和其它加固措施相结合,具有不缩小巷道断面、工期短、安全可靠和节约资金等优点,尤其对破坏巷道的加固与其它方法相比更具有优势。1.2.3锚网索耦合支护在实际工程中,单纯的依靠某一种支护理论或某一种支护形式很难满足工程需要。尤其是在煤矿巷道中,地质条件复杂,巷道彼此之间的影响很大,造成围岩活动规律具有不确定性。所以,一种好的设计方案必须将锚杆的各种支护理论取长补短,将各种支护形式综合运用,这样才能达到维护巷道稳定性的要求,满足工程需要。从这个思路出发,锚网索联合支护可以满足这种需求。但是随着开采深度的增加,地应力变大,围岩岩性变软,这样就给联合支护带来困难。在实际工程中,经常出现锚索和锚杆大量破坏,从而导致支护结构失去支护走用,影响巷道稳定性。在这种情况下,充分发挥锚固技术的支护潜力,不但要从锚杆和锚索的刚度和强度上着手,更重要的是从围岩和锚固结构的相互作用下力求发挥锚网索联合支护的最大作用。从而完成锚网索耦合支护。2 煤矿软岩巷道的基本理论煤矿软弱煤层巷道工程作为软岩工程的一个主要组成部分,其支护设计理论必须以符合软岩大变形力学特性的软岩工程力学理论为基础。现代支护理论是软弱煤层巷道支护设计的基础,弄清软弱煤层巷道破坏机理对煤巷支护设计有重要的理论及实际意义。2.1软岩的概念2.1.1概述随着人类采矿活动的不断深入,软岩地下工程越来越多,所遇到的问题也越来越复杂,其显著特点之一就是与工程因素密切相关,这样软岩工程的实践过程中就提出了许多难以用经典力学来解释或解决的课题,这就促进了软岩工程力学的诞生。软岩工程力学的深入研究.又必将对软岩工程的顺利发展起到积极作用。什么是软岩?我国目前井巷掘进与支护领域的许多专家、学者和现场科技工作者都习惯地把“松软岩层”简称为“软岩”。目前,由于缺乏充分的科学标准数据,再加上各地区对工程特点认识上的差异,国内外对松软岩层概念上理解并不一致,名词术语也不尽统一。有的叫“软岩”,有的叫“不良岩层”,“复杂岩层”,也有叫“破碎岩层”。但总的来说,它们的基本特征都是松、散、软、弱,是相对于致密、坚硬、支护容易的岩体而言的。从20世纪60年代到90年代,关于软岩的概念在国内外一直争论不休,产生的软岩定义多达几十种。概括起来,大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义三类:(1) 描述性定义以描述性文字定义软岩,认为软岩指松散、软弱的岩层或认为软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的岩体之总称。淮南矿业学院朱效嘉教授提出:松软、破碎、膨胀及风化等岩层称为软岩;1984年12月,在昆明举行的“煤矿矿山压力名词讨论会”上定义:松软岩层是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性乳土矿物的松、散、软、弱岩层。(2) 指标化定义以岩石抗压强度为指标定义软岩。SIRM(国际岩石力学学会)定义软岩是指单轴抗压强度在0.525 MPa 的岩石。GRusso(1994)定义软岩指单轴抗压强度小于17 MPa的岩石。(3) 工程定义从工程实践研究中提出软岩的定义。中国矿业大学董方庭教授、鹿守敏教授以围岩松动圈理论为依据分别提出:松动圈厚度大于1.5 m的围岩;松动圈厚度大于1.5 m且用常规支护不能适应的围岩称为软岩。还有定义松软岩层是指“难支护的围岩”或“多次支护、需要重新翻修的围岩”等等。2.1.2工程软岩的概念为了使软岩的概念能概括软岩的本质特征,简明扼要的反映软岩的实质性规律。我们提出了新的软岩概念极其分类体系。为了便于研究和工程应用,将软岩分为地质软岩和工程软岩。(1) 地质软岩按地质学的岩性划分,地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质粘土岩等强度较低的岩石,是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学协会将软岩定义为单轴抗压强度在0.525 Mpa之间的一类岩石,其分类依据基本上是按岩石的强度指标。按强度指标来定义软岩,往往在工程实践中会出现矛盾。例如地下隧洞所处深度足够的小,地应力水平足够的低,尽管岩石强度小于25 MPa,但岩石不会产生软岩的特性;如粘土岩室内剪切流变试验时,只有剪切应力达到一定值以后才出现软岩变形的特征;相反,大于25 MPa的岩石,在较大荷载的条件下也会出现流变性。例如三峡工程船闸高边坡的花岗岩体等。(2) 工程软岩工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点,而工程软岩是不仅重视软岩的强度特性,而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小。工程力是指作用在工程岩体上力的总和,它可以是重力,构造地应力,水的作用力,工程扰动力以及岩体膨胀应力等;显著塑性变形是包含显著的弹塑性变形,粘弹塑性变形,连续性变形和非连续性变形等。工程软岩的变形特性的实质是相对性的,其变形性质取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时,不同岩体,强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性,强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性;而对同种岩石,在较低工程力的作用下,则表现为硬岩的变形特性;在较高工程力的作用下,则可能表现为软岩的变形特性。本论文所讨论的软岩就是指工程软岩,主要特性就在进入塑性区以后,仍然具有承载作用。耦合支护就是在允许巷道一定的变形的条件下,充分发挥塑形区的承载作用。2.2软岩巷道失稳力学机理一般认为软弱煤层巷道工程不产生围岩破坏或过大变形而妨碍工程的生产使用和安全,巷道工程即为稳定。软弱煤层地下工程的稳定性主要视岩体的强度及变形特征与开挖后重新分布的围岩应力这二者互相作用的结果而定,前者强于后者则稳定。软弱煤层巷道工程失稳力学机理实质上是地层压力效应结果,当二次应力量值超过了部分围岩的塑性极限或强度极限或使围岩进入显著的流变状态,则围岩就发生显著的变形、破裂、松碎、破坏等现象,表现出明显的地层压力效应。地层压力效应是指地下工程开挖后重新分布的二次应力与围岩的变形及强度特性互为作用而产生的一种力学现象。地层压力可分为松动压力、形变压力、膨胀压力等。软弱煤层地下工程失稳主要是这三种压力对围岩本身的支护结构作用的结果,当巷道工程支护不及时,变形压力和膨胀压力会使围岩破坏并转变为松动压力,引起围岩失稳。2.2.1松动压力作用松动压力是松动岩体直接作用在地下工程支护上的作用力,大多出现在地下工程的顶端及侧帮。其形成原因是地下工程开挖后,围岩应力重新分布,部分围岩或其结构面失去强度,成为脱离母岩的分离块体和松散体,在重力作用下,克服较小的阻力产生冒落和塌滑运动。这种压力具有断续性和突发性,很难预见什么时间有多大范围的分离块体会突然塌滑下来,形成这种压力的关键因素是地层的地质条件和岩体的结构条件。在松散地层如断裂破碎带、挤压蚀变带易于产生此种压力。2.2.2形变压力作用主要指在二次应力作用下,围岩局部进入塑性变形,缓慢的塑性变形作用在支护结构上形成压力或者是有明显流变性能的围岩弹粘性或粘弹-塑性变形形成的支护压力,这种形变压力大多是由于重新分布压力足够大,使部分围岩进入塑性或进入流变变形阶段。当岩体强度较高时,无支护时塑性区逐渐扩大,达到一定范围便停止下来,并在弹性及塑性区边界形成一切向应力较高的持力承载环。在软弱煤层地下工程中,由于煤体强度较小,当软岩塑性变形过大,使塑性区进入了破裂阶段,形成较大的形变压力,导致地下工程全面失稳破坏。当有支护时,支护刚度产生抗力,此抗力就是实际的形变压力,支护越早,支护上受到压力越大,围岩塑性变形越小;支护愈晚,支护上受到压力愈小,没有支护则不产生这种形式的压力。支护刚度越大,支护上受到压力越大,反之支护上受到压力越小。这种压力通常可用围岩及支护特性曲线表达它们之间的关系,如图2所示。图2 围岩与支护共同作用特性通常,软弱煤层变形的速率开始时较大,以后逐渐放缓,支护太早可能会形成过大的形变压力。但若支护太晚,则会使围岩破裂失稳而形成附加的松动压力。理论上讲,测知围岩的变形特性曲线可以用最小代价的支护设计(含合理的支护时间)取得最合理而安全的支护效果。2.2.3膨胀压力作用在软弱煤层地下工程中,有些巷道围岩中含有膨胀性矿物质(如伊利石、蒙脱石、高岭石等)在开挖时,岩体遇水后发生不失去整体性的膨胀变形和移动,当有支护时,膨胀变形对支护产生了另外一种形式的膨胀压力。这主要是围岩颗粒较细,存在互相连通的毛细管,毛细管的吸水性,使岩体发生膨胀和体积增大,向地下工程内空移动,对支护形成压力。2.3软岩巷道变形的影响因素软弱煤层巷道的稳定根据生产领域及使用要求的不同,可能有完全不同的概念。如永久性公路、铁路巷道、厂房等要求巷道围岩只允许产生微小的位移,否则就影响巷道的使用功能;而矿山等服务年限不长的巷道则只需满足运行期间的安全即可。一般来讲可将软弱煤层巷道的稳定定义为:不产生围岩破坏或过大变形而妨碍巷道生产使用和安全的巷道即为稳定。软弱煤层巷道的稳定性主要视岩体的强度及变形特征与开挖后重新分布的围岩应力这二者互相作用的结果而定,前者强于后者则稳定,否则,围岩失稳。一般情况下,软弱煤层巷道的稳定受地质及地质结构、地应力、岩体力学性质、工程因素、地下水及时间条件等影响较大。2.3.1岩性的影响研究地下工程时,首先应知道围岩类型及岩性分布状况。岩性的认识可定性的判断将面临的什么类型的岩石力学问题。岩性的种类认识可知岩石的力学性质和各向异性程度,甚至可判断出会产生一些与自然特征相关的不稳定因素。如强度较高硬岩(新鲜火成岩、厚层沉积岩等),一般变形较小,地层压力较小,而强度较低的软岩(薄层沉积岩和部分变质岩),其变形量较大,地层压力较大,灰岩或盐岩可能有岩溶或地下水突涌问题。2.3.2岩体结构及裂隙分布影响在地质构造运动中形成的结构面,一般情况下,其强度远低于母岩。岩体的强度往往受结构面强度控制。裂隙的分布不同,也对围岩的稳定造成不同的影响,当节理倾角 30,走向与巷道轴线交角 40时,危险性较大;而当节理走向与巷道轴线大角度相交,则危险性较小。岩体在节理裂隙切割下,形成不同形式和形状的不稳定结构块体是地下工程松动地压的主要来源。2.3.3特殊工程地质条件影响当巷道穿过断层破碎带、强风化带、岩溶地区时,巷道稳定难以维护。在这种地质条件下,往往地下水活动强烈,有强烈的地压现象,围岩属松软破碎的散体结构。一般来讲,强烈挤压的断层破碎带,紧密褶皱带和较宽的张性断裂带以及几条断层交会的地带,是工程的不良地质地段。2.3.4地应力的影响软弱煤层的失稳是巷道开挖工作引起的应力重分布超过围岩强度或造成围岩过分变形而造成,而应力重分布是否会达到危险的程度就看初始应力场方向、量值和性质而定,所以地应力是控制地下洞室稳定基本因素之一,是地下工程的外荷载来源。地应力主要有自重应力和构造应力两种,对巷道的稳定主要看最大主应力与最小主应力差值、主应力大小、方向;各主应力构成特征如何以及主应力与工程相对方位、与岩层主要节理组的夹角而定。在软岩中围岩应力重分布后会产生较大的塑性区及松动区,引起围岩随时间而增长的大变形,挤压破坏。在洞顶表现为塌落,在侧帮产生挤压和溃曲性破坏,在底板产生底鼓等。2.3.5岩体力学性质影响工程岩体的稳定性主要视岩体的强度及变形特性与开挖后重新分布的围岩二次应力互相作用的结果如何而定。前者强于后者则稳定,后者强于前者则失稳。软岩的力学特性如各向异性、塑性、扩容性、膨胀性、流变性等都对围岩的稳定有重要影响。层状软岩的各向异性使围岩的变形失稳及失稳形态有很强烈的非对称性,软岩的扩容性和塑性明显时会使洞周形成松散破碎区或挤压变形区,软岩的膨胀性会产生挤坏支护或形成严重的底鼓,有明显时间效应的粘土质矿物软岩则产生粘弹塑性或粘塑性的变形压力。2.3.6工程因素影响工程因素指巷道的方位、断面尺寸、形状、开挖方法、支护形式等的影响,这在煤巷支护工程有着重要的作用。巷道的方位对围岩稳定影响主要表现为:当巷道的纵轴线接近正交最大主应力方向时,洞顶受到垂直压力较大,对围岩稳定是不利的;当巷道的纵轴线平行或小角度相交主应力方向则较为有利。而对大的断层或软弱地层则正好相反,巷道纵轴线与之正交较为有利。巷道跨度对围岩稳定影响:主要是其尺寸效应问题,也就是洞室临空面尺寸与结构体尺寸的相对关系,跨度越大,其切割的围岩结构面越多,形成的不稳定块体越多,围岩易失稳。巷道断面形状对其围岩稳定影响:比如矩形洞易在夹角处形成应力集中,而圆形洞则不会。巷道断面为矩形洞或椭圆形时,则还有一个长短轴应该尽量适应初应力场二个主应力值的比例关系问题。巷道开挖方法的影响:如巷道采用全断面开挖,每循环施工时间较长,围岩在支护前变形释放较完全,巷道围岩变形较大,对于软岩大断面巷道,若采用全断面开挖,往往来不及支护,巷道即发生塌方事故,故一般情况下大断面软弱煤层开挖采用分部开挖。在软弱煤层内采用机械开挖对围岩的扰动比采用爆破方法要小,围岩的稳定性好些。2.3.7水文地质因素影响地下水对软弱煤层稳定影响分为四个方面:一是对于透水围岩来讲,洞室开挖形成的新自由面使地下水有了排泄通道,在洞周产生了渗压梯度,在围岩内产生了指向洞内的推动力;二是由于静水压力作用,饱和水部分岩体中有效压应力减小,其应力状态趋于恶化,其抗剪强度减小;三是围岩内的水降低了裂隙面摩擦系数和粘聚力;四是地下水溶解、搬运矿物颗粒或同矿物成分发生化学作用,使围岩强度进一步恶化。2.3.8流变因素影响软弱煤层围岩失稳和破坏现象往往经过一段时间后开始显现,这主要因为:(1) 岩体的流变性质:所谓流变性质是指围岩变形在地应力不变情况下不断增长(蠕变)或在变形约束情况下,应力随时间降低(松弛),以及围岩强度随时间降低的性质。(2) 时间的增长加剧了围岩的弱化过程,使围岩变形增加、塑性或松动区扩大。综上所述,影响软弱煤层稳定的因素很多,但其中最主要的是前三种因素。地质及岩体物理力学性质总括来说是整体强度问题。地应力通过围岩应力重新分布,可作为破坏力因素。如果破坏力强于整体强度,围岩失稳;反之,则围岩稳定。对于软弱煤层,事实上各因素在特定条件下可由次要因素转化为主要因素。2.4软岩巷道支护原理根据目前所掌握的有关软岩力学属性、变形力学机制,以及现场所观察到巷道大变形、大地压、难支护的特点,认为软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制,而是同时具有多种变形力学机制的复合变形力学机制。对于硬岩巷道的支护不允许围岩进入塑性状态,否则将丧失承载能力。软岩巷道开挖后,其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来,同时,处于塑性状态后其围岩仍具有一定的承载能力。假设巷道开挖后使围岩向临空区运动各种力的合力PT(图3),则软岩巷道支护原理可表示为:PT=PD+PR+PS图3 合力PT示意图其中:PT表示巷道开挖后使围岩向临空区运动的合力(包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等);PD表示以变形的形式转化的工程力(包括弹塑性转化、粘弹塑性转化、膨胀力转化);PR表示围岩自撑力;PS表示工程支护力。巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力PT并不是纯粹由工程支护力PS全部承担,而是由PD、PR和PS 3个部分共同分担。因为软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免,而且其巨大的塑性能必须释放出来,所以软岩支护设计时必须提供足够的变形能释放时间和释放空间。岩石力学理论和工程实际表明,巷道开挖以后,巷道围岩变形逐渐增加。如果以变形速度区分,可以划分为3个变形阶段:减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时,围岩本身结构产生新的裂纹,强度就大大降低。这样,在加速变形阶段有PD趋向极大,但是却大大降低了PR,这不满足优化原则。解决这个问题的关键是最佳支护时间概念的建立和最佳支护时间的确定。2.4.1最佳支护时间和最佳支护时间段的确定最佳支护时间是指可以使(PR+PD)同时达到最大的支护时间,其意义如图4所示。从图4中可以看出,最佳支护时间就是(PR+PD)t曲线的峰值点所对应的时间Ts。实践证明,该点与PD t曲线和PR t 曲线的交点所对应的时间基本相同。此时,支护体使PD在优化意义上充分达到最大。最佳支护时间点的确定,在工程实践中是很难办到的,所以就提出了最佳支护时间段的概念,最佳支护时间段的概念如图5所示。 图4 最佳支护时间的含义 图5 最佳支护时段的含义2.4.2最佳支护时间(Ts)的物理意义巷道开挖以后,原有的天然应力状态被破坏,围岩中应力重新分布,切向应力增大的同时,径向应力减小,并在硐壁处达到极限。这种变化促使围岩向巷道内空区变形,围岩本身的裂隙发生扩容和扩展,力学性质随之不断恶化。在围岩应力条件下,切向应力在硐壁附近发生高度集中,致使这一区域岩层屈服而进入塑性工作状态。进入塑性状态的围岩称为塑性区。塑性区的出现,使应力集中区从岩壁向纵深偏移,当应力集中的强度超过围岩屈服强度时,又将出现新的塑性区,如此逐层推进,使塑性区不断向纵深发展。假若不采取适当支护措施,临空塑性区将随变形加大而出现松动破坏。塑性区和松动破坏区截然不同,松动破坏区没有承载能力,而塑性区具有承载能力。塑性区可分为稳定塑性区和非稳定塑性区。出现松动破坏之前的最大塑性区范围,称为稳定塑性区;出现了松动破坏区之后的塑性区,称为非稳定塑性区。稳定塑性区所对应的宏观围岩的径向变形称为稳定变形;非稳定塑性区所对应的围岩的径向变形称为非稳定变形。由于塑性区的出现,围岩的应力状态改变,这种变化对支护体来讲具有两个力学效应:一个是围岩中切向应力和径向应力降低,减小了作用于支护体上的荷载;另一个是应力集中区向围岩深部偏移,减小了应力集中的破坏作用。应力集中偏移深部后,一方面应力集中程度降低,另一方面深部岩石处于三轴受力状态,其破坏可能性大大减小。因此,对于高应力软岩巷道支护来讲,要允许出现稳定塑性区,严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志就是最佳支护时间Ts。Ts之前出现的变形称稳定变形,对应的塑性区称稳定塑性区。所以,支护时间最佳支护时间的力学含义就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏时所对应的时间。2.4.3软岩巷道工程关键部位(1) 关键部位的概念工程实践表明,对于软岩巷道,无论是新开巷道、还是实施了多次支护的翻修巷道,其破坏是一个渐进的力学过程,总是从某一个或几个部位开始变形、损伤,进而导致整个支护系统的失稳。在软岩巷道变形破坏过程中首先破坏的部位,称之为关键部位。关键部位的产生是软岩巷道产生塑性大变形的力学标志。关键部位的具体表现特征是:沿巷道断面各个方向的位移速度各不相同,总是从剧烈变形的部位发生裂纹,鳞状剥落,变形破坏区域逐渐扩大,最终导致整个支护系统的失稳。(2) 关键部位产生的力学机理关键部位产生的根本原因是支护体力学特性与围岩力学特性出现不耦合所造成的,并且首先从某一部位开始,进而导致整个支护系统的失稳。按其变形力学机制不同,关键部位有如下四种类型:型关键部位是指支护体和围岩的强度不耦合,非均匀的荷载作用在等强的支护体上,形成局部过载,产生局部破坏,最终导致支护体失稳。型关键部位是指支护体和围岩的刚度正向不耦合,支护体刚度小于围岩刚度,围岩产生的过量变形得不到限制,使围岩剧烈变形损伤、强度降低,从而将其本身所承担的荷载传递到支护体上,形成局部过载而产生破坏。型关键部位是指支护体和围岩的刚度负向不耦合,支护体刚度大于围岩刚度,围岩的膨胀性等能量不能充分转化为变形能而释放,造成局部能量聚集,使支护体局部过载而首先产生破坏。型关键部位的支护体和围岩结构变形不耦合,支护体产生均匀的变形,围岩中的结构面(如软弱夹层、层理面、断层面、节理面等)产生差异性滑移变形,使支护体局部发生破坏。3 软岩巷道锚网索耦合支护的设计软岩巷道工程所具有的大变形、大地压、难支护的特点,使得单一的支护形式无法满足软岩巷道支护的需要,因此在软岩巷道工程问题研究过程中,各种支护形式应运而生,具有代表性的主要有下列形式:锚杆喷射混凝土支护(简称锚喷支护);锚杆、金属网、喷射混凝土支护(简称锚网喷支护);锚杆、金属网、钢架、喷射混凝土支护(简称锚网架喷支护);锚杆、喷射混凝土和锚索联合支护(简称锚喷索支护);锚杆、金属网和锚索联合支护(简称锚网索支护);锚杆、梁、金属网联合支护(简称锚梁网支护);锚杆、金属网、可缩性金属支架联合支护(简称锚网架支护);锚杆、金属网、桁架支护(简称锚网桁支护);锚、梁、网、喷、注浆联合支护;锚、网、喷、碹联合支护(碹指料石砌碹、现浇混凝土碹、预制混凝土弧板碹,多用于二次支护)。工程实践证明,上述支护形式都在软岩巷道支护中有成功应用。特别是锚网、锚索支护形式,由于施工方便、劳动强度低等优点,在生产现场中得到越来越多的应用。但是,由于在实施支护过程中只强调支护体的强度,盲目施工,从而造成工序复杂、支护效果差等问题,使得锚网、锚索支护形式在软岩巷道支护中不能得到广泛推广。因此,如何充分发挥锚网、锚索的支护能力,保证巷道围岩的稳定性,是推广软岩巷道锚网、锚索支护技术的关键。3.1锚网索耦合支护的概念3.1.1概念对于已进入非线性塑性大变形阶段、变形场是非线性力学场的软岩巷道,其变形破坏实质上是巷道围岩在工程力作用下产生塑性大变形的一种力学过程。其破坏的主要原因是由于支护体力学特性与围岩力学特性出现不耦合所造成的,并且首先从某一部位(关键部位)开始,进而导致整个支护系统的失稳。锚网索耦合支护就是针对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协调部位,通过锚网围岩以及锚索关键部位支护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,实现支护一体化、荷载均匀化,达到巷道稳定的目的。锚网索耦合支护材料主要包括锚杆、网、锚索。它们在整个体系中所起的作用是不同的。在锚网索耦合支护中,锚杆通过与围岩相互作用,起着主导承载作用,同时能够防止围岩松动破坏,并有一定的伸缩性,可随巷道围岩同时变形,而不失去支护能力。网主要有铁丝网、钢筋网及塑料网。它的主要作用是防止锚杆间的松软岩石垮落,提高支护的整体性。锚索作为一种新型的加强支护方式,由于锚固深度大,可将下部不稳定岩层锚固在上部稳定岩层中。同时,可施加预应力,主动支护围岩,能够充分调动巷道深部围岩的强度。3.1.2耦合支护的基本特征根据软岩巷道围岩的变形破坏机理,软岩巷道实现耦合支护的基本特征在于巷道围岩与支护体在强度、刚度及结构上的耦合(图6)。(1) 强度耦合由于软岩巷道围岩本身所具有的巨大的变形能,一味采取高强度的支护形式不可能阻止其围岩的变形,从而也就不能达到成功进行软岩巷道支护的目的。与硬岩不同的是,软岩进入塑性后,本身仍具有较强的承载能力,因此对于软岩巷道来讲,应在不破坏围岩本身承载强度的基础上,充分释放其围岩变形能,实现强度耦合,再实施支护。(2) 刚度耦合由于软岩巷道的破坏主要是变形不协调而引起的,因此支护体的刚度应与围岩的刚度耦合。一方面支护体要具有充分的柔度,允许巷道围岩具有足够的变形空间,避免巷道围岩由于变形而引起的能量积聚;另一方面,支护体又要具有足够的刚度,将巷道围岩控制在其允许变形范围之内,避免因过度变形而破坏围岩本身的承载强度。这样才能在围岩与支护体共同作用过程中,实现支护一体化、荷载均匀化。图6 耦合支护的基本特征(3) 结构耦合对于围岩结构面产生的不连续变形,通过支护体对该部位进行加强耦合支护,限制其不连续变形,防止因个别部位的破坏引起整个支护体的失稳,达到成功支护的目的。3.2锚网索耦合支护原理根据软岩巷道耦合支护的特征,锚网索耦合支护的原理包括锚杆与围岩之间的耦合、锚网与围岩之间的耦合以及锚索关键部位的耦合。3.2.1锚杆围岩耦合支护原理(1) 锚杆与岩体相互作用机理巷道开挖后,围岩的受力状态发生改变。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7)。巷道开挖后,对于巷道顶板和底板的A点和C点,处于受拉状态,而岩石的抗拉强度相对较低,因此也极易发生破坏。对于巷道帮部的B点,处于受压状态,因此其强度表现要比A点高。围岩内部的D点,仍处于三向受力状态,因此其强度表现相对最高。当打入锚杆后,由于锚杆与围岩的相互作用,使巷道围岩受力状态又发生改变。关于锚杆与围岩相互作用的机理,国内外学者已做了大量的研究。锚杆对岩体的加固作用机理比较复杂,主要表现在(图8):锚杆与岩体黏结在一起,提高了岩体的整体刚度,增强了岩体的抗变形能力,加强了岩体的整体性;由于锚杆的抗拉作用,当锚杆穿越破碎岩层深入稳定岩层时,对不稳定岩层起着悬吊作用;对于层状岩体,由于锚杆的作用,对岩层离层的产生有着一定的阻碍作用,并增大了岩层间的摩擦力,与锚杆本身的抗剪作用阻止岩层间产生相对滑动,从而将各个岩层夹紧形成组合梁,提高了岩层的承载能力;由于锚杆的作用,从而形成了3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,提高了岩体的承载能力。在不同阶段,锚杆与岩体相互作用机理有所不同。在早期阶段,由于巷道顶板破坏范围较小,此时锚杆的主要作用是控制顶板下部岩体的错动和离层失稳的发生;在中期阶段,岩层产生了一定的变形,由于岩石的流变效应,随着时间的推移,岩层强度不断降低,当锚杆深入稳定岩层时,其悬吊作用处于主要地位,同时由于锚杆的径向和切向约束,阻止破坏区岩层扩容、离层及错动;在后期阶段,围岩变形加大,锚杆受力增大,设计合理情况下,只要锚杆不产生破坏,围岩的稳定层仍在锚杆的控制范围内,仍可起悬吊作用,若稳定层上移,使锚杆完全处于破坏岩层内,则锚杆和破坏岩体仍可形成承载圈,具有一定的承载能力。图7 巷道围岩受力分析(a) 约束岩层膨胀 (b) 约束岩层错动图8 锚杆加固作用示意图(2) 锚杆与围岩耦合作用分析传统的组合拱设计观点认为,巷道围岩打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有关(图9),一般取45。根据数值模拟研究结果,的取值及锚杆调动岩体的范围应根据锚杆围岩的耦合程度来确定。由于岩体开挖,顶部岩体要向下移动、变形,下部岩体和上部岩体的变形大小是不同的,锚杆的存在,增大了岩体整体的刚度,使岩体的变形更加协调,下部岩体变形比上部岩体的变形要大得多,此时锚杆就处于一种受拉状态,当锚杆顶端深入稳定岩体中时,锚杆对于下部岩体起着悬吊作用。由单根锚杆周围岩体的应力分布图(图10)可以看出,当锚杆与岩体在刚度上实现耦合时,即锚杆与围岩在刚度上相差两个数量级时,锚杆的作用范围比通常认为的锚杆顶端沿45向下的区域增加60%左右。若将岩体弹模降低到10 MPa时,锚杆的弹模为100 GPa时,通常的认识才符合事实,同时,其他部位锚杆的作用范围也都有所降低(图11)。图9 锚杆对岩体控制角及调动岩体范围 岩体弹模E=1 GPa 岩体弹模E=10 MPa图10 单根锚杆作用y应力分布图 图11 单根锚杆作用y应力分布图与单根锚杆与围岩作用效果相似,群锚加固岩体的影响范围的大小与锚杆和岩体的刚度相对大小有关,并不都是锚杆顶部向下45范围内。结果证明,当锚杆与围岩在刚度上达到耦合时,即当锚杆弹模为100 GPa、岩体弹模为1 GPa时,群锚的影响区将比此范围增大20%左右;当岩体弹模为100 MPa时,才是人们通常认为的沿锚杆顶部向下45的加固范围;当岩体弹模降低到10 MPa和1 MPa时,群锚的加固范围又相继降低,如图12图15所示。因此可以认为,在耦合条件下,即围岩与锚杆在刚度上相差两个数量级时,锚杆调动岩体强度范围远远超过传统界限。这就要求我们在进行锚杆支护设计时,首先要考虑锚杆与围岩的耦合问题。 岩体弹模E=1 GPa 岩体弹模E=100 MPa图12 群锚加固作用y应力分布图 图13 群锚加固作用y应力分布图岩体弹模E=10 MPa 岩体弹模E=1 MPa图14 群锚加固作用y应力分布图 图15 群锚加固作用y应力分布图3.2.2锚网围岩耦合支护原理锚网和围岩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。只有当锚网和围岩强度、刚度达到耦合时,变形才能相互协调。达到耦合的标志是围岩应力集中区在协调变形过程中,向低应力区转移和扩散,从而达到最佳支护效果。(1) 围岩集中应力区向低应力区的转移现象数值模拟研究结果(图16)表明,在巷道掘进初期,巷道围岩顶部应力迅速集中,是巷道垮落危险区域;在实施锚网耦合支护后,顶部应力集中区迅速下降,而帮部低应力区应力状态迅速提高,整个围岩不同部位应力状态趋于均匀化。由此可见,实施锚网耦合支护技术以后,围岩支护状态从开放环境到封闭力学环境,围岩集中应力区向低应力区发生了转移和扩散,整个应力扩散均匀化过程是通过锚网耦合设计自动实现。图16 围岩顶部集中应力区向帮部低应力区转化过程1-掘进锚喷后围岩应力状态;2-锚网耦合设计作用后应力状态;3-应力转化中性点;4-应力变化趋势(2) 围岩应力场和位移场的变化随着围岩受力由集中应力区向低应力区转化,锚杆受力趋于均匀化,围岩的应力场和应变场趋于均匀化。图17图22为不耦合支护与锚网耦合支护时的应力场变化情况对比。从图17与图18的x应力分布对比可以看出,在不耦合支护下,水平方向应力在两帮和底部出现明显的大范围的应力集中。实施锚网耦合支护后,水平方向应力仅在支护体范围附近比较明显(在两帮范围较大一些),应力值大于不耦合支护下的应力值。由图19与图20的y应力分布对比可以看出,不耦合支护下竖直方向应力在顶部和底部较为突出,应力集中区范围明显大于锚网耦合支护下的应力范围。实施锚网耦合支护后的应力集中区出现在巷道的两角部,同样应力值大于不耦合支护下的应力值。图17 不耦合支护下的x应力图 图18 锚网耦合支护下的x应力图图19 不耦合支护下的y应力图 图20 锚网耦合支护下的y应力图图21 不耦合支护下的xy应力图 图22 锚网耦合支护下的xy应力图由图21与图22的xy应力分布对比可以看出,不耦合支护下的剪应力在巷道的两角部和顶部的两边较为集中,而锚网耦合支护下的剪应力主要出现在支护体内,分布较为均匀。图23 不耦合支护下的巷道围岩变形图 图24 锚网耦合支护下的巷道围岩变形图图23、图24为不耦合支护与锚网耦合支护下的岩体变形图,从图中看出:锚网耦合支护下的岩体变形明显小于不耦合支护下的岩体变形,同时,巷道整体变形也更均匀。3.2.3锚索关键部位耦合支护原理锚索关键部位耦合支护就是根据位移反分析原理,确定支护系统二次组合支护的最佳时间(段),在关键部位实施支护体和围岩的再次组合,最大限度地发挥围岩的自承能力,从而使支护体的支护抗力降到最小。图25 无锚索时xy应力图 图26 施加锚索后xy应力图图27 无锚索时y应力图 图28 施加锚索后y应力图图25和图26所示的是在均质围岩条件下有、无锚索加固模拟计算结果。由图25可以看出,没有锚索支护时,直墙半圆拱巷道周围形成“双耳”应力集中关键部位,常常造成巷道两边剪坏;在应力集中关键点上施工锚索(图26)后,浅部围岩剪应力集中程度明显减小,深部岩体的剪应力水平显著增加,表明调动了深部岩体强度,控制了浅部岩体的稳定性。由图27可以看出,无锚索支护时,巷道拱顶应力集中程度较高;施加锚索后(图28),应力集中程度大幅度降低,同时使深部围岩岩体y发生集中。通过比较可以看出,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。3.3支护原则煤岩工程支护可以概括为以下四条:工程设计优化原则、工程问题具体分析原则、工程支护过程原则、工程支护加固范围原则。3.3.1工程设计优化原则煤岩巷道工程支护应首先遵循工程优化原则,该原则包括:(1) 巷道方向优化原则对于工程地质复杂的矿井,构造应力场明显的矿井,在决定井巷方向时避免将过多井巷垂直于较大的应力方向,以免井巷失稳、受到破坏,必要时改变开采工艺。(2) 巷道空间位置优化原则煤岩矿井所处的地层并非所有都软,应尽量选择软中之硬者,将主要巷道掘凿在其中,以期
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