基于松动圈支护理论的巷道支护技术研究分析.docVIP

基于松动圈支护理论的巷道支护技术研究 1．松动圈理论 巷道在开挖前，岩体处于三向应力平衡状态，开巷后围岩应力将发生两个显著变化；一个是巷道周边径向应力下降为零，围岩强度明显下降；二是围岩中出现应力集中现象，一般情况下集中系数大于2.如果集中应力小于岩体强度，那么围岩将处于弹塑性稳定状态；当应力超过围岩强度之后，巷道周边围岩将首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度取得三向应力平衡位置，此时围岩已过渡到破碎状态。我们将围岩中产生的这种松弛破碎带定义为围岩松动圈，简称松动圈，其力学特性表现为应力降低。 2．围岩松动圈支护理论 围岩松动圈巷道支护理论的核心内容是：松动圈支护理论是根据围岩中存在的松动破碎带的客观状态提出的，巷道支护的对象主要是松动圈内围岩的碎涨变形和岩石的吸水膨胀变形（仅限膨胀性地层）；另外，深部围岩的部分弹塑性、扩容变形和松动围岩自重也可能对支护产生压力。围岩松动圈是开巷后地应力超过围岩强度的结果。在现有的支护条件下，试图采用支护手段阻止围岩的松动破坏时不可能的。因此，松动圈支护理论认为：支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。为了能够定量的回答这一问题，可以用伺服机对石灰岩、砂岩、泥岩以及煤作了如下的试验： 试验将围岩(油压)限定在零值左右，作岩石的应力、应变全过程曲线。同时采集了全过程中油压和岩石体积的变化曲线。其中油压变化为岩石在受力的全过程中膨胀应力(碎胀力或称剪胀力)。从各条曲线之间的相互关系可以看出，岩石在受力全过程中，对接触介质的荷载影响程度。 图中“轴向应力—应变曲线”是一条常见的岩石特性曲线，随着轴向应力不断增加达到峰值应力后，岩石内徽裂隙连通，丧失承载能力；在这个过程中岩石的“轴向应变—体积应变”曲线也随着变化，其特点是岩石在峰值应力之前，即通常认为的弹性阶段，岩石体积应变呈负增长并且其量较小，当试块应力达到峰值后，体积应变呈较大斜率增长，也就是说当围岩破裂后．形成松动圈的时候岩石将产生明显的体积增大(碎胀)。再看图中的“轴向应变—剪胀力”曲线在峰值前剪胀力也同样在零坐标处变动，而峰值后则碎胀力迅速增长。这就是我们对大理岩、砂岩、泥岩以及煤试件试验的共同特点，即岩石只有在峰值应力后才有明显的体积增长，才会与周围的介质争夺空间。例如，泥岩在试验条件下，将以210 kN／m2的膨胀力向外扩展。 因此，围岩松动圈支护理论认为，开巷后围岩松动圈形成过程中的碎胀(剪胀)力是支护的最大荷载，它的主要内容有以下几点： (1)当围岩应力超过围岩强度时，围岩将产生弧形破裂带，称为围岩松动圈，其形状有圆形、椭圆形和异形(不均质围岩)三种。 (2)围岩松动圈的形成有时间性，现场实测围岩在有控制的条件下，当L100cm时， 10～20天稳定;当L=100～150 cm时，20～30天稳定;当L150cm时，需1～3个月左右。如果发生片帮冒顶或卧底，它将以新的裸露面为零开始发展。 (3)一般开巷后进行的支护(包括锚杆支护)，由于其迟后并与围岩有不可避免的空间(架设空间)，该值大于围岩峰值应力前的变形量，因此一般支护不能有效地阻止围岩松动圈的发生和发展，不能在峰值前进入工作状态。现在用围岩与支护共同作用曲线来进一步说明这个问题，见图2。一般认为在横坐标o～b段内为围岩的弹塑性变形区，支护的o～a段为支护与围岩的架设空间，诸不知o～b段对于刚性的岩石是一个小于毫米级的量，目前地下工程所施的支护都不可能在施工时达到这样的密贴程度，即使是密贴程度较高的锚杆支护(预应和锚索除外)，也由于锚杆的弹性变形量远远大于岩石而不能在a点与支护接触，并在这个区段产生支护力与变形曲线a—e，因此这条曲线在实际工程中并不存在。所以认定支护力可以维护围岩保持在岩石峰值应力前是将支护理想化了。只有待围岩产生松动圈后才可能产生足够的围岩变形量，才可能产生支护曲线d-f，。要证明这一说法，只需给o～a 段标量就会发现问题。 (4)围岩松动圈支护理论认为。支护的最大荷载是围岩松动圈形成过程中的碎胀力。松动圈为零时是围岩可以自稳的条件。 3．基于松动圈理论的围岩分类 地下工程围岩分类是将支护理论推向应用的重要一步，它应以支护理论为基础。公认的分类指标应包含有围岩性质、围岩应力及其它相关的参数，如水的影响程度等。将这些因素定量了，并且建立起它们之间的相互关系，然后才能综合地判定各种组合条件下支护的难度，即围岩类别。 国内外有数不清的分类方法，各自按其对诸因素的理解定量，然后综合分类。其共同的难点是定量困难，综合更困难。例如，围岩应力及围岩强度这两个最重要的因素在定量问题上存在着争议和具体技术问题。实际上即使正确的获得了这两个数据，将这两个资料综合起来也是个难题，因为目前还未能建立支护参数与围岩应力、围岩强度之间的数值关系。如果再引进水的