巷道支护技术.docx

2.1 巷道围岩控制理论1907年俄国学者普罗托吉雅可诺夫提出普氏冒落拱理论[1-2]，该理论认为：巷道开掘后，已采空间上部岩层将逐步垮落，其上方会形成一个抛物线形的自然平衡拱，下方冒落拱的高度与岩层强度和巷道宽度有关。该理论适用于确定巷道围岩强度不高、开采深度不是很大的巷道支护反力。20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学解决巷道支护问题，其中最著名的是Fenner[3]公式和Kastner公式[4]。Fenner公式为： （1）式中，—支护反力；—围岩内聚力；—内摩擦角；—原岩应力；—巷道半径；—塑性圈半径；—塑性系数，。Kastner公式为： （2）式中，—支护反力；—围岩内聚力；—内摩擦角；—初始应力；—巷道半径；—塑性圈半径。国内外巷道顶板控制理论发展很快[3-4]，我国在1956年开始使用锚杆支护，迄今为止，已有50多年的历史。锚杆支护机理研究随着锚杆支护实践的不断发展，国内外已经取得大量研究成果[5-10]。（1）悬吊理论1952年路易斯阿帕内科L(ouis.Apnake)等提出了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上，在预加张紧力的作用下，每根锚杆承担其周围一定范围内岩体的重量，锚杆的锚固力应大于其所悬吊的岩体的重力。（2）组合梁理论组合梁理论认为，端部锚固锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。（3）减跨理论在悬吊作用理论及组合梁作用理论的基础上，提出了减跨理论，该理论认为:锚杆末端固定在稳定岩层内，穿过薄层状顶板，每根锚杆相当于一个铰支点，将巷道顶板划分成小跨，从而使顶板挠度降低。（4）组合拱理论组合拱理论认为：在沿拱形巷道周边布置锚杆后，在预紧锚固力的作用下，每根锚杆都有一定的应力作用范围，只要取合理的锚杆间距，其应力作用范围会相互重迭，从而形成一连续的挤压加固带—即厚度较大的组合拱，该加固带的厚度是普通砌暄支护厚度的数倍。故能更为有效地抵抗围岩应力，减少围岩变形。20世纪60年代，奥地利工程师缪勒等在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥法(NATM)[11]。它的核心思想是调动围岩的承载能力，促使围岩本身成为支护结构的重要组成部分，摒弃了过去将岩体作为对支护结构作用的荷载和采用后衬砌的传统做法。20世纪70年代，M.D.Salamon等人提出了能量支护理论[12-13]。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，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。该理论主要是把岩体视为均质线弹性体进行分析，具有一定的局限性。孙均院士、朱效嘉教授、郑雨天教授等提出的锚喷-大弧板支护理论[14]，通过壁后软性固化充填及接头处可压缩垫板而使支架具有一定的可缩让压特性，让压到一定程度，要坚决顶住，以满足软岩支护“边支边让，先柔后刚，柔让适度，刚强足够”的特点。董方庭教授提出的围岩松动圈支护理论[15]，认为巷道在开挖前后，岩体由三向应力状态转变为二向应力状态，岩体强度急剧下降，由于应力的转移，巷道周边出现应力集中，使周边岩体受力增加，如应力超过岩体强度，岩体发生破坏，使其承载能力变低，应力向深部转移，直到应力低于岩体的塑性屈服应力为止。在巷道周边依次形成破裂区、塑性区和弹性区。通过现场实测围岩松动圈的大小来选择合理的支护参数。方祖烈教授提出了主次承载区支护理论[16-17]，该理论认为：巷道开挖后，在围岩中形成拉压域，压缩域在围岩深部，处于三向应力状态，围岩强度高，是维护巷道稳定的主承载区。张拉域在巷道周围，围岩强度相对较低，通过支护加固，也有一定的承载力，称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。侯朝炯等通过深入研究得到了煤巷锚杆支护的关键理论和技术，特别是提出了围岩强度强化理论[18-27]，主要内容：① 锚杆支护实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固体，形成统一的承载结构；② 锚杆支护可提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前与破坏后的力学参数，改善被锚岩体力学性能；③ 巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均能得到强化；④ 锚杆支护可改变围岩的应力状态，增加围压，提高围岩的承载能力，改善巷道支护状况；⑤ 围岩锚固体强度提高后，可减小巷道周围的破碎区、塑性区范围和巷道表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于巷道围岩的稳定。最大水平应力理论认为，当垂直应力增大后，岩层由于泊松效应产生侧向变形，造成岩层之间沿摩擦力很低层面出现相对滑动形成附加水平应力作用于