（矿业工程专业论文）山东七五煤矿巷道围岩稳定性分类与锚杆支护技术研究.pdf

东北大学工程硕士学位论文 山东七五煤矿巷道围岩稳定性分类与锚杆支护技术研究 摘要 与一般的地下工程相比，影响煤矿巷道围岩稳定的因素更为复杂，突出的问 题是采掘活动所产生的矿山压力的作用。在这种情况下，煤矿巷道支护设计不得 不更多地依赖巷道围岩稳定性分类系统。巷道围岩稳定性分类为巷道支护设计、 施工管理提供了科学的依据。 本文从理论上分析了影响巷道围岩稳定性的各主要因素及其相互作用关系， 基于巷道围岩稳定性分类的一般理论与方法，通过对典型巷道围岩变形破坏的地 质雷达探测，基本搞清了山东七五煤矿巷道围岩松动圈分布特点，为支护设计提 供了可靠的基础。地质雷达具有高分辨率、高采样率、高精度的无损连续中监测 的优点，可以实现重复扫描，并能原位检查测试结果按照围岩松动圈分类方法， 北1 采区1 1 1 集中皮带巷围岩为中松动圈稳定围岩，以采用悬吊理论设计的锚喷 支护最为合理；北1 下山平车场围岩为中一大松动圈稳定围岩，以采用悬吊理论 设计的锚喷支护最为合理；北i 集中轨道巷围岩为中松动圈稳定围岩，以采用悬 吊理论设计的锚喷支护最为合理。 依据巷道围岩松动圈锚杆支护机理，讨论了锚杆在大松动圈、中松动圈、小 松动圈围岩状态下的作用效果。小松动圈围岩状态下，松动圈厚度值小，围岩稳 定性好，而且松动圈内围岩的自重亦很小，只用喷射混凝土支护亦能保证工程的 安全，不必采用锚杆支护或其它普通支护形式。中松动圈围岩碎胀变形比较明显， 变形量较大，必须采用以锚杆为主体构件的锚喷支护方式。在大松动圈围岩巷道 中，围岩表现出软岩的工程特征，围岩松动圈碎胀变形量大，矿压显现较大，支 护难度大。因此，依据组合拱理论进行支护设计。 依据煤矿支护手册和巷道围岩结构稳定性与控制设计结合七五煤矿 巷道具体工程条件及围岩力学参数情况，进行锚杆支护参数设计。在山东七五煤 矿现场实施效果表明，所采用的锚杆支护形式及参数，在回采过程中简化了端头 支护，保证生产安全可靠，有利于工作面的快速推进，为高产高效生产创造了条 东北大学工程硕士学位论文摘要 件。较好地控制了巷道围岩的稳定性，与棚式支护相比，围岩变形量明显减小， 支护成本大幅度降低，其经济社会效益显著。 关键词稳定性分类巷道围岩松动圈锚杆支护悬吊理论组合梁组合拱 东北大学工程硕士学位论文a b s t r a c t s t a b i l i t y c l a s s i f i c a t i o no f s u r r o u n d i n g r o c ko f r o a d w a y a n d s t u d y o fb o l t s u p p o s i n gt e c h n o l o g y i n q i w uc o l l i e r ys h a n d o n g p r o v i n c e a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ho r d i n a r yu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a y i nc o l l i e r ya r em o l ec o m p l e x t h ep r o j e c t i n g p r o b l e m i sf u n c t i o no fr o c kp r e s s u r ea f f e c t e db ym i n i n ga n do p e n i n gi nc o l l i e r y i nt h i s s i t u a t i o n ，t h es u p p o r t i n gd e s i g no fr o a d w a yh a v et od e p e n do ns t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n s y s t e mo fs u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a yi nc o l l i e r y t h e s c i e n t i f i cb a s i so fr o a d w a y s u p p o r t i n gd e s i g n a n dw o r k i n gs u p e r v i s i n gi so f f e r e db ys t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o no f s u r r o u n d i n g r o c ko fr o a d w a y t h i sp a p e r a n a l y s e st h ev a r i o u sc h i e f f a c t o ra n da c t i o no ne a c ho t h e r , a f f e c t i n gt h e s t a b i l i t yo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k b a s i n go nt h eg e n e r a lm e t h o da n dt h e o r yo f s t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o no fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ，b ym e r n so f t h eg e o l o g i c a lr a d a r s u r v e yo f t h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r eo ft h et y p i c a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ，t h i s p a p e rm a k e s c l e a r m a i n l yt h e d i s t r i b u t e df e a t u r eo ft h ec o n c u s s i o nc i r c l eo ft h e s u r r o u n d i n g r o c ko f q i w uc o l l i e r yp r o v i d i n g t h er e l i a b l eb a s ef o rt h es u p p o r t i n g d e s i g n t h eg e o l o g i c a lr a d a rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e rr e s o l u t i o nr a d i o ，h i g h e r s a m p l i n gr a d i o ，h i g h e rp r e c i s i o na c c u r a c y a n dn o d a m a g e a n ds u c c e s s i o n m o n i t o r i n g a n di t c a ns c a n r e p e a t a n de x a m i n er e s u l to fs u r v e y i n g a c c o r d i n gt o c l a s s i f i c a t i o no ft h ec o n c u s s i o nc i r c l eo ft h es u r r o u n d i n gr o c k ，t h es u r r o u n d i n gr o c ko f n o r t h1 m i n i n ga r e a n o 1i1 g a t h e r i n g b e l tr o a d w a yi st h em i d d l ec o n c u s s i o nc i r c l ea n d b o l t i n gi s t h eb e s ts u p p o r t i n gi nt h el i g h to f b a n g i n gt h e o r y ：t h es u r r o u n d i n gr o c ko f n o r t hi m i n i n g a r e ad i pp l a t ey a r di st h em i d d l e - b i gc o n c u s s i o nc i r c l ea n db o l t i n ga n ds h o t c r e t el i n i n g i si t sb e s ts u p p o r t i n gi nt h el i g h to f b a n g i n gt h e o r y ；t h es u r r o u n d i n gr o c ko f n o r t h1 m i n i n ga r e ag a t h e r i n gr a i lr o a d w a yi st h em i d d l ec o n c u s s i o nc i r c l ea n db o l t i n ga n ds h o t c r e t e l i n i n gi si t sb e s ts u p p o r t i n gi nt h el i g h to f b a n g i n gt h e o r y 东北大学工程硕士学位论文a b s t r a c t i nt e r m so ft h e b o k s u p p o r t i n gm e c h a n i s mo ft h e c o n c u s s i o nc i r c l eo ft h e r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ee f f e c t i n gr e s u l to ft h eb o l ti nt h eb i g 、 m i d d l e 、s m a l lc o n c u s s i o nc i r c l eo ft h er o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k i nt h es i t u a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c ko f t h el i t t l ec o n c u s s i o nc i r c l e ，t h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c ki sg o o d a n d e x p a n s i o n i sl i t t l e t h u s s h o t c r e t i n g i si t s s u p p o r t i n g a n dn o t b o l t i n g t h e s u r r o u n d i n g r o c ko fm i d d l ec o n c u s s i o nc i r c l ed e f o r m a t i o ni s b i g a n db o l t i n ga n d s h o t c r e t el i n i n gi si t ss u p p o r t i n g i nt h eb i gc o n c u s s i o nc i r c l er o a d w a y ，t h es u r r o u n d i n g m c ki ss o f tr o c k a n do nt h eb a s i so f c o m b i n a t i o na r c hw ed e v i c ei t ss u p p o r t i n g a c c o r d i n gt o s u p p o r t i n g h a n d b o o ko fc o l l i e r y ”a n d “s t r u c t u r e s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a ya n dc o n t r o ld e s i g n ”，a n dc o m b i n i n gw i t he n g i n e e r i n g c o n d i t i o na n dm e c h a n i c sp a r a m e t e ro fs u r r o u n d i n gr o c k ，t h eb o l t i n gp a r a m e t e r sw e r e d e s i g n e d t h ee n f o r c e m e n ts h o w s t h a tt h es u p p o r t i n gs h a p ea n dp a r a m e t e ro ft h eb o l t u s e d ，f a i r l yc o n t r o lt h es t a b i l i t y o fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ，c o m p a r e dw i t ht h e 行a m e dt i m b e rs u p p o r t i n g ，t h ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c ko b v i o u s l yd e c r e a s e ， t h ec o s tf o rt h e s u p p o r t i n ge x t e r n a l l yr e d u c e s ，a c h i e v i n gr e m a r k a b l ee c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s s t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n ，t h ec o n c u s s i o nc i r c l eo f s u r r o u n d i n g r o c k ，t h eb o l ts u p p o r t i n g ，h a n g i n gt h e o r y , c o m p o u n db e a m ， g r o u pa r c h v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 ) 本人签名：、习智 日 期：和磷7 司f 莎臼 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国煤炭赋存条件十分复杂，煤矿绝大多数采用井下开采，巷道总量达 2 6 5 2 4 k m i ”。此外，煤炭工业每年掘进和维护的巷道近千万米。与一般的地下工程 相比，影响煤矿巷道围岩稳定的因素更为复杂，突出的问题是采掘活动所产生的 矿山压力的作用。由于采矿工程的作业地点常在地下几百米深处，作业地点的人 工支护主要为维护时间较短的临时结构物，而且采掘工作是不断稳定的，因而从 理论上确定各影响因素与巷道围岩稳定性的相互作用关系十分困难，在这种情况 下，煤矿巷道支护设计不得不更多地依赖巷道围岩稳定陛分类系统。巷道围岩稳 定性分类为巷道支护设计、施工管理提供了科学的依据。 山东七五煤矿于1 9 7 5 年建井，1 9 7 7 年正式投产，设计年产量2 0 万吨，1 9 8 8 年 改扩建成年产量6 0 万吨，2 0 0 0 年建成许楼井，年产量达9 0 万吨，七五井田和许 楼井田服务年限共计1 5 0 年。由于七五煤矿地质条件复杂，巷道支护一直依赖于 经验，多采用矿工钢、木棚等传统支护形式，维护效果差，材料消耗量大，工人 劳动强度高，通风阻力大，安全隐患多。经过观测分析，现有巷道大中分已发生 变形。自从九五计划以后，我国锚直支护理论已逐渐成熟，并且己在我国大部分 矿井推广，为满足安全生产要求，有必要对七五煤矿的巷道进行科学的围岩稳定 性分类，在此基础上确定不同类型巷道的合理支护形式，尽量选择技术经济效果 好的锚杆支护，该研究对七五煤矿提高劳动生产率和资源回收率，为生产现场提 供理论依据，也具有重要的现实意义。 1 2 巷道围岩稳定性分类的国内外发展状况 为了适应岩体工程设计、施工和管理工作的需要，几十年来国内外学者对工 程岩体的分级和分类进行大量的研究工作，提出了很多分级或分类方法。 1 2 1 国外代表性的巷道围岩稳定性分类研究概况 煤矿受采动影响的巷道约占巷道总长度的7 0 ，绝大多数巷道处于强度较低 的沉积岩中，它的稳定性除受本煤层采动影响外，还受邻近煤层的采动影响及煤 东北大学硕士学位论文第一章绪论 柱尺寸的影响，因而它具有不同于其它地下工程围岩分类的特殊性和复杂性。近 年来，世界上各主要采煤国家都相继将围岩稳定性分类的观点引入煤矿采准巷道 中，结合其矿压显现特点做了大量的工作，提出了适合各自国内具体条件的巷道 围岩稳定性分类和选择合理支护形式与支护参数的方法。 前西德埃森采矿研究中心的研究人员通过以现场矿山压力观测为主【2 】，结合室 内模拟试验和数学力学计算的“岩层控制系统”研究后认为，最能反映巷道围岩 稳定性的综合指标是巷道的围岩移近量，巷道的支护形式和施工方法必须与巷道 的围岩移近量相适应；认为影响回采巷道围岩移近率的主要因素是：煤层的埋藏 深度、巷道顶底板的岩层强度指数、回采煤层的厚度、巷旁充填指数和回采边界 的影响，并根据6 0 多条巷道的实测数据建立了前进式开采超前掘进条件的移近率 的回归公式。 根据预计的巷道围岩移近量可求得支护每立方米空间所需钢材的消费量，进 一步还可求出钢材消费量与支架间距、断面积之间的关系。在对巷道移近量估算 后，以移近率的大小为依据，选择合适的支护方式，并采取相应的减少巷道围岩 移近量的措施。 波兰煤矿采用围岩稳定性指数品进行分类【3 1 ，并且作为选择巷道支护和支护 参数的依据。波兰的研究者们认为影响围岩稳定性的主要因素有：围岩的有效强 度尼，( 用触探仪现场获取) 、埋深眠围岩应力集中系数七、巷道围岩的暴露系数 口和岩石的破坏系数b ，s g = r 矽的僧膏a 矽。 前苏联的采矿研究者们经过大量的现场矿压观测和模型试验【4 】，同样认为巷道 的围岩移近量是代表围岩稳定程度的综合指标，并且建立了用来预测围岩移近量 的公式。他们考虑的主要因素有：煤层倾角、巷道底板的抗压强度、直接顶岩石 的单向抗压强度、巷道埋深、平巷上部煤柱的宽度、直接顶厚度与采高的比值及 架采工作面的推进速度。在对回采巷道的移近量预计后，就可对不同开采条件下 的巷道状况进行预计。有根据地确定各种护巷方法适应的范围，从而可以选择合 理的断面形状、支架型式及可缩量的大小。 西班牙地质采矿研究院将巴顿( n b a r t o n ) 和比尼伍斯科( z t b i e n i a w s k i ) 的 地质力学分类观点运用于煤矿回采巷道围岩稳定性分类中【5 1 ，通过多元统计分析得 出了预计移近量的公式和选择巷道支架参数的方式。他们认为影响围岩稳定性的 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 主要因素是：支护密度、煤层厚度和岩层的节理状况，巷道围岩的移近量可用( 2 1 ) 式预计： k d = 3 8 4 5 5 6 3 3 m + 7 4 8 t c + 0 0 1 6 h 一1 8 4 d ；+ o 8 6 r 脚 ( 1 1 ) 式中茁。一以巷道初始高度百分比表示的巷道移近量： m 一煤层厚度； 死一巷道种类，根据岩石质量在1 5 之间变化： 日一巷道埋深； n 一支护密度( 每立方米空间支架钢材消耗量) ； r m r 一岩石的质量系数，与巴顿系数q 的关系如下： r u r = 1 0 5 3 l 。q + 4 1 8 3 ( 1 2 ) 他们同时得出了巷道围岩稳定性分类的综合指标参数i g m e 8 2 ，根据预计的巷 道围岩移近量和i g m e 8 2 对巷道的支护参数进行选择，并且作出巷道指标 i g m e 8 2 、支护密度协同巷道围岩移近量关系的睦线图，由此进行巷道支架参数 选择。 ，。k d = 4 2 6 1 4 一o 0 3 2 ( d 。) 一0 0 6 1 7 ( i g m e 8 2 ) ( 1 3 ) 前苏联札斯拉夫斯基等人对顿巴斯矿区深度为6 0 0 1 2 0 0 m 矿井中的5 6 个位 移测站实测资料进行回归分析，得到的巷道周边位移u 与掘进半径勘之比u r o 与 原岩垂直应力p 阿与岩石单轴抗压强度盯。z l l r h c r 。( 称为稳定性指数) 呈双直 线关系。当，盯， 0 2 5 o 3 0 时，位移量微小( u 2 0 0 m m ，巷道呈不稳定状态( 需全封闭支护) 。 1 2 2 我国巷道围岩稳定性分类研究的主要概况 1 9 8 7 年，我国制订了缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案6 1 ，确 定了选用巷道的顶板、底板和煤层的强度，巷道的埋深日，直接顶初次垮落步距三， 直接顶的厚度与采高的比值及护巷煤柱宽度z 等七个影响回采巷道围岩稳定性 的主要因素作为巷道围岩分类的指标，利用模糊聚类分析方法把回采巷道围岩分 成五类，并提出相应的支护技术。五种类别的标准样本即聚类中心见表1 1 。具体 分类见表1 2 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 每个指标酌聚类中心 t a b l e l 1c l u s t e rc e n t e ro f e v e r yi n d e x 另外，陆士良教授根据围岩变形量的大小和维护难易程度，将回采巷道分成 四类。我国一些矿区按照准备巷道的围岩性质，定性地划分巷道稳定性类别，以 作为本矿或本矿区工程类比法支护决策的依据。 表1 2 五类巷道所对应的围岩条件 t a b l e 1 2 s u r r o u n d i n g r o c kc o n d i t i o n sc o r r e s p o n d i n gf i v ec l a s s e sr o a d w a y 顶板 直接顶 顶底板 类稳定性 煤层坚固节理 初次垮 别程度 岩石 盯c | 岩石 o d性系数， 层理 落平均 移近 移近 步距 量 类型( m p a )类型( m p a )率( 呦 ( m ) ( m m ) 非常稳 砂岩 6 8 1 2 0 砂岩 i石灰岩( 平均) 0 粉砂岩 2 9 9 0中硬以上 不发 砂质泥 平均1 5 4 0 育 2 5 3 5 3 471 3 8 1 o 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 巷道围岩分类的主要方法 如图1 1 所示，目前国内外巷道围岩稳定性分类研究中所采用的主要方法可以 分为：经验分类法、数值分类法、经验与数值相结合分类法。分类指标有：单因 素指标、多因素指标、多因素复合指标。分类的性质有：定性分类的定量分类。 图1 1 巷道围岩稳定性分类研究的主要方法 f i g 1 - 1 m a i nm e t h o d o f s y s t e m a t i cs t u d yo f r o a d w a y s u r r o u n d i n g r o c ks t a b i l i t y 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 巷道支护设计的发展状况 作为一种天然形成的复杂地质体，巷道围岩从力学上看可能属于连续介质、 层状介质、块裂介质、群裂介质或松散介质，并相应地表现出刚性、弹性、塑性、 粘性、弹塑性、粘弹性、粘塑性等多种力学特性。显然，企图用一种理论来解决 现场遇到的不同岩性条件的巷道稳定性和支护问题是十分困难的。因此多年来在 巷道支护理论研究方面出现了多种多样的理论学派和计算方法。 在数学方法没有被引入巷道研究之前，只是应用工程类比法，到2 0 世纪初开 始应用材料力学和结构力学的分析方法，例如当时苏联学者所提出的极限跨度理 论及平衡拱理论，引进了梁和板以及结构力学中压力曲线方面的计算公式。从2 0 世纪3 0 年代起，弹性及塑性理论被引进到岩石力学中，于是在巷道基本理论中抛 弃了一些过去粗糙的简化和假定，采用了比较精确的力学模型，其代表有金尼克 的原岩应力公式、芬纳一塔罗勃公式及卡斯特纳公式等。4 0 年代以后，在巷道维 护的观念上产生了一个新的突破，这就是从“支架一围岩”相互作用的观点来研 究支架的支护作用和围岩的稳定性问题，认识到围岩不只是被动地接受支撑，而 且它本身也是一种天然的承载构件，在巷道支护中应尽可能地利用其自承能力。 在此理论启发下，一些新的支护形式如锚喷支护得以发展，进而出现柔性让压支 护、二次支护原理等。 6 0 年代以后，地下工程遇到的条件日趋复杂，基本理论得以进一步发展。粘 弹塑理论、流变学、非连续介质力学、块体力学、颗粒介质力学、复合材料力学 等均相继引入岩石力学，计算机的应用更是大大促进了这些理论在实际工程中的 推广应用。 在巷道理论研究发展的同时，计算手段和方法也有很大发展，这反过来又促 进了巷道基本理论的进一步发展和完善。解析法的特点是推导较严密、直观，其 最终导出的公式可显示出各参数的相互关系，所以至今仍有一定应用价值。近几 年应用了弹塑性、粘弹性等理论，而且对岩体考虑了应变软化等特性，使解析法 结果更趋于接近实际，但其应用的前提条件限制了它的普遍性。 电子计算机普及之后，数值分析法得以充分发展，成为解决巷道矿压及支护 问题的重要手段。但数值法结果的正确与否决定于所取的原始岩体力学参数及应 东北大学硕士学位论文第一章绪论 用状态。由于岩体的非均匀性和复杂的应力环境，这些原始资料的获取十分困难， 从而利用位移反演岩体力学参数及初始地应力的“位移反分析”法产生- y t ”。另外， 灰色系统决策论和优化论也在支护设计中得到了应用。目前应用较多的是有限元、 离教元、边界元方法。因为它们能考虑岩体介质的复杂特性，能模拟实际工程的 过程性及各阶段岩体的应力、应变发展变化，进行方案比较，因此成为辅助支护 决策的有力工具。 巷道围岩稳定性与支护设计经过多年的发展，其中影响较大、自成体系的主 要是新奥法，即新奥地利隧道施工法 2 1 。由奥地利学者l v r a b e e w i c z 教授总结前 人在隧道方面的大量实践经验后于1 9 6 4 年定名创立的。它既不是单纯的施工方法， 也不是单纯的支护方法，而是充分利用和调动巷道围岩强度与自身承载能力，按 岩石力学、围岩支护共同作用原理制定的一套地下工程设计、施工、支护、监测 新概念。从6 0 年代中期诞生以来，新奥地利在很多国家得以成功地应用。7 0 年代 被介绍到中国后，按该原理及要求组织的许多工程取得了良好的技术经济效果。 其次就是一些国家根据巷道围岩稳定性分类，提出各类别巷道的支护形式与参数， 采用工程类比法进行选择，如前述德国、波兰、前苏联、西班牙的巷道围岩分类 及我国回采巷道围岩稳定性分类方案、松动圈分类方案中都提供了建议的支护形 式与参数。还有的应用专家系统的方法进行巷道支护设计，如煤炭科学研究总院 北京开采所开发了回采巷道合理支护形式与参数选择专家系统。 然而尽管围岩分类工作的研究历史悠久，但是由于地质条件的复杂性，现在 众多的围岩分类方法都存在一定的问题，多数分类方法在实际处理、量化围岩强 度和地应力参数及其相互关系时，都不同程度地遇到了困难，尤其是未考虑或者 未能确切地考虑地应力因素，所以围岩分类问题至今未能很好地解决。 本世纪7 0 年代末期开始，以中国矿业大学董方庭教授为主的支护研究室，从 研究开巷后围岩的客观物理状态入手。做了大量的现场和实验室工作，在经过大 量工程验证的基础上，提出了围岩破裂过程中的岩石碎胀变形( 碎胀力) 是支护 的系数对象，并把在围岩中发展的这个破裂区定义为围岩松动圈。又在大量实测 松动圈的基础上，提出了以松动圈厚度为指标的巷道围岩分类方法，锚喷支护机 理和支护参数的确定方法。8 0 年代开始至今，这一分类方法先后在我国淮北、淮 南、潞安、晋城、平顶山、开滦、兖州、邯郸、辽源梅河e l 、阳泉、宁夏等十几 东北大学硕士学位论文第一章绪论 个矿区的各类围岩中进行了工业性试验。实践证明，松动圈围岩分类方法抓住了 支护的主要对象，其确定的支护形式及支护参数符合现场实际，经济可靠，取得 的技术经济效益与社会效益显著，并深受现场欢迎。 1 3 本课题主要研究内容及研究方法 为了完成本课题的研究，首先对山东七五煤矿的相关巷道的围岩变形与顶板 运动特征等进行调研，然后采用雷达探测、围岩变形和现场监测等方法，对七五 煤矿的北1 集中轨道巷和北1 采区1 1 1 集中皮带巷进行了系统的研究，具体研究内 容及研究方法如下： ( 1 ) 雷达实测围岩松动圈 为了实现对七五煤矿的围岩松动圈测试分类，采用目前国际最先进的由瑞典 生产的地质雷达，针对七五煤矿井下巷道类型，精心选择了七五煤矿3 条不同地 质、工程条件下典型巷道来进行围岩松动圈的测试工作。 地质雷达具有高分辨率、高采样率、高精度的无损连续中监测的优点，可以 实现重复扫描，并能原位检查测试结果。 ( 2 ) 围岩松动圈锚杆支护机理的理论分析 由于围岩松动圈厚度值大小不同，围岩碎胀变形量不同则要求锚杆提供的支 护力不同，锚杆支护作用机理也不同，因此，根据围岩松动圈锚喷支护理论将松 动圈分为从小松动圈、中松动圈和大松动圈三大类来阐明其支护机理，从而优化 锚喷支护参数。 ( 3 ) 现场监测研究 为了提高较研究成果的实用性，需要在七五矿具体条件下进行优化方案的现 场试验、监测工作，为方案合理性的验证、补充和修改提供依据。 东北大学硕士学位论文第二章巷道围岩稳定性分类的理论基础与一般方法 第二章巷道围岩稳定性分类的 理论基础与一般方法 巷道围岩稳定性分类的目的在于为巷道支护设计、施工、管理提供较科学的 依据。也就是说，对巷道围岩稳定性分类之后。基本上解决了定地质与技术条 件下，巷道围岩的稳定状况，所需要的支护强度，应选择的支护形式，主要支护 参数及应采取的措施等一系列有关巷道支护问题，从而大大提高巷道支护质量， 可以取得明显的社会效益和经济效益。 2 1 巷道围岩分类须满足的条件 围岩分类指标的不同有四种类型：一是单因素指标分类，如普氏分类，r q d 分类等，它使用方便、简单但有很大的局限性；二是多因素复合指标分类，如岩 体质量指标q 分类，我国军工系统的围岩分类等，它的优点除给出所考虑的各因 素单项指标外，还可以求出一个复合定量指标，但实际应用困难；三是多因素定 性指标和定量指标相结合的分类，如国际g b j 8 6 8 9 5 分类。但仍存在着复杂不易 执行等问题：四是考虑多因素的影响而用单一综合指标表示的分类方法，这种方 法要求单一综合指标数据测取容易、工具简单易操作使用方便。这种分类方法由 于其自身的优点，无疑是今后的发展方向。 巷道围岩的稳定程度，不仅取决于岩体强度性质r 咀，而且还取决于该巷道所 处位置的地应力p o 大小，巷道围岩稳定性分类必须考虑岩石强度及围岩应力两个 方面的因素，这一点已为大家所公认。但是，由于支护的对象并不是原始应力， 而是其通过围岩表现的变形力。这就有两个难点，一是原岩应力如何准确标定， 二是原岩应力作用于各类岩石后变形表现，如有水的影响则其难点更突出。 关于围岩分类方法的要求： ( 1 ) 分类指标要尽量简便 分类指标要尽量简便，以利于旌工中掌握应用，分类指标应当明确，并易于 在现场获得，如普氏分类法，用硬度系数f 值分类，虽然在岩石分类中存在着许多 问题，但是它仍是获得了广泛的应用，这是因为它把简便的抗压强度作为分类指 标，现场容易获得，指标定量便于人们理解和操作掌握。 东北大学硕士学位论文第二章巷道围岩稳定性分类的理论基础与一般方法 ( 2 ) 应避免多因素指标，尽量采用综合指标 有些用围岩的力学指标，膨胀性、地压、岩体结构等多因素指标进行分类， 因为各种指标的程度不同都可能成为软岩的特征，这种分类概念很难掌握，而且 不易简便地作出判断，因此尽量采用单一的综合指标。 ( 3 ) 应避免用地压绝对值 由于地应力的测试或获得比较困难。准确的地应力值更是难以获得，而目前 的测试手段和方法，误差很小，价格昂贵，不易于现场操作及推广。因此，在选 取围岩分类指标时应避免用地压绝对值。有些学者主张用r h 来代替地压绝对值， 但是围岩应力不总是地层自重的函数，如此代替有时会谬之千里。 2 2 围岩松动圈分类方法的理论依据 2 2 1 围岩松动圈的概念 在原岩中开挖巷道，破坏了围岩的原有应力平衡状态，使应力重新分布；一 是径向应力降低，周边处达到零；二是切向应力增加，产生切向应力集中。另一 方面，围岩受力状态，由三向变成了近似两向，岩石的强度下降了许多( 有水时 包括对岩石的软化) 。如果集中的应力值小于下降后的岩石强度，围岩处于弹塑性 状态，围岩自行稳定，不存在支护问题：如果相反，围岩将发生破裂，这种破裂 从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现 了一个破裂带。我们把这个由于应力作用产生的松驰破裂带称为围岩松动圈( 简 称松动圈) 。如图2 1 所示。 ，一。黼 皈 i 上；l 图2 1 理论分析松动圈示意图 f i g 2 i d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h e o r e t i c a la n a l y s i so f c o n c u s s i o nc i r c l e 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章巷道围岩稳定性分类的理论基础与一般方法 2 2 2 现场实测松动圈 长期以来现场对围岩松动圈的测试，都用围岩松动圈测定仪( 又名超声波 围岩裂隙探测仪) 较方便地观测得围岩松动圈值。 自7 0 年代末期至今各科研单位在现场作了难以计数的围岩松动圈测试工作， 取得了大量的数据。图2 2 为典型的松动圈声波测孔曲线。 图2 2 典型的松动圈声波测孔曲线 f i g 2 2 t y p i c a lc u l v eo f s o n i ch o l eo f c o n c u s s i o nc i r c l e 2 2 3 实验室研究情况 实验室模拟试验可以人为地控制试验条件，取得了所要的数据有现场研究不 可以比拟的优点。各科研单位进行了多项松动圈实验室相似模拟试验，取得了丰 富数据，图2 3 为解放军8 9 0 0 2 部队研究所在相似模拟试验台上所作的模拟试验的 照片，图2 4 为中国矿业大学在真三轴相似模拟试验台上所作模型的照片。 图2 3 相似模拟试验台上模拟试验照片 f i g 2 - 3 p h o t o so f s i m u l a t i o nt e s to nb e n c ho f s i m i l a r i t ys i m u l a t i o nt e s t 东北大学硕士学位论文$ - - 章巷道固岩稳定性分类的理论基础与一般方法 图2 4 真三轴试验松动圈照片 f i g 2 4 p h o t oo f c o n c u s s i o nc i r c l ei nt r u et r i a x i a lt e s t 两次试验的研究结果表明： ( 1 ) 围岩松动圈是原岩应力与岩石强度的函数； 当围岩强度一定时原岩应力越大，则松动圈l p 越大：当原岩应力一定时，围 岩强度越大则松动圈l p 越小。 ( 2 ) 现有支护条件下支护对松动圈的影响不大； ( 3 ) 松动圈l p 与巷道跨度( 3 7 米的范围内) 关系很小； ( 4 ) 巷道的收敛变形主要是围岩松动圈形成过程中的碎胀变形，而巷道支护 的主要对象是碎胀变形产生的碎胀力； ( 5 ) 松动圈越大，支护越困难。松动圈的大小，直接反映了支护难易程度。 实验室研究结果证踢用围岩松动圈这一综合指标作为围岩分类的指标是科学 合理的。 2 3 围岩松动圈形成的力学机制 2 3 1 全应力应变曲线及对应围岩的状态 如图2 5 所示，岩石三轴压缩全应力应变曲线，以b 点为界分成峰前区和峰后 区。在峰前区，曲线o a 段通常认为是弹性变形段。a 点为屈服点，( 一般是指应 力应变曲线上开始偏离线性段的) ，该点后，岩石开始产生不可恢复的永久变形， 东北大学硕士学位论文第二章巷道围岩稳定性分类的理论基础与一般方法 b 点为峰值应力点。试验及声发射研究表明，a b 段为岩石损伤变形段。岩石在整 个峰前区( b 点以前) 的变形主要是岩石材料本身的变形，试件内部微裂隙产生扩 展汇集，岩石出现宏观损伤。 图2 5 三轴压缩全应力应变曲线上的特征点 f i g 2 5 c h a r a c t e r i s t i cp o i n t so f s t r e s s - s t r a i nc h i v eo f t r u et r i a x i a lt e s t 全应力应变三轴压缩试验表明：b 点以前岩石的体积膨胀及剪胀力都很小，b 点过后体积应变( 体积膨胀) 及剪胀力迅速扩大，因此从工程角度可以认为b 点 为岩石宏观破裂点的起点，其对应于围岩松动圈的外边界。围岩松动圈内的岩体 为破裂岩体，其对应于全应力应变曲线的峰后区应力应变状态。 弹性变形区 损伤变形区 碎胀变形区 ( 松动圈) 图2 6 围岩分区示意图 f i g 2 6d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f s u r r o u n d i n gr o c ks e c t i o n 如图2 6 所示损伤变形区及弹性变形区对应于全应力应变曲线上的峰前 区，试验研究表明，该区变形量较小，体积应变表现为压应变。围岩松动圈( 碎 东北大学硕士学位论文第二章巷道围岩稳定性分类的理论基础与一般方法 胀变形区) 对应于全应力应变曲线上的峰后区，其变形量级大( 比峰前区大一个 数量级) ，并产生显著的体积膨胀。 大量的工业试验表明，在大松动圈软岩中开掘巷道，围岩的收敛变形在现有 条件下以数十数百毫米计，这样大的变形量不可能在围岩破裂前发生，面只能是 围岩破裂碎胀( 剪胀) 变形结果。 开巷后，当围岩应力超过围岩强度后，围岩产生破裂，进入峰后破裂状态又 称应变软化状态，产生围岩松动圈，由于围岩松动圈内为裂隙岩体其超声弹性纵 波速明显降低，利用这一特性可以测定围岩松动的边界。 2 3 2 围岩松动圈的性质 围岩松动圈的性质是围岩松动圈能作为综合分类指标的基础。围岩松动圈巷 道支护理论正是在对围岩松动圈性质深入研究的基础上产生的。 ( 1 ) 围岩松动圈的客观性及普遍性 围岩松动圈是开巷后巷道周边围岩客观存在着的物理状态，其对应于岩石全 应力应变曲线峰后阶段的岩石状态。且只有当围岩强度大于围岩的应力时， 巷道周边才不产生松动圈，此时称松动圈为零，巷道实际上不存在支护问题。 ( 2 ) 围岩松动圈的形状特性 根据实验，当围岩各向同性时，如垂直应力与水平应力相等时，松动圈为圆 形，否则为椭圆形，且椭圆形的长轴与最大主应力方向垂直，如图2 - 7 ，如果围岩 非同性，在岩石强度低的层位将产生较大的松动圈，如图2 8 。 i p l n i n f p 图2 7 均质围岩松动圈形状 f i g 2 7 c o n c u s s i o nc i r c l es h a p eo f h o m o g e n e o u ss u r r o u n d i n gr o c k 图2 8 非均质围岩松动圈形状 f i g 2 8 c o n c u s s i o nc i r c l es h a p eo f i n h o m o g e n e o u ss u r r o u n d i n gr o c k 东北大学硕士学位论文 第二章巷道围岩稳定性分类的理论基础与一般方法 ( 3 ) 围岩松动圈形成的时间性 随着围岩应力调整及其重新分布，围岩松动圈的发展、形成至最终稳定有一 时间过程。现场实测表明，松动圈的形成时间，小松动圈需要3 7 天，大松动圈 需要1 3 个月。巷道收敛变形量测表明，松动圈发展的时间与巷道收敛变形在时 间上是一致的。 ( 4 ) 围岩松动圈与支护的关系 现场实测表明，当松动圈l p = o 时，围岩只有弹塑性变形，如果围岩比较完整， 巷道可以不支护，当l p = o 4 0 c m 时，只须喷射混凝土就能有效维护巷道的稳定； 如松动圈l p = 1 3 0 1 5 0 c m ，一般常用的料石碹( 刚性) 支护就不适应了，如果l p 1 5 0 c m ，刚性支护已难以维护巷道的稳定。 上述现象表明，松动圈越大，收敛变形量越小，支护越困难。 2 3 3 巷道支护对象 巷道支护的对象是什么，不同的支护理论对此有着不同的认