08级岩土方向《地下工程》课程设计 程少北Word下载.docx

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直径为18mm、长为2m的等强金属螺纹钢

锚杆，锚杆间排距为800mm×

800mm，金属

网为直径4.5mm、网孔100mm×

100mm的新河矿暗斜井净断面图

冷拔丝焊结而成。

三条暗斜井掘进300m左右时，其中回风和轨道暗斜井破坏最为严重，后经修复，目前仍处于不稳定状态。

1.2地质条件

-760m水平三条暗斜井均位于坡刘庄保护煤柱内，其中向北邻近一采区，向东北邻近工业广场保护煤柱，当三条暗斜井即回风暗斜井、轨道暗斜井及胶带暗斜分别到达大约-430、-456和-512水平时，将穿越嘉祥支三大断层，该断层倾角300，落差在120m～600m之间，预计断层附近断裂构造将较为发育，也有可能伴生其它构造，另外，由于对嘉祥支三大断层勘探资料较少，对断层的赋水性、导水性、断层带的宽度、充填状况、胶结程度等还有待于进一步查明，或者当工程快接近该断层时，用打超前钻孔的办法详细查明断层的赋存状况，以便为采取有针对性的措施提前作好准备。

总之，-760m水平三条暗斜井将绝大部分在3煤顶板岩层中掘进，预计到达-750m水平左右时可能穿过3煤并进入底板岩层中。

1.3围岩状况分析

-760m水平三条暗斜井所穿越的岩层从下往上为细砂岩、3煤、粉砂岩、中砂岩、泥岩、细砂岩、泥岩等等，而目前掘进实际揭露的顶底板及围岩却为泥质软岩，平均坚固性系数在3左右，其特征是易吸湿、易膨胀、易解体、易剥落以及塑性流变性能大等特征，这是泥岩类中属于质量最差、最难控制的一类泥质软岩。

根据现场实际观测、岩样初步实验及数码照片的仔细研究，得出了两点初步结论：

（1）三条暗斜井目前已揭露的围岩属于标准的不良地层，其特点是：

易吸湿、易膨胀、易解体、易剥落以及塑性流变大等特点，对该类围岩有效控制变形难。

（2）三条暗斜井的围岩经过定量的划分，属于Ⅴ类围岩，该类围岩的力学特点是：

不稳定、无自稳能力或自稳时间很短；

其破坏方式为：

易冒顶、易片帮、易底臌、并随时间的延续会发生较大的塑性流变变形。

1.4围岩破坏状况

-760m水平三条暗斜井几乎是平行掘进，各条掘进进尺大约都在300m左右，比较这三条暗斜井围岩破坏状况可以发现，胶带暗斜井围岩破坏状况稍轻，回风暗斜井和轨道暗斜井破坏状况却极为严重，后经修复加固之后，目前仍处于极不稳定状态。

总之，-760m水平暗斜井无论是顶板、底板、还是两帮其矿压显现都极为严重，这种矿压显现将不同于一般的矿压显现，它还具有随着时间的延续而表现出来的塑性流变性。

所以，针对这种特殊性质的矿压显现，，必须采取一种特种支护体系，才能长期而有效的控制住暗斜井变形破坏。

2巷道破坏机理分析

所谓围岩的破坏机理是指引起围岩破坏的根本原因，它所涉及的因素是多方面的，即有环境因素（自重应力、构造应力等），又有周边采动影响因素，还有支护设计、施工工艺等方面的因素，所以研究围岩的破坏机理是非常复杂的。

但这里面存在着一种因果关系，即围岩破坏是果，引起围岩破坏的是因，由果推因是完全有可能的，只要找到了引起围岩破坏的原因，即机理，就有可能采取更有针对性的措施来控制围岩的变形和破坏，从而达到治理的目的。

主要从三个方面分析-760m水平暗斜井围岩破坏的机理。

2.1岩体自身属性

2.1.1岩体的物理化学性质

通过对围岩矿物进行X衍射实验，发现围岩中含有大量的蒙脱石、高岭石和伊利石等膨胀、软化性矿物成分。

巷道围岩岩性为泥岩,且松散、破碎,层理、节理和裂隙发育,易风化、水解、臌胀和软化,泥质和炭质胶结,岩体和岩块的强度均很低,自稳时间短,属于典型的松散破碎膨胀型软岩巷道。

2.1.2岩体的力学性质

目前掘进实际揭露的顶底板及围岩为泥质软岩，软岩中的泥质成分（黏土矿物）结构面和岩粒内聚力控制了软岩的工程力学性质，使其产生显著塑性变形。

一般来说，软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、分散性、流变性、触变性、离子交换性和易扰动性。

2.1.3岩体的自身结构

碎裂结构岩体的工程地质性质碎裂结构岩体中节理、裂隙发育、常有泥质充填物质，结合力不强，其中层状岩体常有平层面的软弱结构面发育，结构体块度不大，岩体完整性破坏较大。

其中镶嵌结构岩体因其结构体为硬质岩石，上具有较高的变形模量和承载力，工程地质性能上好；

而层状碎裂结构和碎裂结构岩体则变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。

软岩的空隙颇为发育，由于大量孔隙和裂隙的存在积水的表面张力，产生了毛细压力，使地下水通过软岩中的微小空隙通道吸入。

其上升的高度和速度取决于它的孔隙、有效粒径、空隙中吸附空气和水的性质以及湿度等。

据实验数据毛细高度为零至几厘米，砂土则在数十厘米之间，而黏土可达数百厘米。

因此，在整个毛细带内，事实上为软岩的进一步化学膨胀和胶体膨胀准备了条件。

正是由于这种毛细作用，才使水通过毛细空隙向各个方向运动。

所谓毛细作用，实质上就是指水与软岩固体间的吸引力同水与空气界面的表面张力二者的相互作用。

2.2环境因素

2.2.1自重应力

上覆岩层产生的自重应力。

当巷道开挖后，由于岩体自重而引起的应力，称自重应力，长期以来学者普遍认为自重应力σ为：

σ=γ·

H=22.5×

760=17.1MPa

式中：

γ——上覆岩层的平均容量，kN/m3；

取γ=22.5kN/

H——巷道所在位置离地表距离，m；

取H=760m

根据上式可知上覆岩层的自重应力随着巷道的埋深增大而增大，巷道所处的越深，巷道围岩压力就会越大，即随着工程埋深的增加构造应力及其残余应力明显增加，特别是塑性岩石的流变，脆性岩石的碎胀逐渐加剧，使巷道变形破坏变得严重起来，在岩层最薄弱的位置就会发生巷道围岩变形，甚至破坏，而破坏方向不是很明显。

因此自重应力是引起巷道位移、失稳的重要原因。

2.2.2构造应力

在地质构造时期，地层经过长期构造应力场的作用，岩层本身以弹性变形的形式储存了变形能，潜藏着巨大的构造应力。

同时也会产生构造形态，如岩层倾斜、褶曲、断裂等形态，当在地层中开挖巷道的穿过这些薄弱带时，这些变形能便向巷道临空区释放。

在释放能量的过程中，这些应力必将重新分布，使岩层发生膨胀变形，巷道支护体系必将受力，且更要承受残余构造应力的影响。

另外，岩层在巷道成形时，应力状态从三维向二维转变，在构造应力作用下，极易发生破坏而产生非线性弹塑性变形，这是一种与时间有关的变形。

这些因素很容易引起巷道围岩变形，从而导致巷道失稳破坏，并且这种破坏一旦开始就很难控制下来。

构造应力一般以水平构造应力为主，在构造应力显著地区，巷道两帮的破坏往往更为明显。

2.2.3地下水的影响。

地下水既能改变围岩的应力状态，又影响围岩的强度。

结构面

的空隙水压力的增大能减小结构面上的有效正应力，因而降低了岩体沿结构面的抗滑强度。

地下水对含有蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物成分的膨胀岩层产生软化，泥化作用，使之产生显著的体积膨胀、崩解和溶解等变化。

地下水的渗透，与含泥质的不良岩体接触，使泥质软岩中有膨胀潜能的矿物急剧膨胀，特别是巷道两帮在受到地下水作用后，支护会慢慢失效，巷道两帮发生近似整体向内平移的变形，若底板受水作用则发生底臌，加快了围岩的变形量和收敛速率。

2.2.4温度的影响。

对一般矿井井下气温保持在20°

C～30°

C之间，这样的低气温和

温差巷道围岩的影响不大，但随着开采深度的增加，火成岩的侵入，致使地温增加，有些矿井地下水的温度可高达60°

C～70°

C，不仅对围岩强度造成影响，而且加快了岩石的泥化，对水解也有促进作用。

四季温度的差别，干燥和潮湿的交替也是造成岩石风化的重要原因。

2.2.5岩石流变与埋深

该工程工程大部分位于泥岩、页岩类,围岩岩石强度低,在上覆岩层重力作用下,会产生塑性变形,强度高的岩石,随着时间的增长也会出现流变现象，埋藏越深,这种现象越明显,在塑性变形或流变的影响下,支护结构会出现不同程度的变形与破坏。

2.2.6巷道掘进施工的影响

该矿采用的光爆施工不规范，对巷道围岩的震动坏大，造成围岩裂隙发展和松动范围加大，大大降低了围岩的强度和自承能力。

另外，巷道成型差，超挖量大，导致局部应力集中，弱化了围岩强度。

支护施工工艺不合理,必须针对巷道围岩松散、破碎、强度低、自稳时间短的特性采取相应的支护措施。

如超前锚杆支护、超前注浆、临时支护、初喷支护、锚注支护、联合支护和二次支护等。

2.3支护方案的影响

目前暗斜井的支护是采用的锚杆支护，其方法是正确的，但围岩的严重破坏却反映了支护参数、强度以及其它一些辅助措施是与围岩的承载力不相匹配的，造成大范围的巷道超挖,巷道断面成形质量差,给后续的锚杆支护带来不利影响,以致大量锚杆托盘不能密贴岩面,无法施加预应力,不能及时、主动的支护巷道围岩,从而造成大量失效锚杆出现，从已修复的巷道测得围岩松动圈厚度为----，而原来设计的锚杆长度只有2m，提供的支护强度小，对围岩加固的范围小，不能控制巷道围岩较大范围的变形，不能促使巷道周边围岩承载结构的形成与稳定。

因此，围岩破碎范围不断扩大，围岩变形不断发展。

另外，该巷道没有采取控制底臌的有效措施（没有施工底角锚杆），在较高的垂直应力的作用下，两帮岩体压迫底板围岩，导致底臌严重，这就需要进行研究和改进。

2.4底鼓的形成【1】

2.4．1软岩巷道底鼓的机理

大量的现场观测和实验室实验研究表明，软岩的扩容、膨胀、弯曲及流变是引起巷道底鼓的主要原因。

按其形成机理分为膨胀型底鼓和应力型底鼓两种。

膨胀型底鼓主要是由于受水理性质的影响，引起巷道底板岩层膨胀和岩体应变软化造成的；

应力型底鼓主要是由巷道围岩压力引起的地板变形。

2.4．2影响底鼓的主要因素

引起底鼓的因素很多，其中影响最大的是底板围岩性态和岩层压力，其次是水理作用、支护强度和巷道断面形式。

1、围岩性质和结构形态

⑴底板岩层的结构状态（破碎结构、薄层结构、厚层结构）决定着巷道底鼓的类型；

⑵底板岩层的软弱程度决定底鼓量的大小；

⑶底板的软弱岩层的厚度对底鼓量也有重要影响。

随着直接底板弱岩层厚度的增加，底鼓量将急剧增长。

但软弱岩层厚度超过巷道宽度时，底鼓的增加量会趋向缓和，并有收敛到一定值的趋势。

2、岩层应力

只有岩层应力满足一定的条件时才会发生底鼓，岩层应力越大，底鼓越严重。

因此，深部开采的巷道比浅部开采的巷道底鼓严重的多，残余煤柱下的巷道和受采动影响的巷道也往往严重底鼓。

3、水理作用。

①底板含水会减小岩层节理以及节理与裂隙间的摩擦力，形成岩层滑移面致使致密岩层分成薄层，岩体结构变松散，岩体强度减弱，在地层应力作用下底板易发生底臌。

②岩体一般都具有一定的吸水率，长期接触水后会加速岩石的软化度，降低岩层的强度。

实验表明：

粘土页岩饱含水时，单向抗压强度会降低62%～85%；

花岗岩饱含水时，单向抗压强度会降低3%～5%；

由于水的影响，使底板松软和裂隙发育变形速度较无水时增加6倍以上。

③巷道底板为含有蒙脱石、高岭石、伊利石等膨胀性粘土矿物时，由于浸水而会发生岩层泥化、崩解、破裂现象，降低岩体强度，最终导致底板岩层的碎胀和膨胀性破坏。

3、巷道断面形状。

地下工程开挖中为有效利用空间，巷道断面通常采用梯形或直墙拱形等形状，由于底板不能形成稳定的拱形结构使得底臌量加大，据研究测试结果表明：

在相同条件下，直墙半圆拱巷道的底臌量比圆形巷道的底臌量大1/3。

3支护设计

3.1支护原则确定

本着技术先进、安全可靠、经济合理、操作简便的原则开展进行支护设计。

1、