1、設計巷道：北一（6-2）上山采區6煤底板回風巷：中國礦業大學礦業設計寧廣設 計 人：審 核 人：審核意見：1)結合初始階段的同步礦壓觀測和施工信息反饋進行方案優化；落實本設計的施工階段，安排專人配合礦方開展現場試驗工作，規范現場施工操作技術和過程管理； 進一步開展同步的方案優化及支護補強措施。2)3)目錄1概述. - 1 -1.11.21.3說明. - 1 -工程地質條件 . - 1 -工程地質特征分析 . - 4 -1.3.1 圍巖應力場分析. - 4 -1.3.2 巷道破壞特征. - 4 -2研究現狀. - 6 -2.1軟道支護理論. - 6 -國外研究現狀. - 6 -國內研究現狀. -

2、 8 -道支護技術 . - 9 -2.1.12.1.2軟2.2軟3道支護理論及技術新發展. - 12 -巷道斷面形狀優化數值計算分析 . - 12 -3.13.1.13.1.23.1.33.1.4數值計算模型及有關參數. - 12 -圍巖塑性區分布. - 14 -斷面形狀選擇. - 16 -最小加固長度的確定. - 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. - 22 -錨. - 22 -中空注漿錨索. - 23 -4巷道支護設計. - 23 -4.1 支護方案選擇 . - 23 -4.2 錨網索支護 . - 25 -

3、4.2.14.2.24.2.3支護形式及參數. - 25 -噴漿. - 27 -支護強度比較. - 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質量注意事項. - 39 -錨索安裝注意事項. -

4、 39 -注漿注意事項. - 40 -6 設計說明及其它要求. - 40 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計1 概述1.1 說明1）本支護方案及參數設計北一（6-2）上山采區6煤底板回風巷，設計依據為礦方已掌握的巷道圍巖賦存及相關地質資料。2) 從現場調研及相關礦壓顯現情況看，北一（6-2）上山采區6煤底板回風巷自撥門開始至結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，近距斷層群將會對巷道掘進及維護產生較大影響；預計巷道掘進過程中將先后穿過7條斷層；礦壓顯現通常具有典型軟道的流變特性；加之巷道服務年限在10年以上，其圍巖長時穩定性極為

5、。3）本設計依據理論分析結合工程實踐經驗開展，鑒于巷道圍巖變形的分區域特性，性采用錨網索、“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，并通過實時礦壓觀測結果對支護效果進行評價，同時確定后續支護方案的調整。1.2 工程地質條件北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷掘進區段位于 6-2 煤及 4 煤層之間，自北一（6-2）采區回風石門撥門，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 煤膠帶機上山、6 煤底板回風上山、6 煤底板軌道上山三條巷道，平距分別為 30m、40m、60m；6 煤膠帶機上山在6-2 煤層

6、中掘進，其余兩條巷道與 6 煤底板平剖面圖如圖 1-1 所示?；仫L巷層位基本相同。巷道布置6 煤底板回風巷掘進層位主要位于泥巖和砂泥巖互層中，頂板巖性主要為細砂巖、煤線、泥巖，底板主要為砂泥巖互層、粉細砂道巖性綜合柱狀圖如圖 1-2 所示。- 1 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計圖 1-1 巷道布置平剖面圖- 2 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計圖 1-2 6 煤底板回風巷巖性綜合柱狀圖6 煤底板回風巷自撥門開始至結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 6 煤底板回風上山掘進斷層情況，預計 6 煤底板D6-D12 七條斷層。對巷道回風巷掘進過程中將先后掘進影響較大的斷層及其參數見表 1-1。- 3 -柱 狀層厚巖石名稱巖性描述10.40.960.262.50中細砂巖泥巖煤線泥巖淺灰色,中細砂質結構，水平層理清晰，巖性堅硬，性脆?；疑?塊狀,性脆易碎,斷口平坦,細小裂隙發育,局部含砂質泥巖。黑色,粉末狀為主，發育不穩定，灰分含量較高。灰色,塊狀,性脆易碎,斷口平坦,細小裂隙發育,局部含粉砂質。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,細小裂隙發育,局部含砂質泥巖。0.287.9014.20煤線細砂巖砂質泥巖黑色,粉末狀為主，發育不穩定，灰分含量較高。淺灰色,細砂質結構，含較多暗色礦物,局部夾泥質條帶，巖性堅硬，性脆， 局部含有少量粉砂巖及微量中砂巖?；疑?含砂不均,往下增多,上部含菱鐵鮞子,含痕木化石,局部相變為泥巖.6.503.300.74砂泥巖互層粉細砂巖4-2煤粉細砂巖與砂質泥巖互層，灰色到灰白色，致密,塊狀,以粉細砂巖為主， 局部可見炭屑，水平層理清晰。淺灰色,細砂質結構，含較多暗色礦物,局部夾泥質條帶，巖性堅硬， 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,細小裂隙發育,局部含粉砂質。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，屬不穩定局部可采煤層。7.10泥巖灰色,塊狀,性脆易碎,斷口平坦,細小裂隙發育,局部含砂質泥巖及鮞狀鋁質泥巖。北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計表 1-1 預計對 6 煤底板回風巷掘進影響較大的斷層及其參數斷層名稱傾向傾角性質落差程度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 工程地質特征分析1.3.1 圍巖應力場分析巖體的構造應力尚無法用數學、力學的方法進行計算分析，構造應力的大小只能采用現場應測的方法測定。但是，構造應力的方向可以根據地質力學的方法加以。依據地質構造和巖石強度理論，一般認為自重應力是主應力之一，另一主應力與斷裂構造體系正交。對于正斷層，自重應力s z 是最大主應力，即s1 = gH ，最小主應力s 3 與斷層帶正交。與 6 煤底板回風巷相毗鄰的一系

11、列斷層，多為正斷層，且與巷道基本一致，即方位角 303，據此可以對6煤底板回風巷所處位置的應力場作出推斷：（1）自重應力s z 為最大主應力，估算s z = gH = 15 MPa；（2）最小主應力s 3 與斷層構造體系正交，因此與 6 煤底板正交，其方位角約為 213；回風巷軸向（3）中間主應力s 2 與斷層構造體系303。根據最大水平應力理論，從單一的巷道圍巖應力場角度分析，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。1.3.2 巷道破壞特征前期課題組對6 煤底板回風巷及其鄰近巷道6 煤底板回風上山進行了細致的現場調研及觀測工作，掌握了巷道的破壞特征。- 4 -北一

12、（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計1）底板回風巷維護情況調研巷道的范圍包括底板回風巷下山方向 135m，上山方向 105m 左右，最早掘出的巷道距調研時兩左右，具體巷道破壞情況如下：（1）巷道整體變形明顯，掘進初期標示的整齊腰線，在掘進一呈現左右擺動和上下起伏狀；后基本（2）大部分支架頂梁尚未出現壓平及扭曲現象，但部分支架肩角開始出現變形，一般靠近斷層群一側變形大于遠離斷層群一側；（3）棚腿在頂梁下沉的作用下，發生內擠，使得與回填矸石之間產生較大空隙，最大空隙可以達到 15cm 左右，使得原本背護不實的棚后出現洞，支架受力進一步；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重。2）底板回風上山維護情況底板回風上山 11 年 1 月開始掘進。整條巷道的維護情況呈現明顯的分區特性，自聯巷口開始大致依次分為 3 個區域，以聯巷口 A 點為原點，各區域大致范圍如圖 1-3 所示。頂板破壞嚴重，呈“V”字300m底鼓明顯170m ACBDFE300m300m600m底鼓、棚腿內擠區頂板劇烈變形區相對穩定區圖 1-3底板回風上山礦壓顯現分區示意圖各區域典型變形特征如下：（1）底鼓、棚腿內擠區（AB）：該區域的大致范圍是前 300m，其顯著特征是底鼓明顯，棚腿普遍內擠，且遠離斷層群一幫內擠超過靠近

14、斷層群一幫；前170m 范圍（AC）內底鼓尤為明顯，軌道傾斜，巷道最小高度僅為 2900mm，相比設計高度 3830mm，減少了 930mm，占設計高度的 24%；（2） 相對穩定區（BD）：該區域的大致范圍是 300-600m，與前一區域相比底鼓及棚腿內擠程度明顯降低，巷道高度普遍在 3700mm 以上；（3） 頂板劇烈變形區（DE）：該區域的大致范圍是 600-1200m，這一區域- 5 -聯巷北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計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）區域頂板破壞最為嚴重，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，多個地點頂梁呈向下的“V”字形，甚至折斷；一處地點發生漏矸。6 煤底板回風巷與 6 煤底板回風上山層位、方位角、傾角、掘進長度、巷道跨度、支護形式大致相同，兩者具有很好的可比性。而 6 煤底板回風巷更為靠近斷層群，服務年限更長，因此與 6 煤底板回風上山相比其難度更大。6 煤底板回風上山應用現有支護形式發生了較大程度的變形，因此將單一的架棚支護應用于難度更大的 6 煤底板回風巷，不能適應圍巖變形的分區特性，礦壓顯現將更為劇烈。2 研究現狀2.1 軟道支護理論2.1.1 國外研究現狀（1）古典理論20世紀初發展起來的以、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為，作用在支護結構上的認為是 1 ，朗肯根據松散體理論認為是是對側壓系數的定義方式： tan 2 (45 -j / 2) ，金根據彈性理論認為是m(1- m) 。其中，m 、j 、g 分別表示巖體的泊松比、內摩擦重。由于當時工程埋藏深度不大，因而度認為這些理論是正確的。（2）散體理論隨著開挖深度的增加，人們發現古典理論在許多方面都與實際不符，于是，出現了散體理論。該理論認為：工程埋藏深度較大時，作用在支護上的，不是上覆巖體重量，而只是圍巖內松動巖體重量，的高度與工程跨度和圍巖性質有關。可作為代表的有普氏理論和太沙基冒落拱理論。普氏認為在松散介質中開挖巷道后，其上方會形成一個拋

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，其下方是潛在的破裂范圍。該理- 6 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計論將平衡拱內的圍巖作為支護對象，支護荷載只是內的巖石重量。太沙基松散介質理論的立論基礎與普氏理論基本相同，只是認為為矩形，也未考慮圍巖的變形因素。因此，松散介質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 60 年代，奧地利工程師 L.V.Rabcewicz 在總結前人經驗的基礎上， 提出了一種新的隧道設計施工方法，稱為新奧地利隧道施工方法（New AustrianTunneling

18、Method），簡稱“新奧法（NATM）”。新奧法目前已成為工程的主要設計施工方法之一。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，奧地利土木工程學會空間分會把“新奧法”定義為：“在巖體或土體中設置的以使空間的周圍巖體形成一個中空筒狀支承環結構為目的的設計施工方法”。“新奧法”的是利用圍巖的自承作用來支撐隧道，促使圍巖本身變為支護結構的重要組成部分，使圍巖與構筑的支護結構共同形成堅固的支承環。（4）能量支護理論20 世紀 70 年代，M.D.Salamon 等人提出了能量支護理論。該理論認為，支護結構與圍巖相互作用、共

19、同變形，在變形過程中，圍巖一部分能量，支護結構吸收一部分能量，但總的能量沒變化。因而，主張利用支護結構的特點，使支架自動調整圍巖的能量和支護體吸收的能量，支護結構具有自動多余能量的功能。（5）應力應用圍巖應力理論理論是對巷道圍巖進行的最有效的途徑。應力理論也稱為圍巖弱化法、卸壓法等，于，其基本原理是通過一定的技術手段改變某些部分圍巖的物理力學性質，通過局部弱化圍巖來調整圍巖的應力分布狀態，圍巖內力及能量分布，人為降低支承區圍巖的承載能力，使支承向圍巖深部轉移，使巷道始終處于良好的應力環境，從而達到提高其穩定性的目的。（6）應變理論- 7 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數

20、初步設計圍巖支護的應變理論由和櫻井春輔提出。該理論認為，隧道圍巖的應變隨支護強度的增加而減小，而容許應變則隨支護強度的增加而增大。因此，通過增加支護強度，能較容易地將圍巖應變在容許應變范圍之內。（7）20 世紀 90 年代，澳大利亞等人又提出了最大水平主應力理論。該理論認為：全球范圍內原巖應力的實測結果表明，最大主應力常為水平方向。當巷道的軸線方向與最大主應力方向一致時，巷道穩定性好；兩者相垂直時，巷道穩定性差。采礦工程巷道因受礦置的制約，不便于選擇巷道的軸向，當條件時，應盡量按最大水平主應力方向予以調整。（8）數值計算方法目前，數值計算方法的發展日趨成熟，限單元法、邊界元法、離散元法等，以此

21、為理論基礎的計算軟件大量涌現，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理論相結合，在程支護中得到了廣泛的應用。工2.1.2 國內研究現狀我國軟道支護系統研究工作始于 1958 年，當時遼寧的沈北礦區開發，在前屯礦建設中出現井口報廢事故，導致停工數年。此后，蒲河礦、大橋礦、京西木城澗礦也出現技術事故。為此，原煤炭工業部集中了一些科研院所、高校和設計院的技術，在前屯礦二、三井進行了多種巷道支護形式的試驗和測試工作，在巷道斷面、支護形式及施工工藝等方面都取得了初步經驗。20 世紀 80 年代以來，與軟巖工程相關的軟巖工程問題的理論研究進入了個

22、新的階段。性會議召開 20，使（1）等提出“軸變論”理論，認為巷道塌落可以自行穩定，可以用彈性理論進行分析。圍巖破壞是由于應力超過巖體強度極限引起的，坍落改變巷道軸比，導致應力重分布，應力重分布的特點是高應力下降，低應力上升，并向無拉力和均勻分布發展，直到穩定而停止。應力均勻分布的軸比是巷道最穩定的軸比，其形狀為橢圓形。近年來，教授等人運用系統論、熱力學等理論提出開挖系統理論。該理論認為，開挖擾動破壞了巖體的平衡，這個不平衡系統具有自組織功能。（2）松動圈理論是由中國礦業大學等提出的，其主要內容是：凡是- 8 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計堅硬圍巖的巷道，其圍

23、巖松動圈都接近于零，此時巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在，但并不需要支護。松動圈越大，收斂變形越大，支護難度就越大。因此，支護的目的在于防止圍巖松動圈發展過程中的有害變形。（3）主次承載區支護理論是由提出的，他認為巷道開挖后，在圍巖中形成拉壓域。壓縮域在圍巖深部，體現了圍巖的自承能力，是維護巷道穩定的主承載區；形成于巷道周圍，通過支護加固，也形成一定的承載力，但其與主承載區相比，只起輔助的作用，故稱為次承載區。主、次承載區的協調作用決定巷道的最終穩定。支護對象為，支護結構與支護參數要根據主、次承載區相互作用過程中呈現的動態特征來確定。支護強度原則上要求一次到位。（4）軟巖工程力學支護理論該理論是由

24、何滿潮運用工程地質學和現代力學相結合的方法，通過分析軟巖變形力學機制，提出的一種新的軟道支護理論。該理論將軟巖變形力學機制分為物化膨脹類、應力擴容類和結構變形類三大類。在每一類中又依據引起變形的嚴重程度分為 A、B、C、D 四個等級。其理論要點是：軟道的變形力學機制通常是三種以上的變形力學機制的復合類型，支護時要“對癥下藥”，合理有效地將復合型轉化為單一型，并強調軟巖支護是一個力學過程，這個過程中的每個環節都必須適應其復合型變形力學機制的特點。（5）二次支護原理軟巖的二次支護理論是在實踐中形成的，它是實現軟巖加固承載圈的施工方法。它根據圍巖變形量測結果，確定二次支護時間、方法和支護剛度，以達到

25、最佳支護效果。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間特性，其塑性能的和圍巖的變形不可能在短時間內完成，而一般要經歷較長的時間，因此，在初次支護的基礎上，需要采用二次支護措施來適應軟巖的這個力學變形特點。二次支護的關鍵是二次最佳支護時間和最佳支護時段的確定。2.2 軟道支護技術隨著軟道理論的研究和現場實踐的經驗積累，已經形成了比較完善的支護技術方法和支護，國外采用的主要是金屬可縮性支架。我國在錨網支護技術研究與應用中取到了長足的進展。目前，形成的成套支護技術有錨網索噴- 9 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計支護技術、錨網索噴注漿加固技術、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、網殼支架，以及上述部分支護形式和錨網噴、卸壓等支護技術。（1）支護、陸家梁、鄭雨天、等提出的支護是在“新奧法”的基礎上發展起來的，其觀點可以概括為：對于巷道支護，一味強調支護剛度是不行的，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩定支護。支護系指采用多種不同性能的單一支護的組合結構，即在支護中各自充分發揮其所固有的性能，揚長避短，共同作用，以適應圍巖變形的要求，最終達到圍巖和巷道穩定的目的。（2）錨噴-弧板支護孫鈞、鄭雨天和等提出的錨噴-弧板支護是對支護的發展。該技術的要點是：對軟巖總是強調放壓是不行的，放壓到

27、一定程度，要堅決頂住，即采用高標號、高強度鋼筋混凝土弧板作為支護理論先柔后剛的剛性支護形式，堅決限制和頂住圍巖向中空位移。（3）基于應力理論的躲壓、卸壓系列技術以應力理論為基礎，逐漸發展起來的系列技術包括：躲壓、鉆孔卸壓、鉆孔松動卸壓、加固法、開槽（縫）卸壓。躲壓主要表現為巷道位置的選擇，即通過對巷道位置的優化合理布置，使巷道“躲開”支承應力疊加區等高應力區域，巷道所處應力環境，從而降低支護難度的方法。由于煤層的天然賦存狀態以及井下巷道的錯綜復雜，這種方法只能適應于部分巷道，具有一定的局限性。鉆孔卸壓技術通過在被保護的巷道圍巖內鉆孔，使掘進引起的支承峰值向圍巖深部轉移，從而使巷道處于應力降低區

28、。同時，鉆孔還為巷道圍巖變形提供了一定補償空間，吸收一部分變形，從而減小巷道變形量。鉆孔松動卸壓是在巷道底板或兩幫鉆深度較小的孔，在進行限制性，在）體中形成續的松散、破碎帶。將產生的支承峰值轉移到巷道圍巖深部，從而達到卸壓的目的。（4）剛柔層（RFL）和剛隙柔層（RGFL）支護技術等基于軟巖工程力學支護理論提出了剛柔層（RFL）何滿潮、- 10 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計和剛隙柔層（RGFL）支護技術。預留剛柔層支護技術的工作原理是：開挖巷道時，首先在巷道的周邊預留一定范圍的變形層，并在一定剛度的主護作用下形成剛柔層，然后量測剛柔層外側（巷道設計輪廓）的變

29、形，待到變形穩定時，去掉剛柔層并完成支護。預留剛隙柔層支護技術的工作原理是在柔性噴層和剛架之間預留一定量的空隙，圍巖變形能量，待柔性噴層與鋼架接觸時，再噴混凝土支護，故其毛斷面要大于設計斷面。（5）滯后注漿對軟道滯后注漿技術開展了深入的理論實驗和工程實踐研究。通過對破裂巖體注漿固結規律的試驗研究，總結了巷道圍巖特定賦存狀態下的注漿固結規律，提出破裂巖石注漿固結體的破壞形式、變形及強度特征，固結性能的主要影響因素，分析了注漿固結前后巖體力學性能的主要變化。通過對破裂體注漿骨節規律、裂隙巖體注漿滲流規律、滯后注漿圍巖穩定性分析等問題進行研究，提出了適合軟道加固的滯后注漿技術和軟道錨注分階段加固技術

30、。通過大量的工程實踐，研究了圍巖動態變形過程中，注漿時機、注漿方式、注漿施工等相關問題。（6）錨索與錨注支護與錨桿支護相比，錨索支護具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大的預緊力等諸多優點，是大松動圈巷道支護加固不可缺少的重要。其加固范圍、支護強度、可靠性是普通錨桿支護所無法比擬的。錨索主要起懸吊作用，它把下部松動圈及可能不穩定的巖層吊在上部穩定的巖層，或者大松動圈之外。作為軟道礦壓顯現與巷道維護的有效之一，近年來錨注加固技術特別是全斷面錨注加固技術受到了人們越來越多的重視。巖體錨注加固技術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，對巖體實施外錨內注加固處理的一種加固方式。它是

31、巖體注漿加固技術同巖體錨桿（索）加固技術的有機結合，充分利用注漿加固與錨桿（索）加固的各自優點，全力調動整個巷道圍巖自身的承載能力。（7）井下移動式凍結裝置凍結圍巖法莫斯科近郊煤炭科學，對在流沙型巖層中掘進水平巷道的方法和設備- 11 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計做了研究與改進工作，最終，研制運用了自動化的井下移動式凍結裝置，確定出主要參數并制定了井下凍結巖體的工藝。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，復雜的水文地質條件下掘進井下巷道時，運用了所開發的巖體凍結工藝和設備。3 軟道支護理論及技術新發展3.1 巷道斷面形狀優化數值計算分析

32、在煤礦巷道支護工程實際應用過程中，支護方式的選擇及支護參數的確定往往是重點考慮的問題，而對巷道斷面形狀常?？紤]不足，事實上，巷道斷面形狀以及圍巖對巷道圍巖穩定性有著比較大的影響。為此，利用 FLAC 數值模擬軟件研究了不同斷面形狀對巷道圍巖穩定性的影響。3.1.1 數值計算模型及有關參數數值計算采用 FLAC5.0 模型。模型外形為長寬=50m50m ，共劃分200200=40000 個單元。該模型左右兩側限制水平位移，底部限制垂直移動，模型上面取應力邊界，施加均布載荷，為 18.75MPa，見圖 3-1。采用 Mohr-Coulomb模型。模型采用均質材料，材料的物理力學參數見表 3-1。-

33、 12 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計P圖 3-1 數值模擬模型圖表 3-1 巖體的物理力學參數密度/kgm 3體積模量/MPa剪切模量/MPa內摩擦角/()抗拉強度/MPa粘聚力/MPa250025001600260.60.6巷道圍巖的穩定性決定于多種因素，其中斷面形狀對圍巖的穩定性有重要影響。巷道圍巖失穩的形式很多，比較有代表性的如圖 3-2 所示。a-頂板；b-巷幫破壞；c-斷面嚴重收縮圖 3-2 巷道圍巖失穩的三種形式我國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，結合淮南礦業實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 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計斷面形狀，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，從巷道塑性區分布、應力場分布以及圍巖變形特征等幾個方面，研究靜水條件下（即水平應力與垂直應力相等）斷面形狀對巷道圍巖穩定性的影響。(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 圍巖塑性區分布圖 3-4 為不同斷面形狀的巷道圍巖的塑性區分布。從圖中可以看出，巷道開挖后，頂板的基礎位于兩幫，在垂直應力作用下，應力不斷向圍

35、巖深部轉移，在兩幫形成較高的應力集中，因此巷道兩幫塑性區影響范圍（至巷幫約為 9m）普遍略大于頂底板的影響范圍。- 14 -北一（6-2）上山采區 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計(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分布由于模型及巷道關于 Y 軸對稱，因此對不同斷面的巷道圍巖塑性區也呈現對稱分布的現象；巷道圍巖塑性區在垂直方向上的受圍巖自重應力的影響相對較小，若巷道斷面對稱于 X 軸，塑性區的影響范圍也幾乎關于 X 軸對稱（見圖 3-4中 a、d、e 和 f），隨著巷道斷面關于 X 軸對稱的程度升高，其塑性

36、區的對稱程度也隨之升高。矩形巷道為折線形巷道，巷道四周產生較大的拉應力，超過了圍巖的抗拉強- 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 6 煤底板回風巷支護方案及參數初步設計度，其圍巖除發生剪切破壞外，同時在巷道兩幫及頂底板還產生拉應力破壞，出現拉破壞區（見圖 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力，

43、低于圍巖的抗拉強度，巷道斷面為曲線的部分沒有發生拉應力破壞，僅在巷道底板出現拉應力破壞（見圖 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，巷道周邊的拉應力均較小，因此，巷道圍巖只發生剪切破壞，未產生拉應力破壞（見圖3-4 中的 d、e 和 f）。說明曲線形巷道周邊的拉應力較折線斷面巷道的拉應力小，可以有效抑制巷道周邊發生拉應力破壞。yyy圍巖圍巖圍巖承載環直墻半圓拱開挖斷面直墻半圓拱開挖斷面直墻半圓拱開挖斷面xxxx等效開挖區等效開挖區yyy = x(b) 等效開挖同徑巷道斷面y(a) 實際開挖巷道斷面(c) 產生開挖無效加固區圖 3-5 巷道等效開挖過程示意圖從圍巖塑