煤矿巷道锚杆支护应用实例分析

 在分析锚杆支护作用机制的基础上,提出高预应力、强力支护理论,强调锚杆预应力及其扩散的决定性作用;指出对于复杂困难巷道,应尽量实现一次支护就能有效控制围岩变形与破坏;介绍煤矿开发出的锚杆支护成套技术,包括巷道围岩地质力学测试技术、动态信息锚杆支护设计方法、高强度锚杆与锚索支护材料、支护工程质量检测与矿压监测技术,以及锚固与注浆联合加固技术;在分析煤矿巷道类型与特点的基础上,介绍高预应力、强力锚杆支护理论与技术的典型应用实例,包括千米深井巷道、软岩巷道、强烈动压影响巷道、大断面开切眼、深部沿空掘巷与留巷、采空区内留巷及松软破碎硐室加固。基于这些复杂困难巷道的特点与地质力学测试结果,进行巷道支护设计,通过矿压监测数据分析与信息反馈,评价支护设计的合理性与围岩稳定性。实践表明,采用高预应力、强力锚杆支护系统,必要时配合注浆加固,能够有效控制巷道围岩的强烈变形,并取得良好的支护效果。     

锚索、注浆锚杆在高应力大硐室加固中的应用

本文简述了锚索及注浆锚杆在埋藏深、高应力大硐室加固中的应用,并对锚索及注浆锚杆联合支护的作用机理进行了简要的分析。     

破碎岩体大断面硐室掘进和支护与加固技术

针对破碎岩体大断面硐室的掘进和支护问题,提出了初次支护采用锚网喷支护和低预应力锚索加固,而二次支护采用仝断面锚注加固,使之形成了山锚杆、锚索、金属网、喷层和注浆加固组成的“三锚”动态叠加支护结构,并结合现场实际给出了具体的支护参数和施工工艺.通过现场应用和监测,满足了破碎岩体大断面硐室的支护要求,取得了良好的技术与经济效果.     

超千米深井巷道围岩变形特征与支护技术

为解决超千米深井巷道支护难题,以新汶矿区深井巷道为工程背景,分析深部矿井地应力、围岩强度与结构等地质力学参数分布特征,超千米深井巷道围岩、支护体变形及破坏状况。采用UDEC数值模拟软件,研究不同支护方式与参数下超千米深井岩巷围岩变形、破坏特征与支护作用。基于实测与数值模拟研究结果,确定新汶华丰矿-1180回风大巷采用全断面高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合支护加固方式。详细介绍-1180回风大巷支护井下试验,包括支护参数设计、支护材料、底板注浆锚索施工工艺及矿压监测结果。通过分析围岩位移、顶板离层及锚杆、锚索受力监测数据,评价回风大巷支护效果。井下试验表明:高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合加固技术,能够有效控制超千米深井岩巷大变形,保持围岩长期稳定。最后,针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。     

深井大型硐室厚坚硬底板破坏机理及控制技术

针对深井大型硐室厚坚硬底板底鼓难题,以千米深井唐口煤矿绞车房硐室为工程实例,研究底板破坏机理:深井大型硐室厚坚硬底板开挖初期表现出明显的分层屈曲损伤破坏特征,随后在高应力作用下沿损伤破坏面滑移错动鼓起;以薄板屈服理论推导了底板屈曲破坏临界载荷。以控制厚坚硬底板的屈曲损伤破坏为出发点,基于硐室底板整体加固控制原则,提出了底板组合桩基群加固治理技术:以反底拱技术为基础,借助底板横向组合钢梁及双层链接钢筋网,辅以混凝土整体浇筑组合形成底板强基础梁结构,均衡底板受力,防止局部地点高应力集中;以高预应力锚索束和高压封闭注浆技术胶结加固围岩形成底板组合桩结构,阻断围岩应力向底板传递和转移;最终形成多排锚索束张拉强基础梁的组合桩基群结构,现场应用效果良好。研究成果对于当下日益加深的深部大型硐室及大型地下空间支护具有一定的指导和借鉴意义。     

深部机头硐室锚注和底板卸压联合支护技术研究

新庄煤矿胶带暗斜井沿煤层布置,暗斜井内铺设强力胶带输送机,第二部机头硐室变形破坏明显。研究该硐室锚注加固和底板卸压技术,对于硐室围岩的长期稳定具有重要的现实意义。基于硐室工程地质条件,采用理论分析、数值计算和现场工业性试验进行系统研究,研究结果表明:(1)硐室围岩岩性差,受井筒保护煤柱固定支承压力的作用,硐室围岩应力高、围岩有效载荷系数较大,造成硐室底臌和围岩变形破坏严重。(2)与卸压前相比,硐室底板开挖卸压槽以后,明显降低了硐室底板围岩铅垂应力和两帮围岩水平应力,而硐室顶板围岩铅垂应力、两帮水平位移量基本保持不变,所以底板卸压槽有利于硐室围岩的长期稳定。变形严重的机头硐室采用锚(索)网喷联合支护翻修以后,底板开挖卸压槽,硐室顶板、两帮采用注浆锚杆注浆,且两帮、底板(含卸压槽)采用锚索束注浆。项目实施以后硐室围岩处于稳定状态,现场工业性试验取得了成功。     

潘二矿松软破碎巷道群大变形失稳机理及支护技术优化研究

随着煤炭资源转入深部开采阶段,深井巷道尤其是巷道群的围岩稳定控制已成为重大的技术难题。基于淮南潘二矿东二采区井底车场巷道群现场工程,采用现场工程地质调查、室内试验、数值仿真和理论分析等手段,系统分析了巷道群围岩及支护结构的变形开裂特征及失稳机理,提出了预应力组合锚杆(索)-U型钢支架-分步注浆控制巷道帮顶、帮角/底角锚杆-底板预应力锚索控制底板的深部松散破碎巷道群稳定性综合控制对策和设计方案,并将研究成果应用于工程实践,通过现场监测验证了分析方法及控制对策的合理性和有效性。     

深部巷道破碎围岩锚注机制及控制技术研究

深部巷道实际返修率高达90%以上,尤其软弱破碎围岩巷道控制一直是困扰煤矿安全、高效生产的重大难题之一,在诸如构造应力、强采动影响、断层破碎带等因素影响下,巷道围岩破碎程度高,出现大变形、大松动圈,造成支护失效、冒顶、剧烈底鼓、严重片帮等变形破坏现象,增加了巷道的返修强度与次数,费用远超成巷费用。锚注支护可以从原位上提高围岩自承能力,改善支护构件锚固性能,有效控制围岩变形,越来越多的被深部巷道支护所采用。但是目前锚注支护多以工程类比为主,虽然众多学者针对锚注支护开展大量的研究,但是对破碎岩体的锚注机制研究较少。因此,开展破碎岩体锚注试验及控制效果研究,明确破碎岩体锚注支护机制,可为深部巷道破碎围岩锚注支护设计提供指导,对煤矿安全高效运营具有重要意义,同时也可为交通隧道、水利水电等地下工程破碎岩体支护提供借鉴与参考。本文以巨野矿区千米深井—赵楼煤矿为工程背景,针对高应力、软弱岩层等条件下,开挖后岩体破碎,锚注后岩体的参数获取以及承载特性等研究明显欠缺等问题,以室内和现场试验为主,理论与数值分析为辅的手段,研究深部巷道破碎围岩锚注机制以及控制方法,主要研究工作及成果如下:(1)随钻参数与破碎围岩锚注体力学参数关系研究:研发多功能岩体数字钻探测试系统,由钻进系统、加载系统以及监测控制系统等组成,可施加最大扭矩400 N·m,最大转速为400 r/min,最大推进力50 k N。定义岩石单位切削能η_c,基于SVM建立数字钻探过程中钻进速率V、转速N、扭矩M、推进力F和岩石单位切削能η_c等5个物理参量与岩体UCS的定量关系。系统开展不同水灰比、岩体粒径影响下破碎围岩锚注体数字钻探试验,验证了基于SVM的随钻参数与UCS关系模型,结果表明水灰比对破碎岩体锚注后的强度影响较大,水灰比为0.5和0.6的破碎岩体锚注后强度相近;不同粒径对破碎岩体锚注加固后强度影响较小。(2)破碎围岩锚注体承载特性试验研究:针对破碎岩体锚注工况,制作不同岩体粒径、不同水灰比以及不同锚杆数量的锚注体试件,开展锚注体承载特性系列对比试验,定义锚杆承载贡献率指标,对比分析有无锚杆条件下锚注体裂纹发展规律,明确不同因素影响下锚注体承载机制。(3)不同条件下锚注支护构件锚固性能系列对比试验研究:建立基于剪胀效应的软弱破碎围岩锚固体界面力学模型,推导注浆前后锚固体界面剪应力计算公式,分析注浆前后围岩弹性模量、黏聚力、内摩擦角、剪胀角等力学参数变化对锚固体界面抗剪能力的影响规律。定义注浆锚杆有效加固范围,系统开展注浆前后普通锚杆和高强锚索等支护构件锚固性能系列对比试验,验证理论模型的正确性,明确锚注浆液扩散加固机制。浆液在岩体中的扩散效果不是等距均匀的,整体呈现"下方边侧上方"的趋势;浆液扩散效果随着注浆锚杆长度增加存在一个合理长度;高强锚索锚固性能的改善要综合考虑注浆加固以及稳定岩层的贡献大小。适用于赵楼煤矿类似巷道的注浆锚杆长度为2.5 m左右,注浆锚杆间排距为1 200 mm×1 600 mm;高强锚索长度为5～6 m。(4)深部巷道锚注系列对比数值试验研究:考虑支护方案、应力等级、岩体参数等级以及锚注加固强度等因素,设计四大类51种数值对比方案,对比分析围岩位移、塑性区、应力等变化规律,揭示不同因素影响下围岩锚注控制机制。随着注浆加固范围的增加,各部位最大位移量、最大塑性区呈降低趋势,围岩应力峰值呈双线性变化特征;随着注浆加固参数等级的提高,各部位最大位移量、最大塑性区呈近似指数形式降低;围岩应力峰值距离巷道周边整体呈缩短趋势,应力峰值整体呈上升趋势。(5)深部巷道破碎围岩锚注控制现场对比试验研究:研发新型高强锚注支护材料,设计锚注联合支护方案,选择典型破碎围岩巷道开展现场对比试验,结果表明煤巷沿空侧试验段平均收敛量比原方案降低了63.2%,实体侧降低了54.9%,岩巷试验段比原方案降低了81%～83%,高应力破碎围岩的变形得到了有效控制。将研究成果向极软弱破碎煤层巷道中进行了推广应用,设计并开展4种锚注支护对比方案,结果表明注浆锚杆+注浆锚索联合支护、注浆锚杆+高强锚索联合支护等锚注方案可以代替传统的U型棚支护。     

深部硐室群围岩蠕变特征及稳定性控制

为了探究深部硐室群围岩蠕变特性和不同锚杆间排距对围岩变形的抑制作用,本文以陈四楼煤矿深部硐室群为研究对象,采用室内实验对深部硐室群砂质泥岩试样的蠕变特性进行分析,通过数值模拟方法对锚杆间排距和硐室群的支护效果进行研究。研究结果表明:随着荷载水平的增加,岩石轴向变形不断增加,当荷载增加到0.9σ_c时,岩样发生蠕变失稳破坏;深部巷道随着锚杆间排距的增加,围岩应力及变形均呈现先减小再增加的特征,当间排距为0.5 m时,可以较好地实现围岩与锚杆的耦合支护效果;将 0.5 m 的锚杆间排距应用到深部硐室群时,硐室群顶板及两帮应力分布更加均匀,围岩整体变形量较小,现场监测表明,硐室围岩底鼓量最大,顶板下沉量次之,两帮收缩量最小。     

复合顶板极软煤层巷道锚杆支护技术研究

 复合顶板极软煤层巷道是围岩变形剧烈且顶板易冒落极难维护的巷道。分析该类巷道围岩破坏特点, 提出运用注浆及锚杆支护控制巷道围岩稳定、加强顶板支护强度、充分利用围岩自身承载能力的支护原理, 研究了合理的注浆、锚杆支护技术, 包括高水速凝材料注浆加固两帮、顶板采用树脂全长锚固高强度锚杆和小孔径预应力锚索加强支护及两帮树脂加长锚固锚杆支护, 并介绍一个工程实例。     

Influence of cavern spacing on the stability of large cavern groups in a hydraulic power station

Many factors influence the static and dynamic stabilities of the rocks surrounding large cavern groups, such as in a hydropower station. In order to study the influence of cavern spacing on the stability of adjacent caverns, two kinds of dynamic-history simulation models for large cavern groups were set up by considering three different strengths of rock masses (soft rock, medium hard rock, and hard rock). One model included two caverns and the other included three caverns. The numerical simulations of these models were conducted under the loading of gravity and the combined loadings of gravity and earthquake motion, separately. To fully consider the dynamic features of rock masses, a damaged plasticity model with a non-associated potential flow was adopted for the surrounding rocks. Due to the stress redistribution and the scattering effect, simulated results indicate that, taking the caverns located in soft rocks, for example, if the spacing is less than one cavern characteristic length (taken to the biggest width of a cavern in the group), the static and dynamic responses of adjacent caverns are significantly affected by their spacing. The damage and the distribution of tensile stress surrounding the caverns are extremely extensive. Once the spacing approaches or exceeds twice the cavern characteristic length, the damage and the distribution of tensile stress of caverns keep unchanged, and the effect of nearby caverns disappears. In some situations, as the rock strength decreases, the damage becomes more severe and the area of tensile stress becomes more extensive. The critical distance of cavern spacing decreases as the strength of the surrounding rocks increases. The conclusions of this work could be used as a primary guidance to the anti-earthquake design for practical engineering.     

某电站模型洞围岩位移反分析及预测研究

张河湾抽水蓄能电站位于河北省井陉县测鱼镇甘陶河干流上。电站安装4台单级混流可逆式水泵水轮机组,总装机容量为1000 MW。地下厂房开挖尺寸(长×宽×高)为151.1 m×23.4 m×48.3 m。为进一步研究地下厂房围岩稳定性和优化设计参数,在地下厂房近旁进行了模型洞围岩观测试验研究,依据模型洞围岩收敛位移、钻孔多点位移、锚杆应力观测结果,进行了反分析,计算结果:水平应力2.52～2.88 MPa,应力比值0.7～0.8,弹性模量26.0 GPa。依据反分析的围岩初始地应力及变形参数,对主厂房及主变室围岩位移及应力分布进行了预测,结果表明,围岩变形均较小,且与地下厂房围岩位移实测值一致性较好。     

平面SV波垂直入射下浅埋双圆隧道复合衬砌解析解及减震力学机理分析

基于波函数展开法,给出了平面SV波入射下地下半空间弹性介质中圆形双洞复合式衬砌洞室动应力集中系数解析解,建立了小净距隧道减震层力学模型,并深入研究了低频SV波入射下洞室间距和减震层对衬砌动应力集中的影响。分析结果表明：洞室间距对衬砌的动应力有显著影响,随着洞室之间距离增大,左右洞室衬砌动应力集中系数降低;当洞室间距小于4倍洞室直径时,必须考虑双洞的相互影响;洞室中间部分围岩动应力集中系数较大;在围岩和衬砌间设置减震层,由于减震层刚度低,可以减小围岩对隧道的径向作用力,减震层可以降低衬砌动应力20%左右,但同时围岩切向动应力增大。     

高地应力断层带软岩隧道变形特征与控制措施研究

隧道在穿越断层地带时由高地应力引起的软岩大变形问题是隧道建设施工中难点,给隧道建设的施工与进度带来很大影响。本文结合区域地应力,围岩强度实验等分析柿子园隧道穿越断层地区产生支护结构破坏现象的原因,并对围岩压力,钢架应力,围岩变形进行了现场监测,得到了高地应力软岩大变形引起的支护应力特征与变形特征,提出了控制大变形的技术措施。研究表明,高地应力区软岩隧道穿越断层地带时,由于复杂的构造应力造成隧道结构受力不均,隧道左右两侧围岩压力,支护内力与围岩变形呈现出很大的不对称性。采用优化断面形式、加强初支刚度、非对称预留变形量和锚杆布置等措施可以有效减小隧道结构受力,控制隧道变形。     

巷道开挖面抗剪承载结构形成和蠕变规律研究

为掌握深部软岩巷道应力承载结构的形成机理和发生剪切蠕变失效规律,通过研究巷道抗剪力学承载结构划分方法和形成特征,掌握该承载结构的空间效应和蠕变效应。以开挖面附近围岩为研究对象,利用工程实测开挖面附近不同区段围岩应力场和裂隙场分布规律,探讨空间效应影响下围岩抗剪承载结构形成机制;通过理论分析方法,基于统一强度准则和岩石三线段力学模型,获得开挖后软岩巷道次生应力场、位移场的定量解析式,推导“弹塑性”位移释放后围岩蠕变定量解析解。由算例结果可知,不同区段围岩承载结构演化规律受空间效应影响较大。最后,根据围岩抗剪承载结构蠕变失效特征,提出动态补强支护方案。     

早强锚杆在高地应力层状软岩隧道中的应用研究

以在建的成都-兰州铁路杨家坪隧道为工程依托,选取条件基本相同的30m典型围岩区段为试验段,对普通锚杆、早强锚杆支护时的洞周位移、围岩与初支接触压力、型钢拱架应力及其锚杆轴力进行实测对比分析,探讨了早强锚杆在高地应力陡倾层状软岩隧道中的作用机制。结果表明：高应力软岩隧道中锚杆轴力为拉力,早强锚杆比普通锚杆轴力更大,可以使隧道洞周位移减小40%|早强锚杆使隧道边墙围岩压力和钢架拱顶应力减小,围岩压力分布和钢架受力趋于均匀|早强锚杆通过注浆材料深入围岩,可以提高围岩层面强度|及时发挥锚固作用,抑制了围岩渐进破坏过程,从而减小围岩塑性区|加长了锚杆的拉拔长度,减小围岩与初支接触压力,改善隧道支护的受力状况,有效地控制隧道变形。     

Geomechanical model test for analysis of surrounding rock behaviours in composite strata

Due to the large differences in physico-mechanical pro perties of composite strata,jamming,head sinking and other serious consequences occur frequently during tunnel boring machine(TBM) excavation.To analyse the stability of surrounding rocks in composite strata under the disturbance of TBM excavation,a geomechanical model test was carried out based on the Lanzhou water supply project.The evolution patterns and distribution characteristics of the strain,stress,and tunnel deformation and fracturing were analysed.The results showed that during TBM excavation in the horizontal composite formations(with upper soft and lower hard layers and with upper hard and lower soft layers),a significant difference in response to the surrounding rocks can be observed.As the strength ratio of the surrounding rocks decreases,the ratio of the maximum strain of the hard rock mass to that of the relatively soft rock mass gradually decreases.The radial stress of the relatively soft rock mass is smaller than that of the hard rock mass in both types of composite strata,indicating that the weak rock mass in the composite formation results in the difference in the mechanical behaviours of the surrounding rocks.The displacement field of the surrounding rocks obtained by the digital speckle correlation method(DSCM) and the macro-fracture morphology after tunnel excavation visually reflected the deformation difference of the composite rock mass.Finally,some suggestions and measures were provided for TBM excavation in composite strata,such as advance geological forecasting and effective monitoring of weak rock masses.     

软弱夹层对隧道围岩稳定性影响规律研究

宜巴高速公路石门垭隧道具有地质条件复杂、围岩软硬交替、高地应力等特点,施工过程中常发生围岩层状剥落、侧墙滑塌等现象,严重威胁隧道施工安全。为确保施工安全,有必要采取一些措施为实际施工提供技术指导,采用FLAC^3D有限差分法分析软件,模拟分析了隧道含不同倾角及位置的软弱夹层时围岩的稳定性,通过分析围岩位移场、塑性区及应力场的分布特征,得出了软弱夹层倾角及位置对隧道围岩变形、破坏区及应力分布的影响规律。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供借鉴和参考。     

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

 以某有色金属矿山巷道为例, 给出了高应力软岩的定义, 论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型, 分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响, 并从岩体和工程岩体围压状态变化和强度变化角度探讨高应力软岩围岩的变形破坏机理。     

导硐法施工中导硐位置及尺寸的优化研究

随着硐室埋深加大、围岩破碎、裂隙发育等因素的出现,岩石呈现明显的软岩特性,并由此产生了大变形、大地压、难支护等一系列工程问题。近几年逐渐采用导硐施工技术来解决这些问题,根据导硐施工法的原则:让硐室掘出后在原岩应力作用下充分产生流动变形、塑性变形,释放部分地应力,并利用围岩自身的承载能力,使地应力重新分布达到新的应力平衡状态,使地压力得到有效释放与控制。在导硐法施工中,如何优化导硐位置及尺寸是导硐施工技术的关键问题;建立不同导硐模型,通过Flac3D进行数值模拟,分析、比较导硐后硐室的塑性变形、位移和应力情况,得到一个最佳的导硐模型。