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1、各位同学、老师下午好下午好建筑工程学院 一、基于松动圈支护理论的巷道支护技术研究PptPpt制作：陶汝俊制作：陶汝俊组员：组员： 陶汝俊：陶汝俊：201303200220201303200220 王天尧：王天尧：201303200221201303200221 徐万师：徐万师：201303200223201303200223 熊熊 票：票：201303200222201303200222建筑工程学院 uu1 1松动圈理论松动圈理论FF巷道在开挖前，岩体处于三向应力平衡状态，开巷后巷道在开挖前，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围岩应力将发生两个显著
2、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应力集中现象，一般情况下集中系数大于2.2.如果集中应如果集中应 力小于岩体强度，那么围岩将处于弹塑性稳定状态；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，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。我们将围岩平衡位置，此时围岩已过渡到破碎状态。我们将围岩 中
3、产生的这种松弛破碎带定义为围岩松动圈，简称松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动圈，其力学特性表现为应力降低。FF建筑工程学院 围岩松动圈巷道支护理论围岩松动圈巷道支护理论 核心：根据围岩中存在的松动破碎带的客观状态提出核心：根据围岩中存在的松动破碎带的客观状态提出 对象：对象：1. 1.松动圈内围岩的碎涨变形松动圈内围岩的碎涨变形 2. 2. 岩石的吸水膨胀变形岩石的吸水膨胀变形 3. 3. 深部围岩的部分弹塑性、扩容变形和松动围岩自深部围岩的部分弹塑性、扩容变形和松动围岩自 重重 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支护的作用：是
4、限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的 有害变形。有害变形。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。程中碎胀力所造成的有害变形。建筑工程学院 为了能够定量的回答这一问题，可以用伺服机对石灰岩、砂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：岩、泥岩以及煤作了如下的试验：试验将围岩试验将围岩( (油压油压) )限定在零值左右，作岩石的应力、应变全过限定在零值左右，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。程曲线。同时采集了全过程中油
5、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( (碎胀力或称碎胀力或称 剪胀力剪胀力) )。建筑工程学院 从各条曲线之间的相互关系能够可以看出什么呢？拱型巷道破坏现象建筑工程学院 受力与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
6、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 kNm2的膨胀力向外扩展。能够得到怎样的围岩松动圈支护理论认为呢？建筑工程学院 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
7、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L 150cm时，需13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）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。建筑工程学院 （4 4）一般开巷后进行的支护）一般开巷后进行的支护( (包括锚杆支护包括锚杆支护) )，由于其迟后并与围岩有不，由于其迟后并与围岩有不 可避免的空间可避免的空间( (架设空间架设空间) )，该值大于围岩峰值应力前的变形量，因此一般，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
8、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 2。一。一 般认为在横坐标般认为在横坐标o ob b段内为围岩的弹塑性变形区，支护的段内为围岩的弹塑性变形区，支护的o oa a段为支护与段为支护与 围岩的架设空间，诸不知围岩的架设空间，诸不知o ob b段对于刚性的岩石是一个小于毫米级的量，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，即使是目前地下工程所
9、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密贴程度较高的锚杆支护( (预应和锚索除外预应和锚索除外) )，也由于锚杆的弹性变形量远，也由于锚杆的弹性变形量远 远大于岩石而不能在远大于岩石而不能在a a点与支护接触，并在这个区段产生支护力与变形曲点与支护接触，并在这个区段产生支护力与变形曲 线线aeae，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，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
10、岩变形量，才可能产生支护曲线才可能产生足够的围岩变形量，才可能产生支护曲线d-fd-f，。要证明这一，。要证明这一 说法，只需给说法，只需给o oa a 段标量就会发现段标量就会发现问题。问题。建筑工程学院 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，并且建立起它的影响程度等。将这些因素定量了，并且建立起它 们之间
11、的相互关系，然后才能综合地判定各种组合们之间的相互关系，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。条件下支护的难度，即围岩类别。建筑工程学院 分类方法国内外有数不清的分类方法，各自按其对诸因素的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，将术问题。实际上即使正确的获得了
12、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。如果再引进水的影响、岩石夹层的影响、动压系。如果再引进水的影响、岩石夹层的影响、动压 的影响等，难度就更大了。的影响等，难度就更大了。建筑工程学院 理论依据围岩松动圈支护理论分类是采用松动圈的值作为综围岩松动圈支护理论分类是采用松动圈的值作为综 合指标的分类方法。其理论依据有两点：合指标的分类方法。其理论依据有两点： 1) 1)围岩松动圈围岩松动圈L L 是围岩应力是围岩应力P P和围岩强度和围岩
13、强度R R的函数，在的函数，在 相似模拟试验条件下可用相似模拟试验条件下可用L =57.80 P /R -51.56L =57.80 P /R -51.56表示。围表示。围 岩松动圈越大，破胀力岩松动圈越大，破胀力( (围岩体积变形围岩体积变形) )越大，支护越困难；越大，支护越困难； 2) 2)围岩应力包括了工程的埋深、构造应力、动压应力围岩应力包括了工程的埋深、构造应力、动压应力 的影响，以及破岩方法、巷道跨度、形状等影响应力的因素的影响，以及破岩方法、巷道跨度、形状等影响应力的因素 。围岩强度包括了水的影响，层解理及夹层等影响围岩强度。围岩强度包括了水的影响，层解理及夹层等影响围岩强度
14、的因素。的因素。理论依据建筑工程学院 分类方法1985年建筑工程学院 此表相关说明1)1)围岩松动圈的设定。为了便于工程的实用，设定用超声波围岩松动圈的设定。为了便于工程的实用，设定用超声波 松动圈测试仪测得的测孔曲线的拐点为松动圈的值。它的测松动圈测试仪测得的测孔曲线的拐点为松动圈的值。它的测 试结果与多点位移计相同。用于分类的为围岩稳定后的松动试结果与多点位移计相同。用于分类的为围岩稳定后的松动 圈。由于支护对松动圈的影响较小因此不考虑测点支护的圈。由于支护对松动圈的影响较小因此不考虑测点支护的 类别。考虑到影响因素较多，每个测站必须有类别。考虑到影响因素较多，每个测站必须有6 61010个可作判个可作判 断的测孔。断的测孔。(2)(2)巷道跨度对松动圈的影响。理论上跨度影响围岩应力的分巷道跨度对松动圈的影响。理论上跨度影响围岩应力的分 布，但在相似模拟试验和现场对照测试中，发现跨度在布，但在相似模拟试验和现场对照测试中，发现跨度在3 37 7 mm范围内，其它条件不变时，松动圈值变化不明显。关于这范围内，其它条件不变时，松动圈值变化不明显。关于这 一现象一时找不到满意的理论解释，建议在实用中一般可以一现象一时找不到满意的理论解
