极软岩层巷道围岩控制技术研究开题报告.docx

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极软岩层巷道围岩控制技术研究开题报告

2007级硕士研究生学位论文

开题报告

学位类别学术性学位

学位论文题目极软岩层巷道围岩控制技术研究

研究生姓名朱香辉

研究方向巷道围岩控制

指导教师姓名王卫军（教授）

2008年12月23日填写

I．

简况

学位论文题目

极软岩层巷道围岩控制技术研究

研

究

生

姓名

朱香辉

学籍号

0701103

入学年月

2007.9

学院

能源学院

专业

采矿工程

研究方向

围岩支护

导

师

姓名

王卫军

技术职务

教授

学术专长

围岩支护

主要研究内容

1、极软岩层围岩应力分布规律；

2、围岩塑性区范围大小对巷道围岩变形量与底臌量影响规律；

3、建立不同支护条件下极软岩巷道的力学模型，进行极软岩层围岩控制原理的研究，为极软岩层巷道锚杆支护参数设计提供理论依据；

II．立论依据

II-1研究的理论意义与现实意义

中国煤矿煤系地层中,具有软岩的矿井分布十分广泛,北起黑龙江、内蒙古,南到广东、广西,东起山东、浙江,西到新疆、青海,具有软岩的矿井遍布全国各主要产煤省区。

每年巷道掘进量约6000其中10%以上的巷道为软岩巷道[1],并且软岩巷道的发展趋势也越来越复杂,从浅部单一的软岩巷道到深部复杂的松软散巷道,巷道围岩所表现出的多变性,复杂性和不稳定性,不仅造成巷道断面变形量大、返修率高和维护费用大,而且严重影响煤矿的安全生产和矿井经济技术指标。

因此,有必要对引起巷道变形的因素和合理的控制措施进行研究。

因此本研究扩大研究范围，通过建立极软岩巷道断面数学模型，进行RFPA数值模拟等，研究包括巷道围岩应力的空间分布规律、巷道顶板围岩位移变形规律以及加强顶板顶角锚杆支护对顶板岩层受力变形的影响等，从而揭示锚杆锚固机理及极软岩巷道围岩控制的力学本质。

II-2国内外研究现状分析（附中英文参考书目）

1国内研究现状

中国软岩巷道支护系统研究工作始于1985年春，北京市西部九龙山向斜北翼安家滩井田西部向斜轴处，木支架大巷遇到灰黑色泥岩，发生强烈底鼓，后改用五节棚支护，再加底梁，均无效，巷道失稳而报废。

自此上报，提出软岩支护难题。

后开发辽宁的沈北矿区，在前屯矿建设时出现井口大变形，支护挤裂，无法继续掘进，停工维修，前掘后塌，停掘返修，工程难前进而报废，以致停工数年。

此后，该矿区的蒲河矿、大桥矿、平庄矿区红庙矿也出现重大软岩技术事故。

为此，煤炭部集中了一些科研院所、高校和设计院的技术力量，在前屯矿二、三井和红庙进行了多种巷道支护形式的实验和测试工作，在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面都取得了初步经验。

20世纪80年代以来，与软岩工程相关的全国性会议召开了20余次，对地下工程软岩问题的理论研究进入了一个新的阶段。

中国煤矿矿压专业委员会软岩分会召开了全国的软岩科研、施工、生产各方面的专业人员进行交流，起到了很好的组织、交流、提高作用。

特别是20世纪90年代初，中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会以及全国煤矿软岩工程技术研究推广中心的成立，更为软岩工程理论与技术的交流与推广，创造了良好的条件。

（1）岩性转化理论

陈宗基院士[2,3]于60年代提出，该理论认为：

同样矿物成分、同样结构形态，在不同工程环境条件下，会产生不同应力应变，以形成不同的本构关系。

例如坚硬的花岗岩，在高温高压工程条件下，会产生不同应力应变。

（2）轴变论理论

于学馥教授[4]提出，认为：

巷道坍塌可以自行稳定，开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。

（3）联合支护理论

陆家梁、冯豫、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术[5~8]，其观点认为：

对于软岩支护，一味地追求加强刚度是难以奏效的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。

（4）锚喷—弧板支护理论

郑雨天、孙钧、朱效嘉教授等提出的锚喷—弧板支护理论[9]认为对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住。

锚喷代表“柔”，弧板（钢筋混凝土）代表“刚”。

（5）松动圈理论

松动圈理论[10]是由董方庭提出。

主要内容：

凡是坚硬围岩的裸体巷道，其围岩松动圈都接近于0，此时巷道的弹塑性变形虽然存在，但不需要支护。

松动圈越大，收敛变形越大，支护难度越大。

（6）主次承载区支护理论

主次承载区支护理论[11]是由方祖烈提出。

该理论认为：

巷道开挖后，在围岩中形成拉压区域，压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，是维护巷道稳定的主承载区。

张拉区域位于巷道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，只起辅助作用。

主次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。

（7）应力控制理论

应力控制理论[12]也称围岩弱化法、卸压法。

通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，人为降低支撑压力区的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移。

（8）软岩工程力学支护理论

何满潮提出了以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论[13~21]。

涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护载荷的确定和软岩非线性大变形力学设计方法等。

（9）傅鹤林、韩汝才、朱汉华[22]按岩体结构观点对隧道围岩进行分类，进而确定不同类型破碎围岩中隧道荷载计算的力学模型，对确定破碎围岩隧道的支护方案有较大的参考价值。

（10）李大伟、侯朝炯[23]认为控制低强度软岩巷道的大变形应采用一次锚喷网、二次大刚度、高强度的支护方式。

（11）高明仕，张农，郭春生[24]分析了三维锚索支护的力学原理，认为对于特厚松软煤层巷道采用三维锚索可以有效解决其顶板的稳定性问题，并应用于工程实践。

（12）王元仁[25]认为深井煤层巷道支护形式必须有良好的让压性能，同时又能对巷道围岩的松弛部分能够有效的控制，使围岩（应力）不无限地向深部扩大转移。

（13）侯朝炯、马念杰[26]系统研究了各种围岩条件下煤层巷道围岩塑性区的发生、发展过程，揭示了围岩塑性区首先从强度最低的部位开始，最终以帮、角塑性区最大这一煤层巷道塑性区发展规律。

（14）薛亚东、康天合[27]根据对煤层巷道围岩岩性和层次结构特征分析，认为巷道受力破坏规律和形式受围岩结构，特别是煤层与顶底板强度对比关系的影响。

一般规律是煤层相对顶底板越软，则两帮多发生楔形或倒楔形破坏，顶板易形成大块状垮落体；煤层相对顶底板越硬，则两帮多发生片状或鼓形破坏，顶板易形成单抛物拱垮落体。

国外研究现状

（1）新奥法

60年代，奥地利专家L.V.Rabcewicz在总结前人基础上提出来的一套隧道设计、施工新技术[28]。

定义：

在岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空状支撑环结构为目的的设计施工方法。

其核心是利用围岩的自承作用来支承隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分。

（2）应变控制理论

日本山地宏和樱井春辅[29]认为：

隧道围岩应变随支护结构的增加而减小，而允许应变随支护结构的增加而增大。

因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在允许应变范围内。

（3）能量支护理论

萨拉蒙[30~32]（M.D.Salamon）于20世纪70年代提出的。

该理论认为：

支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量不变。

因此主张支护结构具有释放多余能量的功能。

巷道开挖前，地下岩体处于三轴应力平衡状态，一旦开挖，这个平衡系统就会遭到破坏，围岩应力会重新调整。

由于深埋巷道周边调整后的围岩应力达到了围岩强度，故发生了破坏，导致围岩应力降低，而最大主应力向围岩内部转移，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中将出现一个破裂区，这个破裂区称为围岩松动圈。

围岩松动圈有一个发生、发展和稳定的过程，稳定后的松动圈值综合反映了围岩应力、围岩强度等因素共同作用的结果。

围岩松动圈外是塑性区、弹性区。

该“三区”的力学行为与岩石全应力-应变曲线中的相应段是对应的，其中巷道围岩弹性区、塑性区对应于全应力-应变曲线峰前段弹性、塑性段，破裂区对应于峰值后残余强度段。

显然，深埋巷道围岩破裂区将是支护的直接对象。

开巷后,围岩塑性区首先发生在强度最低的巷道两帮和应力集中的角部,随着帮、角塑性区的发展,其他部位的塑性区也逐渐发展,但最终仍以帮、角的塑性区为最大。

帮和底围岩塑性区发展愈大,则破裂围岩塑性变形、粘塑性流动和体积膨胀造成的巷道变形量也愈大。

巷道变形特点表现为初始速度大,之后逐渐减缓并过渡到比较稳定的阶段。

此外,因开采工作引起的动压以及其他因素会使巷道围岩各岩层受到压缩而产生下沉，帮下沉将促使底板破裂、滑移、臌起更为剧烈,两帮和底板愈松软,巷道底臌量就愈大。

从引起巷道变形的主要因素和控制巷道变形的途径考虑,围岩塑性区产生以后,其范围大小对巷道围岩变形量与底臌量影响最大。

煤帮和底板围岩塑性区大,破碎区也大,由此而产生的围岩塑性变形粘塑性流动、体积膨胀变形及底臌量也越大。

巷道帮底角是最先产生塑性区并且是塑性区最发育的部位,巷道底臌主要是两侧底板岩层挤压巷道和两帮下沉引起的,根据松软散巷道的变形力学机制和显现特点,可采取防治水、围岩卸压和加强支护等措施。

因此,要控制松软散巷道围岩变形就要做到:

应力转移降低巷道浅部围岩应力;采用高强度套棚,结合锚网索支护技术,提高支护强度和围岩自身稳定性;加强巷道两帮、底角支护,避免巷道局部受集中应力作用。

在原岩中开挖巷道,破坏了围岩原有的应力状态,使应力重新分布:

一是径向应力减少,周边处达到零;二是切向应力增加,产生了应力集中。

另一方面,围岩受力状态由三向变成了近似二向,围岩强度下降若集中应力值小于松动后的围岩强度,围岩能够自行稳定,不存在支护问题;如果相反,围岩将发生破裂。

这种破裂从巷道周边开始逐渐向深部扩展下降。

若集中应力值小于松动后的围岩强度,围岩能够自行稳定,不存在支护问题;如果相反,围岩将发生破裂。

这种破裂从巷道周边开始逐渐向深部扩展的结果。

大量现场测试结果表明:

在煤矿生产中巷道围岩破坏不可避免,即使处于低应力场中巷道围岩在地应力作用下也难以自稳,一般也要出现中小松动圈[董方庭.巷道围岩松动圈支护理论.煤炭学报,1994,19

（1）:

2]。

煤矿生产中大量地下岩石工程都在围岩破坏和发展中支护[朱德仁.岩石工程破坏准则.煤炭学报,1994,19

（1）:

15~21]。

巷道围岩变形量以数十数百毫米计,这样大的变形量不可能在围岩破裂前发生,而主要是岩体破裂过程中发生的体积膨胀（剪胀或碎胀）,巷道地压的显现也是岩体破裂的表现,围岩与支护的作用也正是发生在破裂区内。

巷道开挖后在围岩微小变形时，脆性特征明显的岩体就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，支护的滞后性不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。

只有当围岩的开裂位移达到相当的程度以后，锚杆才起作用，这时松动范围内围岩已几乎丧失抗拉和抗剪能力，也就是说，围岩和锚杆的不同步承载，先是围岩受力破坏，达到一定程度，锚杆开始承载。

在开采深度不大时，这个现象往往被掩盖，而当开采深度较大，围岩应力增加时，问题便凸显出来。

参考文献：

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中国矿业大学出版社,1996

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24~30

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4于学馥,乔端.轴变论和围岩稳定轴比三规律.有色金属,1981.（4）:

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科学出版社,1985

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9郑雨天.关于软岩巷道地压与支护的基本观点.软岩巷道掘进与支护论文集,1985（5）:

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12宋宏伟,郭志宏等.围岩松动圈巷道支护理论的基本观点.建井技术,1991.（3）:

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26ChaojiongHou,YananHe&XiaoLi.Anewmethedtocontrolfloorheaveinheterogeneousstrata.Proceedingofthe19thInternationalconferenceoncomputermethodsandadvancesingeomechanics:

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27薛亚东，康天合．回采巷道围岩结构与裂隙分布特征及锚杆支护机理研究[J]．煤炭学报，2000，25（6）:

97~101

28韩瑞庚.地下工程新奥法.北京:

科学出版社,1987

29BrownET.PuttingtheNATMintoPerspective.TunnelsandTunneling,SpecialIssue,1990

30Barton,Nick,Grimstad,Eystein.RockmassconditionsdictatechoicebetweenNMTandNATM.TunnelsandTunnelling,1994（10）:

39~42

31刘长武,煤矿软岩巷道的锚喷支护同新奥法的关系.中国矿业,2000.1

（1）:

61~64

32李世平.岩石力学简明教程.北京:

中国矿院出版社,1996

33N.A.尤尔钦科.用能量理论计算锚杆支架参数.煤矿掘进技术译文集——锚杆支护.北京:

煤炭工业出版社,1976

34FineJ.有限元法在岩石力学中的应用.辛洪波译.北京:

冶金工业出版社,1997

II-3研究基础（研究生本人的研究能力及已有相关研究成果，校、系的相关资料设备）

（1）研究条件方面

本项目所列出的试验如相似材料模拟试验、数值计算等，湖南科技大学绿色矿山技术研究中心能满足试验要求，有RMT—150C电液饲服岩石力学试验机、相似模拟实验台2个，RFPA数值计算软件等试验设备和软件。

（2）研究人员及研究基础

本人为采矿专业研究生，具备采矿方面一定的理论知识，并多次参加过现场实习，对极软岩层巷道围岩控制有一定的认识。

（3）现场试验方面

理论研究成果最终要应用于实践，并在实践中检验和发展。

本人导师拥有湖南牛马司、金竹山江西丰城、河南平顶山等科研基地，曾合作完成了20余项课题的研究。

因此，本人的研究将有良好的外部环境和现场试验基地。

Ⅲ.研究设计

III-1研究的主要思路及重要观点

研究的主要思路：

（1）通过试验室和现场试验，研究围岩塑性区对巷道围岩变形量与底臌量的影响。

（2）通过数值分析和现场试验，根据松软散巷道的变形力学机制和显现特点，可采用的住户措施。

重要观点：

（1）采取防治水、围岩卸压和加强支护等措施来解决巷道底臌。

（2）松动圈范围大小对巷道围岩变形量与底臌量影响最大。

III-2研究的关键问题

1、锚杆在极软岩巷道围岩控制中的作用机理；

2、帮角支护强度控制软岩巷道的力学分析。

III-3研究方法

利用现场观测、现场探测、相似材料模拟、数值计算等手段，分析软岩巷道较大范围围岩的受力变形，软岩层变形的力学机理。

III-4研究进度安排

序号

工作内容

完成日期

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

调研、查阅相关资料。

通过现场探测、相似材料模拟试验完成以下研究内容：

煤层巷道表面位移、深基点位移观测

顶板内部裂隙钻孔窥视观测；

较大范围围岩应力场分布及围岩变形特点

通过数值计算、理论研究完成软岩巷道稳定过程和条件；

对所做研究工作进行总结、分析。

综合研究成果，整理数据，撰写学位论文。

2009.1

2009.2~5

2009.6

2009.7~9

2009.10

2010.12

2010.3

Ⅳ.研究经费预算

开支项目名称

用途

金额（元）

备注

Ⅴ.审查意见

指导教师审查意见

指导教师签名：

年月日

考核小组审查意见

考核负责人签名：

院（所）公章年月日