基于松动圈支护理论的巷道支护技术研究.ppt

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1、1松动圈理论巷道在开挖前，岩体处于三向应力平衡状态，开巷后围岩应力将发生两个显著变化；一个是巷道周边径向应力下降为零，围岩强度明显下降；二是围岩中出现应力集中现象，一般情况下集中系数大于2.如果集中应力小于岩体强度，那么围岩将处于弹塑性稳定状态；当应力超过围岩强度之后，巷道周边围岩将首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度取得三向应力平衡位置，此时围岩已过渡到破碎状态。我们将围岩中产生的这种松弛破碎带定义为围岩松动圈，简称松动圈，其力学特性表现为应力降低。,围岩松动圈巷道支护理论 核心：根据围岩中存在的松动破碎带的客观状态提出 对象：1.松动圈内围岩的碎涨变形 2.岩石的吸水膨胀变形 3.深

2、部围岩的部分弹塑性、扩容变形和松动围岩自 重 支护的作用：是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。松动圈支护理论认为：支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。,为了能够定量的回答这一问题，可以用伺服机对石灰岩、砂岩、泥岩以及煤作了如下的试验：试验将围岩(油压)限定在零值左右，作岩石的应力、应变全过程曲线。同时采集了全过程中油压和岩石体积的变化曲线。其中油压变化为岩石在受力的全过程中膨胀应力(碎胀力或称剪胀力)。,从各条曲线之间的相互关系能够可以看出什么呢？,拱型巷道破坏现象,受力与接触介质的荷载影响程度。,图中“轴向应力应变曲线”是一条常见的岩石特性曲线，随着轴向

3、应力不断增加达到峰值应力后，岩石内徽裂隙连通，丧失承载能力；在这个过程中岩石的“轴向应变体积应变”曲线也随着变化，其特点是岩石在峰值应力之前，即通常认为的弹性阶段，岩石体积应变呈负增长并且其量较小，当试块应力达到峰值后，体积应变呈较大斜率增长，也就是说当围岩破裂后形成松动圈的时候岩石将产生明显的体积增大(碎胀)。再看图中的“轴向应变剪胀力”曲线在峰值前剪胀力也同样在零坐标处变动，而峰值后则碎胀力迅速增长。这就是我们对大理岩、砂岩、泥岩以及煤试件试验的共同特点，即岩石只有在峰值应力后才有明显的体积增长，才会与周围的介质争夺空间。例如，泥岩在试验条件下，将以210 kNm2的膨胀力向外扩展。,能够

4、得到怎样的围岩松动圈支护理论认为呢？,围岩松动圈支护理论认为，开巷后围岩松动圈形成过程中的碎胀(剪胀)力是支护的最大荷载，它的主要内容有以下几点：,1)当围岩应力超过围岩强度时，围岩将产生弧形破裂带，称为围岩松动圈，其形状有圆形、椭圆形和异形(不均质围岩)三种。(2)围岩松动圈的形成有时间性，现场实测围岩在有控制的条件下，当L 150cm时，需13个月左右。如果发生片帮冒顶或卧底，它将以新的裸露面为零开始发展。（3）围岩松动圈支护理论认为。支护的最大荷载是围岩松动圈形成过程中的碎胀力。松动圈为零时是围岩可以自稳的条件。,（4）一般开巷后进行的支护(包括锚杆支护)，由于其迟后并与围岩有不可避免的

5、空间(架设空间)，该值大于围岩峰值应力前的变形量，因此一般支护不能有效地阻止围岩松动圈的发生和发展，不能在峰值前进入工作状态。现在用围岩与支护共同作用曲线来进一步说明这个问题，见图2。一般认为在横坐标ob段内为围岩的弹塑性变形区，支护的oa段为支护与围岩的架设空间，诸不知ob段对于刚性的岩石是一个小于毫米级的量，目前地下工程所施的支护都不可能在施工时达到这样的密贴程度，即使是密贴程度较高的锚杆支护(预应和锚索除外)，也由于锚杆的弹性变形量远远大于岩石而不能在a点与支护接触，并在这个区段产生支护力与变形曲线ae，因此这条曲线在实际工程中并不存在。所以认定支护力可以维护围岩保持在岩石峰值应力前是将

6、支护理想化了。只有待围岩产生松动圈后才可能产生足够的围岩变形量，才可能产生支护曲线d-f，。要证明这一说法，只需给oa 段标量就会发现问题。,3基于松动圈理论的围岩分类,地下工程围岩分类是将支护理论推向应用的重要一步，它应以支护理论为基础。公认的分类指标应包含有围岩性质、围岩应力及其它相关的参数，如水的影响程度等。将这些因素定量了，并且建立起它们之间的相互关系，然后才能综合地判定各种组合条件下支护的难度，即围岩类别。,分类方法,国内外有数不清的分类方法，各自按其对诸因素的理解定量，然后综合分类。其共同的难点是定量困难，综合更困难。例如，围岩应力及围岩强度这两个最重要的因素在定量问题上存在着争议

7、和具体技术问题。实际上即使正确的获得了这两个数据，将这两个资料综合起来也是个难题，因为目前还未能建立支护参数与围岩应力、围岩强度之间的数值关系。如果再引进水的影响、岩石夹层的影响、动压的影响等，难度就更大了。,理论依据,围岩松动圈支护理论分类是采用松动圈的值作为综合指标的分类方法。其理论依据有两点：1)围岩松动圈L 是围岩应力P和围岩强度R的函数，在 相似模拟试验条件下可用L=57.80 P/R-51.56表示。围 岩松动圈越大，破胀力(围岩体积变形)越大，支护越困难；2)围岩应力包括了工程的埋深、构造应力、动压应力 的影响，以及破岩方法、巷道跨度、形状等影响应力的因素。围岩强度包括了水的影响

8、，层解理及夹层等影响围岩强度 的因素。,理论依据,分类方法1985年,此表相关说明,1)围岩松动圈的设定。为了便于工程的实用，设定用超声波松动圈测试仪测得的测孔曲线的拐点为松动圈的值。它的测试结果与多点位移计相同。用于分类的为围岩稳定后的松动圈。由于支护对松动圈的影响较小因此不考虑测点支护的类别。考虑到影响因素较多，每个测站必须有610个可作判断的测孔。(2)巷道跨度对松动圈的影响。理论上跨度影响围岩应力的分布，但在相似模拟试验和现场对照测试中，发现跨度在37 m范围内，其它条件不变时，松动圈值变化不明显。关于这一现象一时找不到满意的理论解释，建议在实用中一般可以通用。,(3)地质构造明显地区

9、、巷道群密集地区由于应力变化较大，必须复测松动圈，不能沿用已有的分类表。(4)分类表主要依据锚喷支护系列而划分，各类相应地都有其确定参数和工艺的方法。,1.概念 开巷后变化：（1）巷道周边应力集中；（2）强度降低（超过则破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；结果：出现围岩松动圈。煤矿巷道普遍存在松动圈！,二、围岩松动圈基本观点,理论分析,物理模拟,现场实测,2.松动圈的性质,（1）松动圈的形状(最大水平主应力理论),（2）松动圈发展的时间性,松动圈是围岩应力大于围岩强度的产物。开巷后松动圈由小到大发展。具有时间效应。小松动圈的发展一般需要37天；大松动圈的发展一般需要2-3个月。,实测表明：,（

10、3）松动圈与支护难度关系,松动圈对支护的影响很大。这主要是由于松动圈的产生，使围岩破裂体积膨胀。,围岩松动圈与地应力、围岩强度密切相关，影响显著（2次模拟,赵矿）；松动圈与支护强度关系（阻力小，有间隙，滞后）；与尺寸关系（37米影响不显著）；断面形状关系;,（4）围岩松动圈性质,（1）煤矿巷道围岩松动圈普遍存在，碎胀变形是主要支护对象；（2）松动圈值与支护难度有定量关系；（3）据松动圈值进行围岩分类、锚杆支护参数设计。,综上所述：,三、围岩松动圈设计步骤,1.获得松动圈值2.松动圈分类法3.支护参数设计4.施工关键技术,问 题 一？如何获取松动圈厚度值?,（1）煤矿巷道松动圈普遍存在,（二）地

11、质雷达实测方法,（2）松动圈智能预测系统,松动圈预测系统设计及实现,问 题 二？如何确定松动圈碎胀变形力?,实测破裂圈厚2.74 m（支护500 mm厚混凝土）,支护破坏现象？原因是松动区（应力调整）发展过程。,（1）碎胀变形是支护主要对象,中国矿业大学设备（美国MTS公司的伺服机）,（1）碎胀变形是支护对象的实验研究,（粉砂岩）,（泥岩）,（煤）,（砂岩）,（大理岩）,峰值前弹塑性体积变形很小，约占515；峰值后？岩性不同，体积应变最大值不同。其序次（根据一般情况强度的不同）：大理岩 粉砂岩 砂岩 泥岩 煤,碎胀变形规律,问 题 三？如何依据松动圈值进行支护参数设计?,（1）锚杆支护设计方法

12、,小松动圈：喷射混凝土支护中松动圈：悬吊理论确定锚杆支护参数 大松动圈：采用组合拱确定锚喷(注)网支护形式:喷射混凝土、锚喷、锚网、锚喷网及锚注支护等。,松动圈支护参数设计方法,（1）小松动圈（松动圈厚度为0-40 cm）碎胀变形很小，支护主要是危岩重量，只用喷层支护即可。,按“冲切型”破坏验算喷层厚度 bG/(SRg)式中：b喷层厚度，m；G危石重量，N；S危石与混凝土接触面周长，m；Rg喷射混凝土的计算抗拉强度，由施工现场确定。,当按照上述公式计算出喷射混凝土的厚度小于50mm时，则为满足防止围岩风化的要求，对于喷射混凝土一般喷厚应大于50mm，考虑到地下工程的特殊性一般喷层厚度为8010

13、0mm。,（2）中松动圈（松动圈厚度40150cm）碎胀变形较小，由于锚杆可以穿过松动圈厚度，用悬吊原理设计锚喷支护。,以锚杆为锚喷支护的主体构件。由于围岩松动圈厚度小于常用锚杆长度，因此可采用锚杆悬吊作用机理来设计支护参数，锚杆支护的最大荷载，可用下式表示：P（支护力）Max松动圈形成的碎胀变形力，松动圈内岩石自重，弹塑性变形力 P（支护力）松动圈内岩石自重,LL1LpL2式中：L锚杆长度，mm；L1锚杆的外露长度，常取L150100mm；Lp围岩松动圈的值，mm；L2锚杆锚入弹塑性区的深度，一般为300400mm，围岩强度较小时取较大值，反之取较小值。,锚杆长度,锚杆间排距的确定 如果采用

14、等距离布置，每根锚杆所负担的岩体重量为其所承受的荷载，可按下式计算：QLpa2aQ/Lp式中：Q单根锚杆负担岩石重量，Kg；岩体的容重，Kg/m3；a锚杆的间排距。,喷层厚度的确定 喷层只起局部支护作用，即锚杆间的表面支护、控制锚杆间非锚固区危石的坠落以及防止围岩风化。由于上述按活石重量的计算方法的科学性、准确性难以确定，所以喷层厚度多依据工程类比法确定，中松动圈条件下一般为50100mm。,（3）大松动圈软岩（大于150cm）,碎胀变形很大，试验证明：用组合拱原理设计锚喷网支护可以成功。,锚固体具有较大可缩性，并且其强度基本等于原岩体强度。这刚好符合软岩支护的要求。其支护能力是U钢支护的23倍。,组合拱在大松动圈中的成功依据,