榮華項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告[教學(xué)培訓(xùn)]

1、編號(hào)： 雞西礦業(yè)集團(tuán)榮華立井項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告項(xiàng)目名稱：深部高應(yīng)力軟巖巷道復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究項(xiàng)目編號(hào)： 項(xiàng)目承擔(dān)單位： 黑龍江科技學(xué)院 填 報(bào) 日 期： 2007年9月21日 黑龍江省科技廳 印制二七年九月教-資目錄1課題研究的目的與意義12課題研究的主要目標(biāo)13課題研究方式和主要階段14課題研究取得主要成果34.1理論研究34.1.1軟巖巷道支護(hù)理論34.1.1.1軟巖巷道變形破壞的特點(diǎn)34.1.1.2軟巖巷道支護(hù)的主要問題34.1.1.3軟巖巷道支護(hù)理論44.1.2 軟巖巷道支護(hù)對(duì)策74.1.2.1軟巖巷道支護(hù)對(duì)策74.1.2.2錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)承載機(jī)理分析74.1.2.3軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法13

2、4.2現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)研究144.2.1巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析144.2.1.1巖石單向抗拉實(shí)驗(yàn)144.2.1.2巖石單軸抗壓實(shí)驗(yàn)154.2.1.3試驗(yàn)結(jié)論194.2.2變形監(jiān)測(cè)分析194.2.2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域簡(jiǎn)介194.2.2.2變形規(guī)律及存在問題204.2.3軟巖性質(zhì)分析234.2.3.1X射線衍射分析244.2.3.2 SEM掃描電鏡分析294.2.4數(shù)值模擬分析374.2.4.1模型建立374.2.4.2設(shè)計(jì)方案404.2.4.3模擬結(jié)果424.3方案設(shè)計(jì)544.3.1支護(hù)參數(shù)選擇544.3.2支護(hù)工藝584.3.3材料消耗584.3.4施工要求595結(jié)論601課題研究的目的與意義由于我國(guó)煤炭賦存

3、條件復(fù)雜，絕大多數(shù)礦井采用井工開采。巷道作為煤礦井下生產(chǎn)的脈絡(luò)，每年巷道掘進(jìn)和維護(hù)達(dá)千萬米，保持其暢通和完好狀態(tài)對(duì)改善井下的勞動(dòng)條件和作業(yè)環(huán)境，以及防止巷道頂板事故，保證礦井正常生產(chǎn)和安全生產(chǎn)具有重要意義。錨桿支護(hù)作為一種新的巷道支護(hù)方式，由于具有支護(hù)效果好、支護(hù)成本低等特點(diǎn)，而受到世界主要產(chǎn)煤國(guó)家的普遍重視，代表了煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的主要發(fā)展方向。一些主要產(chǎn)煤國(guó)家，如美國(guó)、澳大利亞及英國(guó)等，錨桿支護(hù)已成為主要的支護(hù)方式。美國(guó)一直采用錨桿支護(hù)巷道，錨桿消耗量很大。錨桿種類也比較多，有漲殼式錨桿，樹脂錨桿，復(fù)合錨桿。組合件有鋼帶和桁架。具體應(yīng)用時(shí)，根據(jù)巖層條件選擇不同的支護(hù)方式和參數(shù)。澳大利亞錨桿

4、支護(hù)技術(shù)已經(jīng)形成比較完整的體系，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。澳大利亞的煤礦巷道幾乎全部采用W鋼帶樹脂全長(zhǎng)錨固組合錨桿支護(hù)技術(shù)，盡管其巷道斷面比較大，但支護(hù)效果非常好。對(duì)于復(fù)合頂板、破碎頂板，以及巷道交叉點(diǎn)、大斷面硐室等難維護(hù)的條件，還采用錨索注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，控制了圍巖的強(qiáng)烈變形。英國(guó)煤礦通過采用這項(xiàng)技術(shù)取得了顯著效益。國(guó)內(nèi)外在認(rèn)識(shí)到錨桿支護(hù)許多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了它的一個(gè)固有的缺點(diǎn)，即錨桿支護(hù)巷道，頂板破壞失穩(wěn)一般沒有明顯的預(yù)兆，一旦發(fā)生冒頂往往是突發(fā)性的，且多數(shù)情況下規(guī)模比較大，因而危害嚴(yán)重。這一問題的存在使得對(duì)錨桿系統(tǒng)及其與之配套的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、可靠性的要求比傳統(tǒng)的支護(hù)方式高得多。因此，國(guó)

5、外在發(fā)展巷道錨桿支護(hù)時(shí)，非常注重錨桿系統(tǒng)及其支護(hù)設(shè)計(jì)方法的研究，而我國(guó)在一個(gè)時(shí)期內(nèi)在這一方面的研究不夠充分，造成了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展水平落后于國(guó)外先進(jìn)水平，從而影響了錨桿支護(hù)(特別是煤巷)的發(fā)展和應(yīng)用。目前對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)一次性快速安裝的左旋式螺紋鋼錨桿系統(tǒng)的研究尚未見有關(guān)的文獻(xiàn)和資料。因此，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行研究、總結(jié)提高和完善，盡快研制與開發(fā)出新型錨桿系統(tǒng)，這對(duì)于提高巷道支護(hù)效果、降低支護(hù)成本、推動(dòng)錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效具有重大的意義，從而將會(huì)為我國(guó)煤礦帶來巨大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。2課題研究的主要目標(biāo)通過榮華立井-650米井底車場(chǎng)7#層石門穿層巷道、半煤巖段、全煤段典型巷道、典型

6、硐室、榮華斜井10#C煤層巷道的支護(hù)工程設(shè)計(jì)與施工，借鑒國(guó)內(nèi)外同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)軟巖大變形非線性理論和設(shè)計(jì)方法，結(jié)合雞西榮華立井和榮華斜井采準(zhǔn)巷道實(shí)際工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，研究探索出一套科學(xué)、合理、可靠、有效的適合雞西礦業(yè)集團(tuán)榮華礦區(qū)相應(yīng)地質(zhì)和施工條件的軟巖巷道及硐室的支護(hù)體系并推廣使用。完成雞西礦業(yè)集團(tuán)公司榮華立井-650米井底車場(chǎng)7#層石門穿層巷道、半煤巖段、全煤段典型巷道、主要硐室、榮華斜井10#C煤層巷道圍巖的變形力學(xué)機(jī)制、支護(hù)設(shè)計(jì)與施工，各類巷道圍巖變形破壞規(guī)律與控制等工作。教-資3課題研究方式和主要階段結(jié)合榮華礦區(qū)的地層條件和巷道支護(hù)技術(shù)條件，采用非線性大變形力學(xué)理論和軟

7、巖非線性支護(hù)設(shè)計(jì)方法并借鑒國(guó)內(nèi)外同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，確定雞西礦業(yè)集團(tuán)榮華立井-650米井底車場(chǎng)7#層石門穿層巷道、半煤巖段、全煤段典型巷道、典型硐室和榮華斜井10#C煤層巷道的合理支護(hù)方式。承擔(dān)如下工作：甲方：1、研究開發(fā)內(nèi)容：按照乙方提出的榮華立井-650米井底車場(chǎng)7#層石門穿層巷道、半煤巖段、全煤段典型巷道、典型硐室和榮華斜井10#C煤層巷道的要求，采用非線性大變形力學(xué)理論和軟巖非線性支護(hù)設(shè)計(jì)方法并借鑒國(guó)內(nèi)外同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行各類軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)并協(xié)助乙方進(jìn)行施工及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。2、研究開發(fā)期限：2005年10月8日至2007年12月31日3、研究開發(fā)地點(diǎn)：雞西礦業(yè)集團(tuán)公司榮華礦區(qū)乙方：

8、1、研究開發(fā)內(nèi)容：通過榮華立井巖石段、半煤巖段、全煤段典型巷道、典型硐室和榮華斜井10#C煤層巷道的支護(hù)工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，并負(fù)責(zé)甲方工程技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)位移、壓力等監(jiān)測(cè)的培訓(xùn)，分成四個(gè)階段進(jìn)行。第一階段：榮華立井-650米井底車場(chǎng)7#層石門穿層巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工、榮華斜井10#C煤層巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工；第二階段：井底車場(chǎng)典型硐室及采區(qū)硐室的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工；第三階段：下一步將要揭露的半煤巖段巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工；第四階段：采區(qū)全煤段巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工。具體研究?jī)?nèi)容如下：（1）榮華立井工程地質(zhì)條件及巖層結(jié)構(gòu)分析，確定合理的巷道設(shè)計(jì)斷面形式；（2）榮華立井巖體物理力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究，包括物理參數(shù)

9、、單軸及三軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究；（3）代表性煤巖層水理性質(zhì)研究，包括巖石遇水的崩解實(shí)驗(yàn)、吸水軟化特性等研究；（4）代表性煤巖層的遇水膨脹性特性試驗(yàn)研究；（5）代表性煤巖層X射線衍射分析，包括煤巖石的微觀礦物成份分析、各種礦物含量分析、膨脹巖石的微觀膨脹機(jī)制研究等；（6）代表性煤巖層微觀掃描電鏡分析，研究煤巖層的微觀組構(gòu)特征；（7）榮華立井-650米井底車場(chǎng)7#層石門穿層巷道、井底車場(chǎng)典型硐室及采區(qū)硐室、半煤巖段巷道、榮華斜井10#C煤層巷道圍巖變形的力學(xué)機(jī)制研究；（8）巖石段穿層巷道、井底車場(chǎng)硐室及采區(qū)硐室、半煤巖段巷道、榮華斜井10#C煤層巷道圍巖非線性大變形力學(xué)有限元分析和

10、支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；（9）榮華立井-650米井底車場(chǎng)7#層石門穿層巷道、榮華斜井10#C煤層巷道、井底車場(chǎng)典型硐室及采區(qū)硐室、半煤巖段巷道支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、巷道位移參數(shù)適時(shí)監(jiān)測(cè)及巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化；（10）雞西礦業(yè)集團(tuán)榮華礦區(qū)相應(yīng)地質(zhì)和施工條件的軟巖巷道及硐室的支護(hù)體系的總結(jié)與鑒定。2、研究開發(fā)期限：2005年10月8日至2007年12月31日其中：第一階段榮華立井-650米井底車場(chǎng)7#層石門巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、施工與觀測(cè)，時(shí)間為2005年10月至2006年2月；第二階段半煤巖段巷道的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)與施工，時(shí)間為2006年5月至2006年8月；第三階段，硐室的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工，時(shí)間為2006年9月至2

11、006年12月；第四階段，采區(qū)全煤段巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工，時(shí)間為2007年8月至2007年12月。4課題研究取得主要成果4.1理論研究4.1.1軟巖巷道支護(hù)理論4.1.1.1軟巖巷道變形破壞的特點(diǎn)軟巖巷道的變形破壞特征不僅受圍巖的力學(xué)性質(zhì)影響，而且受軟巖巷道所處的地應(yīng)力環(huán)境和工程因素等影響。一般情況下，軟巖巷道破壞具有如下特征：(1)變形破壞方式多變形破壞方式一般有拱頂下沉、坍塌，片幫和底臌，軟巖巷道表現(xiàn)出強(qiáng)烈的整體收斂和破壞，變形破壞形式既有結(jié)構(gòu)面控制型，又有應(yīng)力控制型，以應(yīng)力控制型為主。(2)變形量大拱頂下沉大于100mm，有的高達(dá)5001000mm，兩幫擠入200800mm，底臌強(qiáng)烈。(

12、3)變形速度高軟巖巷道初期收斂速度達(dá)到30mm/d，即使施工常規(guī)的錨噴支護(hù)以后，軟巖巷道的收斂速度仍可達(dá)到20mm/d，而且其變形收斂速度降低緩慢。(4)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)由于軟巖具有強(qiáng)烈的流變性和低強(qiáng)度，軟巖巷道掘進(jìn)后，圍巖的應(yīng)力重分布持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，軟巖巷道變形破壞持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，往往長(zhǎng)達(dá)12年。(5)圍巖破壞范圍大由于軟巖巷道中圍巖的強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值很小，因此，軟巖巷道圍巖的破壞范圍大，特別是當(dāng)支護(hù)不及時(shí)或不當(dāng)時(shí)，圍巖破壞區(qū)的范圍可達(dá)2.5倍洞徑，甚至更大。(6)各位置破壞不同在軟巖巷道周邊不同部位，變形破壞程度不同，這反映了軟巖巷道所處的地應(yīng)力強(qiáng)度因方向而異，以及軟巖具有強(qiáng)烈的各向異性。變形破壞在

13、方向上的差異性往往導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生巨大的彎矩，這對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是非常不利的。(7)來壓快軟巖巷道變形收斂速度高，在很短時(shí)間內(nèi)，圍巖即與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸，產(chǎn)生壓力。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用后，圍巖的變形破壞并不立即停止，而是繼續(xù)下去，這是因?yàn)檐泿r具有流變性，在圍巖流變過程中，圍巖的強(qiáng)度降低，因此，地壓隨時(shí)間而逐步增長(zhǎng)。4.1.1.2軟巖巷道支護(hù)的主要問題高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題，一直是礦業(yè)工程中的難點(diǎn)。以往對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道的控制問題，在理論認(rèn)識(shí)和支護(hù)方法上存在一定問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)圍巖變形破壞機(jī)理。支護(hù)是一個(gè)過程，要使這一過程與圍巖變形過程相協(xié)調(diào)，必須充分而深入地研

14、究圍巖的變形機(jī)理，只有在此基礎(chǔ)上，才能選擇適當(dāng)?shù)能泿r的支護(hù)時(shí)機(jī)、支護(hù)形式以及確定合適的支護(hù)參數(shù)。(2)支護(hù)對(duì)策。高應(yīng)力軟巖巷道與一般軟巖巷道變形破壞特征不同，應(yīng)采取適應(yīng)于高應(yīng)力軟巖的支護(hù)對(duì)策。(3)支護(hù)參數(shù)。支護(hù)參數(shù)選擇是影響巷道穩(wěn)定性的一個(gè)非常重要的因素。以往對(duì)支護(hù)參數(shù)的選取基本上采用工程類比法。當(dāng)工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，此法基本滿足要求。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜，是不能滿足要求的，再加上目前很少有高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)成功事例，無法進(jìn)行工程類比。4.1.1.3軟巖巷道支護(hù)理論4.1.1.3.1軟巖巷道的支護(hù)原理軟巖巷道支護(hù)與硬巖巷道支護(hù)原理截然不同，這是由于它們的本構(gòu)關(guān)系不同所決定的。硬巖巷道支護(hù)原理不允許硬

15、巖進(jìn)入塑性，因進(jìn)入塑性狀態(tài)的硬巖將失去承載能力。而軟巖巷道的獨(dú)特之處是，其巨大的塑性能量必須以某種形式釋放出來。假設(shè)巷道開挖后使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)各種力（包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應(yīng)力和工程偏應(yīng)力等）的合力(如圖4-1所示）：式中：巷道開挖后使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)的合力以變形的形式轉(zhuǎn)化的工程力圍巖的自承力工程支護(hù)力可以看出，巷道開挖后引起的圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)的合力并不是由工程支護(hù)力全部承擔(dān)，而是由三部分承擔(dān)。圖4-1 合力示意圖首先由軟巖的彈塑性能以變形的方式釋放一部分，即的一部分轉(zhuǎn)化為巖體形變。其次，的另一部分由巖體自身承擔(dān)。如果巖體強(qiáng)度很高，則巷道可以自穩(wěn)。對(duì)于軟巖，較小，一般，故巷道要穩(wěn)定

16、，必須進(jìn)行工程支護(hù)，即加上。為求工程穩(wěn)定，通常（）值要大于（）的值。一個(gè)優(yōu)化的巷道設(shè)計(jì)和支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)滿足三個(gè)條件：；。但是，要使，就不能達(dá)到最大；要使，就不能達(dá)到最大。要同時(shí)使兩者都趨于最大，關(guān)鍵是選取變形能釋放的時(shí)間和支護(hù)時(shí)間。4.1.1.3.2最佳支護(hù)時(shí)間和最佳支護(hù)時(shí)段軟巖巷道開挖后，巷道圍巖變形會(huì)明顯增大。按變形速度劃分，可劃分3個(gè)階段：減速變形階段、近似線性的恒速變形階段和加速變形階段。進(jìn)入加速變形階段時(shí)，巖體本身結(jié)構(gòu)改組，產(chǎn)生新裂紋，強(qiáng)度大大降低。顯然加速變形階段可以使Max，但卻大大降低了，這不滿足優(yōu)化原則。解決此問題的關(guān)鍵是最佳支護(hù)時(shí)間概念的建立和最佳支護(hù)時(shí)段的確定。最佳支護(hù)

17、時(shí)間系指可以使（）同時(shí)達(dá)到最大的支護(hù)時(shí)間，其意義如圖4-2所示。由圖可知，最佳支護(hù)時(shí)間就是（PD+PR）-t曲線峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間TS。實(shí)踐證明，該點(diǎn)與PD-t曲線和PR-t曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間基本相同。此時(shí)支護(hù)使PD在優(yōu)化意義上充分的達(dá)到最大，同時(shí)又保護(hù)了圍巖的強(qiáng)度，使其強(qiáng)度損失在優(yōu)化意義上達(dá)到充分的小，亦即其本身自承力PR達(dá)到充分大。最佳支護(hù)時(shí)間點(diǎn)的確定，在工程實(shí)踐中很難掌握，所以提出了最佳支護(hù)時(shí)段的概念，最佳時(shí)段的意義如圖4-3所示,圖中所示的時(shí)段TS1,TS2即為最佳支護(hù)時(shí)段。只要在圖中所示的TS時(shí)間附近時(shí)段TS1,TS2進(jìn)行永久支護(hù)，基本上可以使PD、PR同時(shí)達(dá)到優(yōu)化意義上的最大。

18、此時(shí)也基本上滿足：（PD+PR）Max，PSMin。最佳支護(hù)時(shí)間的物理意義：巷道開挖以后，巷道圍巖應(yīng)力將重新分布，切向應(yīng)力在巷壁附近發(fā)生高度集中，導(dǎo)致該區(qū)域的巖層屈服進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，從而形成塑性區(qū)。塑性區(qū)的出現(xiàn)，致使應(yīng)力集中區(qū)從巖壁向縱深發(fā)展，當(dāng)應(yīng)力集中的強(qiáng)度超過圍巖屈服強(qiáng)度時(shí)，就出現(xiàn)新的塑性區(qū)，如此逐步向縱深發(fā)展。如果不采取適時(shí)有效的支護(hù)，臨空塑性區(qū)將隨變形的增大而出現(xiàn)松動(dòng)破壞，即形成松動(dòng)破壞區(qū)。塑性區(qū)與松動(dòng)破壞區(qū)不同，塑性區(qū)具有一定的承載能力，而松動(dòng)破壞區(qū)已經(jīng)完全失去承載能力。塑性區(qū)分為穩(wěn)定塑性區(qū)和非穩(wěn)定塑性區(qū)。出現(xiàn)松動(dòng)破壞之前的最大塑性區(qū)范圍，稱為穩(wěn)定塑性區(qū)。出現(xiàn)松動(dòng)破壞區(qū)之后的塑性區(qū)

19、為非穩(wěn)定塑性區(qū)。對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定塑性區(qū)和非穩(wěn)定塑性區(qū)的宏觀圍巖的徑向變形分別為穩(wěn)定變形和非穩(wěn)定變形。圖4-2 最佳支護(hù)時(shí)間TS的含義 圖4-3 最佳支護(hù)時(shí)段的含義塑性區(qū)的出現(xiàn)，對(duì)支護(hù)體來講具有兩個(gè)力學(xué)效應(yīng)：一是圍巖中切向和徑向應(yīng)力降低，減小了作用在支護(hù)體上的荷載。二是應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，減小了應(yīng)力集中的破壞作用。對(duì)于高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)來講，應(yīng)允許其出現(xiàn)穩(wěn)定塑性區(qū)，嚴(yán)格限制非塑性區(qū)的擴(kuò)展，也就是要求選擇最佳的支護(hù)時(shí)間，以便最大限度的發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而不至于出現(xiàn)松動(dòng)破壞。所以，最佳支護(hù)時(shí)間的力學(xué)含義使最大限度的發(fā)揮塑性區(qū)的承載能力而不出現(xiàn)松動(dòng)破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。4.1.1.3.3軟巖巷道工程支護(hù)

20、原則目前軟巖巷道支護(hù)原則，諸如“先讓后抗、先柔后剛、適當(dāng)釋放圍巖周邊位移、采用封閉型支護(hù)、提高圍巖自承能力”等都是根據(jù)工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的。系統(tǒng)的闡述軟巖巷道支護(hù)原則可以概括為四條：(1)對(duì)癥原則軟巖的多樣性，決定支護(hù)對(duì)策的多樣性。只有正確的確定軟巖的變形力學(xué)機(jī)制，找出造成軟巖工程變形破壞的“原因”，才能通過“對(duì)癥下藥”支護(hù)措施，達(dá)到軟巖工程與支護(hù)的穩(wěn)定。(2)過程原則軟巖巷道支護(hù)是一個(gè)過程，不能一蹴而就。因?yàn)檐泿r工程的變形與破壞是具有復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的“綜合癥”和“并發(fā)癥”，要對(duì)軟巖工程穩(wěn)定性實(shí)行有效的控制，必須有一個(gè)由“復(fù)合型”向“單一型”的轉(zhuǎn)化過程。這一過程的完成是依靠一系列“對(duì)癥

21、下藥”的支護(hù)措施來實(shí)現(xiàn)的。(3)塑性圈原則和硬巖工程支護(hù)的指導(dǎo)思想不同，軟巖工程支護(hù)必須允許出現(xiàn)塑性圈。硬巖工程支護(hù)是力求控制塑性區(qū)的產(chǎn)生，最大限度的發(fā)揮圍巖的自承能力。而軟巖工程支護(hù)是力求有控制的產(chǎn)生一個(gè)合理的塑性圈，最大限度的釋放圍巖的變形能。這是由于軟巖的特性決定的。對(duì)軟巖巷道來講，塑性圈的出現(xiàn)具有三個(gè)力學(xué)效應(yīng)：大幅度降低變形能。減少了切向應(yīng)力集中程度。改善了圍巖的自承狀態(tài)。應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，而內(nèi)部圍巖處于三向受力狀態(tài)，承載能力較強(qiáng)。塑性圈不應(yīng)任意自由出現(xiàn)，必須從兩個(gè)方面加以控制：一是控制變形速率。變形速率越慢，圍巖在保持原有強(qiáng)度的前提下，允許變形量越大，釋放的變形能就越大。二是控制

22、差異變形。煤系地層中軟弱夾層的發(fā)育具有普遍性，軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面具有差異性變形的力學(xué)特點(diǎn)，必須加以控制，才能出現(xiàn)均勻的塑性圈，使支護(hù)承受均勻荷載。(4)優(yōu)化原則一個(gè)優(yōu)化的軟巖工程支護(hù)，要同時(shí)滿足3個(gè)條件：一是充分的釋放圍巖變形能；二是充分的保護(hù)圍巖的力學(xué)強(qiáng)度；三是使工程造價(jià)小且工程穩(wěn)定性好。高應(yīng)力軟巖巷道錨、網(wǎng)、索、噴耦合支護(hù)研究高應(yīng)力軟巖是一特殊類型的軟巖，高應(yīng)力軟巖變形屬于非線性變形問題，支護(hù)形式必須滿足其變形要求。由高水平應(yīng)力軟巖巷道變形破壞機(jī)理，知道其變形破壞的圍巖環(huán)境及變形規(guī)律，支護(hù)應(yīng)滿足：巷道受力非各向同性。巷道非線性大變形。巷道變形時(shí)間持續(xù)性。巷道處于高的應(yīng)力差和低的圍壓環(huán)境。4.

23、1.2 軟巖巷道支護(hù)對(duì)策4.1.2.1軟巖巷道支護(hù)對(duì)策由以上分析可知,對(duì)于深部高應(yīng)力軟巖巷道,常規(guī)的支護(hù)方法和單一措施都不能滿足工程的實(shí)際需要，必須根據(jù)其原因采取相應(yīng)的支護(hù)對(duì)策：(1)加強(qiáng)金屬網(wǎng)的強(qiáng)度和剛度，或在局部薄弱環(huán)節(jié)，增加錨梁支護(hù)，以增強(qiáng)圍巖表面約束能力,限制破碎區(qū)向縱深發(fā)展。(2)適時(shí)進(jìn)行二次支護(hù)且二次支護(hù)適當(dāng)?shù)卦黾渝^桿、錨索的強(qiáng)度，如適當(dāng)加長(zhǎng)錨桿，增加托梁、鋼帶等，以保證初期支護(hù)具有一定的柔性，在巷道不失穩(wěn)的前提下，允許圍巖有較大的變形，讓其充分地釋放能量。同時(shí),支護(hù)體后期要有足夠的強(qiáng)度和剛度來有效控制圍巖與支護(hù)的過量變形。(3)實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力軟巖巷道厚壁支護(hù)。一是采用全長(zhǎng)錨固螺紋鋼等

24、強(qiáng)錨桿,增加圍巖自承圈厚度，實(shí)現(xiàn)厚壁支護(hù)；二是進(jìn)行錨索加固,由于錨索長(zhǎng)度較大，能夠深入到深部較穩(wěn)定的巖層中，錨索對(duì)被加固巖體施加的預(yù)緊力高達(dá)200KN，限制圍巖有害變形的發(fā)展,改善了圍巖的受力狀態(tài)，增加圍巖自承圈厚度,實(shí)現(xiàn)厚壁支護(hù)；三是改變支護(hù)結(jié)構(gòu),在巷道的兩底腳增加斜拉錨桿或巷道底板開挖成反底拱形，并錨噴（梁）支護(hù)，從而形成完整的、封閉的支護(hù)整體。(4)減少圍巖的破壞,增大圍巖的強(qiáng)度,提高圍巖自承能力。一是推廣光面爆破，減少圍巖震動(dòng)，控制圍巖環(huán)向裂隙,盡量保持圍巖的整體強(qiáng)度；二是盡量保持巷道周邊的光滑平整,避免產(chǎn)生應(yīng)力集中；三是采用膨脹材料充滿錨桿孔，形成全長(zhǎng)錨固。4.1.2.2錨網(wǎng)索噴聯(lián)合

25、支護(hù)承載機(jī)理分析軟巖巷道支護(hù)方法，并不是單一的支護(hù)可以奏效的，也不是一次支護(hù)最終可以實(shí)現(xiàn)的，必須采用聯(lián)合支護(hù)的方式。由于全國(guó)各礦區(qū)軟巖性質(zhì)多種多樣，井下地質(zhì)條件及生產(chǎn)條件多變，加上施工習(xí)慣也不盡相同，因此，軟巖巷道的支護(hù)形式也是多種多樣的。歸納起來，主要有下列幾種形式：錨噴支護(hù)（錨桿噴射混凝土支護(hù)）、錨網(wǎng)噴支護(hù)（錨桿、金屬網(wǎng)、噴射混凝土支護(hù)）、錨網(wǎng)噴架支護(hù)（錨桿、金屬網(wǎng)、鋼架、噴射混凝土支護(hù)）、錨噴索支護(hù)（錨桿、噴射混凝土和錨索聯(lián)合支護(hù)）、錨網(wǎng)索支護(hù)（錨桿、金屬網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護(hù)）、錨梁網(wǎng)支護(hù)（錨桿、梁、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)）、錨網(wǎng)架支護(hù)（錨桿、金屬網(wǎng)、可縮性金屬支架聯(lián)合支護(hù)）、錨網(wǎng)桁架支護(hù)（錨桿、金

26、屬網(wǎng)、桁架支護(hù)）、錨梁網(wǎng)噴注漿聯(lián)合支護(hù)、可縮性金屬支架。大量的工程實(shí)踐證明，錨噴、錨網(wǎng)噴、錨網(wǎng)以及可縮性金屬支架、錨索等都是軟巖巷道有效的支護(hù)手段。有時(shí)可單獨(dú)使用，有時(shí)可相互配合使用。4.1.2.2.1錨桿圍巖相互作用機(jī)理巷道開挖后，圍巖的受力狀態(tài)發(fā)生改變。不同部位的巖體，由于其受力狀態(tài)不同，所表現(xiàn)出的出的強(qiáng)度特性也各不相同（如圖4-4所示）。對(duì)于巷道頂板和底板的A點(diǎn)和C點(diǎn)，處于受拉狀態(tài)，而巖石的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，因此極易發(fā)生破壞。對(duì)于巷道幫部的B點(diǎn)，處于受壓狀態(tài)，因此其強(qiáng)度表現(xiàn)要比A點(diǎn)高。圍巖內(nèi)部的D點(diǎn)，仍處于三向狀態(tài)，因此其強(qiáng)度表現(xiàn)相對(duì)最高。打入錨桿后，由于錨桿與圍巖的相互作用，使巷道的圍

27、巖受力狀態(tài)發(fā)生了改變。錨桿對(duì)圍巖的加固作用機(jī)理比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在（如圖4-5所示）：ODA,CACBD31B圖4-4巷道圍巖受力分析圖4-5錨桿加固作用示意圖(1)錨桿與圍巖粘結(jié)在一起，提高了巖體的整體剛度，增強(qiáng)了巖體的抗變形能力。(2)由于錨桿的抗拉作用，當(dāng)錨桿穿過破碎巖層深入穩(wěn)定巖層時(shí)，對(duì)不穩(wěn)定巖層起著懸吊作用。(3)對(duì)于層狀巖體，由于錨桿的作用，對(duì)巖層離層的作用起著一定的阻礙作用，并增大了層間的摩擦力，與錨桿本身的抗剪作用阻止層間的相對(duì)滑動(dòng)，從而將各個(gè)巖層夾緊形成組合梁，提高了巖層的承載能力。(4)由于錨桿的作用，改變了邊界巖體的受力狀態(tài)，使其由一維狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三維受力狀態(tài)，提高了巖體的

28、承載能力。在不同階段，錨桿與圍巖的相互作用有所不同。早期階段，錨桿的主要作用是控制頂板下部巖體的錯(cuò)動(dòng)和離層失穩(wěn)的發(fā)生。在中期階段，巖層產(chǎn)生了一定的變形，由于巖石的流變效應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，巖層強(qiáng)度不斷降低，當(dāng)錨桿深入穩(wěn)定巖層時(shí)，其懸吊作用處于主要地位，同時(shí)由于錨桿的徑向和切向約束，阻止破壞區(qū)巖層擴(kuò)容、離層和錯(cuò)動(dòng)。在后期階段，圍巖變形增大，錨桿受力增大，設(shè)計(jì)合理的情況下，只要錨桿不產(chǎn)生破壞，圍壓的穩(wěn)定層仍在錨桿的控制范圍內(nèi)，仍可起懸吊作用，若穩(wěn)定層上移，使錨桿完全處于破壞巖層內(nèi)，則錨桿和破壞巖體仍可形成承載圈，具有一定的承載能力。錨桿支護(hù)的作用機(jī)理有懸吊作用、組合梁作用、加固拱作用、楔固作用等。

29、懸吊作用：懸吊作用是指錨桿把將要冒落的軟弱巖層或危巖懸吊于上部堅(jiān)固穩(wěn)定的巖體上，由錨桿來承擔(dān)危巖或軟弱巖層的重量，如圖46(a)，46(b)所示。D (a) 圓形巷道錨桿懸吊作用 (b) 層狀巖體頂板錨桿懸吊作用圖4-6 錨桿作用簡(jiǎn)圖組合梁作用：在層狀巖層的巷道頂板中，通過錨入一系列的錨桿，將錨桿錨固長(zhǎng)度以內(nèi)的薄層巖石組成巖石組合梁，從而提高其承載能力?？梢园哑巾斚锏赖膶訝顜r石頂板看作是以巷道兩幫為支點(diǎn)的疊合梁。在載荷作用下，各層巖石（板）都有各自的單獨(dú)彎矩，每層巖石（板）的上下緣分別處在受壓和受拉狀態(tài)。但用錨桿將各層巖石錨固在一起后，在載荷作用下，各層巖石之間基本上不會(huì)發(fā)生離層、錯(cuò)動(dòng)，就如同

30、一塊板的彎曲一樣，大大提高了組合梁的抗彎強(qiáng)度和承載能力，如圖4-7所示。圖4-7 頂板錨桿組合梁作用加固拱作用：對(duì)于被縱橫交錯(cuò)的弱面所切割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時(shí)用錨桿加固，就能提高巖體結(jié)構(gòu)弱面的抗剪強(qiáng)度，在圍巖周邊一定厚度的范圍內(nèi)形成一個(gè)不僅能維持自身穩(wěn)定，而且能防止其上部圍巖松動(dòng)和變形的加固拱，從而保持巷道的穩(wěn)定。如圖4-8所示。圖4-8 錨桿加固拱原理楔固作用：錨桿的楔固作用是在圍巖中存在一組或幾組不同產(chǎn)狀的不連續(xù)面的情況下，由于錨桿穿過了這些不連續(xù)面，防止或減少了沿不連續(xù)面的移動(dòng)，但是，錨桿架設(shè)的時(shí)機(jī)是非常重要的。如果在開挖引起的剪應(yīng)力產(chǎn)生前就架設(shè)了全長(zhǎng)粘結(jié)式錨桿，則在不連續(xù)面處錨

31、桿較高的剪切剛度將迫使錨桿完全承受開挖二次應(yīng)力的作用，而難于發(fā)揮不連續(xù)面自身抗剪能力。4.1.2.2.2錨索圍巖關(guān)鍵部位支護(hù)原理錨索關(guān)鍵部位支護(hù)就是根據(jù)位移反分析原理，確定支護(hù)系統(tǒng)二次組合支護(hù)的最佳時(shí)間，最大限度的發(fā)揮圍巖的自承能力，從而使支護(hù)體的支護(hù)抗力降到最低。圖4-9和4-10為在均質(zhì)圍巖條件下有、無錨索加固的模擬計(jì)算結(jié)果。可以看出，沒有錨索支護(hù)時(shí)，直墻半圓拱巷道周圍形成“雙耳”應(yīng)力集中關(guān)鍵部位，常常造成巷道兩邊剪壞。在應(yīng)力集中關(guān)鍵點(diǎn)施加錨索后，淺部圍巖剪應(yīng)力集中程度明顯減小，深部圍巖的剪應(yīng)力水平顯著增加，表明調(diào)動(dòng)了深部巖體強(qiáng)度，控制了淺部巖體的穩(wěn)定性。圖4-9 無錨索時(shí)xy應(yīng)力圖 圖4

32、-10 施加錨索后xy應(yīng)力圖圖4-11與圖4-12為施加錨索支護(hù)前后的Py應(yīng)力圖。從圖中可以看出，無錨索支護(hù)時(shí)，巷道拱頂應(yīng)力集中程度較高，施加錨索后，應(yīng)力集中程度大幅度降低，同時(shí)使深部圍巖巖體Py發(fā)生集中。圖4-11 無錨索時(shí)y應(yīng)力圖 圖4-12 施加錨索后y應(yīng)力圖通過比較可以看出，施加錨索支護(hù)后與施加前巷道圍巖應(yīng)力分布具有明顯的不同，主要表現(xiàn)在施加錨索支護(hù)后，剪應(yīng)力明顯向巷道深部圍巖延伸、擴(kuò)張，應(yīng)力集中程度相對(duì)減小，在巷道圍巖深部錨索頂端出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)。這說明錨索的作用，促使巷道深部巖體也承擔(dān)了淺部圍巖的支護(hù)荷載，從而減小了巷道的變形量。另外，巷道開挖后，圍巖的應(yīng)力由空區(qū)向深部逐漸增大到原

33、巖應(yīng)力，正是由于錨索的作用，調(diào)動(dòng)了巷道深部圍巖強(qiáng)度，從而達(dá)到對(duì)巷道淺部圍巖的支護(hù)效果。錨索支護(hù)是一種主動(dòng)支護(hù)，是一種傳遞主體結(jié)構(gòu)的支護(hù)應(yīng)力至深部穩(wěn)定巖層的主動(dòng)支護(hù)方式。它可以傳遞較大的拉應(yīng)力，這是其他措施無法比擬的最大優(yōu)點(diǎn)。錨索長(zhǎng)度，一般是錨桿長(zhǎng)度的35倍（長(zhǎng)度可以根據(jù)工程需要定制），除具有普通錨桿的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用、楔固作用外，與普通錨桿不同的是對(duì)巷道頂板進(jìn)行深部錨固而產(chǎn)生強(qiáng)力懸吊作用，并沿巷道縱軸線形成連續(xù)強(qiáng)支撐點(diǎn)，以大預(yù)應(yīng)力減緩頂板巖石擴(kuò)容。在煤礦巷道，錨桿、錨索大都是配合使用。當(dāng)錨桿、錨索及時(shí)支護(hù)之后，形成錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索的加固群體。這樣，相鄰的錨桿、錨索的作用力相互疊

34、加，組合成一個(gè)“承載層”（承載拱），這個(gè)新的承載層厚度比單用錨桿成倍增加，能使圍巖發(fā)揮出更大的承載作用，如圖4-13所示。圖4-13 錨桿、錨索群聯(lián)合加固作用原理4.1.2.2.3錨網(wǎng)圍巖相互作用機(jī)理錨網(wǎng)與圍巖的相互作用十分重要，過強(qiáng)或過弱的錨網(wǎng)支護(hù)，都會(huì)引起局部應(yīng)力集中而造成巷道的破壞。只有錨網(wǎng)與圍巖強(qiáng)度、剛度達(dá)到吻合時(shí)，變形才能相互協(xié)調(diào)。達(dá)到吻合的標(biāo)志是圍巖應(yīng)力集中區(qū)在協(xié)調(diào)變形過程中，向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，從而達(dá)到最佳支護(hù)效果。(1)圍巖集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象數(shù)值模擬研究結(jié)果表明（如圖4-14所示），巷道開掘初期，巷道圍巖頂部應(yīng)力迅速集中，是巷道垮落的危險(xiǎn)區(qū)域。在實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)后，頂

35、部應(yīng)力集中區(qū)迅速下降，而幫部低應(yīng)力區(qū)應(yīng)力迅速提高，整個(gè)圍巖不同部位應(yīng)力狀態(tài)趨于均勻化。由此可見，錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)，改善了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了圍巖應(yīng)力擴(kuò)散均勻化的過程。1.掘進(jìn)錨噴后圍巖應(yīng)力狀態(tài) 2.錨網(wǎng)作用后應(yīng)力狀態(tài) 3.應(yīng)力轉(zhuǎn)化中性點(diǎn)4.應(yīng)力變化趨勢(shì)圖4-14 圍巖頂部集中應(yīng)力區(qū)向幫部低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化過程(2)圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化隨著圍巖受力由集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化，錨桿受力趨于均勻化，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)也趨于均勻化。不實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)與實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)變化情況對(duì)比。有以下不同：在不實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)下，水平方向應(yīng)力在兩幫和底板出現(xiàn)明顯的大范圍應(yīng)力集中。實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)后，水平方向應(yīng)力僅在支

36、護(hù)體范圍附近比較明顯，應(yīng)力值大于不耦合支護(hù)下的應(yīng)力值。不實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)下，豎直方向應(yīng)力在頂部和底部較為突出，應(yīng)力集中區(qū)明顯大于實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)下的應(yīng)力范圍。實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)后的應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在巷道的兩角部，應(yīng)力值大于不實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)下的應(yīng)力值。從xy應(yīng)力分布對(duì)比可以看出，不實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)下的剪應(yīng)力在巷道的兩幫和頂部的兩邊較為集中，而實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)下的剪應(yīng)力主要出現(xiàn)在支護(hù)體內(nèi)，分布較為均勻。實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)下的圍巖變形明顯小于不實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)下的巖體變形，同時(shí)巷道整體變形也更均勻。高質(zhì)量的金屬網(wǎng)和鋼帶能有效地控制錨桿之間非錨固巖層的變形，托住擠入巷道的巖石，是確保錨桿加固作用的重要措施。其主要作用有：(1)防止碎裂巖

37、塊垮落。(2)將錨桿之間非錨固巖層載荷傳給錨桿。(3)金屬網(wǎng)托住已碎裂的巖石，雖然巷道周邊圍巖已破裂，由于碎石的碎脹作用和傳遞力的媒介作用，使巷道深部圍巖仍保持三向應(yīng)力狀態(tài)，大大提高巖體的殘余強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明采用錨網(wǎng)加固的試件在受載破壞時(shí)，裂成密集的細(xì)柱狀桿系，殘?bào)w較完整，殘余強(qiáng)度為極限抗壓強(qiáng)度的0.26倍，無網(wǎng)錨桿加固試件殘?bào)w不完整，無明顯的殘余強(qiáng)度。這是在井下經(jīng)?？梢姷腻^噴網(wǎng)支護(hù)的巷道，金屬網(wǎng)變形很大，噴層已嚴(yán)重開裂，網(wǎng)內(nèi)圍巖已完全松動(dòng)破裂，巷道仍能保持較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定的重要原因。錨桿支護(hù)的關(guān)鍵是能否形成圍巖的自承環(huán)。金屬網(wǎng)在錨噴網(wǎng)支護(hù)中的作用，不僅是有鋼筋承受圍巖壓力，更為重要的是通過鋼筋改

38、善巖體的受力狀態(tài)，提高巖體強(qiáng)度來承受圍巖壓力，以充分發(fā)揮巖體的自承能力，這是比較松軟的巖層內(nèi)或采動(dòng)巷道內(nèi)成功地應(yīng)用錨網(wǎng)噴的主要原因。巷道圍巖穩(wěn)定性愈差，網(wǎng)和鋼帶等的作用愈加重要。4.1.2.3軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法目前，軟巖巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)方法大體上可分為三類，即工程類比法，理論計(jì)算法及實(shí)測(cè)法。(1)工程類比法工程類比法是當(dāng)前應(yīng)用最廣的方法。它是根據(jù)已經(jīng)支護(hù)的類似工程的經(jīng)驗(yàn)，通過工程類比，直接提出支護(hù)參數(shù)。它與設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很大。然而，要求每一個(gè)設(shè)計(jì)人員都具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是不切實(shí)際的。為了將特定巖體條件下的設(shè)計(jì)與別的工程相應(yīng)條件下的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來進(jìn)行工程類比，做出比較合理的設(shè)計(jì)方案，正確

39、的巖體分類是非常必要的。進(jìn)行圍巖分類后，就可根據(jù)不同類別的巖層，確定不同的支護(hù)形式和參數(shù)。(2)理論計(jì)算法在巖石力學(xué)支護(hù)理論的發(fā)展歷程中，人們?cè)噲D做到像地面結(jié)構(gòu)工程那樣能夠較為準(zhǔn)確地確定支護(hù)荷載，用理論公式設(shè)計(jì)計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)，這是巖石力學(xué)工作者長(zhǎng)期追求和奮斗的目標(biāo)。(3)實(shí)測(cè)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)資料，利用巖石力學(xué)原理與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行軟巖巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)方法，已被許多國(guó)家采用。教-資4.2現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)研究4.2.1巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析為掌握榮華煤礦軟巖力學(xué)特性，對(duì)東主運(yùn)輸巷道7#層進(jìn)行采樣，制成直徑50mm，高100mm的圓柱形試件。利用RMT-150B巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸抗拉實(shí)驗(yàn)和單軸抗壓實(shí)驗(yàn)。首先

40、，用游標(biāo)卡尺測(cè)定試件直徑，在其高度中部?jī)蓚€(gè)互相垂直的方向量測(cè)三組數(shù)據(jù)，取算術(shù)平均值，然后輸入計(jì)算機(jī)。然后輸入壓力及實(shí)驗(yàn)參數(shù)，開動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制均勻加載直至試件破壞。4.2.1.1巖石單向抗拉實(shí)驗(yàn)1.試驗(yàn)名稱：巖石單向抗拉實(shí)驗(yàn)2.試驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)定巖石單向抗拉強(qiáng)度3.試樣名稱：1號(hào)巖石（取其1塊巖芯）4.試件特征：巖石試件采于黑龍江省雞西榮華立井7層，灰黑色，微白，結(jié)構(gòu)致密，較堅(jiān)硬，遇水軟化，屬于粉沙巖的一種。5.儀器設(shè)備：RMT150B巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)儀器名稱巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)型號(hào)RMT150B技術(shù)指標(biāo)垂直液壓缸最大輸出力:1000kN垂直液壓缸活塞行程:50mm(1000kN,100kN二級(jí)

41、)水平液壓缸最大輸出力:500kN水平液壓缸活塞行程:50mm(500kN,100kN二級(jí))變形速率:0.00011mm/s加載速率:0.01100kN/s疲勞頻率:0.0015Hz最大圍壓:50MPa圍壓速率:0.001MPa/s機(jī)架剛度:5106N/mm功能及特色1.各種試驗(yàn)均為伺報(bào)控制，有位移控制、行程控制、載荷控制三種方式可選。2.組合位移控制方式，充分利用了軸向位移控制與橫向位移控制各自的優(yōu)點(diǎn)，更好地控制了試樣的破壞過程。3.單軸和三軸壓縮全過程試驗(yàn)。(可給出抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量、泊松比、凝聚力、摩擦角等數(shù)據(jù))4.各種加載波形的疲勞試驗(yàn)(正弦波、三角波、方波)，預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)，

42、試驗(yàn)過程中自動(dòng)記數(shù)。5.直接剪切試驗(yàn)，剪力由拉力提供。6.間接拉伸試驗(yàn)（巴西法），配有專用裝置。7.試驗(yàn)過程中可以進(jìn)行人為干涉，改變?cè)囼?yàn)參數(shù)(波形、頻率、速率、控制方式、極限值等等)以滿足各種特殊試驗(yàn)和理論研究的需要。8.自動(dòng)組合試驗(yàn)，可以分為若干個(gè)步驟，預(yù)先在不同的試驗(yàn)階段設(shè)置不同的試驗(yàn)參數(shù)，在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)連續(xù)完成。生產(chǎn)廠家中科院武漢分院巖土研究所國(guó)別碼1566.標(biāo)準(zhǔn)試件規(guī)格：采用直徑為50mm的圓柱體，高徑比為1：27.測(cè)定步驟：測(cè)試件尺寸：用游標(biāo)卡尺測(cè)定試件直徑，在其高度中部?jī)蓚€(gè)互相垂直的方向量測(cè)三組數(shù)據(jù)，取算術(shù)平均值，然后輸入計(jì)算機(jī)。輸入壓力及實(shí)驗(yàn)參數(shù)。開動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制均部

43、加載直至破壞。8.測(cè)試結(jié)果如圖：4.2.1.2巖石單軸抗壓實(shí)驗(yàn)1.試驗(yàn)名稱：巖石單軸抗壓實(shí)驗(yàn)2.試驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)定巖石單軸抗壓強(qiáng)度3.試樣名稱：2號(hào)巖石（取其1塊巖芯）4.試件特征：巖石試件采于黑龍江省雞西榮華立井7層，灰黑色，微白，結(jié)構(gòu)致密，堅(jiān)硬，遇水軟化，屬于粉沙巖的一種。5.儀器設(shè)備：RMT150B巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)6.標(biāo)準(zhǔn)試件規(guī)格：采用直徑為50mm的圓柱體，高徑比為2：17.測(cè)定步驟：測(cè)試件尺寸：用游標(biāo)卡尺測(cè)定試件直徑，在其高度中部?jī)蓚€(gè)互相垂直的方向量測(cè)三組數(shù)據(jù)，取算術(shù)平均值，然后輸入計(jì)算機(jī)。輸入壓力及實(shí)驗(yàn)參數(shù)。開動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制均部加載直至破壞。8.測(cè)試結(jié)果如圖：3號(hào)巖石（取其4塊

44、巖芯）試件特征：巖石試件采于7層，表面深灰色，巖石堅(jiān)硬，屬于粉沙巖的一種。測(cè)試結(jié)果（4組）如下：第一組結(jié)果:第二組結(jié)果:第三組結(jié)果：第四組結(jié)果: 4.2.1.3試驗(yàn)結(jié)論從圖中可以看出，雖然拉應(yīng)力的值比壓應(yīng)力的值低很多，但由于巖石的抗拉強(qiáng)度很低，所以試件還是因X方向的拉應(yīng)力而導(dǎo)致試件沿徑向劈裂破壞，破壞是從直徑中心開始，然后向兩端發(fā)展，反映了巖石的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要低很多，在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中最大抗壓強(qiáng)度接近50MPa，說明巖樣雖然水解性高，遇水軟化，但未與水接觸時(shí)抗壓強(qiáng)度很高。4.2.2變形監(jiān)測(cè)分析4.2.2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域簡(jiǎn)介榮華煤礦位于雞西市雞東縣境內(nèi)，該礦東主運(yùn)輸巷道位于-650m井底車場(chǎng)的

45、東北部，方位70（如圖4-15所示），起于副井空車線，止于中三采區(qū)運(yùn)輸石門，長(zhǎng)度約300m，坡度+4，目前已施工120m。東主運(yùn)輸巷道為新開拓工程，周圍無巷道，無采空區(qū)、火區(qū)和積水。地面為水田地及部分村房，標(biāo)高+174m，對(duì)開拓?zé)o影響。根據(jù)已施工的東主運(yùn)輸巷道及鉆孔資料顯示，本段巖石有砂巖、凝灰?guī)r、泥巖、煤頁巖、煤等，大部分巖石裂隙發(fā)育，局部破碎嚴(yán)重，有較多光滑面，巖石硬度16.5級(jí)，巖石走向70150，傾向160240，傾角1025，本段巖石區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，斷層較多，落差多在10m以下，附近巖石裂隙發(fā)育破碎，巷道施工時(shí)，有部分砂巖裂隙水及接近斷層時(shí)的斷層含水，水量最大5m3h。榮華煤礦為重掘礦

46、井，原始舊巷破壞嚴(yán)重，如圖4-16所示。圖4-15 榮華煤礦井底車場(chǎng)簡(jiǎn)圖圖4-16 巷道破壞情況4.2.2.2變形規(guī)律及存在問題(1)支護(hù)參數(shù)井底車場(chǎng)及東主運(yùn)輸巷道共施工991m，主、副、風(fēng)井已經(jīng)短路貫通，中央風(fēng)井環(huán)形車場(chǎng)已經(jīng)形成，榮華煤礦東主運(yùn)輸巷道施工120m。由于受地壓影響，加之長(zhǎng)年失修，大部分巷道已遭到嚴(yán)重破壞。井底車場(chǎng)目前已巷修580m，巷修主要采用砌碹、U型鋼支架、U型鋼支架噴砼等支護(hù)方式。并采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、W鋼帶，噴砼聯(lián)合支護(hù)方式（如圖4-17所示），錨桿采用18mm高強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)度1800mm，間排距800mm800mm，錨索采用15.24mm鋼絞線，長(zhǎng)度6000mm，間

47、排距2000mm1600m，金屬網(wǎng)采用網(wǎng)孔規(guī)格為50mm50mm的8#鍍鋅鋼絲網(wǎng)。圖4-17 斷面支護(hù)參數(shù)及效果(2)變形監(jiān)測(cè)東主運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)凈寬4.8m，拱頂凈高2.4m，墻高1.5m。為掌握巷道變形規(guī)律，對(duì)東主運(yùn)輸巷道進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)，測(cè)量?jī)x器采用激光指向儀、坡度規(guī)、鋼尺。如圖4-18所示，用鋼尺分別量取OA、OB、NC、ND。然后將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)錄入EXCEL表格進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。 圖4-18 榮華煤礦東主運(yùn)輸巷道變形監(jiān)測(cè)記錄將變形結(jié)果導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行分析，如圖4-19所示。圖4-19 巷道變形曲線(3)變形規(guī)律監(jiān)測(cè)結(jié)果表明巷道掘進(jìn)后頂板下沉量較大，日下沉量最大可達(dá)幾百毫米，隨時(shí)間推移逐漸趨于穩(wěn)定，

48、頂板下沉曲率逐漸減小，兩幫收斂速率減緩，但仍有收斂?jī)A向，并非完全穩(wěn)定。由于篇幅所限，僅列出三個(gè)測(cè)點(diǎn)變形曲線，另外二十個(gè)測(cè)點(diǎn)情況大致相同，掘進(jìn)面變形最大，頂板下移量超過200mm，并且兩幫向內(nèi)收斂速度很快，金屬網(wǎng)變形嚴(yán)重。(4)存在問題與措施榮華煤礦東主運(yùn)輸巷道破壞嚴(yán)重，巷道兩幫收縮嚴(yán)重。局部地段，錨索托盤工字鋼已出現(xiàn)彎曲，U鋼可縮支架架腿向內(nèi)彎曲嚴(yán)重。另外，榮華煤礦東主運(yùn)輸巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越地層數(shù)目較多，地層傾角20左右，地壓復(fù)雜，個(gè)別地段處于破碎帶，裂隙節(jié)理多，給支護(hù)帶來很大困難。距掘進(jìn)面20m以內(nèi)巷道，出現(xiàn)以下問題：兩幫收縮嚴(yán)重：20號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，錨索托盤工字鋼已出現(xiàn)彎曲，U鋼可縮支架架

49、腿向內(nèi)彎曲嚴(yán)重，現(xiàn)預(yù)留適當(dāng)變形空間，可以有效控制變形量，但預(yù)留空間尺寸大小很難掌握，現(xiàn)繼續(xù)進(jìn)行實(shí)地位移監(jiān)測(cè)，力求最佳預(yù)留尺寸。地質(zhì)條件復(fù)雜：由于東主運(yùn)輸巷道穿越地層數(shù)目較多，且個(gè)別地段處于破碎帶，裂隙節(jié)理多，地壓顯現(xiàn)異常。為準(zhǔn)確掌握地壓規(guī)律，現(xiàn)使用鋼弦式土壓計(jì)與混凝土噴層應(yīng)力計(jì)按預(yù)先設(shè)計(jì)好的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行永久埋設(shè)，并進(jìn)行長(zhǎng)期地壓監(jiān)測(cè)。涌水現(xiàn)象頻繁：榮華煤礦井筒涌水量較大，部分砂巖裂隙水及接近斷層時(shí)的斷層內(nèi)含水。施工過程中，有時(shí)順錨桿鉆機(jī)流水，水量最大5m3/h，為不影響正常施工，采用注漿方法堵水，并且加大水倉排水量，增加大揚(yáng)程水泵。個(gè)別片幫現(xiàn)象：14號(hào)測(cè)點(diǎn)頂板方位角30位置出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，片幫面積約0

50、.27m2，有金屬掛網(wǎng)拖住碎石未下落。底臌現(xiàn)象：17測(cè)點(diǎn)至掘進(jìn)面底臌現(xiàn)象明顯，影響正常施工作業(yè)，軌面上移量較大，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)階段共拉底2次。4.2.3軟巖性質(zhì)分析榮華煤礦東主運(yùn)輸巷道-650m井底車場(chǎng)周圍圍巖為軟巖，整體支護(hù)效果比較理想，但東主運(yùn)輸巷道變形嚴(yán)重，為徹底解決支護(hù)問題，需要對(duì)巷道頂板、底板及幫體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分判定。于2006年10月，在榮華煤礦東主運(yùn)輸巷道工作面采樣10件（2件備用）進(jìn)行了X射線衍射分析和掃描電鏡分析，并在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，確定了巖樣的性質(zhì)與類別，掌握了巖樣的基本特性。為下一步確定該巷道軟巖的類型、變形力學(xué)機(jī)制、研究圍巖穩(wěn)定性控制對(duì)策及其支護(hù)

51、技術(shù)提供依據(jù)。所采集的巖樣情況見表4-1。表4-1 巖石樣品記錄表編號(hào)取樣地點(diǎn)取樣位置巖石名稱巖樣特征1東主運(yùn)巷4號(hào)交叉口凝灰砂巖黑灰色、較硬、破碎2東主運(yùn)巷距1點(diǎn)150m凝灰?guī)r灰白色、質(zhì)軟3東主運(yùn)巷最新掘進(jìn)面中細(xì)砂巖灰色、裂隙發(fā)育4東主運(yùn)巷距B點(diǎn)50m粗砂巖灰白色、裂隙發(fā)育、硬度較差5東主運(yùn)巷交叉口25m粉沙巖淺灰色、裂隙發(fā)育6東主運(yùn)巷反向第一交叉口泥巖深灰色、質(zhì)軟7東主運(yùn)巷掘進(jìn)面（頂板）粉沙巖淺灰色、微濕8東主運(yùn)巷掘進(jìn)面（兩幫）灰質(zhì)泥巖灰白色、堅(jiān)硬4.2.3.1X射線衍射分析4.2.3.1.1 X射線衍射分析技術(shù)X射線衍射分析(X-ray Diffraction Analysis)是一種借

52、助X射線來識(shí)別原子種類的高技術(shù)。X射線是一種波長(zhǎng)短、能量高的電磁波。當(dāng)用X射線照射物質(zhì)時(shí)，除發(fā)生散射和吸收現(xiàn)象外，還會(huì)造成原子內(nèi)的電子發(fā)生電離，內(nèi)層軌道的電子脫離原子，形成一個(gè)空位，使原子處于“激發(fā)態(tài)”，這樣外層電子就會(huì)自動(dòng)向內(nèi)層跳去，填補(bǔ)這個(gè)空位，從而發(fā)射出一定能量的X射線。由于它的波長(zhǎng)和能量與原來照射的X射線不同，科學(xué)家將其稱為次級(jí)X射線，又叫X射線熒光。X射線熒光的波長(zhǎng)往往取決于物質(zhì)中元素的種類，每一種元素，有其特定的X射線熒光的能量和波長(zhǎng)，于是可以分辨出該物質(zhì)中所含元素的種類。同時(shí)，根據(jù)物質(zhì)被激發(fā)的X射線熒光的強(qiáng)度，能測(cè)出其中所含元素的含量。4.2.3.1.2射線鑒定礦物方法的特點(diǎn)不破

53、壞樣品，不改變礦物種屬。在薄片鑒定中，由于磨片過程需要水，故有的鹽類礦物（如食鹽）溶解于水、有的與水起反應(yīng)（如鈣芒硝與水作用后生成石膏），這將導(dǎo)致對(duì)某些礦物鑒定不出來或?qū)ζ渥龀霾徽_的鑒定。而射線衍射方法則不存在這個(gè)問題。對(duì)于同質(zhì)多象、類質(zhì)同象能做出較準(zhǔn)確的判斷如方石和方解石的化學(xué)成分均為CaCO3，這就是一種同質(zhì)多象。同用化學(xué)分析的方法是無法區(qū)分開它們的，而用衍射方法則十分容易。當(dāng)方解石的主特征峰d(104)=3.033.04變小時(shí)，例如變?yōu)?.02、3.00等，表明Ca2+被Fe2+或Mg2+無序取代了，這就是類質(zhì)同象問題。很明顯，我們可根據(jù)d(104)的變化對(duì)此做出判斷。準(zhǔn)確、快速、可靠

54、，對(duì)于常見的含量多的礦物，從制樣到圖譜解釋，一般一個(gè)小時(shí)即可解決問題。可用于多種礦物種系，這一點(diǎn)對(duì)分析地層中的粘土礦物十分重要。因?yàn)榇蠖鄶?shù)樣品都有三種、四種乃至五種粘土礦物存在。制樣方法簡(jiǎn)單，用于粘土礦物分析的定向片也是一種多用片，它既能進(jìn)行乙二醇飽和又可以進(jìn)行加熱處理，這對(duì)于定性、定量分析均十分重要。其它，對(duì)于細(xì)粒度的粘土礦物及其它礦物，在礦物晶形發(fā)生很大變化甚至面目全非時(shí)，射線方法是最有效的方法。對(duì)于伊利石/蒙皂石和綠泥石/蒙皂石兩類混層礦物的鑒定和混層比的計(jì)算問題，射線分析也是最好的解決方法。4.2.3.1.3 X射線衍射分析結(jié)果分別進(jìn)行了全巖分析和粘土礦物分析，將樣品粉碎、研磨至全部粒

55、徑小于40m，將粉末裝入鋁質(zhì)樣品框架20mm18mm空框內(nèi)，垂直壓緊成型。然后上機(jī)測(cè)量X射線衍射峰值來定性分析礦物種類及其相對(duì)含量，計(jì)算按絕熱方程計(jì)算。粘土礦物通常是指粒徑小于2m含水的層狀硅酸鹽礦物。X射線衍射分析中首先分離（沉降法）出小于2m的粘土礦物，在玻璃片上（40mm25mm）制備樣品，然后分別通過自然狀態(tài)（室溫自然干燥）、乙二醇飽和狀態(tài)（60，7.5h）、加熱狀態(tài)（450，2.5h），這三種狀態(tài)下X射線衍射峰值來定性分析各種粘土礦物種類及其相對(duì)含量。實(shí)驗(yàn)儀器日本理學(xué)電機(jī)公司（Rigaku）生產(chǎn)的D/MAX2500射線衍射儀，如圖4-20所示。圖4-20 D/MAX 2500 射線衍射儀全巖礦物X射線衍射分析及粘土礦物X射線衍射分析結(jié)果巖樣礦物分析包括礦物種類含量分析和粘土礦物相對(duì)含量分析，峰值曲線如圖4-21(a)(h)所示,含量結(jié)果見表4-2