澄合礦業(yè)董家河煤礦巷道圍巖松動(dòng)范圍分布規(guī)律及支護(hù)成套技術(shù)研究

澄合礦業(yè)董家河煤礦巷道圍巖松動(dòng)范圍分布規(guī)律及支護(hù)成套技術(shù)研究西安科技大學(xué)二零——零年九月澄合礦業(yè)董家河煤礦巷道圍巖松動(dòng)范圍分布規(guī)律及支護(hù)成套技術(shù)研究研究單位：澄合礦業(yè)董家河煤礦西安科技大學(xué)西安科技大學(xué)項(xiàng)目組研究成員：許剛剛項(xiàng)目綜述I項(xiàng)目綜述基石。松動(dòng)圈支護(hù)理論是在研究巷道周圍的巖石來的，所以，松動(dòng)圈的研究始終貫穿松動(dòng)圈的深入認(rèn)識(shí)是松動(dòng)圈支護(hù)理論的立論基礎(chǔ)之一。為此，本課題圍繞松動(dòng)圈的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、工程驗(yàn)證、理論分析和數(shù)值模擬進(jìn)行研究，以便對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行全面了解。在深巷道圍壓也主要由松動(dòng)圈引起，基于此，我國(guó)學(xué)者提出了圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論。由大量的理論分析、模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，地下巷道支護(hù)的對(duì)象主要是松動(dòng)圈形成中的碎脹變形，松動(dòng)圈越厚，圍巖變形力越大，支護(hù)越困難。實(shí)踐證明，松動(dòng)圈支抓住了支護(hù)的主要對(duì)象，其分類方法和所確定的支護(hù)形式與參數(shù)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，取得的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益非常顯著,從而應(yīng)用越來越廣泛。然而，要用該理論對(duì)硐室進(jìn)行動(dòng)圈厚度值的獲取大都是靠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，因此根錨固技術(shù)，國(guó)內(nèi)習(xí)慣統(tǒng)稱為錨桿支護(hù)技術(shù)，國(guó)技術(shù)。自1872年英國(guó)北威爾士露天頁巖礦采用錨桿加固邊坡及1912年德國(guó)謝列茲礦最先在井下采用錨固技術(shù)以來，錨固技術(shù)距今已有將近100多年的歷史，與完全依靠自身的強(qiáng)度、重力而使結(jié)構(gòu)物保持穩(wěn)定的傳統(tǒng)方法相比較，錨桿支護(hù)方式具有支護(hù)效果好、效率高、成本低等諸多特點(diǎn)，它的廣泛采用給煤礦企業(yè)帶來巨大的技術(shù)經(jīng)我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)近年來取得了長(zhǎng)足發(fā)展。我國(guó)最早從1956年開始在煤礦中使用錨桿，由于煤層地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，錨具、監(jiān)測(cè)手段等不夠完善，因而發(fā)展緩慢。在“八五”期間，煤炭工業(yè)部把煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)作為重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行了攻關(guān)，取得了一大批水平較高的科研成果，并應(yīng)用于新汶、項(xiàng)目綜述鐵法、兗州、蒲白、銅川、淮南等多個(gè)礦區(qū)，基本上解決了一般條件下的巷道支護(hù)問題。但1995年新掘煤巷、半煤巖巷中錨桿支護(hù)的比重僅占到15%和30%,嚴(yán)重制約著煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的進(jìn)一步提高。在此情況下，西安科技大學(xué)和東北大學(xué)聯(lián)合開展原煤炭工業(yè)部“八五”科技攻關(guān)，在一系列技術(shù)難題上取得了突破性進(jìn)展，并形成一整套的軟巖巷道錨桿支護(hù)技術(shù)，錨桿在煤巷中使用的比重也有了迅速提高。在“九五”期間，煤炭部又把煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)列為重點(diǎn)課題，展開了更深入、細(xì)致的研究試驗(yàn)工作，使我國(guó)的煤巷錨桿支護(hù)在技術(shù)上有了較大提高，目前正以更快的速度在全國(guó)推廣應(yīng)用。目前我國(guó)巷道錨桿(索)支護(hù)設(shè)計(jì)基本采用工程類比法或設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)取值法，支護(hù)效果及支護(hù)設(shè)計(jì)是否經(jīng)濟(jì)很大程度上取決于設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。為確保礦山開采過程中，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)能夠滿足礦山生產(chǎn)的需要，而且使支護(hù)更加安全、經(jīng)濟(jì)，西安科技大學(xué)部分研究人員對(duì)貴礦巷道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、巷道數(shù)值模擬以及巷道變形監(jiān)測(cè)等方面作了大量的研究工作，在此之前本研究小組已在重慶大通、山西霍州、陜西黃陵、蒲白、銅川等礦區(qū)進(jìn)行了研究并取得了成功。由于貴礦開采煤層埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜且巷道變形較大，傳統(tǒng)的錨桿(索)的支護(hù)設(shè)計(jì)方法已不是很符合“安全、經(jīng)濟(jì)、適用”的原則。因此急需解決安全、合理的錨桿(索)支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)問題，找出一套適合貴礦巷道錨桿(索)的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法?；诖?，對(duì)貴礦巷道支護(hù)效果評(píng)價(jià)以及合理支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)貴礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高具有重要的理論與實(shí)際意義。這次西安科技大學(xué)受董家河煤礦的委托，開展的對(duì)董家河煤礦圍巖松動(dòng)圈的分布規(guī)律和巷道錨桿(索)支護(hù)成套技術(shù)研究項(xiàng)目，是在深入研究圍巖松動(dòng)圈理論和煤礦巷道錨桿(索)支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的條件下進(jìn)行的。通過雙方的共同努力，對(duì)董家河典型巷道的圍巖松動(dòng)圈厚度進(jìn)行判定，并對(duì)錨桿(索)支護(hù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)和優(yōu)化。在董家河煤礦課題項(xiàng)目研究中，我們圓滿完成了《澄合礦區(qū)巷道圍巖松動(dòng)范圍分布規(guī)律及其支護(hù)成套技術(shù)研究》合同中規(guī)定的相關(guān)要求，主要取得了以下研究成果：(1)對(duì)董家河煤礦二采工作面的煤塊試樣進(jìn)行了物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)得到了煤層的容重、含水量、單軸抗壓強(qiáng)度、c、φ值等相關(guān)參數(shù)。(2)對(duì)董家河煤礦二采工作面典型巷道的圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。經(jīng)過理論分析和數(shù)值模擬可以得出，董家河煤礦二采工作面典型巷道的圍巖松動(dòng)圈厚度為1.6m~項(xiàng)目綜述研究，指出了傳統(tǒng)錨桿支護(hù)理論的適用性及局限(4)在錨桿支護(hù)理論與技術(shù)的研究，課題組分別對(duì)董家河煤礦22507軌道巷、22507皮帶巷、22508軌道巷、22508皮帶巷、二采集運(yùn)巷進(jìn)行和錨桿壓力的監(jiān)測(cè)。共設(shè)置巷道收斂監(jiān)測(cè)斷面10個(gè)、頂板深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)7個(gè)、兩幫松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)點(diǎn)14個(gè)、錨桿荷載監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè)、錨索荷載監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，每個(gè)斷面監(jiān)測(cè)歷時(shí)近10d～50d時(shí)間。在監(jiān)測(cè)過程中，共采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)500余組，獲得了第一手現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)(5)通過松動(dòng)圈、等效圓法理論，分別對(duì)22507軌道巷、22507皮帶巷、22508軌道巷、22508皮帶巷、二采集運(yùn)巷錨桿支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化方案設(shè)計(jì)；皮帶巷、二采集運(yùn)巷建立了計(jì)算模型，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。根據(jù)巷道圍巖位移、應(yīng)力的變化，確定最優(yōu)化的錨桿(索)布置參在該項(xiàng)目的實(shí)施過程中，得到了董家河煤礦領(lǐng)術(shù)人員表示衷心的感謝!1—項(xiàng)目綜述 I 1煤巷變形破壞機(jī)理及支護(hù)原則 11.1煤巷失穩(wěn)變形力學(xué)機(jī)理 11.1.1形變壓力作用 11.1.2松動(dòng)壓力作用 21.1.3膨脹壓力作用 21.2煤巷工程支護(hù)原則 21.2.1工程設(shè)計(jì)優(yōu)化原則 31.2.2工程問題具體分析原則 31.2.3工程支護(hù)過程原則 31.2.4工程支護(hù)加固范圍原則 31.2.5董家河煤礦巷道的支護(hù)原則 42煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究 52.1圍巖松動(dòng)圈理論研究 52.1.1圍巖松動(dòng)圈的概念和性質(zhì) 52.1.2圍巖處于不同物理狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變 62.1.3圍巖應(yīng)力計(jì)算式的推導(dǎo) 72.1.4松動(dòng)圈半徑計(jì)算式的推導(dǎo) 92.2圍巖松動(dòng)圈厚度的影響因素及分類 2.2.1圍巖松動(dòng)圈影響因素 2.2.2松動(dòng)圈厚度與支護(hù) 2.2.3圍巖松動(dòng)圈分類科學(xué)性綜述 2.2.4圍巖松動(dòng)圈分類表 2.2.5采動(dòng)巷道圍巖松動(dòng)圈分類方法 2.3圍巖松動(dòng)圈測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介 2.3.1聲波法測(cè)試松動(dòng)圈原理 2.3.2多點(diǎn)位移計(jì)確松動(dòng)圈的方法 2.3.3深基點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)方法 2.3.4煤礦圍巖松動(dòng)圈測(cè)試方法的改進(jìn) 3煤礦巷道錨桿支護(hù)理論 3.2煤礦巷道錨桿支護(hù)懸吊理論 3.3煤礦巷道錨桿支護(hù)組合梁理論 3.4煤礦巷道錨桿支護(hù)組合拱(壓縮拱)理論 3.5構(gòu)造應(yīng)力作用理論 3.6提高圍巖強(qiáng)度理論 3.7圍巖松動(dòng)圈錨桿支護(hù)理論 2—3.7.1小松動(dòng)圈圍巖狀態(tài) 3.7.2中松動(dòng)圈圍巖狀態(tài)支護(hù)參數(shù)確定 3.7.3大松動(dòng)圈圍巖狀態(tài)支護(hù)參數(shù)確定 3.8董家河煤礦巷道錨桿設(shè)計(jì)支護(hù)理論 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1前言 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2煤礦巷道頂板錨桿作用機(jī)理 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.3煤礦巷道頂板鋼帶或托梁作用機(jī)理 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.4煤礦巷道煤幫錨桿作用機(jī)理…………………錯(cuò)誤!未定義書簽。4.5煤礦巷道頂板支護(hù)與兩幫支護(hù)作用關(guān)系……錯(cuò)誤!未定義書簽。4.6煤礦巷道錨索作用機(jī)理………錯(cuò)誤!未定義書簽。5巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法………………錯(cuò)誤!未定義書簽。5.1煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)工程類比法……錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2煤巷錨桿支護(hù)理論設(shè)計(jì)方法…………………錯(cuò)誤!未定義書簽。5.3煤巷支護(hù)圍巖松動(dòng)圈設(shè)計(jì)方法………………錯(cuò)誤!未定義書簽。5.3.1矩形巷道頂板松動(dòng)范圍確定的傳統(tǒng)方法………………錯(cuò)誤!未定義書簽。5.3.2基于等效橢圓巷道頂板松動(dòng)范圍的研究………………錯(cuò)誤!未定義書簽。5.4煤巷支護(hù)圍巖大變形設(shè)計(jì)方法………………錯(cuò)誤!未定義書簽。5.5數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)法………………錯(cuò)誤!未定義書簽。5.6監(jiān)測(cè)信息設(shè)計(jì)法………………錯(cuò)誤!未定義書簽。5.7董家河煤礦采用錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)…………錯(cuò)誤!未定義書簽。6.1煤層取樣 6.2物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn) 6.2.1密度試驗(yàn) 6.2.2各水量的測(cè)定 6.2.3單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 6.2.4抗剪強(qiáng)度試驗(yàn) 7煤礦巷道支護(hù)的監(jiān)控量測(cè)技術(shù) 錯(cuò)誤!未定義書簽。7.1煤巷錨桿支護(hù)工程信息化施工 錯(cuò)誤!未定義書簽。7.2煤巷錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的項(xiàng)目和方法 錯(cuò)誤!未定義書簽。7.3煤礦巷道內(nèi)觀察法……………錯(cuò)誤!未定義書簽。7.4煤礦巷道位移壓力監(jiān)測(cè)………錯(cuò)誤!未定義書簽。7.4.1單點(diǎn)位移計(jì)………………錯(cuò)誤!未定義書簽。7.4.2多點(diǎn)位移計(jì)………………錯(cuò)誤!未定義書簽。7.4.3收斂位移監(jiān)測(cè)……………錯(cuò)誤!未定義書簽。7.4.4壓力監(jiān)測(cè) 錯(cuò)誤!未定義書簽。7.4.5錨桿軸力監(jiān)測(cè) 錯(cuò)誤!未定義書簽。 錯(cuò)誤!未定義書簽。8董家河煤礦卷道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)講 8122508工作面地質(zhì)條件及斷面支護(hù)形式 8.222507工作面地質(zhì)條件及斷面支護(hù)形式 3—8.3二來集運(yùn)巷地質(zhì)條件及斷面支護(hù)形式 8.4監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與原則 8.5監(jiān)測(cè)具體方案 8.6數(shù)據(jù)收集分析 錯(cuò)誤!未定義書簽。9董家河煤礦巷道監(jiān)測(cè)結(jié)果分析 9.1董家河煤礦巷道收斂監(jiān)測(cè) 9.1.122508軌道巷收斂斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果 9.1.222508皮帶巷收斂斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果 9.1.322507軌道巷收斂斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果 9.1.422507皮帶巷收斂斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果 9.1.5二采集運(yùn)巷收斂斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果 9.2董家河煤礦巷道頂板離層監(jiān)測(cè) 9.2.122507軌道巷離層監(jiān)測(cè)結(jié)果 9.2.222508軌道巷離層監(jiān)測(cè)結(jié)果 9.2.322508皮帶巷離層監(jiān)測(cè)結(jié)果 9.2.4二采集運(yùn)巷頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果 1煤巷變形破壞機(jī)理及支護(hù)原則11煤巷變形破壞機(jī)理及支護(hù)原則煤礦巷道工程失穩(wěn)力學(xué)機(jī)理實(shí)質(zhì)上是地層壓力效應(yīng)的結(jié)果，當(dāng)二次應(yīng)力量值超過了的變形、破裂、松碎等現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的地層開挖后重新分布的二次應(yīng)力與圍巖的變形及強(qiáng)度特性互為作用而產(chǎn)生的一種力學(xué)現(xiàn)象。地層壓力可分為松動(dòng)壓力、形變壓力、膨脹壓力等。煤礦地下工程失穩(wěn)變形主要是這三構(gòu)上形成壓力，或是由于明顯流變性能的圍巖變形形成的支護(hù)壓力，這種形變壓力大多是由于重新分布?jí)毫ψ銐虼?，使部分圍巖進(jìn)入塑性或進(jìn)入流變變形階載環(huán)。在煤層地下工程中，由于煤體強(qiáng)度較階段，形成較大的形變壓力，導(dǎo)致地下工程全面失穩(wěn)破壞。受到壓力越大，圍巖塑性變形越?。恢ёo(hù)愈晚，支護(hù)上受到壓力愈小，沒有支護(hù)則不產(chǎn)生這種形式的壓力。支護(hù)剛度越大，支護(hù)上受到壓力越大，反之支護(hù)上受到壓力越小。這種壓力通?？捎脟鷰r及支護(hù)特性曲線表達(dá)它們之間的關(guān)系，如圖1.1所示。2通常，煤層變形的速率開始時(shí)較大，以后逐漸放緩，支護(hù)太早可能會(huì)形成過大的形變壓力。但若支護(hù)太晚，則會(huì)使圍巖破裂失穩(wěn)而形成附加的松動(dòng)壓力。理論上講，測(cè)知圍巖的變形特性曲線可以用最小代價(jià)的支護(hù)設(shè)計(jì)(含合理的支護(hù)時(shí)間)取得最合理而安全的支護(hù)效果。松動(dòng)壓力是松動(dòng)巖體直接作用在地下工程支護(hù)上的作用力，大多出現(xiàn)在地下工程的頂端及側(cè)幫。其形成原因是地下工程開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，部分圍巖或其結(jié)構(gòu)面失去強(qiáng)度，成為脫離母巖的分離塊體和松散體，在重力作用下，克服較小的阻力產(chǎn)生冒落和塌滑運(yùn)動(dòng)。這種壓力具有斷續(xù)性和突發(fā)性，很難預(yù)見什么時(shí)間有多大范圍的分離塊體會(huì)突然塌滑下來，形成這種壓力的關(guān)鍵因素是地層的地質(zhì)條件和巖體的結(jié)構(gòu)條件。在松散地層如斷裂破碎帶、擠壓蝕變帶易于產(chǎn)生此種壓力。在軟弱煤層地下工程中，有些巷道圍巖中含有膨脹性礦物質(zhì)(如伊利石、蒙脫石、高嶺石等)在開挖時(shí)，巖體遇水后發(fā)生不失去整體性的膨脹變形和移動(dòng)，當(dāng)有支護(hù)時(shí)，膨脹變形對(duì)支護(hù)產(chǎn)生了另外一種形式的膨脹壓力。這主要是圍巖顆粒較細(xì)，存在互相連通的毛細(xì)管，毛細(xì)管的吸水性，使巖體發(fā)生膨脹和體積增大，向地下工程內(nèi)空移動(dòng)，對(duì)支護(hù)形成壓力。1.2煤巷工程支護(hù)原則煤巷工程支護(hù)可以概括為以下四條：工程設(shè)計(jì)優(yōu)化原則、工程問題具體分析原則、1煤巷變形破壞機(jī)理及支護(hù)原則3(1)巷道方向優(yōu)化原則對(duì)于工程地質(zhì)復(fù)雜的礦井，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)明顯的礦井巷垂直于較大的應(yīng)力方向，以免井巷失穩(wěn)，受到破壞，必要時(shí)改變開采工藝。(2)巷道空間位置優(yōu)化原則煤巖礦井所處的地層并非都是軟弱巖層，應(yīng)盡量選擇軟中之硬者，將主要巷道掘鑿(3)巷道斷面優(yōu)化原則選定巷道幾何形狀與支護(hù)結(jié)構(gòu)的和諧配套。巷道幾何形狀的確定既要滿足工藝上的同時(shí)，合理的斷面形狀能夠充分地保護(hù)圍巖的力學(xué)強(qiáng)度，降低支護(hù)的難度。煤礦巷道支護(hù)要根據(jù)實(shí)際工程問題的具體情況進(jìn)行分析，不存在完全標(biāo)準(zhǔn)化的支護(hù)方法。煤巖多種多樣，即使宏觀地質(zhì)類似的和破壞狀不同，對(duì)應(yīng)的支護(hù)對(duì)策也不同。只有正確地確定煤巖的變形力學(xué)機(jī)制，找出造煤礦巷道支護(hù)是一個(gè)過程，不可能一蹴而就。究其本質(zhì)原因，煤巖工程中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)煤巖工程穩(wěn)定性實(shí)行有效的控制，必須有一個(gè)從“復(fù)合型”到“和硬巖工程支護(hù)的指導(dǎo)思想不同，煤巖工程支護(hù)必然允許出現(xiàn)塑性圈，及潛在松動(dòng)范圍。硬巖工程是力求控制塑性圈的產(chǎn)生，最大限度的發(fā)揮圍巖自身承載能力。煤巖工程支護(hù)是力求有控制也產(chǎn)生一個(gè)合理厚度的塑性圈，1煤巷變形破壞機(jī)理及支護(hù)原則4(1)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(2)控制差異性變形。煤系地層中的軟弱夾層的發(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，使支架承受均勻荷載。我們的任務(wù)就是要尋求一個(gè)最佳塑性圈董家河煤礦巷道幾何形狀的確定既要滿足工藝上的使用要求，又要造價(jià)低廉，還要2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究52煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究2.1圍巖松動(dòng)圈理論研究在原巖中開挖巷道，破壞了圍巖的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，使應(yīng)力重新分布：一是徑向應(yīng)力減小，周邊處為零；二是切向應(yīng)力增加，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。另一方面，圍巖受力狀態(tài)由三向變成了近似二向，巖石強(qiáng)度下降。如果集中應(yīng)力值小于下降后的巖石強(qiáng)度時(shí)，圍巖處于彈性狀態(tài)，圍巖自己承載，不存在支護(hù)問題；如果相反，圍巖將發(fā)生破裂，這種破裂從周邊逐漸向深部擴(kuò)展，直至達(dá)到另一新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，此時(shí)圍巖中出現(xiàn)了一個(gè)破裂區(qū)，一般是圍繞開挖空間形成環(huán)狀。圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論把這個(gè)由于應(yīng)力作用產(chǎn)生的松弛破裂帶稱為巷道圍巖松動(dòng)圈，簡(jiǎn)稱為圍巖松動(dòng)圈。對(duì)于塑性巖石，在破裂區(qū)外應(yīng)力接近但小于巖石強(qiáng)度，圍巖處于塑性狀態(tài)；再往外應(yīng)力低于巖石的塑性屈服應(yīng)力，圍巖處于彈性狀態(tài)，形成了一般所說的圍巖圍巖中的四個(gè)區(qū)(如圖2.1所示)。對(duì)于煤礦巷道的巖石，多數(shù)的全應(yīng)力～應(yīng)變曲線塑性斷并不明顯，既沒有明顯的塑性區(qū)。從巷道表面到圍巖深部，對(duì)應(yīng)于巖石的全應(yīng)力～應(yīng)變曲線，可以把圍巖分成三個(gè)區(qū)：破裂膨脹穩(wěn)定區(qū)→破裂膨脹劇烈區(qū)→彈性區(qū)。圖2.1巷道圍巖的典型物理力學(xué)狀態(tài)由于地下條件復(fù)雜，目前對(duì)松動(dòng)圈的研究還不夠充分。對(duì)巷道圍巖的研究，現(xiàn)有成果多把巷道圍巖分成彈性區(qū)，塑性區(qū)和最內(nèi)的破裂區(qū)。對(duì)彈性區(qū)和塑性區(qū)已有了一些較好的理論解答，但對(duì)于破裂區(qū)的尺寸如何進(jìn)行理論計(jì)算任然沒有定論。雖然，對(duì)破裂區(qū)2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究6計(jì)算理論的一些基本假設(shè)與實(shí)際圍巖的狀態(tài)又有①圍巖松動(dòng)圈是開巷后，巷道周邊客觀存在著的物理狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)于巖石全應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰后階段的巖石狀態(tài)。只有②同一圍巖的巷道中，巖石應(yīng)力愈大，松動(dòng)圈也愈大；同一應(yīng)力③圍巖松動(dòng)圈具有一定的形狀：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，當(dāng)圍巖各向同性時(shí)，如果垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力相等，則為圓形，否則為橢圓形，且橢圓的長(zhǎng)軸與主應(yīng)力方向垂④由于圍巖調(diào)整及其重新分布，以及巖石具有長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度的特性，圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展⑤圍巖松動(dòng)圈對(duì)支護(hù)的影響大，而支護(hù)對(duì)松動(dòng)圈的尺寸影響不大。為簡(jiǎn)化問題的計(jì)算，簡(jiǎn)單地假設(shè)巷道形狀為圓形，其半徑為R?;各項(xiàng)同性的均質(zhì)圍巖，忽略巖石自重；原巖應(yīng)力足以使圍巖中產(chǎn)生一個(gè)松動(dòng)圈區(qū)，其半徑為R,;破裂穩(wěn)定區(qū)半徑為R;彈性區(qū)半徑為R,如圖2.2所示。圖2.2圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)推導(dǎo)示意圖7式中：σ為該區(qū)圍巖中任意點(diǎn)的徑向應(yīng)力，為最下應(yīng)力；σ為該區(qū)圍巖中任意點(diǎn)的切向應(yīng)力，為最大應(yīng)力。該區(qū)內(nèi)，巖石破裂碎脹后，其強(qiáng)度將下降到殘余強(qiáng)度。采用摩爾～庫倫(Mohr~Coulomb)強(qiáng)度條件，并注意到，內(nèi)式中：9為巖石內(nèi)摩擦角；該區(qū)內(nèi)巖石開始破裂，強(qiáng)度隨應(yīng)變的增大由巖石極限強(qiáng)度降低至巖石的殘余強(qiáng)度，式中：G為破裂劇烈區(qū)內(nèi)巖石單軸抗拉強(qiáng)度，該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生破裂和體積增量大，σ采用上訴方程進(jìn)行求解，使用邊界條件，即可對(duì)圍巖的三個(gè)物理狀態(tài)區(qū)分別建立應(yīng)8力計(jì)算式。由于內(nèi)邊界條件已知，可從巷道內(nèi)往外推導(dǎo)。(1)破裂穩(wěn)定區(qū)內(nèi)應(yīng)力把(2.1)式代入(2.2)式，積分可得：把(2.8)式代入(2.1)式：由(2.8)式、(2.9)式可見，破裂穩(wěn)定區(qū)內(nèi)應(yīng)力主要與破裂穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的巖石性質(zhì)和支護(hù)的性質(zhì)有關(guān)，而與原巖應(yīng)力無關(guān)。(2)破裂劇烈區(qū)內(nèi)的應(yīng)力把(2.4)式代入(2.3)式，積分可得：代入(2.4)式，可得：把(2.12)式代入(2.3)式，可得：9由(2.12)式和(2.13)式可知：破裂劇烈區(qū)的圍巖應(yīng)力，也與原巖應(yīng)力無關(guān)，只與破裂穩(wěn)定區(qū)半徑、破裂穩(wěn)定區(qū)巖石性質(zhì)、破裂劇烈區(qū)巖石性質(zhì)和巷道尺寸有關(guān)。(3)彈性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力又由r=R,時(shí)，有σ=G,即由(2.12)式和(2.5)式有：把A、B值代入(2.5)式，可得：把(2.15)式代入(2.6)式，可得：(2.15)和(2.16)兩式說明：彈性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力與破裂劇烈區(qū)和穩(wěn)定區(qū)的性質(zhì)有關(guān)系。由于破裂劇烈區(qū)和破裂穩(wěn)定區(qū)的存在，彈性最大主應(yīng)力減小，彈性最小主應(yīng)力增大，使摩爾圓直徑減小，有利于彈性區(qū)圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)的保持。2.1.4松動(dòng)圈半徑計(jì)算式的推導(dǎo)破裂劇烈區(qū)與彈性區(qū)界面上的應(yīng)力連續(xù)，以此為邊界條件，可導(dǎo)出破裂區(qū)半徑R,。也就是，當(dāng)r=R,時(shí)，有σ=G,所以在此邊界上有(2.13)式等于2.16)式：2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究強(qiáng)度曲線段，則(2.17)式變成塑性區(qū)半徑解：(2.17)式說明了，松動(dòng)圈厚度與原巖應(yīng)力、巷道尺寸成正變關(guān)系；而與破裂穩(wěn)定區(qū)的強(qiáng)度和支護(hù)抗力成反變關(guān)系。圖2.3圓形巷道圍巖中的應(yīng)力分布從上訴推導(dǎo)出的等式，可畫出巷道圍巖中應(yīng)力的分布曲線，如圖2.3所示。可見，2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究2.2圍巖松動(dòng)圈厚度的影響因素及分類相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明巖體強(qiáng)度R,和原巖應(yīng)力p?對(duì)松動(dòng)圈厚度的影響顯著,其中巖體強(qiáng)度這一結(jié)論對(duì)松動(dòng)圈圍巖分類的實(shí)際應(yīng)用非常重要，它使得具體分類時(shí)不必考慮跨度影2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究時(shí)，圍巖強(qiáng)度低時(shí)松動(dòng)圈較大，反之松動(dòng)圈則較小；當(dāng)圍巖強(qiáng)度相同時(shí)，原巖應(yīng)力小時(shí)松動(dòng)圈小，反之松動(dòng)圈較大。圍巖分類所依據(jù)的松動(dòng)圈厚度是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，它所代表的是現(xiàn)場(chǎng)原巖應(yīng)力、巖體強(qiáng)度及巖體結(jié)構(gòu)面以及水的影響的實(shí)際情況。也就是說，公式(2.20)中的p?不是單一的包含風(fēng)化因素、節(jié)理、裂隙等弱面以及水影響的巖體強(qiáng)度?？偠灾F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的圍巖狀態(tài)—松動(dòng)圈所反映的就是一種客觀狀態(tài)，沒有任何假設(shè)處理，因此，松動(dòng)圈厚度值是一個(gè)包含巖體強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)面特征、自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力以及睡的影響多因素相互作用后的產(chǎn)物，是一個(gè)綜合指標(biāo)。(2)支護(hù)阻力P;對(duì)松動(dòng)圈厚度Lp的影響支護(hù)與圍巖共同作用的彈塑性分析表明，支護(hù)對(duì)塑性區(qū)半徑有影響。松動(dòng)圈是塑性區(qū)的一部分，支護(hù)對(duì)松動(dòng)圈大小的影響程度，是關(guān)系到松動(dòng)圈分類方法能否實(shí)用的關(guān)鍵問題。如前所述，支護(hù)與圍巖間存在一定量的“自然間隙”,只有當(dāng)圍巖產(chǎn)生一定量的碎脹變形之后，才能產(chǎn)生支護(hù)阻力。因此，支護(hù)對(duì)松動(dòng)圈厚度的影響較小。圖2.4是根據(jù)塑性區(qū)半徑的Kasterner公式計(jì)算得到的塑性區(qū)半徑R,與支護(hù)阻力P;的關(guān)系支護(hù)曲線。隨著支護(hù)阻力的提高，塑性區(qū)(松動(dòng)圈)半徑逐漸減小，但曲線變化的斜率較小，表明支護(hù)阻力對(duì)松動(dòng)圈厚度的影響比較微弱。表2.1是原蘇聯(lián)學(xué)者對(duì)深度為600m的巷道的非彈性變形區(qū)的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)支護(hù)阻力從0增至0.3MPa時(shí)，非彈性變形區(qū)尺寸僅減少3%。由此可見，即使支護(hù)能做到絕對(duì)及時(shí)和密貼，支護(hù)對(duì)松動(dòng)圈大小的影響也是比較小的，從工程角度出發(fā)，支護(hù)對(duì)松動(dòng)圈的影響可以忽略不計(jì)。圖2.4支護(hù)P與塑性區(qū)R,關(guān)系表2.1支護(hù)阻力對(duì)松動(dòng)圈影響計(jì)算實(shí)例支護(hù)阻力P;(MPa)0非彈性變形區(qū)半徑R(m)(3)爆破對(duì)松動(dòng)圈的影響一般光面爆破所造成的破裂范圍比較小，在100～350mm之間；裝藥量稍大些的周邊眼，其炮震裂隙深度也不超過500～600mm。當(dāng)較軟巖石圍巖松動(dòng)圈比較小時(shí)，如L≤400mm,炮震裂隙的深度有可能大于松動(dòng)圈的厚度。對(duì)于這個(gè)問題，由于炮震裂隙在巷道周邊的分布不均勻，容易在測(cè)試中識(shí)別，并且它的碎脹變形在支護(hù)前已經(jīng)發(fā)生完了，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)影響不大。當(dāng)松動(dòng)圈比較大時(shí)，松動(dòng)圈在不均勻炮震裂隙的基礎(chǔ)上還要繼續(xù)擴(kuò)展，達(dá)到應(yīng)力平衡條件下的松動(dòng)圈。爆破只是加快了瞬時(shí)松動(dòng)圈得形成，對(duì)最終巖體長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度下的穩(wěn)定松動(dòng)圈得數(shù)值影響很小。在松動(dòng)圈較小時(shí)，爆破形成的破碎帶有時(shí)會(huì)因?yàn)闇y(cè)孔減少而影響圍巖分類，因此，在進(jìn)行分類測(cè)試時(shí)，往往在同一巖層內(nèi)布設(shè)兩個(gè)以上的測(cè)試斷面，以有效區(qū)別爆破震裂帶和松動(dòng)圈。(4)水對(duì)松動(dòng)圈的影響水對(duì)圍巖松動(dòng)圈的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先水會(huì)是圍巖強(qiáng)度降低，從而使巖體的強(qiáng)度值降低，因此，在實(shí)測(cè)松動(dòng)圈厚度值中包含了水的軟化作用，該作用可歸入圍巖強(qiáng)度因素中。第二，對(duì)于吸水膨脹性較強(qiáng)的圍巖，水的浸入使圍巖強(qiáng)度大幅度降低，松動(dòng)圈擴(kuò)大；圍巖浸水深度和浸水量的大小，都會(huì)對(duì)圍巖的松動(dòng)圈產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，這正是松動(dòng)圈圍巖分類方法的特點(diǎn)，它能隨機(jī)地把水的影響反映到松動(dòng)圈的變化上來。如果在工程中有效地控制了水的影響，有時(shí)松動(dòng)圈可能并不大。(5)斷面形狀對(duì)松動(dòng)圈的影響巷道斷面形狀不同，圍巖中應(yīng)力集中程度差別較大，如矩形巷道角部位置的應(yīng)力集中系數(shù)可以達(dá)到6～8,而圓形巷道的應(yīng)力集中系數(shù)最小時(shí)為2,但這只會(huì)在彈性狀態(tài)下發(fā)生。如果將松動(dòng)圈的產(chǎn)生發(fā)展視為一個(gè)過程，則圍巖應(yīng)力集中系數(shù)較大部位首先破壞，在高的集中應(yīng)力也要大幅度降低到巖體的殘余強(qiáng)度應(yīng)力水平。圖2.5是矩形巷道松動(dòng)圈發(fā)展過程示意圖，開巷后圍巖破壞順序依次是a、b、c、d,而且c、d在a、b后必然連2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究續(xù)發(fā)生；當(dāng)破壞發(fā)展到一定深度之后，均勻應(yīng)力場(chǎng)中的應(yīng)力集中程度會(huì)趨于一致。因此，巷道斷面形狀對(duì)松動(dòng)圈的影響沒有想象的那么大。在圍巖松動(dòng)圈分類方法中，斷面形狀因素的影響，可以通過相同斷面巷道之間松動(dòng)圈的類比予以消除。圖2.5矩形巷道松動(dòng)圈發(fā)展過程綜上所述，松動(dòng)圈厚度是巖體強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、弱面影響、圍巖風(fēng)化、水、自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等諸多因素在開巷后互相作用的產(chǎn)物，是一個(gè)多因素綜合性的指標(biāo)。由于支護(hù)阻力、巷道跨度對(duì)松動(dòng)圈的影響很小，工程應(yīng)用時(shí)對(duì)其影響可以忽略不計(jì)。松動(dòng)圈支護(hù)理論揭示，巷道支護(hù)的主要對(duì)象是松動(dòng)圈形成發(fā)展過程中的碎脹變形壓力。松動(dòng)圈較小，圍巖碎脹變形也較小，支護(hù)較容易；松動(dòng)圈較大時(shí)，由此而產(chǎn)生的碎脹變形量也較大，支護(hù)較困難。如果松動(dòng)圈為零，則圍巖處于彈性平衡狀態(tài)，理論上不需要進(jìn)行支護(hù)。40cm時(shí)，只噴混凝土就能有效維護(hù)；如果Lp=130～150cm,一般常用的料石喧(剛性)支護(hù)就不適應(yīng)了；當(dāng)Lp≥150cm,剛性支護(hù)已經(jīng)難以維持。上述現(xiàn)象說明，松動(dòng)圈越大，收斂變形量越大，支護(hù)越困難。表2.2是支護(hù)維護(hù)狀況與松動(dòng)圈相關(guān)關(guān)系的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，由此可見，巷道支護(hù)困難程度與松動(dòng)圈的大小之間有著十分密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表2.2松動(dòng)圈與巷道支護(hù)維護(hù)狀況調(diào)查表礦井巖性松動(dòng)圈(cm)支護(hù)形式支護(hù)狀況朱仙莊礦砂巖錨噴良好無損壞泥巖錨噴局部有破壞泥巖錨噴、料石喧多種支護(hù)失敗雞西東海礦砂巖噴混凝士良好王莊礦砂巖噴混凝土良好無破壞淮北張莊礦頁巖錨噴局部破壞南屯煤礦粉砂巖錨噴良好淮北石臺(tái)礦泥巖、頁巖錨噴、料石喧多層喧大量破壞淮南潘三礦泥巖復(fù)合支護(hù)普通非可縮支護(hù)全壞潞安常村礦泥巖混凝土喧全部破壞邯鄲云駕嶺泥巖錨噴、料石喧大量破壞南屯煤礦錨桿、網(wǎng)良好3煤(采動(dòng))錨桿、網(wǎng)變形量大、維護(hù)良好煤河二井煤錨桿、網(wǎng)變形量大、維護(hù)良好平頂山六礦泥巖錨噴、混凝土喧大量破壞伏牛山礦砂巖料石喧大量破壞開灤趙各莊礦砂巖錨噴局部破壞、噴層開裂掉落淮北蘆嶺礦泥巖多種支護(hù)大量破壞南屯煤礦采動(dòng)巷道錨桿、網(wǎng)變形量大、維護(hù)良好粉砂巖錨噴支護(hù)采動(dòng)時(shí)噴層開裂，掉皮，工作面推過后維護(hù)正常泥巖錨噴支護(hù)潞安王莊礦煤層錨桿網(wǎng)，礦工鋼維護(hù)正常2.2.3圍巖松動(dòng)圈分類科學(xué)性綜述圍巖分類的目的在于正確評(píng)價(jià)支護(hù)難度，判明主要支護(hù)對(duì)象，以便合理地確定支護(hù)參數(shù)和施工工藝。圍巖的穩(wěn)定程度不僅取決于圍巖性質(zhì)，而且還決定于地應(yīng)力大小，分類須考慮這兩個(gè)方面的因素。巖體強(qiáng)度的確定需要做昂貴的現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，一般巷道工程難以做到；原巖應(yīng)力尤其是構(gòu)造應(yīng)力也是一個(gè)難以獲得的分類指標(biāo)?，F(xiàn)有眾多的分類方法在實(shí)際處理、量化這兩個(gè)參數(shù)時(shí)不同程度的遇到了難題。即使是準(zhǔn)確的確定了巖體性質(zhì)和原巖應(yīng)力數(shù)值，如何把握圍巖狀態(tài)及圍巖類別與支護(hù)難度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，仍然是待解決的難題。松動(dòng)圈是圍巖收斂變形的主要原因，其大小與支護(hù)的困難程度聯(lián)系密切，松動(dòng)圈厚度既包括影響圍巖穩(wěn)定性的諸多因素，又反映出諸多因素的相互作用結(jié)果，是一個(gè)綜合性的分類指標(biāo)。用圍巖松動(dòng)圈分類圍巖有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：①繞過了原巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)測(cè)定等困難問題，但又著重抓住了它2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究們的影響結(jié)果，即松動(dòng)圈Lp是一個(gè)包含多因素影響的綜合指標(biāo)。②松動(dòng)圈Lp系現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得，未在重要方面作任何假設(shè)。③Lp大小很容易用聲測(cè)法等多種方法獲得，確定支護(hù)參數(shù)時(shí)直觀簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用④單一綜合指標(biāo)分類，分類的重復(fù)性、可靠性不以人們的經(jīng)驗(yàn)不同而變化。⑤松動(dòng)圈分類方法的理論基礎(chǔ)較為堅(jiān)實(shí)，它與錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)形成了技術(shù)系列。經(jīng)過大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和工程實(shí)踐，當(dāng)松動(dòng)圈Lp=0～40cm時(shí)，圍巖穩(wěn)定性好，支護(hù)容往是測(cè)點(diǎn)安裝之前，變形已基本釋放完畢。小松動(dòng)圈狀態(tài)下圍巖的變形壓力可以忽略不計(jì)，巷道支護(hù)荷載只是松動(dòng)圈內(nèi)圍巖的自重，其數(shù)值小于0.1MPa,只用單一噴混凝土支護(hù)即可達(dá)到支護(hù)的目的。因此，將Lp=0～40cm確定為I類小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖，是裸體著松動(dòng)圈的增加，圍巖碎脹變形將迅速增加。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比調(diào)查顯示，當(dāng)松動(dòng)圈厚度值超過1.5m之后，圍巖碎脹變形迅速增加，普通剛性支護(hù)將大量破壞，支護(hù)難度和支護(hù)費(fèi)用迅速增加，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，松動(dòng)圈分類表將常規(guī)剛性支護(hù)難以正常維護(hù)，即松動(dòng)圈大于1.5m的圍巖確定為不穩(wěn)定圍巖(軟巖)類別的分界線。經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈測(cè)試及松動(dòng)圈與巷道支護(hù)難易程度相關(guān)關(guān)系的調(diào)研，結(jié)合錨噴支護(hù)機(jī)理，依據(jù)圍巖松動(dòng)圈的大小將圍巖分為小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖Lp=0～40cm,中松動(dòng)圈一般穩(wěn)定圍巖Lp=40～150cm和大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖Lp>150cm三大類，如表2.3所示。①按錨噴支護(hù)機(jī)理劃分圍巖類別：松動(dòng)圈巷道支護(hù)圍巖分類方法的主要特點(diǎn)是按照I類小圍巖松動(dòng)圈Lp=0～40cm,圍巖的碎脹變形量很小，此類圍巖一般無需錨桿，可以裸體或者噴混凝土單獨(dú)支護(hù)；Ⅱ、Ⅲ類圍巖2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究Lp=200～300cm,采用組合拱理論確定錨噴支護(hù)參數(shù)；VI類圍巖Lp>300cm,在沒有進(jìn)一步研究資料之前，應(yīng)采用以錨噴網(wǎng)為基礎(chǔ)的復(fù)合支護(hù)。②分類表便于選擇支護(hù)：I~Ⅲ圍巖現(xiàn)有的各種支護(hù)都可以使用。對(duì)于IV～VI類圍巖一切剛性支護(hù)不是不能使用就是不合理了，這類圍巖屬于大松動(dòng)圈范疇，圍巖松動(dòng)支護(hù)理論把Lp>150cm常規(guī)支護(hù)不能適應(yīng)的圍巖定義為不穩(wěn)定圍巖即軟巖，從而定量描述③用綜合指標(biāo)分類：該分類表以綜合指標(biāo)Lp作為分類依據(jù)，原巖應(yīng)力PO和圍巖強(qiáng)度RC等被抽象概括于松動(dòng)圈大小Lp之中。松動(dòng)圈反應(yīng)的是原巖應(yīng)力和巖體強(qiáng)度(性質(zhì))的不同組合的結(jié)果，松動(dòng)圈的大小隨著原巖應(yīng)力和巖體強(qiáng)度的變化而變化，因此表2.3中無具體的地層巖石名稱，亦無地應(yīng)力數(shù)值，因?yàn)橥粠r層在不同水平或者不同礦井條件下其松動(dòng)圈是不同的，圍巖類別也將有所區(qū)別。應(yīng)用時(shí)具體到某礦某一生產(chǎn)水平之后，一般可以認(rèn)為原巖應(yīng)力水平相當(dāng)，同一巖層的松動(dòng)圈在任何水平被認(rèn)為是一個(gè)比較固定的值，這時(shí)可將具體的巖石名稱填于表中，作為該礦的圍巖分類表。用綜合指標(biāo)分類圍巖，操作簡(jiǎn)單，使用方便，可使礦井支護(hù)系列化。表2.3巷道支護(hù)圍巖松動(dòng)圈分類表圍巖類別分類名稱松動(dòng)圈Lp(cm)支護(hù)機(jī)理及方法備注小松動(dòng)圈I穩(wěn)定圍巖噴射混凝土支護(hù)好，不易風(fēng)化的可不支護(hù)中松動(dòng)圈Ⅱ較穩(wěn)定圍巖錨桿懸吊理論噴層局部支護(hù)Ⅲ一般圍巖錨桿懸吊理論噴層局部支護(hù)剛性支護(hù)局部破壞大松動(dòng)圈一般不穩(wěn)定圍巖(軟巖)理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護(hù)剛性支護(hù)大面積破壞V不穩(wěn)定圍巖(較軟弱圍巖)理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護(hù)圍巖變形有穩(wěn)定期2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究極不穩(wěn)定圍巖(及軟圍巖)待定圍巖變形在一般支護(hù)條件無穩(wěn)定期采動(dòng)影響實(shí)質(zhì)上是巷道圍巖應(yīng)力隨著采煤工作作面推過之后，集中應(yīng)力消失，受采動(dòng)影響巷道重新恢復(fù)到低應(yīng)力水平，這是采動(dòng)巷道巖應(yīng)力水平(有的低于原巖應(yīng)力水平),松動(dòng)圈不再擴(kuò)展。圍巖的碎脹變形的釋放具有時(shí)間效應(yīng)，它滯后于圍巖松動(dòng)圈的形成(圖2.6)。也就到非采動(dòng)巷道該松動(dòng)圈數(shù)值所應(yīng)能達(dá)到的變形量。這是因?yàn)榉逯祲毫芸焱ㄟ^采動(dòng)巷道，圍巖碎脹變形來不及釋放，采動(dòng)巷道復(fù)又處于應(yīng)圖2.6碎脹變形與松動(dòng)圈關(guān)系脹裂縫擴(kuò)展程度減小的結(jié)果。所以采動(dòng)巷道圍巖的變形量小于同等松動(dòng)圈條件下非采動(dòng)巷道圍巖的變形量。因而，在同等松動(dòng)圈條件下，采動(dòng)巷道的支護(hù)難度小于非采動(dòng)靜壓巷道的支護(hù)難度，這是松動(dòng)圈的發(fā)展與碎脹變形發(fā)展存在不同步所致。采動(dòng)巷道圍巖變形量的大小與工作面推進(jìn)速度密巖變形量??；推進(jìn)速度慢，圍巖變形量則大。煤采動(dòng)巷道尤其是工作面上下順槽服務(wù)年限較短，使用要求與永久大巷相比相對(duì)要低，加之采動(dòng)巷道圍巖變形量小于靜壓非采動(dòng)巷道應(yīng)略有提高。也就是說，采動(dòng)巷道應(yīng)用表2.3圍巖松動(dòng)圈分類表時(shí)，所測(cè)得的動(dòng)壓作用下的最大松動(dòng)圈Lpd應(yīng)乘一個(gè)折算系數(shù)k修正L為實(shí)測(cè)采動(dòng)巷道松動(dòng)圈數(shù)值k為采動(dòng)巷道松動(dòng)圈折算系數(shù)，其值與工作面的推進(jìn)速度有關(guān)，初步建議取k=0.82～0.92,工作面推進(jìn)速度較慢時(shí)取上限k=0.92,工作面推進(jìn)速度較快時(shí)(高產(chǎn)高效工作面)取下限k=0.82.k值的修正，實(shí)質(zhì)上是提高了松動(dòng)圈分類表中各類別的界限，采動(dòng)型軟巖的分界限分別由1.5m調(diào)高為1.63～1.83m。2.3圍巖松動(dòng)圈測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介圍巖松動(dòng)圈內(nèi)巖層的特點(diǎn)是原巖應(yīng)力降低，已發(fā)生破壞或裂隙眾多，并且巷道空間變形明顯，而松動(dòng)圈測(cè)試正是基于這些特點(diǎn)進(jìn)行的。目前，圍巖松動(dòng)圈常用的測(cè)試方法有地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、地震波法、形變-電阻法、利用其在介質(zhì)內(nèi)部界面上的反射波來探測(cè)裂縫的位置。雷達(dá)探測(cè)法適用于不同強(qiáng)度級(jí)別的圍巖，不用鉆測(cè)試孔，精度、效率、分辨率高，靈活方便，剖面直觀，現(xiàn)場(chǎng)即可得到2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究(2)地震波法：地震波在不同性質(zhì)巖石或同一巖層中傳播時(shí)，由于巖石強(qiáng)度、孔隙度、密度的差異，具有不同的速度。其波速測(cè)試原理是直接利用總波的到時(shí)擬合曲線，進(jìn)行巖層速度對(duì)比與判斷。目前國(guó)內(nèi)研制的礦井智能資源探測(cè)儀，設(shè)有專門的松動(dòng)圈測(cè)試功能。地震波法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試在巷道縱向進(jìn)行，測(cè)試巷道范圍大，數(shù)據(jù)可靠、快速，其特征是位移量大，且各處參差不齊，懸殊較大，而松動(dòng)圈以外的圍巖仍保持一定的連得名，一般要求多點(diǎn)位移計(jì)為5～6點(diǎn)以上才能量測(cè)松動(dòng)圈的大小。該法的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)個(gè)測(cè)站須10天到1～3個(gè)月。(4)滲透法：當(dāng)沿體有較多裂隙生成和發(fā)展時(shí)，滲透率將變大，這樣找出滲透率(5)聲波法是最常用的方法，20世紀(jì)70年代末，長(zhǎng)春煤炭研究所開發(fā)了用于煤礦條件的“超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀”,使聲波法在地下工程中得到應(yīng)用；1983年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)松動(dòng)圈支護(hù)研究所根據(jù)超聲波測(cè)井原理，研制出了煤礦本質(zhì)安全型BA—II型松動(dòng)圈測(cè)試儀。聲波法測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果獻(xiàn)，因此，本課題進(jìn)行的圍巖松動(dòng)圈測(cè)試采用聲波法。(6)其他測(cè)試技術(shù)：其中包括鉆孔光學(xué)電鏡法、放射性元素法。歐洲研制鉆孔電觀裂隙情況分析比較準(zhǔn)確，可以及時(shí)得到數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是價(jià)格較高。而放射性元素法使用聲波法測(cè)試圍巖松動(dòng)圈原理是基于聲波在圍巖中傳播速度的變化，巖體和其他介質(zhì)一樣，當(dāng)彈性波在巖體中傳播時(shí)要發(fā)生幾何衰減和物理衰減，在巖體中不同力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面上彈性波要發(fā)生折射、散射和熱損耗等物理現(xiàn)象，使得彈性波能量不斷衰減造成波速降低。由彈性波的波動(dòng)理論可知，在無限各相同性介質(zhì)中的波動(dòng)方程為：基于各相同性彈性半空間的邊界條件和初始條件，得對(duì)應(yīng)的波速。與巖石的彈性模量E、波松比σ、密度p之間的關(guān)系式為：顯然，圍巖松動(dòng)范圍的探測(cè)，是彈性波測(cè)試技術(shù)作為邊界條件勘測(cè)的應(yīng)用技術(shù)。由于縱波具有傳播速度快、能量高、現(xiàn)場(chǎng)容易實(shí)現(xiàn)等特性，僅利用縱波從事圍巖松動(dòng)范圍①圍巖中裂隙對(duì)彈性波的影響。當(dāng)彈性波傳播方向平行裂隙時(shí)，波速無變化。而當(dāng)彈性波傳播方向與裂隙垂直時(shí)，波速則要減少，減少的多少與裂隙的寬度、裂隙的大小、充填物性質(zhì)以及巖性有關(guān)。②巖體所受力學(xué)性質(zhì)對(duì)彈性波的影響。不同的彈性介質(zhì)，聲波傳播速度也不同。③巖體所受應(yīng)力對(duì)聲波速度的影響。隨應(yīng)力增加，在各方向波速均增加，平行于加載方向波速增加最大，且其增加速率漸少，而垂直于加載方向，波速增加很少。根據(jù)波速在圍巖中的分布，就可得出松動(dòng)圈范圍，較典型的Vp～L曲線見圖2.7。草有“雙孔對(duì)測(cè)”和“單孔測(cè)試”兩種方法，雙孔對(duì)測(cè)需要一對(duì)平行鉆孔，其中一個(gè)孔安裝發(fā)射傳感器，另一孔在相應(yīng)深度安裝接受傳感器(圖2.8),它所反映的是徑向裂隙特單孔測(cè)試反映的是環(huán)向裂隙特征，圖2.9是單孔測(cè)試工作原理示意圖。發(fā)射換能器F在鉆孔中發(fā)射超聲波，沿鉆孔壁滑行傳播。發(fā)射換能器F發(fā)射超聲波的同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)，當(dāng)接收換能器J收到超聲波信息后停止計(jì)時(shí)，測(cè)出聲波在F～J長(zhǎng)度巖體中的傳播時(shí)間t:式中：t為儀器顯示的發(fā)射換能器到接收換能器間的傳播時(shí)間；△t為聲波在鉆孔壁與換能器空隙間的傳播時(shí)間；to為專用波在發(fā)射—接收換能器長(zhǎng)度范圍沿孔壁傳播時(shí)間；φ0為鉆孔內(nèi)徑；φa為換能器直徑；v為鉆孔中耦合水聲波速度。聲波在巖石鉆孔中的傳播速度為式中：v為鉆孔中聲波速度；L為換能器F與J之間距離。根據(jù)超聲波測(cè)井原理，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)松動(dòng)圈支護(hù)研究所研制出煤礦本質(zhì)安全型BA~Ⅱ型松動(dòng)圈測(cè)試儀。圖2.10是儀器工作原理框圖，發(fā)射換能器F在鉆孔中發(fā)射超聲波，沿鉆孔孔壁滑行傳播。發(fā)射換能器在發(fā)射超聲波的同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)，當(dāng)接收換能器J接收到超聲波信號(hào)后停止計(jì)時(shí)，測(cè)出聲波在F～J間的傳播時(shí)間t;在鉆孔中連續(xù)移動(dòng)超聲波探頭，即可測(cè)出整個(gè)鉆孔長(zhǎng)度上“波速～孔深”或者“時(shí)間～孔深”曲線。2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究FF接受電路控制電路發(fā)射電路計(jì)時(shí)電路電源圖2.10松動(dòng)圈測(cè)試儀工作原理示意圖松動(dòng)圈測(cè)試的是圍巖波速的相對(duì)值，對(duì)其絕對(duì)值要求不高。在軟巖或者煤層中測(cè)試時(shí)，因?yàn)槁暡芰克p較快，接收到的不是首波信號(hào)，儀器讀數(shù)可能偏大1～3個(gè)周期(T=33μs),故以此計(jì)算出的圍巖波速已不準(zhǔn)確，但是對(duì)松動(dòng)圈的判斷并無影響。超聲波測(cè)井探測(cè)法測(cè)試時(shí)需要水耦合，當(dāng)圍巖比較破碎，破裂巖體波速與水的波速差別不大，不能明顯判斷松動(dòng)圈范圍，例如在非常破碎的軟巖及軟煤之中。因此，超聲波測(cè)井探測(cè)法適用于中硬煤以上的煤巖層，在軟煤及破碎巖層中應(yīng)采用其他方法。用多點(diǎn)位移計(jì)確定松動(dòng)圈時(shí)，先將多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后將各測(cè)點(diǎn)的位移隨時(shí)間的變化曲線列在同一個(gè)圖表；這樣不僅可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)隧洞的徑向位移的分布規(guī)律，而且還發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)位移計(jì)量測(cè)出的圍巖徑向位移在距離隧洞壁的一定的距離外有急劇減小的趨勢(shì)，根據(jù)大量的有限元分析以及聲波測(cè)試結(jié)果，最后得知，這個(gè)距離往往是隧洞開挖后形成的松動(dòng)圈深入圍巖的深度。從這一點(diǎn)出發(fā)就可以根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)的位移分布反演分析出圍巖的松動(dòng)區(qū)范圍大小。為此可按下列方法實(shí)現(xiàn)確定松動(dòng)圈的(1)選擇和確定欲監(jiān)測(cè)的巷道斷面；(2)根據(jù)隧洞圍巖地質(zhì)情況、類別、洞徑、開挖方式等先估計(jì)松動(dòng)圈大??；(3)選擇和安裝多點(diǎn)位移計(jì)，根據(jù)估計(jì)的松動(dòng)圈范圍，在該范圍內(nèi)減小測(cè)點(diǎn)間的距(4)開挖過程中作好對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的記錄；(5)對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，做出測(cè)點(diǎn)位移和測(cè)點(diǎn)徑向深度關(guān)系2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究(6)根據(jù)累積位移量的變化情況分出幾個(gè)不同的層區(qū)，根據(jù)不同的層區(qū)和測(cè)點(diǎn)徑向位置得到松動(dòng)圈范圍。當(dāng)用多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)位移確定松動(dòng)圈時(shí)，多點(diǎn)位移計(jì)各點(diǎn)的布置和數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)是很講究的。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在布置多點(diǎn)位移計(jì)的各測(cè)點(diǎn)時(shí)，首先要根據(jù)隧洞圍巖的類別、洞徑、開挖方式等估計(jì)松動(dòng)圈的大小，然后在估計(jì)的松動(dòng)圈與未受影響的巖體接觸處附近應(yīng)近距離的多布置幾個(gè)測(cè)點(diǎn)。多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)工作從預(yù)測(cè)斷面前4倍的洞徑開始，到預(yù)測(cè)斷面后4倍的洞徑之外且數(shù)據(jù)穩(wěn)定后結(jié)束，特別是預(yù)測(cè)斷面后二倍洞徑范圍內(nèi)一定要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的頻率和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這樣就更易于根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定松動(dòng)圈的范圍。松動(dòng)圈內(nèi)巖石由于破裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，碎脹變形較深部未松動(dòng)圍巖的變形量要大，通過在鉆孔中不同深度安設(shè)圍巖內(nèi)位移測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)圍巖內(nèi)位移變化趨勢(shì)，變形速度及變形量的大小，變形量突然增大的區(qū)域即為松動(dòng)圈半徑。深基點(diǎn)位移計(jì)一般每孔5～7個(gè)基點(diǎn)，受基點(diǎn)數(shù)量的限制，該方法測(cè)試精度較低，一般在30～60cm之間；通過相鄰鉆孔深基點(diǎn)的合理布置，可以將測(cè)試精度提高到20~30cm。通常該方法只作為輔助觀測(cè)手段，與其他方法配合使用。深基點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)方法只適用于變形量大的軟巖或者踩動(dòng)影響巷道，需要連續(xù)觀測(cè)較長(zhǎng)時(shí)間之后才能把握圍巖的變形規(guī)律并判斷松動(dòng)圈范圍。對(duì)于變形量小的圍巖，由于普通深基點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)精度有限，不宜使用該方法。影響松動(dòng)圈的因素較多，我們將非應(yīng)力集中或非應(yīng)力疊加區(qū)域內(nèi)，穩(wěn)定了的松動(dòng)圈數(shù)值定義為松動(dòng)圈的基準(zhǔn)值，它反映的是巖石強(qiáng)度和原巖應(yīng)力的基本特征。當(dāng)巷道經(jīng)受采動(dòng)、相臨巷道、斷層等因素影響時(shí)，松動(dòng)圈數(shù)值要高于基準(zhǔn)值，對(duì)此應(yīng)補(bǔ)充測(cè)定。為較好地應(yīng)用圍巖松動(dòng)圈分類方法，根據(jù)以下方法進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試：(1)根據(jù)礦井地質(zhì)柱狀圖選取有代表性的地層5～6種，每一地層中應(yīng)布設(shè)兩個(gè)測(cè)面，每個(gè)測(cè)面8～12個(gè)測(cè)孔，以提高測(cè)試的可靠性(圖2.11)。(2)測(cè)站設(shè)置應(yīng)避開交岔點(diǎn)、巷道密集區(qū)、躲避洞、斷層破碎帶附近，以便采集到2煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究圖2.11松動(dòng)圈測(cè)站布設(shè)示意圖動(dòng)圈圍巖在開巷3上月后測(cè)試較為可靠，采動(dòng)巷道除外。(4)測(cè)站設(shè)置不必考慮巷道支護(hù)和跨度(在3～7m內(nèi))因素，可在壓氣及供水方便(5)受采動(dòng)影響巷道，應(yīng)以多次采動(dòng)后的最大松動(dòng)圈厚度進(jìn)行分類，并應(yīng)將矩形與(6)在巷道密集區(qū)、斷層及煤柱附近、向斜與背斜構(gòu)造的軸部等應(yīng)力異常區(qū)域，應(yīng)(7)對(duì)于重要工程如大斷面硐室等，應(yīng)根據(jù)具體情況補(bǔ)充測(cè)定。在工程施工期間，對(duì)關(guān)鍵部位圍巖的松動(dòng)圈進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)與預(yù)測(cè)不符，則應(yīng)及時(shí)修正其類別與支護(hù)參層、砌碹)時(shí)則應(yīng)扣除。2煤礦巷道錨桿支護(hù)理論研究現(xiàn)狀達(dá)90%以上。但國(guó)外煤礦開采深度小(200m左右),地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，護(hù)巷煤柱寬度大(巷道埋深的1/10),因此錨桿支護(hù)效果好。對(duì)于復(fù)雜困難條件，不能保證盈利而放棄開采。而且隨著開采強(qiáng)度增大，要求的巷道斷面越按現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論，錨桿支護(hù)作用主要有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論、2煤礦巷道錨桿支護(hù)理論研究現(xiàn)狀懸吊理論認(rèn)為：錨桿支護(hù)的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層圖3.1懸吊理論示意圖(1)錨桿受力只有當(dāng)松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下等于破(2)沒有考慮錨桿安設(shè)后對(duì)破碎巖層變形和離層的控制作用。特別是當(dāng)水平應(yīng)力(3)當(dāng)錨桿穿過破碎巖層時(shí)，錨桿提供的徑向和切向約束會(huì)不同程度地提高破碎巖層的整體強(qiáng)度，使其具有一定的承載能力，從而減小錨桿受力。根據(jù)懸吊機(jī)理設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)采用如下式計(jì)算式：板的錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層(P?=γ?·HH為巷道的埋深，m。巖梁的底部的最大拉應(yīng)力為：2煤礦巷道錨桿支護(hù)理論研究現(xiàn)狀(1)組合梁有效厚度很難確定。它涉及到影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒有辦法可較可靠的估計(jì)有效組合的厚度；(2)沒有考慮水平應(yīng)力對(duì)組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿荷載的作用。在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂板破壞失穩(wěn)的主要原因。圖3.3錨桿的組合拱作用組合拱理論認(rèn)為：在拱形巷道圍巖的破裂區(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，如果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)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個(gè)承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，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，如圖3.3所示。組合拱理論充分考慮了錨桿支護(hù)的整體作用，在軟弱煤層中得到廣泛應(yīng)用。但也同(1)加固拱厚度涉及的影響因素多，很難準(zhǔn)確估計(jì)；(2)加固拱厚度遠(yuǎn)小于巷道跨度時(shí)，加固拱是否發(fā)生破壞不僅與其強(qiáng)度有關(guān)，更主要取決于加固拱的穩(wěn)定性，在該理論中沒有考慮。構(gòu)造應(yīng)力作用理論即最大水平應(yīng)力理論由澳大利亞學(xué)者蓋爾(W.J.Gale)提出。該理論認(rèn)為礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平2煤礦巷道錨桿支護(hù)理論研究現(xiàn)狀應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1.5～2.5倍。巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響，(1)與最大水平應(yīng)力平行的巷道受水平應(yīng)力影響最小，頂?shù)装宸€(wěn)定性最好；(2)與最大水平應(yīng)力呈銳角相交的巷道，其頂?shù)装遄冃纹茐钠蛳锏滥骋粠停?3)與最大水平應(yīng)力垂直的巷道，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。此要求錨桿必須具備強(qiáng)度大、剛度大、抗剪阻力大，才能起約束圍巖變形的作用。優(yōu)化設(shè)計(jì)，在使用中強(qiáng)調(diào)監(jiān)測(cè)的重要性，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果修改完善初始設(shè)計(jì)。(1)錨桿錨固后圍巖巖體力學(xué)性能得到了改善，錨桿加固后提高巖石強(qiáng)度、彈性模(2)系統(tǒng)布置錨桿可以提高巖體的物理力學(xué)參數(shù)，錨固體的C提高較大，而φ提高(3)錨桿錨固區(qū)域圍巖具有正交異性，在錨桿沿著試件的軸向時(shí)，圍巖的E隨著錨桿密度的增加而增大，圍巖強(qiáng)度的提高主要是內(nèi)摩擦角φ增加，而C幾乎沒有變化；(4)合理的錨桿支護(hù)可以有效地改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變特性，且不同彈性(5)錨桿的錨固效果與錨桿密度、長(zhǎng)度、型式、錨桿材料的抗剪剛度和強(qiáng)度有關(guān)，(6)錨固體的變形破壞符合莫爾一庫侖準(zhǔn)則；(7)錨桿支護(hù)在力學(xué)上等價(jià)于對(duì)孔硐周圍巖體施加一定量的徑向約束力。應(yīng)力很大，巷道圍巖破壞嚴(yán)重，因而，其周圍存桿對(duì)提高圍巖峰值后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的作用，才能從根本上揭示錨桿支護(hù)的作用機(jī)理。道周邊處應(yīng)力達(dá)到零；三是圍巖受力狀態(tài)由三向變松動(dòng)圈是塑性區(qū)的一部分，彈塑性理論分析表明，塑性區(qū)半徑R,是原巖應(yīng)力R、巖體強(qiáng)度R、巷道跨度D和支護(hù)阻力P的相互作用結(jié)果。由于支護(hù)阻力、巷道跨度對(duì)機(jī)理，依據(jù)圍巖松動(dòng)圈的大小將圍巖分為小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖(L,=0～40cm),碎脹比較小；中松動(dòng)圈一般穩(wěn)定圍巖(L,=40～150cm),碎脹較為明顯；大松動(dòng)圈不穩(wěn)圍巖(L,>150cm)碎脹相當(dāng)明顯三個(gè)大類，詳見第二章表2.3所示。形。若圍巖整體性好，沒有危石掉落和風(fēng)化的危險(xiǎn)時(shí)，巷道也可以裸體不必支護(hù)。噴層厚度的計(jì)算按抵抗危石墜落和防止圍巖風(fēng)化計(jì)算，危石的穩(wěn)定條件是噴射混凝土地抗沖切和黏結(jié)力必須大于危石的重量。(1)按沖切破壞驗(yàn)算；(2)按黏結(jié)破壞計(jì)算：k為巖石彈性系數(shù)；E為巖石彈性模量。(3)合理噴層厚度：當(dāng)按照上述公式計(jì)算出噴射混凝土地厚度小于50mm時(shí)，則為滿足防止圍巖風(fēng)化的要求，對(duì)于噴射混凝土一般噴厚應(yīng)大于50mm,考慮到地下工程的特殊性一般采用噴層厚度為80～100mm。為Ⅲ類一般穩(wěn)定圍巖。支護(hù)的主題構(gòu)件是錨桿，錨頭必須錨固在松動(dòng)圈以外的巖體上，將松動(dòng)圈以內(nèi)的巖體質(zhì)量懸吊起來，以達(dá)到安全支護(hù)的目的。(1)錨桿長(zhǎng)度的確定：L為錨桿的外露長(zhǎng)度，常取50～100mm;反之取較小值。(2)錨桿間排距地確定：如果采用等間距布置，每根錨桿所負(fù)擔(dān)的巖體重量為其所承受的荷載，按下式計(jì)算：y為圍巖地重力密度(考慮到錨桿體的彈性變形大于圍巖碎脹變形，故簡(jiǎn)化為重力密度計(jì)算),kN/m2,在中松動(dòng)圈圍巖錨噴支護(hù)中，錨桿是支護(hù)主體，松動(dòng)圈巖體的碎脹力(簡(jiǎn)化為重力)由錨桿承受。噴層指起局部支護(hù)作用，即錨桿間的表面支護(hù)、控制錨桿間非錨固區(qū)圍巖的變形、阻止非錨固區(qū)危石的墜落以及防止圍巖風(fēng)化，故噴層厚度一般取70～100mm。軟圍巖；L>300mm為VI類極軟圍巖，對(duì)于軟圍巖要用組合拱理論設(shè)計(jì)錨噴網(wǎng)支護(hù)。錨桿是錨噴網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體構(gòu)件，錨桿深入圍巖內(nèi)部，與圍巖相互作用形成的組合拱支護(hù)結(jié)構(gòu)體，具有接近原巖強(qiáng)度和較好的可縮性能，能對(duì)巷道實(shí)行全方位的支護(hù)；噴層能夠及時(shí)封閉圍巖防止圍巖風(fēng)化潮解，并能充填圍巖裂隙和補(bǔ)平巖壁凹凸表面改善圍巖受力抓狀態(tài)，同時(shí)對(duì)錨桿間圍巖起支護(hù)作用；噴層加鋼筋網(wǎng)是為了改善噴層性能，提高噴層的抗大變形、抗彎、抗支、抗謗能力，增強(qiáng)噴層的整體性，保證錨桿間的表面支護(hù)強(qiáng)度。錨噴網(wǎng)支護(hù)參數(shù)計(jì)算，考慮錨噴網(wǎng)能將破裂了的圍巖重新組合起來，且具有足夠的可縮性。主體支護(hù)主要是錨桿形成的組合拱，其支護(hù)參數(shù)要按組合拱計(jì)算，組合拱的厚度、錨桿長(zhǎng)度和錨桿的間排距有近似關(guān)系：b為組合拱厚度，m;α為錨桿在破裂巖體中的控制角(模擬試驗(yàn)得α=43);錨桿控制角如按45°計(jì)算，對(duì)破裂巖體較為安全，則有：L=D+b根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，錨桿的間排距一般取：D=0.5～0.6m。在大松動(dòng)圈軟巖支護(hù)中，根據(jù)軟巖地類別的參數(shù)，組合拱厚度相當(dāng)于2～3層料石砌拱，而且錨固體有較好的可縮性，能滿足軟巖支護(hù)要求。噴層主要用以維護(hù)錨桿的圍巖穩(wěn)定。在軟巖巷道中有明顯得收斂變形是正常的，因此噴層厚度只為滿足支護(hù)工藝和封閉圍巖地要求，多采用噴厚100～120mm。鋼筋網(wǎng)是為了提高噴層的力學(xué)性能，并可在初次噴層發(fā)生破裂時(shí)仍能有效地對(duì)圍巖表面進(jìn)行維護(hù)。在設(shè)計(jì)中一般可采用直徑6~8mm,網(wǎng)孔邊長(zhǎng)100～150mm的金屬網(wǎng)。3.8董家河煤礦巷道錨桿設(shè)計(jì)支護(hù)理論以上介紹了傳統(tǒng)的懸吊、組合梁、加固拱等錨桿支護(hù)理論，通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)董家河煤礦巷道頂板離層以及圍巖松動(dòng)圈的觀測(cè)結(jié)合董家河煤礦具體施工條件及巷道的成形，擬對(duì)董家河煤礦巷道錨桿支護(hù)采用錨桿支護(hù)懸吊理論與組合梁理論相結(jié)合的方法。實(shí)際工程中煤礦巷道錨桿支護(hù)理論是一個(gè)綜合問題，不可能采用單一理論就能設(shè)計(jì)出令工程師滿意的實(shí)際工程，只有通過現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)整，利用相類似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采取現(xiàn)代支護(hù)設(shè)計(jì)理念對(duì)具體工程進(jìn)行理論與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)反饋信息進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能達(dá)到具體工程滿意的支護(hù)效果。4巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，常用的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法有工程類比法、理論設(shè)計(jì)方法、數(shù)值計(jì)算法、監(jiān)測(cè)法。工程類比所依據(jù)的是系統(tǒng)的、可靠的基礎(chǔ)資料，主要包括圍巖的地質(zhì)、水文、工程地質(zhì)資料，巖石的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)以及工程環(huán)境資料，類似地質(zhì)條件相鄰礦井成熟的支護(hù)及圍巖變形的有關(guān)資料，在對(duì)這些資料、工程條件分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行類比方案工程類比法通常有直接類比和間接類比兩種方法。直接類比法一般是把已開掘巷道的地質(zhì)開采條件與待開掘巷道進(jìn)行比較，選定待開掘工程的錨桿支護(hù)類型和參數(shù)。間接類比法一般是根據(jù)現(xiàn)行錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范，按照圍巖分類和錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表確定待開掘工程的錨噴支護(hù)類型和參數(shù)。煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)有兩個(gè)：一是彈塑性理論，二是懸吊理論。彈論有它的局限性，它是建立在均質(zhì)彈塑性體、圓形巷道基礎(chǔ)上的力學(xué)模型。為此，引入了煤巖體物理力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)和采動(dòng)影響系數(shù)加以修正，以克服其局限性。井下巷道的開掘工作，破壞了地層原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致巷道周邊巖體內(nèi)應(yīng)力的重新分布和集中。如果巷道周邊圍巖的集中應(yīng)力小于煤巖體強(qiáng)度，這時(shí)圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)狀態(tài)保持不變，煤巖體仍處于彈性狀態(tài)，則巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果圍巖局部區(qū)域的應(yīng)力超過煤巖體強(qiáng)度，則這部分圍巖的物性狀態(tài)就要改變，巷道周圍就會(huì)產(chǎn)生一定范圍的極限平衡區(qū)，同時(shí)引起應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，則巷道處于非穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，處于彈性狀態(tài)的巷道圍巖，由于其自身處于彈性狀態(tài)，具有承載能力，因此，不需要對(duì)其進(jìn)行人為加固。巷道支護(hù)或加固所要考慮的僅僅是巷道周圍已處于極限平衡狀態(tài)下煤巖體，如果考慮煤巖體的塑性變形和殘余強(qiáng)度，這部分圍巖需要靠支護(hù)與圍巖共同作用來維持巷道穩(wěn)定。因此，在劃分巷道圍巖類別時(shí)，我們以極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度為主要目標(biāo)，從而把巷道的圍巖類別與支護(hù)設(shè)計(jì)聯(lián)系到一起。煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)流程：煤巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)量→影響煤巷圍巖分類指標(biāo)各因素的數(shù)值選取→分類指標(biāo)的計(jì)算和煤巷圍巖類別的確定→煤巷錨桿支護(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)。4.3煤巷支護(hù)圍巖松動(dòng)圈設(shè)計(jì)方法用圍巖松動(dòng)圈理論進(jìn)行錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)，即松動(dòng)圈支護(hù)技術(shù)，是圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論的重要組成部分。目前，使用松動(dòng)圈支護(hù)技術(shù)進(jìn)行錨噴支護(hù)的設(shè)計(jì)，還處在理論加經(jīng)驗(yàn)的階段。但是，在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)相當(dāng)完善，設(shè)計(jì)的錨噴支護(hù)參數(shù)安全可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。松動(dòng)圈錨噴支護(hù)技術(shù)的使用，使得煤礦等地下工程的支護(hù)設(shè)計(jì)在計(jì)算設(shè)計(jì)上有據(jù)可依，科學(xué)安全可靠，開始擺脫傳統(tǒng)的工程類比設(shè)計(jì)上的千篇一律、針對(duì)性差的不足。從松動(dòng)圈分類表出發(fā)，根據(jù)錨桿作用機(jī)理，即可設(shè)計(jì)錨噴支護(hù)參數(shù)。4.3.1矩形巷道頂板松動(dòng)范圍確定的傳統(tǒng)方法對(duì)于矩形巷道頂板破壞范圍的確定，傳統(tǒng)的方法有兩種：一種是基于壓力拱理論，計(jì)算冒落拱的高度，從而得到巷道頂板破壞范圍；一種是將矩形巷道等效成圓形巷道，通過分析等效圓形巷道的破壞范圍來確定矩形巷道頂板的破壞范圍。(1)基于壓力拱理論的確定方法硐室開挖以后，由于圍巖應(yīng)力重新分布，硐室頂部往往出現(xiàn)拉應(yīng)力。如果這些拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度，則頂部巖石破壞，一部分巖塊失去平衡而隨著時(shí)間向下逐漸坍落，坍落到一定程度后，就不再繼續(xù)坍落，巖體進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。根據(jù)觀察結(jié)果，新的平衡的界面形狀近似于一個(gè)拱形，如圖4.1所示，我們把這個(gè)自然平衡拱稱為壓力拱或坍落拱。根據(jù)普氏理論，頂板冒落拱高度為(如圖4.1所示):3煤礦巷道錨桿(索)支護(hù)作用機(jī)理分析圖4.1矩形巷道冒落拱示意圖(2)基于等效圓的確定方法矩形巷道頂板塑性區(qū)范圍為：圖4.2矩形等效圓圖假設(shè)矩形巷道的寬為2a,高為2b,如圖4.3所示。對(duì)于一個(gè)橢圓在受與長(zhǎng)軸方向成α角的均布荷載P的作用下(如圖4.4所示),其彈3煤礦巷道錨桿(索)支護(hù)作用機(jī)理分析為了得到橢圓形巷道在受垂直地應(yīng)力作用和水平地應(yīng)力作用下的彈性應(yīng)力解，首先將P=P?,a=90°代入上式，得到橢圓形巷道在受垂直地應(yīng)力P?作用下的彈性應(yīng)力解；將P=P和P=λP,作用下的應(yīng)力進(jìn)行疊加，即可得到橢圓形巷道在地應(yīng)力作用下3煤礦巷道錨桿(索)支護(hù)作用機(jī)理分析的彈性應(yīng)力解：卡斯特奈曾經(jīng)提出過一種計(jì)算塑性區(qū)邊界線的近似方法，這一方法是將彈性應(yīng)力代入到下面的塑性條件中，由此可獲得塑性區(qū)半徑r。斯特奈準(zhǔn)則，就可以得到一個(gè)關(guān)于r、θ的關(guān)系式，也就是橢圓形巷道塑性邊界線的方斯特奈準(zhǔn)則的r值。有一個(gè)角度θ,就可以得到塑性邊界線處的一個(gè)點(diǎn)，取一系列的θ,我們就可以得到塑性邊界線上一系列的點(diǎn)，從而得到橢圓形巷道的塑性邊界線。4.4煤巷支護(hù)圍巖大變形設(shè)計(jì)方法該設(shè)計(jì)方法是國(guó)內(nèi)許多學(xué)者根據(jù)軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論的研究成果提出來的一種理論設(shè)計(jì)方法。該方法認(rèn)為地下工程的破壞大多是由于支護(hù)體與圍巖的強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)上存在不耦合造成的，巷道的支護(hù)應(yīng)該從其變形力學(xué)機(jī)制入手，對(duì)癥下藥，采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)轉(zhuǎn)化技術(shù)，使復(fù)合型轉(zhuǎn)化為單一型，復(fù)雜巷道支護(hù)應(yīng)分為兩次：一次支護(hù)為柔性面支護(hù)；二次支護(hù)為關(guān)鍵部位的點(diǎn)支護(hù)。隨著計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元法、有限差分法及離散元法等數(shù)值方法已用于支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。它們?cè)诮鉀Q非圓形、非均質(zhì)、復(fù)雜邊界條件的巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面顯示出較大的優(yōu)越性。而且可以同時(shí)進(jìn)行眾多方案的比較，從中選出合理方案。(1)有限元法在各種有限元計(jì)算軟件中，把連續(xù)介質(zhì)或物體表示為一些小部分(稱為有限元)的集合。這些單元可認(rèn)為是在一些稱之為節(jié)點(diǎn)的指定結(jié)合點(diǎn)處彼此連接。這些節(jié)點(diǎn)通常是置于單元的邊界上，并認(rèn)為相鄰單元就是在這些節(jié)點(diǎn)上與它相連的。由于不知道連續(xù)介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)變量(如位移、應(yīng)力、溫度、壓力或速度)的真實(shí)變化，所以先假設(shè)有限元內(nèi)部場(chǎng)變量的變化可用一種簡(jiǎn)單的函數(shù)來近似描述。這些近似函數(shù)可以由場(chǎng)變量在節(jié)點(diǎn)處的值來確定。當(dāng)對(duì)整個(gè)連續(xù)介質(zhì)寫出場(chǎng)方程組(如平衡方程組)時(shí)，新的未知量就是場(chǎng)變量的節(jié)點(diǎn)值。求解方程組即得場(chǎng)變量的節(jié)點(diǎn)值，繼而求出整個(gè)單元集合體的場(chǎng)變量。最終求得位移和應(yīng)力的近似解。(2)離散元方法離散元主要是為含有地質(zhì)不連續(xù)面的巖體工程的數(shù)值分析而發(fā)展的。它也像有限元那樣，將區(qū)域化分成單元，單元因受節(jié)理等不連續(xù)面的控制，在以后的運(yùn)動(dòng)過程中，單元節(jié)點(diǎn)可以分離，即一個(gè)單元與其臨近單元可以接觸，也可以分開。(3)有限差分法差分法是一種最古老的數(shù)值計(jì)算方法，但是隨著現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算手段的飛速發(fā)展，賦予差分法更多的功能和更廣的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)在的有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件，采用顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術(shù)，使得它能夠較精確地模擬材料的塑性流動(dòng)和破壞。目前這種軟件已廣泛應(yīng)用于巖土工程中。4.6監(jiān)測(cè)信息設(shè)計(jì)法根據(jù)煤巷道的特點(diǎn)，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出了“工程地質(zhì)資料分析—初始設(shè)計(jì)—現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)—信息反饋—修改設(shè)計(jì)”的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法。動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法具有兩大特點(diǎn)：其一，設(shè)計(jì)不是一次完成的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程；其二，設(shè)計(jì)充分利用每個(gè)過程中提供的信息。該設(shè)計(jì)包括五部分，既試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估；初始設(shè)計(jì)；井下監(jiān)測(cè)；信息反饋和修正設(shè)計(jì)；日常監(jiān)測(cè)。其中，試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查包括圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及錨固性能測(cè)試等內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評(píng)估和圍巖分類，為初始合計(jì)提供可靠參數(shù)。初始設(shè)計(jì)以理論計(jì)算為主，結(jié)合數(shù)值方法和經(jīng)驗(yàn)法，根據(jù)圍巖參數(shù)和已有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定出比較合理的初步設(shè)計(jì)。然后將初始設(shè)計(jì)實(shí)施于大跨度巷道工程中，并進(jìn)行詳細(xì)的圍巖變形和錨桿受力監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證或修正初始設(shè)計(jì)。正常施工后還要進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，保證巷道安全。巷道動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法按一下步驟進(jìn)行：(1)工程地質(zhì)資料分析①加強(qiáng)對(duì)構(gòu)造體系的研究，分析地應(yīng)力特征及其對(duì)圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)的影響；②深入研究巖體的沉積學(xué)特征，掌握主干巖層的空間分布特征；針對(duì)不同的工程地質(zhì)條件，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室研究，獲取巖石的基本物理力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)，賦存環(huán)境求取工程巖體力學(xué)參數(shù)。(2)錨桿(索)支護(hù)初步設(shè)計(jì)①巷道圍巖破壞范圍的確定：對(duì)于巷道圍巖的破壞范圍，傳統(tǒng)的方法有冒落拱法、等效圓法，針對(duì)于大跨度巷道的特點(diǎn)，本文提出了等效橢圓的巷道圍巖破壞范圍確定方②根據(jù)圍巖破壞范圍的大小，計(jì)算巷道頂板及兩幫荷載。根據(jù)下列計(jì)算公式確定錨桿支護(hù)基本參數(shù)。當(dāng)巷道圍巖破壞范圍較大時(shí)，考慮到主體支護(hù)主要是錨桿所形成的組合拱，其支護(hù)參數(shù)有以下近似關(guān)系：r為巖體與錨固劑的抗剪強(qiáng)度；a為巷道跨度之半，m;③錨索支護(hù)參數(shù)確定a.錨索長(zhǎng)度確定。錨索長(zhǎng)度取決于巷道頂板巖性、巖體結(jié)構(gòu)和巷道工程尺寸。堅(jiān)硬頂板巖層高度小于3倍巷道寬度時(shí)，錨索長(zhǎng)度取決于堅(jiān)硬巖層的位置，錨索錨固段要設(shè)計(jì)在堅(jiān)硬巖層內(nèi)1~1.5米；當(dāng)堅(jiān)硬巖層高度大于3倍巷道寬度時(shí)，其長(zhǎng)度按3倍巷道寬度設(shè)計(jì)，同時(shí)要充分注意錨固段的結(jié)構(gòu)和施工質(zhì)量，重點(diǎn)考慮深部圍巖強(qiáng)度和巷道淺部支護(hù)體之間的相互耦合作用。b.錨索強(qiáng)度確定。錨索承載強(qiáng)度取決于錨索根數(shù)和錨索間排距，其設(shè)計(jì)總荷載按巷道頂板塑性松動(dòng)區(qū)范圍的巖石重量乘以安全系數(shù)來計(jì)算。c.關(guān)鍵部位原則。理論研究表明，錨索設(shè)計(jì)在頂板的力學(xué)關(guān)鍵部位效果最好，因此錨索要盡量設(shè)計(jì)在頂板的關(guān)鍵部位。④初步設(shè)計(jì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)由于巷道圍巖的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)理論計(jì)算方法所依據(jù)的理論基礎(chǔ)不同，計(jì)算中一些參數(shù)難以確定，因此設(shè)計(jì)結(jié)果帶來一定的局限性。因此我們對(duì)初步設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來完成，運(yùn)用大型通用有限差份軟件ANSYS,對(duì)初步設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了模擬分析，做出了對(duì)初步設(shè)計(jì)參數(shù)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)將初始設(shè)計(jì)實(shí)施于巷道工程后，及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有：圍巖表面位移、頂板離層、錨桿荷載等。(4)信息反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)信息反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在巷道開挖后，根據(jù)施工觀察、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)等信息，對(duì)初步設(shè)計(jì)所確定的結(jié)構(gòu)形式、支護(hù)參數(shù)、施工方法等進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，是貫穿于整個(gè)施工過程的設(shè)計(jì)階段。信息反饋包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)信息反饋于分析、圍巖穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、異常數(shù)據(jù)信息反饋及處理等。將眾多量測(cè)數(shù)據(jù)加以整理、加工，轉(zhuǎn)化為與圍巖及支護(hù)狀態(tài)相關(guān)信息，及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)施工單位，使準(zhǔn)確掌握巷道的支護(hù)穩(wěn)定狀態(tài)，利于對(duì)不合理的支護(hù)參數(shù)加以及時(shí)調(diào)整，確保安全、經(jīng)濟(jì)、有效地支護(hù)。4.7董家河煤礦的錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)董家河煤礦巷道錨桿(索)支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)首先對(duì)巷道錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，錨桿參數(shù)的選擇采用圍巖松動(dòng)圈設(shè)計(jì)方法，在參數(shù)設(shè)計(jì)過程中對(duì)一般大斷面矩形巷道松動(dòng)圈的確定采用等效圓的方法來計(jì)算；對(duì)于大跨度切眼錨桿支護(hù)參數(shù)的確定基于等效橢圓頂板松動(dòng)圈的方法來確定，通過“工程地質(zhì)資料分析→初始設(shè)計(jì)→現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)→信息反饋→修3煤礦巷道錨桿(索)支護(hù)作用機(jī)理分析煤巖物理力學(xué)參數(shù)是煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)是指由煤體或巖石固有的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征所決定的容重、變形、強(qiáng)度等基本屬性。巖石物理力學(xué)性質(zhì)的準(zhǔn)確測(cè)定，對(duì)于科學(xué)制定出巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方案，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息反饋的準(zhǔn)采樣地點(diǎn)均為井下采面或掘進(jìn)迎頭新揭露的煤層，本次試驗(yàn)主要針對(duì)董家河煤礦二采工作面煤層，在22507軌道巷、22507皮帶巷、22508軌道巷、22508皮帶巷、二采集運(yùn)巷共采集煤樣50余塊。通過室內(nèi)加工成所需試樣，加工后的煤塊試樣見圖5.1。圖5.1加工后的試樣圖實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)提供的《巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法》進(jìn)行的。(1)試驗(yàn)器材：試樣制備機(jī)、天平、游標(biāo)卡尺(2)試樣制備要求：取出9塊試件，加工直徑為5cm,高為10cm圓柱體。試件制備的精度應(yīng)滿足：沿試件各個(gè)方向尺寸誤差不超過0.03cm;試件兩端面不平行度誤差，最大不超過0.005cm;端面應(yīng)垂直于軸線，最大偏差不超過0.25°。(3)試驗(yàn)方法：用游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)試件尺寸，求出體積，用天平分別秤出每塊試p=M/V試驗(yàn)結(jié)果見表5.1。表5.1董家河煤礦5#煤密度試驗(yàn)記錄表巖石名稱試樣尺寸(cm)試樣體積試樣重量試樣密度備注直徑平均值高度平均值5#煤(1)試驗(yàn)器材：試樣制備機(jī)、天平、烘干箱、游標(biāo)卡尺(2)試樣制備要求：取出9塊試件，加工直徑為5cm,高為10cm圓柱體。試件制備的精度應(yīng)滿足：沿試件各個(gè)方向尺寸誤差不超過0.03cm;試件兩端面不平行度誤差，最大不超過0.005cm;端面應(yīng)垂直于軸線，最大偏差不超過0.25°。(3)試驗(yàn)方法：根據(jù)試件的特點(diǎn)，含水量測(cè)定采用烘干法。用天平分別秤出每個(gè)試樣在自然含水狀態(tài)下的重量M,然后放到烘干箱烘干，再用天平分別秤出每個(gè)試樣在烘干狀態(tài)下的重量Mg。其含水量用下式計(jì)算：w=(M-M?)/Mg式中：w為試件的含水量，%;M為自然含水狀態(tài)下試件重量，g;Ms為烘干狀(4)試驗(yàn)結(jié)果見表5.2。表5.2董家河煤礦5#煤含水量試驗(yàn)記錄表巖石名稱試樣編號(hào)烘干質(zhì)量天然質(zhì)量天然含水量備注5#煤變形參數(shù)。因此，我們用同一試樣粘貼應(yīng)變片，模量。它們均由試驗(yàn)結(jié)果繪制的應(yīng)力~應(yīng)變曲線確定。泊松比是指單向壓縮條件下橫向(1)試驗(yàn)器材：試樣制備機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、天平、電阻應(yīng)變片、電阻應(yīng)變儀、萬用表、502膠、游標(biāo)卡尺、電焊、丙酮或酒精、砂紙、接線端子等。(2)試件制備：①試樣中取出8塊試件，加工成直徑為5cm,高為10cm的圓柱體試件；②沿試件高度，直徑的誤差不超過0.03cm,試件兩端面不平行度誤差，最大不超過0.005cm;③端面應(yīng)垂直于軸線，最大偏差不超過0.25°。(3)電阻應(yīng)變片粘貼：①選擇合適的應(yīng)變片待用。同一組所用的應(yīng)變片應(yīng)是同一包裝袋中的，并且兩片之間的電阻值相差不應(yīng)超過0.5歐姆。在拿取和擺放應(yīng)變片時(shí)，注意不要用手接觸應(yīng)變片的底座，也不要與其它未經(jīng)清洗的物體接觸，以免造成污染。禁止用鑷子或其他堅(jiān)硬的器具夾持敏感柵部分，防止人為損傷應(yīng)變片。②用細(xì)沙布打磨試件需要粘貼應(yīng)變片表面。打磨方向與貼片方向成交叉450,面積約為5×10mm2。③用棉球蘸少量丙酮(酒精)擦洗貼片位置，棉球筆畫出貼片位置的方位線，然后在用棉球擦一次。此后，被清洗的表面不能與其它不清潔的物體接觸。④左手捏住應(yīng)變片的引出線，右手拿501(或502)粘結(jié)劑瓶，在應(yīng)變片上涂上一薄層粘結(jié)劑。迅速將應(yīng)變片平放于粘貼位置，稍稍移動(dòng)應(yīng)變片，讓粘結(jié)劑均勻分布在整個(gè)粘貼面上，并使應(yīng)變片的軸線對(duì)準(zhǔn)試件的定位線，將一小片塑料布蓋在應(yīng)變片上，用大母指擠壓應(yīng)變片一分鐘，壓時(shí)不能使應(yīng)變片錯(cuò)動(dòng)。輕輕揭開薄膜，檢查應(yīng)變片的顏色，如發(fā)現(xiàn)小塊白色，說明有氣泡存在，應(yīng)用劃針占少量膠水沿應(yīng)變片邊緣涂抹，膠水很快就滲進(jìn)氣泡中。再次墊上薄膜用拇指劑壓，直到應(yīng)變片全部顏色均勻。⑤用萬用表檢查應(yīng)變片的電阻值應(yīng)與粘貼前一致。如有電阻變大或變小者，應(yīng)檢查應(yīng)變片有無斷路或短路，若應(yīng)變片已損壞，應(yīng)將應(yīng)變片鏟去重貼，步驟同前。⑥把接線端子用膠水粘貼在應(yīng)變片引出線附近，用塑料套或絕緣帶把應(yīng)變片引出線進(jìn)行絕緣處理，用膠帶把上好錫的塑料導(dǎo)線固定于試件上。先將引線上錫，再將導(dǎo)線與應(yīng)變片引出線的兩對(duì)焊點(diǎn)分別熔接在接線端子上。焊接時(shí)間要盡量短，焊點(diǎn)要求光滑小巧，成球狀。⑦在應(yīng)變片的表面涂上一層防潮劑，涂料應(yīng)將整個(gè)應(yīng)變片罩住，最好在試件尚未冷卻