重要文件初步設(shè)計(jì)v

1、設(shè)計(jì)巷道：北一（6-2）上山采區(qū)6煤底板回風(fēng)巷：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)設(shè)計(jì)寧廣設(shè) 計(jì) 人：審 核 人：審核意見(jiàn)：1)結(jié)合初始階段的同步礦壓觀測(cè)和施工信息反饋進(jìn)行方案優(yōu)化；落實(shí)本設(shè)計(jì)的施工階段，安排專人配合礦方開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)施工操作技術(shù)和過(guò)程管理； 進(jìn)一步開(kāi)展同步的方案優(yōu)化及支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)措施。2)3)目錄1概述. - 1 -1.11.21.3說(shuō)明. - 1 -工程地質(zhì)條件 . - 1 -工程地質(zhì)特征分析 . - 4 -1.3.1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析. - 4 -1.3.2 巷道破壞特征. - 4 -2研究現(xiàn)狀. - 6 -2.1軟道支護(hù)理論. - 6 -國(guó)外研究現(xiàn)狀. - 6 -國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀. -

2、 8 -道支護(hù)技術(shù) . - 9 -2.1.12.1.2軟2.2軟3道支護(hù)理論及技術(shù)新發(fā)展. - 12 -巷道斷面形狀優(yōu)化數(shù)值計(jì)算分析 . - 12 -3.13.1.13.1.23.1.33.1.4數(shù)值計(jì)算模型及有關(guān)參數(shù). - 12 -圍巖塑性區(qū)分布. - 14 -斷面形狀選擇. - 16 -最小加固長(zhǎng)度的確定. - 19 -3.23.3破裂巖體的注漿加固性能. - 21 -. - 22 -3.3.13.3.23.3.3底板鎖注技術(shù). - 22 -錨. - 22 -中空注漿錨索. - 23 -4巷道支護(hù)設(shè)計(jì). - 23 -4.1 支護(hù)方案選擇 . - 23 -4.2 錨網(wǎng)索支護(hù) . - 25 -

3、4.2.14.2.24.2.3支護(hù)形式及參數(shù). - 25 -噴漿. - 27 -支護(hù)強(qiáng)度比較. - 27 -4.3架棚+深孔注漿. - 30 -4.3.14.3.24.3.3架棚. - 30 -噴漿. - 31 -深孔注漿. - 31 -4.44.5錨. - 32 -中空注漿錨索. - 34 -5 施工工藝要求. - 38 -5.1 安裝要求 . - 38 -5.1.15.1.25.1.2錨桿安裝要求. - 38 -頂板錨索安裝要求. - 38 -中空注漿錨索施工要求. - 39 -5.2 特別提醒. - 39 -5.2.15.2.25.2.3質(zhì)量注意事項(xiàng). - 39 -錨索安裝注意事項(xiàng). -

4、 39 -注漿注意事項(xiàng). - 40 -6 設(shè)計(jì)說(shuō)明及其它要求. - 40 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)1 概述1.1 說(shuō)明1）本支護(hù)方案及參數(shù)設(shè)計(jì)北一（6-2）上山采區(qū)6煤底板回風(fēng)巷，設(shè)計(jì)依據(jù)為礦方已掌握的巷道圍巖賦存及相關(guān)地質(zhì)資料。2) 從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及相關(guān)礦壓顯現(xiàn)情況看，北一（6-2）上山采區(qū)6煤底板回風(fēng)巷自撥門(mén)開(kāi)始至結(jié)束位置一幫始終毗鄰一系列斷層所組成的斷層群，巷道軸線方向與斷層群基本一致，近距斷層群將會(huì)對(duì)巷道掘進(jìn)及維護(hù)產(chǎn)生較大影響；預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)過(guò)程中將先后穿過(guò)7條斷層；礦壓顯現(xiàn)通常具有典型軟道的流變特性；加之巷道服務(wù)年限在10年以上，其圍巖長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性極為

5、。3）本設(shè)計(jì)依據(jù)理論分析結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展，鑒于巷道圍巖變形的分區(qū)域特性，性采用錨網(wǎng)索、“架棚+深孔注漿”、“架棚+深孔注漿+錨”和“架棚+深孔注漿+中空注漿錨索”四種方案，并通過(guò)實(shí)時(shí)礦壓觀測(cè)結(jié)果對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)確定后續(xù)支護(hù)方案的調(diào)整。1.2 工程地質(zhì)條件北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)段位于 6-2 煤及 4 煤層之間，自北一（6-2）采區(qū)回風(fēng)石門(mén)撥門(mén)，以方位角 303，跟 6 煤底板施工，平均垂距 20m 左右。與之平行布置的巷道包括 6 煤膠帶機(jī)上山、6 煤底板回風(fēng)上山、6 煤底板軌道上山三條巷道，平距分別為 30m、40m、60m；6 煤膠帶機(jī)上山在6-2 煤層

6、中掘進(jìn)，其余兩條巷道與 6 煤底板平剖面圖如圖 1-1 所示。回風(fēng)巷層位基本相同。巷道布置6 煤底板回風(fēng)巷掘進(jìn)層位主要位于泥巖和砂泥巖互層中，頂板巖性主要為細(xì)砂巖、煤線、泥巖，底板主要為砂泥巖互層、粉細(xì)砂道巖性綜合柱狀圖如圖 1-2 所示。- 1 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)圖 1-1 巷道布置平剖面圖- 2 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)圖 1-2 6 煤底板回風(fēng)巷巖性綜合柱狀圖6 煤底板回風(fēng)巷自撥門(mén)開(kāi)始至結(jié)束位置一幫始終毗鄰一系列斷層所組成的斷層群，已探明斷層有 SF49、SF55、Fs263、Fs905、Fs909、F

7、92 及 F92-3，巷道軸線方向與斷層群基本一致。根據(jù) 6 煤底板回風(fēng)上山掘進(jìn)斷層情況，預(yù)計(jì) 6 煤底板D6-D12 七條斷層。對(duì)巷道回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中將先后掘進(jìn)影響較大的斷層及其參數(shù)見(jiàn)表 1-1。- 3 -柱 狀層厚巖石名稱巖性描述10.40.960.262.50中細(xì)砂巖泥巖煤線泥巖淺灰色,中細(xì)砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層理清晰，巖性堅(jiān)硬，性脆?；疑?塊狀,性脆易碎,斷口平坦,細(xì)小裂隙發(fā)育,局部含砂質(zhì)泥巖。黑色,粉末狀為主，發(fā)育不穩(wěn)定，灰分含量較高。灰色,塊狀,性脆易碎,斷口平坦,細(xì)小裂隙發(fā)育,局部含粉砂質(zhì)。3.666-2煤黑色,粉末狀為主，次為塊狀，鱗片狀，片狀，暗煤為主，弱光澤光澤，夾少量鏡煤條帶及

8、線炭，屬半暗型煤,含矸石。1.70泥巖灰色,塊狀,性脆易碎,斷口平坦,細(xì)小裂隙發(fā)育,局部含砂質(zhì)泥巖。0.287.9014.20煤線細(xì)砂巖砂質(zhì)泥巖黑色,粉末狀為主，發(fā)育不穩(wěn)定，灰分含量較高。淺灰色,細(xì)砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，含較多暗色礦物,局部夾泥質(zhì)條帶，巖性堅(jiān)硬，性脆， 局部含有少量粉砂巖及微量中砂巖。灰色,含砂不均,往下增多,上部含菱鐵鮞子,含痕木化石,局部相變?yōu)槟鄮r.6.503.300.74砂泥巖互層粉細(xì)砂巖4-2煤粉細(xì)砂巖與砂質(zhì)泥巖互層，灰色到灰白色，致密,塊狀,以粉細(xì)砂巖為主， 局部可見(jiàn)炭屑，水平層理清晰。淺灰色,細(xì)砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，含較多暗色礦物,局部夾泥質(zhì)條帶，巖性堅(jiān)硬， 性脆，局部含有微量中砂巖。黑色

9、，塊狀為主，局部粉狀和片狀，油脂光澤,暗煤、為主，夾少量鏡煤條帶和絲炭，半暗型半亮型，屬不穩(wěn)定局部可采煤層。2.340.72泥巖4-1煤灰色,塊狀,性脆易碎,斷口平坦,細(xì)小裂隙發(fā)育,局部含粉砂質(zhì)。黑色,塊狀為主，弱油脂光澤油脂光澤，暗煤、為主，夾少量鏡煤條帶及絲炭，常伴生有4-2煤，半暗型半亮型，屬不穩(wěn)定局部可采煤層。7.10泥巖灰色,塊狀,性脆易碎,斷口平坦,細(xì)小裂隙發(fā)育,局部含砂質(zhì)泥巖及鮞狀鋁質(zhì)泥巖。北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)表 1-1 預(yù)計(jì)對(duì) 6 煤底板回風(fēng)巷掘進(jìn)影響較大的斷層及其參數(shù)斷層名稱傾向傾角性質(zhì)落差程度F9230033012021050650

10、35.0m正較高F92-329530820521875正022.0m較高Fs26323714770正2.0m較高Fs9092902060752.5m正較低Fs905295256070正07m較低1.3 工程地質(zhì)特征分析1.3.1 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析巖體的構(gòu)造應(yīng)力尚無(wú)法用數(shù)學(xué)、力學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算分析，構(gòu)造應(yīng)力的大小只能采用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)測(cè)的方法測(cè)定。但是，構(gòu)造應(yīng)力的方向可以根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的方法加以。依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和巖石強(qiáng)度理論，一般認(rèn)為自重應(yīng)力是主應(yīng)力之一，另一主應(yīng)力與斷裂構(gòu)造體系正交。對(duì)于正斷層，自重應(yīng)力s z 是最大主應(yīng)力，即s1 = gH ，最小主應(yīng)力s 3 與斷層帶正交。與 6 煤底板回風(fēng)巷相毗鄰的一系

11、列斷層，多為正斷層，且與巷道基本一致，即方位角 303，據(jù)此可以對(duì)6煤底板回風(fēng)巷所處位置的應(yīng)力場(chǎng)作出推斷：（1）自重應(yīng)力s z 為最大主應(yīng)力，估算s z = gH = 15 MPa；（2）最小主應(yīng)力s 3 與斷層構(gòu)造體系正交，因此與 6 煤底板正交，其方位角約為 213；回風(fēng)巷軸向（3）中間主應(yīng)力s 2 與斷層構(gòu)造體系303。根據(jù)最大水平應(yīng)力理論，從單一的巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)角度分析，巷道方位布置即巷道軸向一致，其方位角約為較為合理，有利于巷道的維護(hù)。1.3.2 巷道破壞特征前期課題組對(duì)6 煤底板回風(fēng)巷及其鄰近巷道6 煤底板回風(fēng)上山進(jìn)行了細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及觀測(cè)工作，掌握了巷道的破壞特征。- 4 -北一

12、（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)1）底板回風(fēng)巷維護(hù)情況調(diào)研巷道的范圍包括底板回風(fēng)巷下山方向 135m，上山方向 105m 左右，最早掘出的巷道距調(diào)研時(shí)兩左右，具體巷道破壞情況如下：（1）巷道整體變形明顯，掘進(jìn)初期標(biāo)示的整齊腰線，在掘進(jìn)一呈現(xiàn)左右擺動(dòng)和上下起伏狀；后基本（2）大部分支架頂梁尚未出現(xiàn)壓平及扭曲現(xiàn)象，但部分支架肩角開(kāi)始出現(xiàn)變形，一般靠近斷層群一側(cè)變形大于遠(yuǎn)離斷層群一側(cè)；（3）棚腿在頂梁下沉的作用下，發(fā)生內(nèi)擠，使得與回填矸石之間產(chǎn)生較大空隙，最大空隙可以達(dá)到 15cm 左右，使得原本背護(hù)不實(shí)的棚后出現(xiàn)洞，支架受力進(jìn)一步；空（4）在巷道掘出 1，棚間金屬笆片普遍

13、鼓出，頂板笆片鼓出尤為明顯；（5）下山方向由于巖性較差，與上山方向相比變形更為嚴(yán)重。2）底板回風(fēng)上山維護(hù)情況底板回風(fēng)上山 11 年 1 月開(kāi)始掘進(jìn)。整條巷道的維護(hù)情況呈現(xiàn)明顯的分區(qū)特性，自聯(lián)巷口開(kāi)始大致依次分為 3 個(gè)區(qū)域，以聯(lián)巷口 A 點(diǎn)為原點(diǎn)，各區(qū)域大致范圍如圖 1-3 所示。頂板破壞嚴(yán)重，呈“V”字300m底鼓明顯170m ACBDFE300m300m600m底鼓、棚腿內(nèi)擠區(qū)頂板劇烈變形區(qū)相對(duì)穩(wěn)定區(qū)圖 1-3底板回風(fēng)上山礦壓顯現(xiàn)分區(qū)示意圖各區(qū)域典型變形特征如下：（1）底鼓、棚腿內(nèi)擠區(qū)（AB）：該區(qū)域的大致范圍是前 300m，其顯著特征是底鼓明顯，棚腿普遍內(nèi)擠，且遠(yuǎn)離斷層群一幫內(nèi)擠超過(guò)靠近

14、斷層群一幫；前170m 范圍（AC）內(nèi)底鼓尤為明顯，軌道傾斜，巷道最小高度僅為 2900mm，相比設(shè)計(jì)高度 3830mm，減少了 930mm，占設(shè)計(jì)高度的 24%；（2） 相對(duì)穩(wěn)定區(qū)（BD）：該區(qū)域的大致范圍是 300-600m，與前一區(qū)域相比底鼓及棚腿內(nèi)擠程度明顯降低，巷道高度普遍在 3700mm 以上；（3） 頂板劇烈變形區(qū)（DE）：該區(qū)域的大致范圍是 600-1200m，這一區(qū)域- 5 -聯(lián)巷北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)巷道的顯著特征是頂板變形明顯，頂梁扭曲壓平；其中 900-1200m（FE）區(qū)域頂板破壞最為嚴(yán)重，雖然頂板及肩角施工了錨索或錨桿，但頂梁

15、仍然被擰為麻花狀，多個(gè)地點(diǎn)頂梁呈向下的“V”字形，甚至折斷；一處地點(diǎn)發(fā)生漏矸。6 煤底板回風(fēng)巷與 6 煤底板回風(fēng)上山層位、方位角、傾角、掘進(jìn)長(zhǎng)度、巷道跨度、支護(hù)形式大致相同，兩者具有很好的可比性。而 6 煤底板回風(fēng)巷更為靠近斷層群，服務(wù)年限更長(zhǎng)，因此與 6 煤底板回風(fēng)上山相比其難度更大。6 煤底板回風(fēng)上山應(yīng)用現(xiàn)有支護(hù)形式發(fā)生了較大程度的變形，因此將單一的架棚支護(hù)應(yīng)用于難度更大的 6 煤底板回風(fēng)巷，不能適應(yīng)圍巖變形的分區(qū)特性，礦壓顯現(xiàn)將更為劇烈。2 研究現(xiàn)狀2.1 軟道支護(hù)理論2.1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀（1）古典理論20世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的以、朗肯和金理論為代表的的各種古典是其上覆巖層的重量gH ，它

16、們的不同之處理論認(rèn)為，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的認(rèn)為是 1 ，朗肯根據(jù)松散體理論認(rèn)為是是對(duì)側(cè)壓系數(shù)的定義方式： tan 2 (45 -j / 2) ，金根據(jù)彈性理論認(rèn)為是m(1- m) 。其中，m 、j 、g 分別表示巖體的泊松比、內(nèi)摩擦重。由于當(dāng)時(shí)工程埋藏深度不大，因而度認(rèn)為這些理論是正確的。（2）散體理論隨著開(kāi)挖深度的增加，人們發(fā)現(xiàn)古典理論在許多方面都與實(shí)際不符，于是，出現(xiàn)了散體理論。該理論認(rèn)為：工程埋藏深度較大時(shí)，作用在支護(hù)上的，不是上覆巖體重量，而只是圍巖內(nèi)松動(dòng)巖體重量，的高度與工程跨度和圍巖性質(zhì)有關(guān)?？勺鳛榇淼挠衅帐侠碚摵吞郴奥涔袄碚?。普氏認(rèn)為在松散介質(zhì)中開(kāi)挖巷道后，其上方會(huì)形成一個(gè)拋

17、物線形自然平衡拱，該平衡拱曲線上方的地層處于自平衡狀態(tài)，其下方是潛在的破裂范圍。該理- 6 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)論將平衡拱內(nèi)的圍巖作為支護(hù)對(duì)象，支護(hù)荷載只是內(nèi)的巖石重量。太沙基松散介質(zhì)理論的立論基礎(chǔ)與普氏理論基本相同，只是認(rèn)為為矩形，也未考慮圍巖的變形因素。因此，松散介質(zhì)地壓理論只適用于變形小的淺部（能夠形成自然平衡拱的深度）松散地層。（3）新奧法（NATM）20 世紀(jì) 60 年代，奧地利工程師 L.V.Rabcewicz 在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 提出了一種新的隧道設(shè)計(jì)施工方法，稱為新奧地利隧道施工方法（New AustrianTunneling

18、Method），簡(jiǎn)稱“新奧法（NATM）”。新奧法目前已成為工程的主要設(shè)計(jì)施工方法之一。1978 年，L.Mller 教授比較全面地論述了新奧法的基本指導(dǎo)思理和主要原則，并將其概括為 22 條。1980 年，奧地利土木工程學(xué)會(huì)空間分會(huì)把“新奧法”定義為：“在巖體或土體中設(shè)置的以使空間的周圍巖體形成一個(gè)中空筒狀支承環(huán)結(jié)構(gòu)為目的的設(shè)計(jì)施工方法”?！靶聤W法”的是利用圍巖的自承作用來(lái)支撐隧道，促使圍巖本身變?yōu)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，使圍巖與構(gòu)筑的支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成堅(jiān)固的支承環(huán)。（4）能量支護(hù)理論20 世紀(jì) 70 年代，M.D.Salamon 等人提出了能量支護(hù)理論。該理論認(rèn)為，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用、共

19、同變形，在變形過(guò)程中，圍巖一部分能量，支護(hù)結(jié)構(gòu)吸收一部分能量，但總的能量沒(méi)變化。因而，主張利用支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使支架自動(dòng)調(diào)整圍巖的能量和支護(hù)體吸收的能量，支護(hù)結(jié)構(gòu)具有自動(dòng)多余能量的功能。（5）應(yīng)力應(yīng)用圍巖應(yīng)力理論理論是對(duì)巷道圍巖進(jìn)行的最有效的途徑。應(yīng)力理論也稱為圍巖弱化法、卸壓法等，于，其基本原理是通過(guò)一定的技術(shù)手段改變某些部分圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，通過(guò)局部弱化圍巖來(lái)調(diào)整圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，圍巖內(nèi)力及能量分布，人為降低支承區(qū)圍巖的承載能力，使支承向圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道始終處于良好的應(yīng)力環(huán)境，從而達(dá)到提高其穩(wěn)定性的目的。（6）應(yīng)變理論- 7 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)

20、初步設(shè)計(jì)圍巖支護(hù)的應(yīng)變理論由和櫻井春輔提出。該理論認(rèn)為，隧道圍巖的應(yīng)變隨支護(hù)強(qiáng)度的增加而減小，而容許應(yīng)變則隨支護(hù)強(qiáng)度的增加而增大。因此，通過(guò)增加支護(hù)強(qiáng)度，能較容易地將圍巖應(yīng)變?cè)谌菰S應(yīng)變范圍之內(nèi)。（7）20 世紀(jì) 90 年代，澳大利亞等人又提出了最大水平主應(yīng)力理論。該理論認(rèn)為：全球范圍內(nèi)原巖應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，最大主應(yīng)力常為水平方向。當(dāng)巷道的軸線方向與最大主應(yīng)力方向一致時(shí)，巷道穩(wěn)定性好；兩者相垂直時(shí)，巷道穩(wěn)定性差。采礦工程巷道因受礦置的制約，不便于選擇巷道的軸向，當(dāng)條件時(shí)，應(yīng)盡量按最大水平主應(yīng)力方向予以調(diào)整。（8）數(shù)值計(jì)算方法目前，數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展日趨成熟，限單元法、邊界元法、離散元法等，以此

21、為理論基礎(chǔ)的計(jì)算軟件大量涌現(xiàn)，如 ADINA、NOLM、UDEC、SAP、FLAC 等程序都為廣大用戶所熟知，這些軟件與一些支護(hù)理論相結(jié)合，在程支護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。工2.1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)軟道支護(hù)系統(tǒng)研究工作始于 1958 年，當(dāng)時(shí)遼寧的沈北礦區(qū)開(kāi)發(fā)，在前屯礦建設(shè)中出現(xiàn)井口報(bào)廢事故，導(dǎo)致停工數(shù)年。此后，蒲河礦、大橋礦、京西木城澗礦也出現(xiàn)技術(shù)事故。為此，原煤炭工業(yè)部集中了一些科研院所、高校和設(shè)計(jì)院的技術(shù)，在前屯礦二、三井進(jìn)行了多種巷道支護(hù)形式的試驗(yàn)和測(cè)試工作，在巷道斷面、支護(hù)形式及施工工藝等方面都取得了初步經(jīng)驗(yàn)。20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，與軟巖工程相關(guān)的軟巖工程問(wèn)題的理論研究進(jìn)入了個(gè)

22、新的階段。性會(huì)議召開(kāi) 20，使（1）等提出“軸變論”理論，認(rèn)為巷道塌落可以自行穩(wěn)定，可以用彈性理論進(jìn)行分析。圍巖破壞是由于應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度極限引起的，坍落改變巷道軸比，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，應(yīng)力重分布的特點(diǎn)是高應(yīng)力下降，低應(yīng)力上升，并向無(wú)拉力和均勻分布發(fā)展，直到穩(wěn)定而停止。應(yīng)力均勻分布的軸比是巷道最穩(wěn)定的軸比，其形狀為橢圓形。近年來(lái)，教授等人運(yùn)用系統(tǒng)論、熱力學(xué)等理論提出開(kāi)挖系統(tǒng)理論。該理論認(rèn)為，開(kāi)挖擾動(dòng)破壞了巖體的平衡，這個(gè)不平衡系統(tǒng)具有自組織功能。（2）松動(dòng)圈理論是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等提出的，其主要內(nèi)容是：凡是- 8 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)堅(jiān)硬圍巖的巷道，其圍

23、巖松動(dòng)圈都接近于零，此時(shí)巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在，但并不需要支護(hù)。松動(dòng)圈越大，收斂變形越大，支護(hù)難度就越大。因此，支護(hù)的目的在于防止圍巖松動(dòng)圈發(fā)展過(guò)程中的有害變形。（3）主次承載區(qū)支護(hù)理論是由提出的，他認(rèn)為巷道開(kāi)挖后，在圍巖中形成拉壓域。壓縮域在圍巖深部，體現(xiàn)了圍巖的自承能力，是維護(hù)巷道穩(wěn)定的主承載區(qū)；形成于巷道周圍，通過(guò)支護(hù)加固，也形成一定的承載力，但其與主承載區(qū)相比，只起輔助的作用，故稱為次承載區(qū)。主、次承載區(qū)的協(xié)調(diào)作用決定巷道的最終穩(wěn)定。支護(hù)對(duì)象為，支護(hù)結(jié)構(gòu)與支護(hù)參數(shù)要根據(jù)主、次承載區(qū)相互作用過(guò)程中呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)特征來(lái)確定。支護(hù)強(qiáng)度原則上要求一次到位。（4）軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論該理論是由

24、何滿潮運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)和現(xiàn)代力學(xué)相結(jié)合的方法，通過(guò)分析軟巖變形力學(xué)機(jī)制，提出的一種新的軟道支護(hù)理論。該理論將軟巖變形力學(xué)機(jī)制分為物化膨脹類、應(yīng)力擴(kuò)容類和結(jié)構(gòu)變形類三大類。在每一類中又依據(jù)引起變形的嚴(yán)重程度分為 A、B、C、D 四個(gè)等級(jí)。其理論要點(diǎn)是：軟道的變形力學(xué)機(jī)制通常是三種以上的變形力學(xué)機(jī)制的復(fù)合類型，支護(hù)時(shí)要“對(duì)癥下藥”，合理有效地將復(fù)合型轉(zhuǎn)化為單一型，并強(qiáng)調(diào)軟巖支護(hù)是一個(gè)力學(xué)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都必須適應(yīng)其復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的特點(diǎn)。（5）二次支護(hù)原理軟巖的二次支護(hù)理論是在實(shí)踐中形成的，它是實(shí)現(xiàn)軟巖加固承載圈的施工方法。它根據(jù)圍巖變形量測(cè)結(jié)果，確定二次支護(hù)時(shí)間、方法和支護(hù)剛度，以達(dá)到

25、最佳支護(hù)效果。軟道和硬道圍巖變形的主要差別在于軟巖變形有著明顯的時(shí)間特性，其塑性能的和圍巖的變形不可能在短時(shí)間內(nèi)完成，而一般要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間，因此，在初次支護(hù)的基礎(chǔ)上，需要采用二次支護(hù)措施來(lái)適應(yīng)軟巖的這個(gè)力學(xué)變形特點(diǎn)。二次支護(hù)的關(guān)鍵是二次最佳支護(hù)時(shí)間和最佳支護(hù)時(shí)段的確定。2.2 軟道支護(hù)技術(shù)隨著軟道理論的研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)積累，已經(jīng)形成了比較完善的支護(hù)技術(shù)方法和支護(hù)，國(guó)外采用的主要是金屬可縮性支架。我國(guó)在錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用中取到了長(zhǎng)足的進(jìn)展。目前，形成的成套支護(hù)技術(shù)有錨網(wǎng)索噴- 9 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)支護(hù)技術(shù)、錨網(wǎng)索噴注漿加固技術(shù)、U可縮性金

26、屬支架、U支架+噴注、混凝土注漿加固、壁后充填全斷面封閉式 U可縮支架、壁后充填大弧板支護(hù)、網(wǎng)殼支架，以及上述部分支護(hù)形式和錨網(wǎng)噴、卸壓等支護(hù)技術(shù)。（1）支護(hù)、陸家梁、鄭雨天、等提出的支護(hù)是在“新奧法”的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其觀點(diǎn)可以概括為：對(duì)于巷道支護(hù)，一味強(qiáng)調(diào)支護(hù)剛度是不行的，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)。支護(hù)系指采用多種不同性能的單一支護(hù)的組合結(jié)構(gòu)，即在支護(hù)中各自充分發(fā)揮其所固有的性能，揚(yáng)長(zhǎng)避短，共同作用，以適應(yīng)圍巖變形的要求，最終達(dá)到圍巖和巷道穩(wěn)定的目的。（2）錨噴-弧板支護(hù)孫鈞、鄭雨天和等提出的錨噴-弧板支護(hù)是對(duì)支護(hù)的發(fā)展。該技術(shù)的要點(diǎn)是：對(duì)軟巖總是強(qiáng)調(diào)放壓是不行的，放壓到

27、一定程度，要堅(jiān)決頂住，即采用高標(biāo)號(hào)、高強(qiáng)度鋼筋混凝土弧板作為支護(hù)理論先柔后剛的剛性支護(hù)形式，堅(jiān)決限制和頂住圍巖向中空位移。（3）基于應(yīng)力理論的躲壓、卸壓系列技術(shù)以應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，逐漸發(fā)展起來(lái)的系列技術(shù)包括：躲壓、鉆孔卸壓、鉆孔松動(dòng)卸壓、加固法、開(kāi)槽（縫）卸壓。躲壓主要表現(xiàn)為巷道位置的選擇，即通過(guò)對(duì)巷道位置的優(yōu)化合理布置，使巷道“躲開(kāi)”支承應(yīng)力疊加區(qū)等高應(yīng)力區(qū)域，巷道所處應(yīng)力環(huán)境，從而降低支護(hù)難度的方法。由于煤層的天然賦存狀態(tài)以及井下巷道的錯(cuò)綜復(fù)雜，這種方法只能適應(yīng)于部分巷道，具有一定的局限性。鉆孔卸壓技術(shù)通過(guò)在被保護(hù)的巷道圍巖內(nèi)鉆孔，使掘進(jìn)引起的支承峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)

28、。同時(shí)，鉆孔還為巷道圍巖變形提供了一定補(bǔ)償空間，吸收一部分變形，從而減小巷道變形量。鉆孔松動(dòng)卸壓是在巷道底板或兩幫鉆深度較小的孔，在進(jìn)行限制性，在）體中形成續(xù)的松散、破碎帶。將產(chǎn)生的支承峰值轉(zhuǎn)移到巷道圍巖深部，從而達(dá)到卸壓的目的。（4）剛?cè)釋樱≧FL）和剛隙柔層（RGFL）支護(hù)技術(shù)等基于軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論提出了剛?cè)釋樱≧FL）何滿潮、- 10 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)和剛隙柔層（RGFL）支護(hù)技術(shù)。預(yù)留剛?cè)釋又ёo(hù)技術(shù)的工作原理是：開(kāi)挖巷道時(shí)，首先在巷道的周邊預(yù)留一定范圍的變形層，并在一定剛度的主護(hù)作用下形成剛?cè)釋?，然后量測(cè)剛?cè)釋油鈧?cè)（巷道設(shè)計(jì)輪廓）的變

29、形，待到變形穩(wěn)定時(shí)，去掉剛?cè)釋硬⑼瓿芍ёo(hù)。預(yù)留剛隙柔層支護(hù)技術(shù)的工作原理是在柔性噴層和剛架之間預(yù)留一定量的空隙，圍巖變形能量，待柔性噴層與鋼架接觸時(shí)，再噴混凝土支護(hù)，故其毛斷面要大于設(shè)計(jì)斷面。（5）滯后注漿對(duì)軟道滯后注漿技術(shù)開(kāi)展了深入的理論實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐研究。通過(guò)對(duì)破裂巖體注漿固結(jié)規(guī)律的試驗(yàn)研究，總結(jié)了巷道圍巖特定賦存狀態(tài)下的注漿固結(jié)規(guī)律，提出破裂巖石注漿固結(jié)體的破壞形式、變形及強(qiáng)度特征，固結(jié)性能的主要影響因素，分析了注漿固結(jié)前后巖體力學(xué)性能的主要變化。通過(guò)對(duì)破裂體注漿骨節(jié)規(guī)律、裂隙巖體注漿滲流規(guī)律、滯后注漿圍巖穩(wěn)定性分析等問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了適合軟道加固的滯后注漿技術(shù)和軟道錨注分階段加固技術(shù)

30、。通過(guò)大量的工程實(shí)踐，研究了圍巖動(dòng)態(tài)變形過(guò)程中，注漿時(shí)機(jī)、注漿方式、注漿施工等相關(guān)問(wèn)題。（6）錨索與錨注支護(hù)與錨桿支護(hù)相比，錨索支護(hù)具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大的預(yù)緊力等諸多優(yōu)點(diǎn)，是大松動(dòng)圈巷道支護(hù)加固不可缺少的重要。其加固范圍、支護(hù)強(qiáng)度、可靠性是普通錨桿支護(hù)所無(wú)法比擬的。錨索主要起懸吊作用，它把下部松動(dòng)圈及可能不穩(wěn)定的巖層吊在上部穩(wěn)定的巖層，或者大松動(dòng)圈之外。作為軟道礦壓顯現(xiàn)與巷道維護(hù)的有效之一，近年來(lái)錨注加固技術(shù)特別是全斷面錨注加固技術(shù)受到了人們?cè)絹?lái)越多的重視。巖體錨注加固技術(shù)是利用特種中空錨桿（索）兼作注漿管，融錨固、注漿工藝為一體，對(duì)巖體實(shí)施外錨內(nèi)注加固處理的一種加固方式。它是

31、巖體注漿加固技術(shù)同巖體錨桿（索）加固技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，充分利用注漿加固與錨桿（索）加固的各自優(yōu)點(diǎn)，全力調(diào)動(dòng)整個(gè)巷道圍巖自身的承載能力。（7）井下移動(dòng)式凍結(jié)裝置凍結(jié)圍巖法莫斯科近郊煤炭科學(xué)，對(duì)在流沙型巖層中掘進(jìn)水平巷道的方法和設(shè)備- 11 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)做了研究與改進(jìn)工作，最終，研制運(yùn)用了自動(dòng)化的井下移動(dòng)式凍結(jié)裝置，確定出主要參數(shù)并制定了井下凍結(jié)巖體的工藝。的莫斯科近郊和頓涅茨煤田的各礦井以及捷克斯洛伐克的一些礦井，復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下掘進(jìn)井下巷道時(shí)，運(yùn)用了所開(kāi)發(fā)的巖體凍結(jié)工藝和設(shè)備。3 軟道支護(hù)理論及技術(shù)新發(fā)展3.1 巷道斷面形狀優(yōu)化數(shù)值計(jì)算分析

32、在煤礦巷道支護(hù)工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，支護(hù)方式的選擇及支護(hù)參數(shù)的確定往往是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，而對(duì)巷道斷面形狀常常考慮不足，事實(shí)上，巷道斷面形狀以及圍巖對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性有著比較大的影響。為此，利用 FLAC 數(shù)值模擬軟件研究了不同斷面形狀對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。3.1.1 數(shù)值計(jì)算模型及有關(guān)參數(shù)數(shù)值計(jì)算采用 FLAC5.0 模型。模型外形為長(zhǎng)寬=50m50m ，共劃分200200=40000 個(gè)單元。該模型左右兩側(cè)限制水平位移，底部限制垂直移動(dòng)，模型上面取應(yīng)力邊界，施加均布載荷，為 18.75MPa，見(jiàn)圖 3-1。采用 Mohr-Coulomb模型。模型采用均質(zhì)材料，材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 3-1。-

33、 12 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)P圖 3-1 數(shù)值模擬模型圖表 3-1 巖體的物理力學(xué)參數(shù)密度/kgm 3體積模量/MPa剪切模量/MPa內(nèi)摩擦角/()抗拉強(qiáng)度/MPa粘聚力/MPa250025001600260.60.6巷道圍巖的穩(wěn)定性決定于多種因素，其中斷面形狀對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有重要影響。巷道圍巖失穩(wěn)的形式很多，比較有代表性的如圖 3-2 所示。a-頂板；b-巷幫破壞；c-斷面嚴(yán)重收縮圖 3-2 巷道圍巖失穩(wěn)的三種形式我國(guó)礦井使用巷道斷面形狀主要有折線形和曲線形兩大類，綜合這兩大類型的巷道，結(jié)合淮南礦業(yè)實(shí)際使用巷道斷面情況，性選取了幾種典型巷道- 13

34、 -巖體巷道50m50m北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)斷面形狀，如圖 3-3 所示，分別為矩形、直墻半圓拱形、馬蹄形和三心拱形、圓形以及橢圓形，各斷面均外接于半徑為 2.5m 圓，從巷道塑性區(qū)分布、應(yīng)力場(chǎng)分布以及圍巖變形特征等幾個(gè)方面，研究靜水條件下（即水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等）斷面形狀對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。(a) 矩形(b)(c) 三心拱直墻半圓拱(d) 馬蹄形(e) 橢圓(f) 圓形圖 3-3 巷道斷面形狀3.1.2 圍巖塑性區(qū)分布圖 3-4 為不同斷面形狀的巷道圍巖的塑性區(qū)分布。從圖中可以看出，巷道開(kāi)挖后，頂板的基礎(chǔ)位于兩幫，在垂直應(yīng)力作用下，應(yīng)力不斷向圍

35、巖深部轉(zhuǎn)移，在兩幫形成較高的應(yīng)力集中，因此巷道兩幫塑性區(qū)影響范圍（至巷幫約為 9m）普遍略大于頂?shù)装宓挠绊懛秶? 14 -北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)(a) 矩形(b)直墻半圓拱(c) 三心拱(d) 馬蹄形(e) 橢圓(f) 圓形圖 3-4不同斷面形狀的巷道圍巖塑性區(qū)分布由于模型及巷道關(guān)于 Y 軸對(duì)稱，因此對(duì)不同斷面的巷道圍巖塑性區(qū)也呈現(xiàn)對(duì)稱分布的現(xiàn)象；巷道圍巖塑性區(qū)在垂直方向上的受圍巖自重應(yīng)力的影響相對(duì)較小，若巷道斷面對(duì)稱于 X 軸，塑性區(qū)的影響范圍也幾乎關(guān)于 X 軸對(duì)稱（見(jiàn)圖 3-4中 a、d、e 和 f），隨著巷道斷面關(guān)于 X 軸對(duì)稱的程度升高，其塑性

36、區(qū)的對(duì)稱程度也隨之升高。矩形巷道為折線形巷道，巷道四周產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，超過(guò)了圍巖的抗拉強(qiáng)- 15 -JOB TITLE : yuanxing(* 0 )0000 5000 0000 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND27-Oct-09 1 :58step 9186-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01Plastic ty Indicator* at y eld in shear or vol. X elastic, at yield in past sta eContour interval= 2.50E-01

37、 Minimum: 0.00E 00um: 2.00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : tuoyuan(* 0 )0000 5000 000-0 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND6-Nov-09 20:17step 11388-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01Plasticity Ind cator* at yie d in shear or vol. X e ast c, at y eld in past s ateContour interval=

38、 2.50E-01 Minimum: 0.00E 00um: 2 00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : yuanxing(* 0 )0000 5000 000-0 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND27-Oct-09 20:07step 8 91-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01Plasticity Ind cator* at yie d in shear or vol. X e as ic, at y eld in past s ateContour

39、 in erval= 2.50E-01 Minimum: 0.00E 00um: 2.00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : sanxingong(* 0 )0000 5000 0000 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND27-Oct-09 21:15step 929-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01Plasticity Indica or* at yie d in shear or vol. X e as ic, at y eld in past o

40、at y eld in tens ons ateContour in erval= 5.00E-01 Minimum: 0.00E 00um: 3.00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : banyuangong(* 0 )0000 5000 0000 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND27-Oct-09 13:18step 12618-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01P ast c ty Ind cator* at y eld in shear or v

41、ol. X elastic, at y eld in past o at yie d in tension stateContour interval= 5 00E-01 Minimum: 0.00E 00um: 3 00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : juxing(* 0 )0000 5000 000-0 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND5-Nov-09 21:02step 1330-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01P ast city Indi

42、cator* at y eld in shear or vol. X elastic, at yie d in past o at yie d in ens on stateContour interval= 5 00E-01 Minimum: 0.00E 00um: 3.00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )北一（6-2）上山采區(qū) 6 煤底板回風(fēng)巷支護(hù)方案及參數(shù)初步設(shè)計(jì)度，其圍巖除發(fā)生剪切破壞外，同時(shí)在巷道兩幫及頂?shù)装暹€產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞，出現(xiàn)拉破壞區(qū)（見(jiàn)圖 3-4 中 a）；直墻半圓拱巷道和三心拱巷道由折線和曲線組成，由于局部采用曲線，降低巷道頂幫周邊拉應(yīng)力，

43、低于圍巖的抗拉強(qiáng)度，巷道斷面為曲線的部分沒(méi)有發(fā)生拉應(yīng)力破壞，僅在巷道底板出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞（見(jiàn)圖 3-4 中的 b 和 c）；馬蹄形巷道、橢圓形巷道及圓形巷道斷面全部為曲線形，巷道周邊的拉應(yīng)力均較小，因此，巷道圍巖只發(fā)生剪切破壞，未產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞（見(jiàn)圖3-4 中的 d、e 和 f）。說(shuō)明曲線形巷道周邊的拉應(yīng)力較折線斷面巷道的拉應(yīng)力小，可以有效抑制巷道周邊發(fā)生拉應(yīng)力破壞。yyy圍巖圍巖圍巖承載環(huán)直墻半圓拱開(kāi)挖斷面直墻半圓拱開(kāi)挖斷面直墻半圓拱開(kāi)挖斷面xxxx等效開(kāi)挖區(qū)等效開(kāi)挖區(qū)yyy = x(b) 等效開(kāi)挖同徑巷道斷面y(a) 實(shí)際開(kāi)挖巷道斷面(c) 產(chǎn)生開(kāi)挖無(wú)效加固區(qū)圖 3-5 巷道等效開(kāi)挖過(guò)程示意圖從圍巖塑