自稳隐形拱锚固理论

第1章自稳隐形拱锚固理论§1-1.自稳隐形拱的基本观点准确的分析计算必须建立在准确的岩体参数的基础上，目前情况下在现场要准确确定参数比较困难。特别是针对沉积岩这种结构的层状岩体和经受地质构造应力影响后的不规则多裂隙岩体，参数的确定几乎不可能。因此，数值方法现在在矿山的应用在目前阶段只能作为一种辅助设计和预则设计应用，不能作为设计依据。自稳隐形拱理论的出发点是立足现场，力求用简化的理论方法设计锚杆支护系统参数去适用于现场任何复杂的现场地层情况。解决现场实际问题。因此，采用了极限推测方法确定巷道围岩的不稳定区域并设计锚杆控制范围。以达到巷道围岩有效安全控制的目的。自稳隐形拱理论最初是研究巷道顶板稳定机理，现在已经成为巷道支护的一种新的理论体系。自稳隐形拱锚固理论研究巷道围岩的稳定机理，研究锚杆的作用机理，研究解决围岩体稳定的机理，研究锚网支护体系设计原理和确定锚固构件设计方法。这是一个全面解决锚固问题的理论体系。自稳隐形拱理论的出发点是：立足现场，力求用简化的理论方法设计锚杆支护系统参数去适用于现场任何复杂地层情况。1-1.1.自稳隐形拱理论体系构成自稳隐形拱锚固理论诠释以下完整的原理体系：揭露采矿工程中巷道围岩的稳定机理——以极限推断原理预测巷道围岩的最大不稳定区域圈定巷道围岩不稳定范围——顶板的最大不稳定界面是极限自稳隐形拱，帮部的最大不稳定区是从巷道脚部斜向上45°提出提高巷道稳定性方案——锚杆（索）必须具备一定的初锚力才能达到锚固效果揭露锚杆支护实质机理——锚杆的作用是克服岩体抗拉强度低的缺陷，他可以制约一定小范围岩体产生分离。帮锚杆的作用是消除极限自稳隐形拱，顶锚杆的作用是逐级缩小自稳隐形拱。提出现场实用的锚杆设计方法——帮锚杆长度应该大于巷道高度的一半，顶部最少有一个锚杆（索）超过极限自稳隐形拱1-1.2.自稳隐形拱理论内涵围岩稳定本质——指出巷道围岩的稳定性与支护方式无关。巷道是否稳定是由围岩的特性及巷道自身所处的采掘关系确定的；围岩不稳定区的有限性——对围岩不稳定区进行了界定锚杆的作用实质——锚杆之所以能对巷道围岩起到支护作用，是因为围岩自身具有自我承载能力并能自我稳定。指出了锚杆作用的局限性。锚杆的锚固作用只是限制一定范围岩体使其保持协调变形。锚杆的力学原理是提高围岩体局部塑性破坏后的承载能力。围岩支护原理——指出支护范围的有限性。有限性表现在防止围岩局部突变上，而不需要支护整个围岩体破坏区域。有效的锚固范围——过大范围的支护可能引起应力集中，并不利于围岩稳定从以上观点总结为：巷道围岩开挖后自我寻找平衡达到稳定。稳定的程度与地质条件和工程条件相关。松散破碎的围岩也会自稳，即使是松散介质，当这种介质的基本结构体互相咬合也能达到相对稳定平衡。这称之为巷道的自稳现象。对巷道的支护就是对巷道在达到相对稳定平衡过程中出现的片帮冒顶的维护，保证在这一过程中只出现变形而不出现片帮冒落。因此，锚杆支护工作只是保护一定范围围岩的这种相互咬合。影响围岩稳定的因素是那些围岩体中存在拉应力的单元；产生塑性破坏的岩体在大多数情况下仍然视为岩体的承载主体；围岩顶板的稳定是由于巷道顶板中存在有自稳隐形拱。自稳隐形拱是地下空间上部稳定区域的界面。自稳隐形拱将地应力分散到巷道两帮。在巷道的维护中，顶部与帮部的维护是一对对立统一体。尽管人们提出护顶先护帮是支护的基本。然而，顶部使用锚杆的“预应力”支护也能有效的将顶部压力转向两帮深部，当帮部得到有效支护时最终还是以顶的维护为重中之重。研究顶部的应力状况及岩体稳定状态是支护顶部的前提。自稳隐形拱理论描述巷道顶部的自稳机理，提出自稳隐形拱‘承载’垂直地应力的假说。并且提出锚杆降低自稳隐形拱的原理，以此为基础来设计锚杆支护参数。这是非常重要的设计观点。1-1.3.围岩稳定性分析我们已经知道了巷道围岩使用锚杆支护的本质是围岩自身具有稳定性，那么，对围岩稳定性的研究将是具有十分重要的意义。巷道围岩稳定问题的研究是一个十分复杂的问题，随着力学方法的不断进展，人们现在能够比较准确的解决地下工程的计算分析。但是，准确的分析计算必须建立在准确的岩体参数的基础上，目前情况现场要准确确定参数比较困难。为了解决实际问题，我们抛开岩体力学的精确数据，遵从锚杆支护的基本观点，主破裂角图1-1巷道帮部破裂趋势要分析围岩体的失稳范围。1-1.4.巷道两帮稳定机理在岩体受压试件破坏的试验中，对于受压面阻力不同产生的破坏结果不同。我们注意到，对于受压面具有较大摩擦阻力的试验中在试件破坏时的破裂面总是沿着与受压方向约成45°的方向裂开。这是因为岩壁破坏滑移线的切线夹角。对于特别软弱的岩石来说，这种破坏的极限会顺45°发展。巷道两帮的受力是在经受大到岩体抗剪强度级的摩擦力情况下的单自由面的抗压状态，其破裂趋势面如图所示。由此我们可以推断，当巷道顶板得到有效维护时，巷道两帮的极限破裂形状为一三角形区域，其最大可见深度为巷道高度的一半。1-1.5.巷道顶板稳定机理在原岩中开挖巷道后，顶板应力在重新分布时，顶板中的应力必然有两个方向的变化。这两个方向为垂直和水平应力。其变化趋势为:垂直应力从0P→0；从表面向巷道深部，应力分布由0逐渐变到地应力0P。水平应力从压应力0P→拉应力。从岩石力学理论角度出发，围岩体中的应力单元的变形达到塑性就被视为破坏岩体。碹胎稳定原理结构顶部只要是弧拱形就能保持稳定。不管碹胎的拱部形状如何，这种拱形的结构能够承受一定的顶部载荷。但是，当这种拱部结构个别遭到破坏或是其中一块碹块掉落后，整个结构就会失去稳定。图1-2拱形的碹胎结构中只要一块掉落整个结构就失稳。另种情况是在一定荷载作用下，拱部可能由于荷载的强度不同产生不同形态。图1-3不同拱体的受力状况就是这种状况的反映。虽然这种情况看起来是挤压破坏，但实际上这种图1-2拱形的碹胎结构中只要一块掉落整个结构就失稳情况拱顶垮落时候还是表现成拉伸破坏。这就是自稳隐形拱理论的极限观点和推断依据。1-1.6.自稳隐形拱原理岩土工程理论不论以什么力学判据判断围岩破坏，其原理都是以围岩体进入塑性不可逆状态为条件的。然而，在长期的地下工程实践中，我们发现地下工程中围岩体产生塑性破坏后，还可以保持巷道的长期稳定。尤其是回采巷道和切眼，使用期较短，这类地下工程的围岩稳定更要重视围岩塑性区的稳定性。自稳隐形拱理论认为对于围岩体产生塑性破坏甚至产生断裂破坏，如果其处于挤压状态下仍具有一定的承载能力。这种承载能力往往能满足围岩稳定的要求。因此，在分析巷道支护重点时，没有把注意力放在巷道应力最为集中的两顶角或塑性变形区，而是将注意力放在顶地板的拉应力区。因此，其观点中心含义为：巷道顶部潜在的危险是那些单元体中曾经存在拉应力的岩体，破坏岩体在挤压状态下有时可以不考虑其危害性。根据这样的观点，巷道顶板中单元体中拉应力大于零的单元体所组成岩体为潜在危害岩体图1-4巷道顶板围岩稳定区划。这种顶板内拉应力为零的应力单元的连线在巷道的平面应变问题中为一椭圆形曲线。这一椭圆形曲线称之为自稳隐形拱。自稳隐形拱的基本原理引用了拱形稳定机理，但自稳隐形拱理论加入了受力状态的拱形概念，而不是自身拱的稳定问题。图1-3不同拱体的受力状况图1-4巷道顶板围岩稳定区划1-1.7.巷道围岩的不稳定区划自稳隐形拱理论的基本观点中第一次将岩体的承载能力的界限划进了破坏岩体，该理论认为岩体的承载能力并不在于其是否达到塑性，并认为达到塑性破坏后既是松散的围岩都具有支承能力，而那些受拉应力的岩体没有进到塑性破坏却被列入护防对象.根据对巷道顶板及侧帮稳定性的分析可知，在完全没有支护情况下巷道冒落片帮的极限为侧帮片入深度最大为22wh。当发生到这种程度时，自稳隐形拱也将会变到最大，这时的自稳隐形拱称为极限自稳隐形拱。根据自稳隐形拱理论划分的不稳定危害岩体区划如图表1-5巷道围岩不稳定区划分1-1.8.自稳隐形拱方程(1)自稳隐形拱当巷道开挖后不能及时支护而使巷道顶板产生变形后，顶板表面处的拉应力交界点就会随之变动而最终使交点扩展到巷道顶板两角处。这时的隐形拱曲线称之为自稳隐形拱。自稳隐形拱是巷道顶部应力单元中水平方向的拉应力为零的单元的联线所形成的曲面，对于平顶型巷道，横坐标为至于顶板重合时，这一曲面在巷道截面上所示的曲线方程为：122200002312412pWpxyp（1-1）或写为：222200002134122xypWWp（1-2）式中：202001243pWpAy20033ppBy（1-3）0;Wm巷道顶部宽度,;,0MPap巷道顶部垂直地压;2MPa顶板岩体的抗拉强度，其他符号同前。如果将自稳隐形拱方程写成通式有：图表1-5巷道围岩不稳定区划分1222wyyahyABxh（1-4）式中：ah巷道两帮起弧点离底板的高度，m；wh巷道的高度，m；其他符号同前。(2)极限自稳隐形拱根据对巷道顶板及侧帮稳定性的分析可知，在完全没有支护情况巷道冒落片帮的极限为侧帮片入深度最大为22wh。当发生到这种程度时，自稳隐形拱也将会变到最大，这时的自稳隐形拱称为极限自稳隐形拱。2222ww000021hh3W222412xyWpp（1-5）极限自稳隐形拱是地下巷道围岩可能破坏的最大区间边界。方成为：12220100231224122wowlidhpWpxhyp（1-6）如果令:20201012423phWpAwyj,20033pPByj有:2212wyjyjlidhxBAy（1-7）极限自稳隐形拱的最大高度：2124322001wwlidhpphWh（1-8）自稳隐形拱极限性讨论如果令：02则有：1232202202WyWx式说明：当围岩松软到极限时。围岩的不稳定范围只与巷道的宽度有关，其外不稳定界面是一个椭圆。长短轴由地下空间的宽度决定。因此，按照自稳隐形拱理论的巷道帮部破坏极限概念：完全破碎围岩体巷道帮部完全失稳时极限状态的水平最大破坏宽度为：20whfhWA完全破碎围岩体巷道帮部完全失稳时极限状态的垂直最大破坏范围为：)2(30wvfhWB(3)自稳隐形拱包络线内岩体自重自稳隐形拱包络线内煤体的截面积:201012WdxyS（1-9）dxxBASyy213.10212（9-10）对上式进行变换:dxxBABSyyy2120212（9-11）令tBAxyysin则dttBAdxyycos这时x和t的域划分为:2,3.10,0txtx现对上式进行积分运算:dxxBABSWyyy20121021220coscos2dttBAtBAByyyyy20sin22yyAttB（1-10）自稳隐形拱包络线内煤体的重量rdzyDSG0式中：zyS—自稳隐形拱包络线内的岩体面积，m2；2yyzyBASd—顶部岩体的容重，MN/m3；rD—锚杆的排距，m。顶板中部拉应力区的最大高度为：0max02332phW（9-13）(4)复合巷道顶板中的自稳隐形拱当巷道顶部为成层的复合顶板时，其自稳隐形拱为各层岩体所形成的自稳隐形拱的组合。顶部自稳隐形拱包络线内(以蒲白矿务局白水煤矿17采区为例)煤的厚度为mhcthick7.14.04.045.045.0矸的厚度为mhRyhcthickcoalrthick26.21max最大自稳隐形拱内煤矸比率为:煤的比率:43.0196.47.11maxRyhcoalcthickc矸的比率:57.0196.426.21maxRyhcoalrthickr复合顶板中的自稳隐形拱符合下列条件:rockrcoalrcoalcroc