巷道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù).pptVIP

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(lèi)型巷道支護(hù) 加固 的對(duì)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(wèn)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(zhǎng)期以來(lái)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(zhǎng)發(fā)展過(guò)程 多年來(lái)國(guó)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(cè)技術(shù)手段等各個(gè)方面 但是都依賴(lài)于對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí) 國(guó)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(wèn)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(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)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(duì)錨桿支護(hù)作用本質(zhì)的認(rèn)識(shí) 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(lái) 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(duì)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(shuō) 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(shí) 井下巷道開(kāi)挖后 巷道上方的巖層會(huì)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(huì)與老頂發(fā)生分離并會(huì)發(fā)生冒落 在這種情況下 頂板錨桿通過(guò)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(guò)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(kāi) 這與實(shí)際情況有一定差距 如果頂板中沒(méi)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(wú)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(kāi)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(duì)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(kāi) 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(duì)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(chēng)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(guò)程中沒(méi)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(jiǎn)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(duì)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(guó)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?chē)钠扑閰^(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(duì)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(duì)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(guó)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(guò)錨桿及時(shí)提供的很高的預(yù)應(yīng)力來(lái)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(lái)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(guò)加大錨桿的預(yù)緊力可以相應(yīng)地減小所用的錨桿長(zhǎng)度 因而這種理論推出開(kāi)始曾經(jīng)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(zhēng)議 國(guó)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(duì)于提高圍巖 特別是松散圍巖 自身的最大承載能力沒(méi)有明顯效果 但當(dāng)圍巖產(chǎn)生塑性破壞后 對(duì)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(duì)巷道頂板可起到有效的支承作用 全長(zhǎng)錨固錨桿的作用就是通過(guò)對(duì)其錨固長(zhǎng)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(guò)于籠統(tǒng)抽象 很難用于現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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(cè)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(duì)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(duì)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)