DOC《doi:10.3969/j.issn.1671-4172.2012.02.009》

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3969/j.issn.1671-4172.2012.02.009 有分区破裂化倾向的深部巷道围岩支护分析 朱德康,左宇军,陈春春 (材料破坏力学数值试验研究中心,大连大学,大连 116622) 摘要:在分析总结巷道围岩分区破裂机理研究现状的基础上,阐述了深部岩体特性对巷道破坏和支护的影响,探讨了现有支护荷载理论用于深部岩体工程的局限性.进一步分析了深部巷道支护方法对有分区破裂化倾向的深部巷道围岩的适用性,并针对深部工程的复杂物理力学特性和地质环境条件,提出了动态联合支护理念. 关键词:分区破裂机制;

支护荷载理论;

加固;

动态联合支护 中图分类号:TD353 文献标识码:A 文章编号:1671- 4172(2012)02-000-00 Analysis of deep surrounding rock supporting with zonal disintegration tendency ZHU Dekang, ZUO Yujun, CHEN Chunchun (Research Center for Numerical Test of Material Failure, Dalian University, Dalian 116622) Abstract: Based on research status on zonal disintegration mechanism of deep surrounding rock. The influence of deep rock characteristic on roadway destruction and supporting is summarized, and the limitations of existing supporting load theory of deep rock engineering are discussed. The supporting method applicability for deep surrounding rock with zonal disintegration tendency is analyzed. Due to complex condition of physical and mechanical properties and geological environment in deep rock engineering, the concept of dynamic combined support is put forward. Key words: zonal disintegration mechanism;

supporting load theory;

reinforcement;

dynamic combined support 深部岩石工程主要包括资源与能源的开采工程和国防工程.随着中国煤炭资源消耗的不断增加,煤矿开采深度越来越深[1-5].深部岩体处于复杂的 三高一时 (高地应力、高温度、高渗透压和强烈的时间效应)和扰动环境,其破裂特征对深部工程产生重要影响[6-9].深部问题已不再是各因素叠加的线性科学体系,而是非线性科学体系.目前,深部巷道围岩分区破裂现象是深部岩体工程研究的热点科学问题之一[8-11]. 分区破裂现象(Zonal Disintegration) 是Shemyakin等[12-15]发现的深部开挖巷道围岩呈现的破裂现象.研究深部岩体的分区破裂化现象有助于了解深部巷道围岩的破坏机制,同时可为深部岩体工程支护设计提供理论基础. 如何控制和支护深部巷道围岩一直困扰着深部煤矿工程施工,尤其是埋深大、围岩软弱、破碎、松散、膨胀和地压大的巷道支护技术问题[16-17].近20年来,国内外学者在深部围岩大变形破坏机制及支护、岩爆预测及防护、高渗透压下岩体特征等方面进行了深入研究,提出了改善围岩物理力学性质、应力解除、分断面开挖、及时进行锚注支护、加强稳定撑子面等方法.单一的支护方式已不能满足深部岩体破坏支护所需要求,联合支护或复合支护方法逐渐得到广泛应用和发展[8-9,17].本文分析总结了分区破裂化现象的破坏规律、破裂机制和现有支护方法,提出了倾向用于深部分区破裂围岩巷道的支护与加固方式,为深部工程支护设计和安全评价提供理论依据. 1分区破裂化机制研究现状 Shemyakin等[18]通过现场实测获得了分区破裂化的可靠证据.Guzev等[19-20]在静水压力条件下建立了非欧几何模型.Reva等[21]从能量准则角度解释了分区破裂化围岩的稳定性问题.Metlov等[22]从非平衡热力学角度分析得出:分区破裂形成时间过长,与实测结果不太相符. 钱七虎等[23]提出由于应力场波峰和波谷的交替出现导致围岩分区破裂产生.周小平等[24-25]认为巷道分区破裂化的产生与开挖速度和原岩应力相关.戚承志等[26-28]利用连续相变理论研究了分区破裂现象,并提出运用梯度塑性理论来解释.王明洋等[29-31]通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏特征,揭示了围岩最大支撑压力区的岩体变形特征,得到了围岩发生分区破裂的条件,如图1.李英杰等[32-33]提出了围岩分区破裂产生的必要条件是岩体发生劈裂破坏,并得出分区破裂化现象是由蠕变产生,采用蠕变理论分析了分区破裂化的时间效应,这对分区破裂化围岩支护与加固的时机选择十分重要. 顾金才等[34]提出仅考虑高应力场荷载大小或相应理论来解释是行不通的,必须考虑荷载(应力)方向问题.他们在实验室中通过三维应力加载,以沿孔洞轴线方向荷载为第一主应力,成功再现了分区破裂化现象.唐春安等[35-36]在顾金才提出的理论基础上用RFPA3D数值模拟软件再现了分区破裂现象,提出围岩产生横向变形的主要条件之一是较大压应力沿孔洞轴线方向,如图2.钱七虎等[16,23,37]分析总结了国际学者对分区破裂化现象研究的成果,提出了深部围岩分区破裂化现象是一个与材料、空间、时间效应密切相关的科学现象,与动荷载和静荷载都相关,仅从某一角度或某一方面来解释这一现象都是不够准确的. 深部巷道围岩分区破裂发生的原因,既是静力学问题(高应力场等),也是动力学问题(人为扰动、地震等),同时还与所处的环境因素(高温、高水压等)有关.动静组合加载和环境因素耦合作用下岩石的破坏特征和破裂机制是一个新的研究方向[38],也可以用于深入研究探讨深部巷道围岩分区破裂化机制. 图1最大支撑压力曲线图[29]图2 RFPA3D数值模拟效果图[35] Fig.1 The biggest support pressure curve Fig.2 RFPA3D Numerical simulation 2深部岩体特性对围岩破坏和支护影响 巷道围岩分区破裂主要发生在深部岩体工程中,而深部岩体 三高一时 特征和扰动影响对围岩变形破坏起着决定性的作用[9,17].首先,深部与浅部的主要区别在于围岩所处的应力环境,这一特性导致围岩强度和变形性质出现了明显差异.岩体在深部高应力作用下将表现出脆―延性转化[39],即在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高围压下转化为延性.当摩擦强度和蠕变强度达到相等时,岩石将进入延性变形状态[40-41].脆性向延性转化过程中存在很高的应力释放,进而导致岩石破坏[42,43].其次,随着采深增加,地下水渗透压力的相应增大导致巷道近场围岩有效应力增大,当围岩有效应力超过围岩强度,围岩发生失稳破坏.再次,低温升高会使深部围岩内产生较大的温度梯度和附加应力,使围岩产生离层破裂.最后,时间效应主要体现在深部岩石的流变或蠕变性质上.国外学者[44-47]发现,岩石在高应力场和其它不利地质因素的共同作用下,流变或蠕变很显著.李夕兵,左宇军等[48-51]提出,当巷道埋深较大时,围岩越来越接近临界稳定状态,此条件下( 三高 )较小的扰动便可以导致裂纹的大规模瞬时扩展,诱发巷道的失稳破坏(岩爆),并伴随应变能的高速释放. 3支护荷载理论应用于深部岩体工程的局限性 国内外有关支护荷载的典型观点主要有普氏冒落拱理论、最大水平主应力理论和松动圈理论、弹塑性支护理论等[52].普氏冒落拱理论只考虑到松动地压,未考虑变形压力,而后者往往是主要的,这也是普氏冒落拱理论不能在较深部岩石工程中应用的根本原因.松动圈支护理论只把围岩破坏分为塑性区和弹性区两部分,而深部围岩分区破裂是破裂区与非破裂区交替重复出现,这使实践工程中支护设计及参数发生很大变化,也带来很多难题和不确定性.弹塑性支护理论的局限性表现在忽略了在高应力场作用下洞室开挖后具有很高的应变能的释放,这也是导致支护失去作用的主要因素之一.日本樱井椿辅的应变控制理论和Salamon等人提出的能量支护理论用于深部工程都有一定的局限性[53].潘贵豪等[54]提出,围压恢复加固理论的本质出发点是利用主动支护恢复围岩原有的三向受力状态,但是在深部高应力和复杂环境下很难达到所需支护强度来保........