巷道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù).ppt

巷道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù) 巷道支護(hù)理論是巷道支護(hù)選擇與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵之一 主要解答不同類型巷道支護(hù) 加固 的對象 圍巖穩(wěn)定條件 支護(hù) 加固 與圍巖相互作用的機(jī)制 各種支護(hù) 加固 技術(shù)優(yōu)化選擇設(shè)計(jì)方法等根本性問題 其正確與否和完善與否直接關(guān)系到井巷工程的經(jīng)濟(jì)性 可靠性和安全性 所以 長期以來支護(hù)理論一直是采礦技術(shù)領(lǐng)域研究的一個(gè)重點(diǎn) 煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù) 砌碹支護(hù) 型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長發(fā)展過程 多年來國內(nèi)外的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明 錨桿支護(hù)是煤礦巷道經(jīng)濟(jì) 有效的支護(hù)技術(shù) 煤礦錨桿支護(hù)的發(fā)展 使礦井的噸煤成本和巷道的支護(hù)成本顯著降低 巷道推進(jìn)速度有了很大的提高 支護(hù)質(zhì)量和安全條件得到了很大的改善 錨桿支護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程 它涉及到設(shè)計(jì) 施工 支護(hù)材料 實(shí)測技術(shù)手段等各個(gè)方面 但是都依賴于對錨桿支護(hù)機(jī)理有一個(gè)正確的認(rèn)識 國內(nèi)外學(xué)者在煤礦巷道錨桿支護(hù)機(jī)理方面也做了大量工作 提出了多種支護(hù)理論 在實(shí)際應(yīng)用中也解決了不少問題 但是由于煤礦巷道地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性 導(dǎo)致對錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識還缺乏全面 系統(tǒng)性 缺乏細(xì)化的 深入的試驗(yàn)研究 因而難以在工程中真正得到實(shí)際的應(yīng)用 因此 深化了對錨桿支護(hù)作用本質(zhì)的認(rèn)識 進(jìn)而指導(dǎo)和促進(jìn)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 本課題將錨桿支護(hù)作用機(jī)理與巷道圍巖的變形破壞方式結(jié)合起來 在大量理論分析 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 數(shù)值模擬以及井下試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上 對錨桿支護(hù)作用機(jī)理作進(jìn)一步的解釋和完善 四 巷道支護(hù)理論學(xué)說 三 巷道支護(hù)機(jī)理 懸吊理論 該理論認(rèn)為 錨桿支護(hù)的作用就是將巷道頂板較軟巖層懸吊在上部較穩(wěn)定的巖層上 以增強(qiáng)較軟弱巖層的穩(wěn)定性 它所依據(jù)的是這樣一種認(rèn)識 井下巷道開挖后 巷道上方的巖層會發(fā)生彎曲下沉 如果不及時(shí)進(jìn)行支護(hù) 層狀直接頂會與老頂發(fā)生分離并會發(fā)生冒落 在這種情況下 頂板錨桿通過其張力將直接頂 釘 在具有自承能力的老頂上 錨桿需要承受被懸吊巖層的自重 雖然懸吊理論直觀地揭示了錨桿的懸吊作用 但在分析過程中不考慮圍巖的自承能力 而且將被錨固體與原巖體分開 這與實(shí)際情況有一定差距 如果頂板中沒有堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層或頂板軟弱層較厚 圍巖破碎區(qū)范圍較大 無法將錨桿錨固到上面堅(jiān)硬巖層或者未松動(dòng)巖層上 懸吊理論便不適用 三 巷道支護(hù)機(jī)理 組合梁理論 該理論認(rèn)為 在層狀巖體中開挖巷道 當(dāng)頂板在一定范圍內(nèi)不存在堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層時(shí) 錨桿的懸吊作用居次要地位 如果頂板巖層中存在若干分層 頂板錨桿的作用將表現(xiàn)在兩方面 一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力 防止巖石沿層面滑動(dòng) 避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象 另一方面 錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度 阻止巖層間的水平錯(cuò)動(dòng) 從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層 即組合巖梁 組合梁理論是對錨桿將頂板巖層鎖緊成較厚巖層的解釋 在分析中 將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開 與實(shí)際情況有一定差距 而且隨著圍巖條件的變化 在頂板較破碎 連續(xù)性受到破壞時(shí) 組合梁也就不存在了 組合梁理論只使用于層狀頂板錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì) 對于巷道兩幫則不適用 三 巷道支護(hù)機(jī)理 組合拱理論 該理論認(rèn)為 在拱形巷道圍巖的破碎區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí) 在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力 當(dāng)沿巷道周邊布置錨桿群 只要錨桿間距足夠小 各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體相互交錯(cuò) 就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶 即承壓拱 亦稱組合拱或壓縮拱 這個(gè)承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向載荷 在承壓拱內(nèi)的巖石徑向以及切向均受壓 處于三向應(yīng)力狀態(tài) 其圍巖強(qiáng)度得到提高 支撐能力也相應(yīng)加大 因此 錨桿支護(hù)的關(guān)鍵在于獲取較大的承壓拱厚度和較高的強(qiáng)度 其厚度越大 越有利于圍巖的穩(wěn)定和支承能力的提高 組合拱理論在一定程度上揭示了錨桿支護(hù)的作用機(jī)理 但在分析過程中沒有深入考慮圍巖 支護(hù)的相互作用 只是將各支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大支護(hù)力簡單相加 從而得到復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)總的最大支護(hù)力 缺乏對被加固巖體本身力學(xué)行為的進(jìn)一步分析探討 計(jì)算也與實(shí)際情況存在一定差距 一般不能作為準(zhǔn)確的定量設(shè)計(jì) 但可作為錨桿加固設(shè)計(jì)和施工的重要參考 三 巷道支護(hù)機(jī)理 圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論 中國礦業(yè)大學(xué)候朝炯教授等在已有研究的基礎(chǔ)上 提出巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論 該理論基本內(nèi)容如下 1 錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)時(shí)錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固拱 形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu) 2 錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù) 如彈性模量 粘聚力 以及內(nèi)摩擦角等參數(shù) 改善被錨固巖體的力學(xué)性能 3 巷道圍巖存在破碎區(qū) 塑性區(qū)以及彈性區(qū) 錨桿錨固區(qū)內(nèi)巖體的峰值強(qiáng)度 峰后強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均能得到強(qiáng)化 4 錨桿支護(hù)可以改變圍巖應(yīng)力狀態(tài) 增加圍壓 并且提高圍巖承載能力 改善巷道支護(hù)狀況 5 圍巖錨固體強(qiáng)度提高后 可減小巷道周圍的破碎區(qū) 塑性區(qū)范圍和巷道表面位移 控制圍巖破碎區(qū) 塑性區(qū)的發(fā)展 從而有利于巷道圍巖的穩(wěn)定 圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論強(qiáng)調(diào)巷道松散圍巖的峰后特性 及錨桿對峰后強(qiáng)度圍巖的力學(xué)性能的改善作用 它揭示了錨桿支護(hù)對提高圍巖峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的作用 三 巷道支護(hù)機(jī)理 剛性梁理論 我國留美學(xué)者郭松等總結(jié)煤巷高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的應(yīng)用情況提出剛性梁理論 該理論的要點(diǎn)在于通過錨桿及時(shí)提供的很高的預(yù)應(yīng)力來形成剛性頂板 剛性頂板本身形成一個(gè)壓力自撐結(jié)構(gòu) 即剛性梁 充分利用水平應(yīng)力來維護(hù)頂板穩(wěn)定性 同時(shí)減緩兩幫圍巖的應(yīng)力集中和巖體破壞 進(jìn)而從根本上維持圍巖穩(wěn)定 剛性梁理論認(rèn)為通過加大錨桿的預(yù)緊力可以相應(yīng)地減小所用的錨桿長度 因而這種理論推出開始曾經(jīng)對生產(chǎn)現(xiàn)場有很強(qiáng)的吸引力 但是 這種理論的基本原理目前仍有很大爭議 國內(nèi)按照這種理論在礦區(qū)巷道進(jìn)行的有限嘗試也因巷道發(fā)生多起冒頂以失敗而告終 三 巷道支護(hù)機(jī)理 錨固平衡拱理論 該理論認(rèn)為 錨桿支護(hù)對于提高圍巖 特別是松散圍巖 自身的最大承載能力沒有明顯效果 但當(dāng)圍巖產(chǎn)生塑性破壞后 對提高圍巖的殘余強(qiáng)度及承載能力有顯著效果 錨桿與其錨固范圍內(nèi)的煤體構(gòu)成一種組合型的錨固支護(hù)體 在錨桿的約束與抗剪作用下 使塑性破壞后易于松動(dòng)的煤體或煤頂形成具有一定承載能力 并可適應(yīng)圍巖變形的平衡拱 從而提高了煤體的整體性 防止頂煤松散冒落 錨固平衡拱內(nèi)存在著關(guān)鍵承載環(huán) 對巷道頂板可起到有效的支承作用 全長錨固錨桿的作用就是通過對其錨固長度范圍內(nèi)的煤體提供軸向和橫向約束 可有效地阻止煤塊體之間的相互錯(cuò)動(dòng) 防止錨固體的松散變形 保持錨固體的整體性 從而提高頂煤的承載能力和穩(wěn)定性 該理論實(shí)質(zhì)上是圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論 組合梁理論和組合拱理論的組合 在一定程度上揭示了錨桿支護(hù)的作用機(jī)理 但是理論本身仍然過于籠統(tǒng)抽象 很難用于現(xiàn)場錨桿支護(hù)設(shè)計(jì) 三 巷道支護(hù)機(jī)理 最大水平應(yīng)力理論 最大水平應(yīng)力理論由澳大利亞學(xué)者蓋爾博士于八十年代后期提出 該理論認(rèn)為 巷道開挖引起應(yīng)力重新分布時(shí) 垂直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移 而水平應(yīng)力向頂 底板中轉(zhuǎn)移 所以 垂直應(yīng)力的影響主要顯現(xiàn)于兩幫 而水平應(yīng)力影響則主要顯現(xiàn)于頂 底板巖層 井下地應(yīng)力觀測表明 巖層中的水平應(yīng)力在很多情況下大于垂直應(yīng)力 而且水平應(yīng)力具有明顯的方向性 表現(xiàn)出以下特點(diǎn) 1 當(dāng)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向平行時(shí) 受水平應(yīng)力影響最小 對巷道頂 底板的穩(wěn)定最為有利 2 當(dāng)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向垂直時(shí) 受水平應(yīng)力影響最大 對巷道頂 底板的穩(wěn)定最為不利 3 當(dāng)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力以一定角度斜交時(shí) 巷道一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)