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东北天学博士学位论文 高应力破裂岩体条件下锚网支护研究 摘要 摘要 小官庄铁矿矿体埋藏比较深矿体上部覆岩形成的自重应力幂i 构造虚力造成 巷邀地压大，矿岩软破，不具有承载能力，矿体的倾角较缓矿怵o t , 承载而积大， 空区跨度比较大。矿体上下盘矿岩边界不规整，矿体内峡层叠现1j 报不稳固。 通过对小官庄铁矿二采区一3 3 5 m 水平进路和联巷围岩的锚网喷支护情况进行现场 调查发现采准巷道围岩地压大、岩体破砰以及受采动影响造成巷道嘲老变形、 破坏严重。并对巷道地压显现机理、锚蚓喷支护理论和喷q , f t - 凝 ? 破坏进行力学 分析，进而提出采用铺网支护对巷道瞄岩进行支护，对锚刚支护作用机理进行研 究提出在高应力破裂岩体内采用锚网支护的可行性方案。结合，1 1 联巷圈岩的实 际情况，计算锚网支护力学参数，并应用快速拉格朗日有限元程序f l a c 对锚网支 护进行数值分柝，验证采用高强预应力锚网支护参数的合理。进行现场工业试 验，对锚网支护可靠性进行分析，现场j 二业试验发现锚悯支护效果明皿，能够满 足生产需要，并且其经济效益、社会效益显著。 ( 1 ) 通过现场地压显现调查( 包括锚网喷支护破坏情况、中深j l 变形情况、两 进路之间问柱破坏情况和巷道破坏模式) 及巷道围岩变形观测，发现巷道变形量 火，采用锚网喷支护巷道，围岩变形持续不停地增长，巷道变形时间效应十分明 显，围岩变形随时问延长而无收敛；在锚喷支护的巷道中，巷道同岩变形监测结 果表明，随时间变化，在围岩径阳交替出现拉、压应变区域；采场巷道周边应力 分布极不均匀，造成巷道主要破坏形式有以f 三类：两帮鼓张挤出：顶沉底鼓： 全断面收缩。在支承压力区地段，松破矿岩掘支十分困难，以致于炮孔变形严重， 影响锚杆安装与爆破装药。 ( 2 ) 借助东北大学岩石破裂与失稳研究中心的岩石破裂过程分析系统( r f p a 2 0 ) ， 刺小官庄铁矿无底柱分段崩落法的不同开挖顺序对巷道稳定性的影响，两进路之 问问柱的破坏机理以及巷道破坏模式进行数值分析，同时考虑岩石的蠕变特性， 研究蠕变岩体在不同jr 挖顺序时巷道围岩应力分布情况。随着不i 同水s v - 巷道开采 的进行，巷道周围的应力场也在不断地发生转移，在开始开挖地第一个水平行挖 的巷道的围岩破坏比较严重，随着其他巷道的逐步开挖，开始其应力在同一个水 平进行转移，但随着开挖的进行，其应力开始逐步向深部发生转移，导致两进路 之间的间柱出现应力集中，进而导致巷道及其围岩发生破坏。同时通过对两进路 东北大学博士学位论文 之间的问拄破坏模式进行研究，毖问柱的破霸：形式土：要是以剪胀破坏为土； ( 3 ) 对喷射混凝土的破坏机理进行力学分析，对砂浆锚杆作用机理与树脂锚押 的作用机理进行区别，研究了锚网支护的作用机理，以及锚网支护与嘲岩共同作 用机耻，提出在每庸力破裂岩体条件下，采j l j 无喷射混凝。卜支护作用的可行一 同时应1 ：t j 挑逾 t 格朗f f 有限元程序77 l c 列锚网支护怍用杌舜进j 了数值分忻以确 定锚网支护的可行性。 通过现场试验确定无喷射混凝土约实践可行性，井对锚网支护的r 0 靠性进 行分析；刈采动影响下巷道的围岩进行分类确定采用无n 贵射混缀1 ：支护j 、l 用范 围。 关键词：馏网支护喷射混凝上蠕变高应力破裂岩体数值模拟工业试 验 i 末北大学博士学位论文 a b s7 fr a c t o i lb o l t n e ts u p p o r tu n d e rh i g h f r a g m e n t i z e dr o c k m a s s c o n d i t i o n r e s e a r c h s t r e s s e da n d a b s t r a c t o r eb o d yo fx i r eg u m l z h u a n gi r o nn n n el r o b e dd e e p e rt h a no t h e ri r o n1 t l l n e s w h i c hi sb a r e l yf o u n di nc h i n e s em e t a l l i cm i n e t h eg r a v i t ys t r e s sa n dt e c t o n i cs 1 1 e s s c a u s et h eh i g hu n d e r g r o u n dp r e s s u r e ；t h eo r ea n di o c k l n l a s sa r ef 1 a g m e n t i z e da n ds o f t a n dh a v en ol o a d i n gc a p a c i t y t h et i l ta n g l eo f e l eb o d yi ss m a l l ，a n dt h el o a d i n ga r e ae l o r eb o d yi sv e r yb i g t h es p a no fg o a fi sm u c hl a g e r t h eb o u n d a r yo fo r eb o d ya n d r o c k m a s si sf i t e g u l m b o a n d a r yi nt o p w a l la n df o o t w a l ls w t o u n d i n gr o c kt h e r ea l cs o m a n ys a n d w i c h e s i nt h eo r eb o d y , a n dt h e s es a n d w i c h e sa f 传c lt h e s t a b i l i t y b y i n v e s t i g a t i n g a n ds t u d y i n gr o c k b o l t ，n e ta n d s p r o u t i n gc o n c r e t es u p p o r t i n gi n t h e r o a d w a y so ft h es e c o n dm i n i n gs e c t i o n ，a u t h o r sf o u n dh i g hs t r e s sa r o u n dr o a d w a y s ， l a r g ed i s t o r t i o na n df r a g m e n t i z e dr o c ku n d e rm i n i n gi n f l u e n c e ；t h el a wo fr o a d w a y g r o u n d sp r e s s u r e ，s u p p o r t i n gt h e o r yo fb o l t - n e t s p r o u t i n gs u p p o r tu n dm e c h a n i c a l a n a l y s i s0 nt h ed e s t r u c t i o no fs p r o u t i n g ；w ea p p l yt h eb o l t n e ts u p p o r tt om a i n t a i nt h e s t a b i l i t yo fr o a d w a yw es t u d i e dt h em e c h a n i c so fb o l t n e ts u p p o r ta n dg a v et h ed e s i g n o fb o l t n e ts u p p o r t b a s e do nt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o no fs h i t o u i l d i n gr o c k m a s sa tt h e4 1 c o m e c t i n gr o a d w a y , w ec a l c u l a t e dt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fb o l t n e ts u p p o r t ，a n d m - l a l y z e dt h ep o s s i b i l i t yo fh i g hs t r e n g t ha n dp r e s t r e s s e db o l t n e ts u p p o r t f r o mt h et e s t r e s u l t ，w ek n o wt h a tt h eb o l t n e ts u p p o r tc a na t t a i nt h er e q u f i e r n e n to fp r o d u c t i o n ；t h e e c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i ti sv e r yg o o d ， ( 1 ) b yi n v e s t i g a t i n gm a ds t u d y i n gu n d e r g r o u n dp r e s s u r er i n c l u d i n gt h ed e s t r u c t i o n o fr o c k b o l t - n e t s p r o u t i n gc o n c r e t es u p p o r t ，t h ed e f o r m a t i o no f b o r ea n dt h ef a i l u r em o d e o fr o a d w a y ) a n ds i l l 、, 7 e y i n gt h ed e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gi nt h es e c o n dm i n i n gs e c t i o n ， w ef o u n dt h ed e f o r m a t i o nd i sh a sa l s ot h et i m ee f 琵c tc h a r a c t e r i s t i ce t h er o a d w a y s u p p o r t e db yb o l t - s p r o u t n e ts u p p o r ts h o w sc o n t i n u o u sd e f o r m a t i o nw h i c hd e v e l o pw i t h t i m e ，a n dt h ed e f o r m a t i o no fr o c k r n a s sh a st h et i m ee f f e c tc h a r a c t e r i s t i c e s p e c i a l l y , t h e r e s u l to fd e f o r m a t i o ns u r v e y i n gt e s t i f y ：t h et e n s i l ea n dc o m p r e s s i v ea r e ao fr o c l , n n a s s w i l la l t e r n a t e l ya p p e a rw i t ht i m ee f f e c t t h ef a i l u r em o d e sh a v em a i n l yt h r e ek i n d s ： h e a v eo f t w os i d e s ，r o o fs i n k i n gm a df l o o rh e a v e ，t h ec r o s ss e c t i o ns h r i n k i n g ( 2 ) b ya p p l y i n gt h er f p a “w h i c hi sd e v e l o p e da tc r s ri nt h en o r t h e a s t e r n u n i v e r s i t y , w ea n a l y z e st h ed i f f e r e n te x c a v a t i o ns e q u e n c ei n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo f r o a d w a yb yp i l l a r l e s ss u b l e v e lc a v i n ge x t r a c t i o nd r i f tt om i n i n g t h ef a i l u r em e c h a n i c s o fp i l l a rb e t w e e nt w or o a d w a ya n dt h ef a i l u r em o d e sh a v e b e e nm o d e l e db y 东北大学博士学位论文a b s t p , a c q r f p a 2 0 c o n s i d e r i n gt h ec f c e pc h a r a c t e r i s t i c so fr o c k m a s s 7 es l u d i e d t h es t r e s s d i s t r i b u t i o no fc r e e pr o c k n l a s su n d e rd i f f e r e n te x c a v a t i o ns e q u e n c ec o n d i t i o n w i t ht h e e x c a v a t i o no fr o a d w a yi nt h ed i f f e r e n tl e v e l s ，t h es t r e s sf i e l do fs u r r o u n d i n gr o c k m a s s c 0 1 ) i n u e st os h i f t a f t e rt h ef i r s tl o a d w a yw a se x c a v a t e d ，t h ed e s t r u c t i o no f 5 1 1 1 3 o u n d i n g r o e k m a s si sv e r ys e v e r e l y i t ht l ：ee x c a v a t i o no fr o a d w a y , t h es d c s so fs u r r o u n d i n g r o c k m a s ss t a r t st ot r a n s f e rt od e e pr o c k m a s s w h i c hl e a d st ot h es t l e s s c o n ，e r g e n c eo n t h ep i l l a r t h es t r e s sc o n v e r g e n c eo nt h ep i l l a rl e a d st ot h ed e s ul t e l i o no fr o a d w a ya n d p i l l a r t h ed e s t r u c t i o nm o d eo fp i l l a rb e t w e e nt w om a d w a 3 一ss 1 1 。、sm a i n l yd i l a t i o n 舟i l u r e ( 3 ) t h em e c h a n i c a la n a l y s i so nd e s t r u c t i o nm e c h a n i c so fs u l o u t i n gh a sb e e ns t u d i e d a n dt h em e c h a n i s mo fs p o u t i n g b o l ta n dr e s i g n b o l th a dp a r t l yb e e nd o n e a tt h es a m e t i m e ，t h em e c h a n i s mo fb o l t 一1 1 e ls u p p o r ta ：l dt h ei n t e m c t i o n a lm e c h a n i s mo nb o l t - 1 1 e t s u p p o r ta n ds u n o u n d i n gr o c k a l l a s sh a v eb e e ns t u d i e d t h en u m e r i c a lm l a l y s i so i lt h e m c c h a n i s mo f b o r n e ts u p p o r th a sb e e nd o n eb ya p p l y i n gf l a c b a s e do f ft h o s e s t u d y i n g t 1 1 ec a n c e l i n gs p r o u t i n gs u p p o r ti sf e a s i b l eu n d e rh i g hs t r e s s e da n d f r a g m e n t i z e dr o c k m a s sc o n d i t i o n ， ( 4 ) t h ep r a c t i c a if e a s i b l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fb o l t - n e ts u p p o r th a sb e e na p p l i e di nt h e s c e u c e t h es u r r o u n d i n gr o c k m a s so f r o a d w a y b yu n d e r g r o u n dm i n i n gi sc l a s s i f i e d ，a n d t h ea p p l y i n gs c o p e so f b o l t - n e ts u p p o r ti se n s u r e d k e yw o r d s b o l t n e ts u p p o r t s p r o u t i n g c r e e pd e f o r m a i o nf r a g m e n t e dr o c k m a s s n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d u s t r i a lt e s t 独创性声明 本人声明所呈交 ； 勺学位论文是在导师的指导卜完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，小包含其他人己经发农或 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c 与我一同i 作的同忐对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了l 蝇确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名讶沥 t 日期：m 、7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北火学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以：降学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名 签字日期 查些查堂壁主芏堡笙查 苎二主竺丝 第一章绪论 1 1 研究背景 在天然状态下赋存的岩体，是由很多岩石组成，在岩体形成过程中，形成很 多分隔面、层理面，在地质变动过程中又产生很多节理、裂隙、断层等弱面。地 压活动是一种由围岩应力、围岩性质、地质构造控制的自然现象，在岩体中开挖 巷道以后，扰乱了地壳中的应力平衡，造成巷道围岩应力重新分布，巷道围岩承 受自重应力和构造应力作用，同时也在巷道周边形成二次应力场。围岩应力、围 岩强度和巷道支护是决定巷道围岩稳定性的三大因素。为此，巷道围岩破坏，需 要采取措施对巷道围岩进行维护，这就要对巷道围岩进行支护，以控制地压对巷 道围岩的破坏作用。 目前，国内外一些金属矿山，随着其开采深度增加、采动影响范围的不断加 大，加上复杂的工程地质条件及高应力、岩体破碎等不利因素影响，造成巷道垮 冒，严重影响了矿石的开采。而且深部巷道围岩表现出明显的碎胀蠕变特性，在 对巷道岩体进行节理构造、围岩性质以及岩石力学参数调查与试验的基础上，搞 清楚在深部开采高应力情况下，巷道围岩的各种力学指标以及节理裂隙发育程度， 对矿岩工程的维护至关重要。在此基础上，开展对深部开采高应力蠕变破裂岩体 条件下的巷道支护新技术研究，提出针对小管庄铁矿深部开采高应力蠕变破裂岩 体条件下锚杆支护的具体方案，有效地控制地巷道围岩的变形、破坏，为矿石开 采以及巷道自身的稳定提供保证。 开展对深部开采高应力破裂岩体条件下的巷道支护新技术研究，将解决目前 深部开采高应力破裂岩体条件下巷道围岩支护的问题，大大缓解支护给矿山生产 带来的困难。支护新技术研究指在一定的条件下取消喷射混凝土支护，将巷道支 护的直接费用降低，缓解主、副井提升压力，大大改善工人井下的施工环境。通 过新支护技术的引进、推广应用，提高深部开采高应力破碎岩体与受采动影响环 境下巷道的支护强度，提高支护质量，使二采区深部巷道在其服务年限范围内保 持稳定，减少投入生产后的巷道二次返修量，这对矿山生产来讲是具有重大实际 意义的。 查些苎兰量主兰垡垒查 1 2 地压研究现状 第一章绪论 采矿工业是基础工业，我国是世界上采矿最早的国家之一。明代末年出版的 天工开物一书中，已记述了矿山压力的危害性，欧洲国家对矿山压力的认识 开始于1 5 世纪。巷道地压在2 0 世纪二十年代以前，地压理论主要研究作用在支 护结构上的压力是其上覆岩层的重量徊。具有代表的海姆公式( h a i m - a ) 、朗金 ( r a n l d n e ，w j m ) 、金尼克( z 阻h n k ，a h ) 理论”3 和“压力拱假说”。其不同 之处在于，对地层水平压力的侧压系数有不同的理解。海姆认为岩层的侧压系数 为l ，朗金根据松散体理论认为是留2 ( 4 5 。一警，而金尼克根据弹性理论认为是 z j l 。其中，卢，妒和y 分别表示岩体的泊松比、内摩擦角和容重。随着岩体开挖 1 一 深度的不断增加，上述的压力理论不是很符合实际情况。又出现了散体压力理论。 散体理论认为：在较大深部开挖巷道时，作用在支架上压力，不完全是上覆岩层 的重量，而是巷道围岩塌落拱内的松动岩体重量，其代表性理论是普氏理论( 岩 石坚固性系数，) 和太沙基理论，但此理论没有能科学的确定塌落拱的高度及其 形成过程。轴变论“1 认为巷道塌落又自行稳定可以用弹性理论进行分析，围岩破坏 是由于应力超过岩体强度极限引起的。于学馥教授根据围岩变形、破坏与原岩体 应力、侧压系数和轴比密切相关，并提出了“等应力轴比”，“零应力轴比”，“拉 应力轴比”和“压应力轴比”与侧压系数的关系式，还有“围岩稳定性轴比”三 规律，从理论上论述了巷道方向、巷道轴比与原岩体应力的关系。二十世纪五十 年代后期开始有人引用弹塑性理论来研究巷道围岩稳定，典型的例子是计算圆形 巷道周围的应力分布，还进一步研究了岩体层理性影响。包括芬纳( f e n n e r ) 一塔 罗勃( t a l o b r e ，j ) 和卡斯特奈( k a s t e r ，h ) 公式就是这方面的代表例子。 与此同时，流变特性也开始着手进行了研究。损伤引进岩石力学以后，将岩石损 伤分为初始损伤、弹塑性损伤、疲劳损伤、蠕变时效损伤、动力损伤等”1 。其所研 究的主要内容是：建立岩体裂隙及其分布概率统计模型，如用m o n t e c a r l o 法模 拟裂隙分布；建立节理材料损伤本构关系；用有限元法计算岩体强度、变形，以 确定岩体的稳定性。1 9 6 9 年t r o l l o p e “1 提出了块体力学；1 9 7 6 年g o o d m a n 等。1 采 用赤平投影方法分析了岩体在弱面上的稳定性；在2 0 世纪7 0 年代由我国学者石 2 东北大学博士学位论文 第一章绪论 g o o d m a n 出版了块体理论及其在岩石工程中的应用 8 - 1 1 ，该理论主要有三个特 征：是一种有关岩石块体稳定状态的预报方法；用静力学对关键块体进行静态分 析：当岩体不稳定或者有运动趋势时进行几何分析。该理论的主要特点是在开挖 临空面找关键块体。1 9 8 7 年林德璋“”采用拓扑学中的协调论方法对岩体的块体进 行了研究。华安增“”等人利用计算机，将赤平极投影方法解析化，讨论了巷道周 围层状岩体的稳定、层状岩体的边坡稳定、层状岩体的移动等稳定问题。t r 斯 塔西和c l 佩吉“”根据长期从事岩土工程咨询的实践经验，讨论了岩石和岩体的 破坏准则和稳定性分析方法，给出了地下工程优化设计步骤。并围绕支护设计和 选型，讨论了主动与被动支护、矿柱分析与设计，以及地压的回填控制等大量理 论结果和经验公式。1 9 9 9 年姜福兴、谭云亮等人“6 1 提出了巷道围岩的动态工程分 类；于学馥教授根据压力的成因不同，将围岩压力分为松动围岩压力、变形围岩 压力、冲击围岩压力和膨胀围岩压力等四类“3 。 2 0 世纪5 0 年代以来，煤炭科学研究总院北京开采所的康红普“”在分析巷道围 岩应力分布特征的基础上，提出关键承载圈这一概念，探讨了圆形巷道在弹性和 弹塑性应力状态下关键承载圈的分布及其影响因素。郭文兵等人。”应用相似模拟 理论和光测弹性力学模拟实验方法，对煤矿软岩巷道围岩应力分布特点及位移特 征进行了模拟研究，得出了软岩巷道围岩在巷道有无封闭式支护情况下的应力分 布规律、应力集中程度及位移特征。武建军等人“利用光粘弹性实验方法模拟了 地下工程中圆截面巷道围岩及冻结壁的蠕变过程，给出了巷道围岩和冻结壁的应 力分布规律及随时间的变化规律，为地下工程的设计及预报提供了一种有效的实 验手段。 对地压研究目前还应用一些其它的软科学方法，首先有不确定分析法“1 ，主要 包括概率论与数理统计分析( 一次二阶矩法，m o n t o c a r l o 法和随机有限元等) ； 随机过程方法：模糊数学方法和灰色系统等。对地压进行系统分析方法，主要包 括：系统识别；信息论；控制论和突变理论等。目前，已经应用专家思维、判断、 分析和计算机软、硬件处理等的综合智能分析方法等。对巷道围岩进行分类的专 家系统，采矿方法咨询专家系统等。 3 东北大学博士学位论文第一章绪论 1 3 支护研究现状 巷道围岩控制的主要目的是控制巷道围岩的稳定性。巷道围岩的稳定主要取 决于围岩应力、围岩性质和围岩支护等因素。 针对深部开采巷道压力大、变形量大的特点，国外发展了一些深部开采巷道 的专门支护技术。概括起来主要有“：采用结构复杂的全封闭支护系统；锚喷网 联合支护系统；特种钢和加大型钢质量( 达4 4 k g m 甚至更大) ；采用硬石膏、水 泥砂浆、聚氨酯或其它建筑材料进行壁后充填。 1 3 1 锚杆支护发展过程 国内外矿山巷道支护技术总的来讲经历了从木支架向刚性金属支架、可缩性 金属支架，到锚杆支护发展的过程，其中u 型可缩性支架和锚杆被公认为是井下 支护技术上的两次重大突破，已经形成了包括各种料石碹、混凝土碹、喷射混凝 土梁网、桁架锚杆、锚索、锚注、高强度混凝土弧板支架等多种支护形式。1 9 1 2 年，艾尔弗雷登断希( a l f r e db u s c h ) 在阿伯旌莱辛( a b e r s c h l e s i n ) 的弗里登 斯( f r i e d e n s ) 煤矿开始使用锚杆支护顶板。1 9 1 5 1 9 2 0 年美国金属矿也开始使 用锚杆支护顶板啪1 。不过不管是受采动影响的采准巷道，还是不受或少受采动影 响的开拓巷道，最主要的支护还是u 型钢可缩性支架与锚杆支护( 包括塑料网、 金属网、喷射混凝土、w 钢带、钢筋梯子梁或桁架等的联合支护形式) ，特别值得 一提的是近年来国内锚杆支护在采准巷道应用正以较快的速度不断发展。为了更 有效地发挥支护的效果，在选择井巷各项参数时应科学地分析和预测各种因素， 这些因素的选择应服从于巷道围岩稳定和功能的原则。影响巷道围岩稳定性的因 素很多，但井巷一旦开挖就固化了许多因素，如围岩强度以及井巷的走向、断面 尺寸等，但要控制围岩的稳定性就必须认真研究支护，包括材料、支护方法、支 护类型等。 锚杆支护技术作为地下巷道和其它地下工程支护技术的一种主要形式，早在 4 0 年代，美国、前苏联就在开始使用。锚杆支护技术是井巷支护比较经济合理的 有效手段，在煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其它地下工程中迅速得到发展， 目前，据估计国内外各种各样的锚杆有数百种至多。 将几十年来世界锚杆支护发展过程分为五个阶段“”： 1 9 4 5 年- 1 9 5 0 年，机械式锚杆研究与应用； 4 查! ! 垄兰堡主茎堡丝查 1 9 5 0 年一1 9 6 0 年，采矿业广泛采用机械端头锚杆( 分为楔缝式、 楔式等) ，并开始对锚杆支护技术进行系统研究； 第一章绪论 涨壳式、倒 1 9 6 0 - 1 9 7 0 年，树脂锚杆推出并在矿山得到应用； 1 9 7 0 1 9 8 0 年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用。研究新的设计方法，长 锚索产生； 1 9 8 0 1 9 9 0 年以来，混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆得到应用， 树脂锚固剂材料得到改进。 树脂锚杆以其优越的锚固性能和简易的操作工艺逐渐占领了锚杆市场：砂浆 锚杆由于灌浆工艺复杂、凝固时间长、胶结难以保证；管缝式锚杆和水泥锚杆易 锈蚀且锚固力受到钢材和围松弛的影响，只能有条件地发展应用。此外，各种适 应于特殊开采条件的锚杆形式也得到发展，如适应可切割要求的玻璃纤维锚杆、 锚索等。 国内锚杆支护应用十分广泛，但仍然局限于围岩弱稳定的巷道，并且比较重 视围岩分类的研究，以此作为巷道支护选择的依据。目前也在开展采深大、岩体 质量差等地质条件下的锚杆支护问题的研究。 国外锚杆支护的发展方向为：提高锚杆的锚固力，并使其得到充分发挥、扩 大锚杆支护应用范围，提高锚杆支护效果。我国锚杆支护始于5 0 年代，在铁路隧 道、矿山、水利、人防各部门都获得应用。经过几十年的探索，取得了很大进展。 支护形式有多种组合形式，主要有：钢拱架支护，u 型钢支护，喷射混凝土支护， 锚杆支护，喷锚支护，锚网支护，锚喷网支护和网壳支护等。 1 3 2 锚杆支护理论研究现状 早在4 0 代开始，美国和前苏联就已在地下矿山巷道使用了锚杆支护，以后在 煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其它地下工程中迅速地得到了发展。与此同时， 对锚杆支护作用机理作了广泛的研究，提出了多达十几种的锚杆支护理论。工程 应用方面，在国外，一些国家的煤巷支护几乎全部采用锚杆支护；在国内，地下 矿山锚杆支护的比重也在逐渐提高，有些矿山的支护已经基本上完全采用锚杆支 护。从目前国内外对锚杆支护的发展情况来看，锚杆支护的机理比较多，但总结 起来主要有：悬吊理论、组合粱理论、组合拱理论、楔固理论等；近年来，澳大 利亚学者盖尔( w j g a l e ) 提出了最大水平应力理论。新奥法是由奥地利学者v 拉布希维兹( l v r a b c e w i c z ) 教授o 。2 4 1 总结前人在隧道方面大量实践经验后于1 9 6 4 5 东北大学博士学位论文第一章绪论 年定名创立的。新奥法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完整的地下工程设计、施工、支护、监测 新概念。其主要特征是：保持和调动围岩的强度，充分利用围岩自身的承载能力； 运用围岩一支护共同作用原理、岩体的动态性质和岩体蠕变发展规律，提出两次 支护概念：将监测作为地下工程施工工作内容的重要组成部分，对围岩位移及支 护受力状态始终进行支护；应用中具有多面性和灵活性。 在我国锚杆支护理论研究方面，目前已建立起来了解析法和数值法，考虑了 锚杆与围岩之间的相互作用，并且建立锚杆支护设计所需要的简化公式和算法， 具有一定的操作性。但针对深部开采地应力较大的情况，开展对围岩变形、破坏 及支护方式的分析和研究还不深入。 喷射混凝土支护是五十年代初期国际上发展起来的一种新型支护形式“。近 几十年来，喷射混凝土支护与锚秆支护相结合的锚喷支护得到了很大的发展。自 从喷射混凝土支护引入我国以来。“”，已经在冶金、煤炭、铁路、公路、电力和国 防等工程中得到了广泛的推广与应用。喷射混凝土支护改变了支架被动受压的状 况，主动、及时地对岩层进行加固，充分地利用和加强围岩的自身支撑作用；喷 射混凝士还能及时封闭围岩，防止围岩风化，从而保证巷道围岩稳定。当喷射混 凝土与锚杆配食使用时，锚杼、喷射混凝土互相取长孙短加固围岩，与围岩共同 作用构成一个统一的承载结构。喷锚支护在一些大型硐室及不良地质岩层中其优 越性非常显著。采用喷锚支护在减少工程开挖量、提高工效、降低工程造价、增 加安全等方面显示了许多优越性。但喷射混凝土属脆性材料，抗拉强度较低，这 是它在使用中存在的一个问题。在受采动影响比较严重的巷道中及放矿漏斗口附 近等围岩应力经常发生改变，致使混凝土破坏比较严重。另一方面爆破质量控制 不良的巷道不规则的断面形状可能引趣树砌中高应力集中，从而弓l 起喷层开裂和 承载能力显著降低。工程应用方面，在国外，一些国家的煤巷支护几乎全部采用 锚轷支护：在国内，地下矿山锚杼支护的比重也在逐渐提赢，有些矿山的支护已 经基本上采用锚杆支护。国内外学者对锚杆支护的理论与实践工作做了大量工作， 促进了锚杼支护技术不断发展和日益成熟。尽管人们对锚杆支护工作的理论与实 践研究进行了大量的研究工作，但是目前锚杆支护的巷道仍然存在着许多问题。 采场支护是指在回采过程中对采场或者采准巷道顶板、围岩进行加固作业， 以保证回采的正常进行。反映锚杆锚固力的主要指标初锚力、锚杆体系刚度、 6 东北大学博士学位论文 第一章绪论 工作锚固力及残余锚固力。要深入研究锚杆的力学机理，必须掌握锚杆支护巷道 的周边位移与岩体深处位移的规律，采场支护与采矿方法和回采方案密切相关。 p e n gs s 提出软岩巷道锚杆支护的设计方法，并认为软岩矩形巷道顶板有三 种破坏形式；加拿大学者i n d r a r a t n a 和k a i s e r 采用模拟试验，分析了全长锚杆 与围岩的相互作用，建立了全长锚固锚杆的分析设计模型：l a b i o u s 研究了锚杆 支护的全部过程，提出锚杆锚固过程的五种受力状态，并建立了“收敛一约束” 的锚杆支护设计的数值模拟法。 郑雨天教授伽总结我国锚杆支护分为三个阶段，即：单体锚杆群阶段；组合 锚杆阶段；预应力锚杆体系阶段。王明恕教授根据锚杆锚固后静态锚杆的静力平 衡关系，提出锚杆体表面的剪应力方向不可能一致，存在剪应力为零的中性点。 并在岩体性质、均布荷载、圆形巷道的假设下，利用弹塑性理论推导出锚杆上剪 应力分布，并给出了中性点位置计算公式。孙学毅根据2 0 世纪7 0 年代我国对砂 浆锚杆轴向力研究的丰富实测资料，提出了砂浆锚杆的力学模型。 1 3 3 支护技术方面 小官庄铁矿在过去几十年的生产建设中，在对巷道围岩稳定性控制过程中， 使用过木棚支护、预制混凝土块支护、现浇混凝土支护、锚网喷支护和u 型钢拱 架支护等支护形式。国内外的实践表明：锚杆支护是对碎胀蠕变岩体最有效、最 经济的支护方式。锚网喷支护、等技术在国内外已达到较高水平，小官庄铁矿多 年的生产积累了大量宝贵的成功经验。 锚网喷支护是锚杆支护中使用最广泛的一种支护形式，在一些矿山巷道中， 锚网喷支护作为永久支护形式，但是在其它工程中，锚网喷支护仅仅是作为一种 临时支护形式，而被广泛应用，起到了非常重要的作用。对于一些破碎的软岩来 讲，在高应力条件下，采用锚网喷支护不能维护巷道的稳定，常常出现片帮、冒 顶和底臌等破坏形式，因而对于此种软弱岩体，采用锚注支护对巷道围岩进行支 护。 1 3 4 喷射混凝土支护现状 自从新奥法引入我国以来，在矿山、铁路、公路和水利工程等得到了广泛的 推广与应用。“3 ，采用锚喷网支护确实解决了很多工程的稳定性问题。但是在小 7 东北大学博士学位论文 第一章绪论 官庄铁矿通过现场调查，发现喷射混凝土存在以下问题：( 1 ) 受采动影响其阶段水 平巷道的地压大，岩体破碎。喷射混凝土属于脆性材料，巷道来压后，喷射混擞 土不承受拉应力，造成喷射混凝土发生拉破坏，而喷射混凝土一旦发生破坏，不 能对巷道围岩的稳定起到作用；( z ) 喷射混凝土施工工序复杂，造成其支护速度慢， 影响巷道的掘进速度；( 3 ) 喷射混凝土回弹率高，高达3 0 以上：( 4 ) 喷射混凝土施工 过程灰尘特别大，影响工人的身体健康；( 5 ) 喷层厚度难以控制，质量检测困难： ( 6 ) 巷道开挖以后马上就喷射混凝土，造成事故隐患严重；( 7 ) 由于采用喷射混凝土 支护，其运搬数量非常巨大，造成其副井及巷道运输繁忙。 1 4 研究主要内容 通过对小官庄铁矿二采区进路和联巷围岩的锚喷网支护情况进行现场调查， 发现由于其巷道围岩地压大、岩体破碎以及受采动影响造成巷道围岩变形、破坏 严重。并从支护理论、喷射混凝土破坏力学分析以及喷射混凝土存在地问题，进 而提出采用锚网支护的可行性。为此取消喷射混凝土支护，对巷道的支护形式进 行了重新设计，采用高强预应力锚网支护。现场试验发现锚网支护效果明显，满 足生产需要，并且其经济效益、社会效益显著。本论文研究的主要内容： ( 1 ) 通过现场地压显现调查( 包括锚网喷支护破坏情况、中深孔变形情况、巷 道的破坏模式) 及巷道围岩变形观测，总结小官庄铁矿巷道变形、破坏规律，总 结全矿的地压分布规律，特别是掌握采动影响下巷道的地压情况进行分析； ( 2 ) 借助东北大学岩石破裂与失稳研究中心的岩石破裂过程分析系统( r f p a 。) ， 对小官庄铁矿无底柱分段崩落法的不同开挖顺序对巷道稳定性的影响，两进路之 间间柱的破坏机理以及巷道破坏模式进行数值分析，同时考虑岩石的蠕变特性， 研究蠕变岩体在开挖时巷道围岩应力分布情况，从而掌握地压分布规律； ( 3 ) 对喷射混凝土的破坏原因进行分析，对砂浆锚杆作用机理与树脂锚杆的作 用机理进行区别，研究锚网支护的作用机理，以及锚网支护与围岩共同作用机理， 探讨在高应力破裂岩体条件下，采用无喷射混凝土支护作用的可行性：同时将应 用f l a c 对锚网支护作用机理进行数值分析，以确定锚网支护的可行性。 ( 4 ) 通过现场试验确定无喷射混凝土的实践可行性，开展对锚网支护的可靠性 进行分析；并对采动影响下巷道的围岩进行分类，确定采用无喷射混凝土的围岩 应用范围。 8 东北大学博士学位论文 第二章小官庄铁矿地压显现调查及监测 第二章小官庄铁矿地压显现调查及监测 本部分通过对小官庄铁矿- 3 3 7 m 水平巷道围岩破坏情况进行现场调研，对巷 道变形、破坏情况调查；同时利用监测仪器对巷道围岩变形进行观测，掌握巷道 地压分布情况，分析地压分布规律及巷道围岩破坏情况。 2 1 采场巷道围岩破坏情况调查 小官庄铁矿是采用无底柱分段崩落法开采的大型矿山，也是采场地压显现剧 烈的难采矿山之一。由于矿岩软弱破碎，地层压力大，采准巷道需要全部支护， 其中大部分巷道采用的是锚网喷支护( 表2 1 ) 。尽管如此，开采过程中仍有大量 巷道发生变形破坏，巷道的返修率比较高。为了掌握地压对巷道的破坏情况，选 取地压显现比较明显的地段进行调查，以小官庄铁矿的- 3 3 7 m 水平做为调查对象， 进行了整个调查( 此次调查巷道距离地表的深度为5 3 5 m ) ，其采准巷道的布置形式 见图2 1 。 2 1 1 巷道围岩破坏情况宏观调查 通过对e - 3 3 7 水平二采区的巷道围岩破坏情况进行现场调查( 表2 2 ) ，共调 查了e - 3 3 7 水平二采区5 6 条巷道( 破坏巷道条数与完好巷道的条数各为2 8 条) ， 调查巷道的总长度为11 6 8 4 m ，通过调查统计发现，所调查的巷道的破坏长度为 5 1 2 8 m ，占巷道的总长度的4 3 9 ；完好的巷道长度为6 5 5 6 m ，占巷道的总长度 的5 6 1 。 在所有的巷道中，采用一次支护巷道的长度为：5 7 2 9 m ，占支护巷道的总长 度的4 9 ；其中采用一次支护破坏巷道的长度为9 8 m ，占采用一次支护巷道长度的 1 7 1 ：采用二次支护巷道破坏的长度为4 2 6 5 m ，占支护巷道的总长度的3 6 5 ， 其中破坏的二次支护巷道的长度占所有二次支护巷道长度的7 1 6 。在所有破坏的 巷道中有4 条巷道发生孔位偏移。 2 1 1 1 通过现场调查，巷道破坏的主要形式( 图2 2 ) 为： ( 1 ) 片帮鼓裂：喷层开裂首先出现在巷道两帮，随着两帮变形的加大，网喷层 后面的围岩被挤压成碎块，并沿网喷层裂缝流出，使支护层后形成空腔；或者锚 喷层与两帮围岩闭合。随着两帮位移渐进发生，有是导致顶板发生垮冒。 ( 2 ) 剥层脱落； 东北大学博士学位论文 第二章小官庄铁矿地压显现调查及监测 表2 1 小官庄铁矿巷道支护等级袭 支护支护形式 支护参数应用条件 等级 i 级中长锚杆和短锚杆相结1 中长锚杆为全长胶结砂浆锚杆， 1 支撑压力带破碎软 合的锚网喷联合支护 长3 o m 。间排距为1 8 1 8 m 。弱矿岩中的联络巷 中长锚杆在喷射混凝土支护后施2 进路和联络巷交叉 工安装。短锚杆为钢筋弯勾砂浆 点前后5 m 处。 锚杆，长2 0 2 2 2 m ，锚杆间排 距为0 8 0 8 m 。 2