深部软岩巷道耦合支护关键技术研究

图 6 实测耦合支护后的高应力转化效应 [ 14 ]
o f basic resear ch on ro ck mechanics 6 结 论 at gr eat dept h [ C] / / Chinese socie t y of rock mechanics and engineering ed proceedings of t he 9t h rock me chanics and engineering conference Beijing: Science Press, 2006: 49 – 62 ( in Chinese) ) [ 2] 何满潮 , 谢和平 , 彭苏萍, 等 深部 开采岩 体力学研究 [ J] 岩石力学 与工程学报 , 2005, 24 ( 16) : 2 803 – 2 813 ( H E M anchao, XIE H e ping, PENG Suping, et al Study o n rock mechanics in deep mining en gineering [ J] Chinese Journal of Rock Mechanics and Eng ineering , 2005, 24 ( 16) : 2 803 – 2 813 ( in Chinese) ) [ 3] RU SSO - BELL O F, M URPH Y S K L ong w alling at gr eat dept h in a g eo logically dist urbed env ir onm ent - t he w ay f orw ard [ J] T he Jour nal of So ut h A frican Inst it ut e of M ining And Mat allurgy, March/ A [ 4] pril, 2000: 91 – 100 顾金才, 沈 俊, 陈安敏, 等 锚索 预应力在岩体内引起的应变状态模型
应力图
4 锚索预应力耦合效应 4 1 锚索关键部位支护调动深部围岩强度
1- 掘进锚喷后围岩应力状态 ; 2- 锚网耦合设计作用后应力状态 ; 3- 应力转化中性点 ; 4- 应力变化趋势 图5 耦合支护集中应力区向低应力区 转移过程的数值模拟结果 [ 14 ]
4 2
锚索预应力耦合效应
锚、网在实施过 程中只强 调锚索 支护 的强度 , 往往会造成 锚索拉断 失效 , 无法
3
注入锚杆后所形成的组合拱厚度与锚杆的间 排距、锚杆对岩体的控制角 有关 , 一般 取 45∀。然而, 研究表明, 锚、网与围岩初 次支护, 在刚度上实现耦合, 锚、网支护调 动围岩强度超出锚杆端头范围 , 远远超过传 统界限, 从而最大限度地发挥刚性锚杆的支 护能力。 3 锚杆 ! 网 ! 托盘耦合效应 锚杆 ! 网 ! 托盘的耦合作用十分重要 , 过强或过弱的锚、网支护 , 都会引起局部应 力集中而造成巷道破坏。同时 , 由于深部巷 道围岩积聚了大量的变形能, 必须在锚、网 与围岩之间提供一定的变形空间, 使其在释 放一定的变形能 后, 再 发挥锚网 的支护能 力。研究表明 , 采用刚度较大的钢筋网以及 复合托盘 , 可以实现锚杆 ! 网 ! 托盘和围岩 强度、刚度达到耦合, 使变形相互协调 ( 图 2) , 从而能够充分转化围岩中膨胀性塑性能 并能最大限度地利用围岩的自承能力。在耦 合作用状态下 , 围岩应力分布由集中应力区
深部巷道围岩 变形破坏总是从 某一部 位先开始破坏 , 此部位即关键 部位 。研 究表明 , 在关 键部位施加锚 索支护后 与施
[ 1 3]
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合支护的高应力转 化效应 , 即巷道 围岩高 5 耦合支护的高应力转化效应 围岩和支护 体之间的 优化组 合, 使支 护系统达到最佳耦 合支护状态 , 实现 了耦 应力区向低应力区 转移 , 从 而实现 支护体 受力与围岩变形的均匀化 ( 图 5) 。现场观 测结果也证明了在耦合 支护下的高 应力转 化效应 ( 图 6) 。
报 , 2000, 19 ( Supp ) : 917 – 921 ( GU Jincai, SH EN Jun, CH EN A nm in, et al M odel t est ing study of st rain dist ribut ion regularity in rock mass caused by prest ressed anchorage cabl e [ J] Chinese Jour nal of Ro ck M echanics and Eng ineer ing , 2000, 19 ( Supp ) : 917 – 921 ( in Chinese) ) [ 5] 刘长武 郭永峰锚网 ( 索) 支护煤巷 顶板离层 临界值分析 [ J] 岩土力 学 , 2003, 24 ( supp ) : 231 – 234 ( L IU Chang w u, GU O Yongf eng Analysis on ro of bedding separ at ion critical value o f coal m ining g allery suppo rt ed w it h bo lt s ( cables) [ J] Rock and Soil M echanics, 2003, 24 ( supp ) : 231 – 234 ( in Chinese) ) 孙晓明 , 何满潮, 冯增强 深部松软 破碎煤层巷道锚网索支护技术研究 煤炭科 学 技 术, 2005, 33 ( 3) : 47 – 50 ( SU N Xiaom ing, H E Man chao, F ENG Zeng qiang Resear ch on bo lt/ mesh/ anchor combined sup port t echno logy for deep so ft and broken seam gat ew ay [ J ] Coal Science and T echno logy , 2005, 33 ( 3) : 47 – 50 ( in Chinese) ) [ 7] 王卫军, 李树清, 欧阳广斌 深井煤 层巷道围岩控制技术及试验研究 [ J] 岩 石 力 学 与 工 程 学 报, 2006, 25 ( 10) : 2102 – 2107 ( WANG Wei jun, L I Shuqing, OUYANG Guang bin Study on t echnique and t est of sur rounding rock control of deep shaft coal roadw ay [ J] Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25 [ 8] ( 10) : 2102 – 2107 孙晓明 , 何满潮, 杨晓杰 深部软岩 巷道锚网索耦合支护非线性设计方法 [ 11]
研究综述 [ C] / / 第九届全国岩石力 学与工程学术大会论文集 北京 : 科 学 出 版 社, 2006: 49 ~ 62 ( H E M anchao, QIA N Qihu Sum marize
2009 年第 1 期 试验研究 [ J]
煤矿支护 岩石力 学与工程学 研 究 [ J]
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引
言
故。因此 , 只有掌握锚、网、索支护与围岩 耦合支护作用规律 , 才能实现锚索与锚网、 围岩在结构、强度上的耦合, 才能实现对深 部巷道围岩变形的有效控制 1 深部巷道耦合支护技术 何满潮教授于 1997 年提出了软岩巷道耦 合支护理论 [12] , 通过多年的理论与工程实践 研究, 形成了系统的软岩工程力学及其支护 技术体系[ 13~ 14] , 解决了大量的软岩巷道大变 形控制问题。在此基础上, 针对深部岩体表 现出的非线性大变形力学特性, 研究提出了 深部巷道锚、网、索耦合支护技术 。 深部巷道锚、网、索耦合支护就是针对深 部巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协 调部位, 通过锚、网、索支护之间的耦合以及 支护体与围岩之间的耦合而使其变形协调, 从 而限制围岩产生有害的变形损伤, 同时最大限 度地发挥围岩的自承能力, 实现支护一体化、 荷载均匀化, 达到巷道稳定的目的。 锚、网、索耦合支护成功的关键在于 ,
( a) 不耦合支护下
荷载 , 从而 减 小了 巷 道的 变 形 量。 同时 , 巷道开挖后 , 围岩的强度由 空区向 深部逐 渐增大到原岩 强度 , 通过锚索 的作用 , 调 动了巷道深部围岩 的强度 , 从而达 到了对 巷道浅部围岩的支护效果 ( 图 4) 。
( b) 图3
锚网耦合支护下
y
不同支护状态下
[ 4~ 7] [ 3] [ 1]
。
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在锚杆支护提高围岩强度的基础上 , 通过锚 网 ! 围岩耦合效应、锚杆 ! 网 ! 托盘耦合效 应、锚索预应力耦合效应 , 从而实现耦合支 护下的高应力转化效应, 达到对围岩的稳定 性控制目标。 2 锚网 ! 围岩耦合效应 巷道开挖 后, 围岩 的受力 状态 发生改 变。巷道不同部位的岩体 , 由于其受力状态 不同 , 所表现出的强度特性也各不相同 ( 图 1) 。当打入锚杆后, 由于锚杆与围岩的相互 作用 , 形成了
[ 10] [ 8~ 11]
随着开采深度的增加 , 巷道支护技术已 从被动支护 ( 以钢架、木支架支护为代表) 发展到主动 支护 ( 以 锚网、锚 索支 护为代 表) 。然而 , 深部 三高一扰动 ( 即高地 应力、高 地温、高 渗透压和 强烈的 开采扰 动) 的复杂地质力学环境 , 使得深部岩体表 现出明显的软岩非线性大变形力学特性[ 2] , 从而导致单纯的主动支护已无法保证巷道围 岩的稳定性, 严重影响了深部煤炭资源的安 全、高效开采 。为此, 国内外学者对深部 开采巷道围岩力学特性及其稳定性控制技术 进行了大量研究。近年来 , 锚网索支护技术 的研究与应用, 对于解决深部采准巷道围岩 稳定 性控制 问题 具有 明显 的效果 。然 而, 由于在深部 巷道围岩 支护中不 能实现 锚、网、索支护与 围岩之间 的耦合 力学效 应, 往往会造成锚、网支护变形, 锚索拉断 失效 , 无法有效控制巷道围岩的稳定性 , 严 重的还会造成巷道顶板大面积垮落等安全事
( b) 图4
有锚索支护
xy
应力图
据工程需要 , 如果在迎头工 作面施 加锚索 支护 , 预应力值应适 当小一些 , 约 是锚杆 设计 值的 0 8~ 1 0 倍 ; 在 掘进 机 后实 施 锚索支护时 , 预应力水平应 是锚杆 设计荷 载值的 1 0~ 1 3 倍比较适宜。
不同支护条件下巷道围岩应力分布图
( b) 图2
Fra Baidu bibliotek复合托盘代替单一铁托盘
适合深部巷道围岩特点的锚杆 ! 网 ! 托盘系统
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加前巷道围岩应力 分布具有明 显不同 , 主 要表现在施加锚索 支护后 , 剪应力 明显向 巷道深部围岩 延伸、扩张 , 应力集 中程度 相对减小 , 在巷道围岩深部 锚索顶 端出现 拉应 力集 中区。这 说明 由于 锚 索的 作用 , 使巷道深部岩体也承担 了浅部围岩 的支护
作用 面, 改变了边界岩体
的受力状态, 使其由一维应力状态转化为三 维受力状态, 从而提高了岩体的强度及其承 载能力。
图1
巷道围岩受力状态分析
向低应力区转化, 锚杆受力趋于均匀化 , 围 岩应力场和应变场趋于均匀化 ( 图 3) 。
传统的组合拱设计观点认为, 巷道围岩
( a)
刚度较高的钢筋网代替刚度低的菱形网
( a) 无锚索支护
xy 应力图
有效控制巷道围岩 的稳定性 , 严重 的还会 造成巷道顶板大面 积垮落等安 全事故。因 此, 重视各种时空条件下的 预应力 施加值 的变化至关重要。研究表 明[ 15 ] , 在锚、网 耦合支护围岩变形 趋于稳定时 , 即 在最佳 支护时间施加关键 部位锚索支 护, 能够最 大限度的实现锚索 的预应力耦 合效应。根
# 在锚杆支护提高围岩强度的基础上, 通过锚网 ! 围岩耦合效应 , 可以最大限度地 发挥刚性锚杆的支护能力 ; ∃ 采用刚度较高的金属网及复合托盘, 实现锚杆 ! 网 ! 托盘效应 , 能够充分转化围 岩中膨胀性塑性能并能最大限度地利用围岩 的自承能力, 从而使支护体与围岩变形相互 协调 ; % 在最佳 支护时间施加关键部位锚索 支护 , 实现锚索预应力耦合效应, 能够最大 限度的调动巷道深部围岩的强度, 从而达到 了对巷道浅部围岩的支护效果。 & 锚、网、索支护巷道围 岩实现耦合 力学效应的标志是高应力转化效应 , 即巷道 围岩高应力区向低应力区转移 , 达到支护体 受力与围岩变形的均匀化。 参考文献 [ 1] 何满潮 , 钱七虎 深部岩体力学基础
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石家庄中煤杯参评论文
理论研究
深部软岩巷道耦合支护关键技术研究
孙晓明 1, 2 杨 军1 郭志飚 1
[ 1 中国矿业大学 ( 北京 ) 力学与建筑工程学院 ; 2 深部岩石力学与地下工程国家重点实验室 , 北京 100083]
摘 要 深部 三高一扰动 ( 即高地应力、 高地温、 高渗透压和强烈的开采扰动 ) 的复杂地质力学环境 , 使得深部岩体表现出明显的软岩非线性大变形力学特性 , 从 而导致单纯的主动支护已无法保证巷道围岩的稳定性 , 严重影响了深部煤炭资源的 安全开采。 耦合支护 作为一种全新的支护理念, 已成功解决了大量的软岩巷道 支护问题。 研究表明 , 在深部开采条件下, 软岩巷道锚、 网、 索耦合支护成功的关 键在于: 在锚杆支护提高围岩强度的基础上 , 通过锚网 ! 围岩耦合效应、 锚杆 ! 网 ! 托盘耦合效应 、锚索预应力耦合效应 , 实现耦合支护下的高应力转化效应, 从而 达到对深部巷道围岩的稳定性控制目标 。 关键词 深部 软岩巷道 锚 、网 、索支护 耦合效应 关键技术