岩石地下工程(巷道维护)

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1、第五章岩石地下工程（巷道维护）§1概述岩石地下工程是指在岩石中开挖并临时或永久修建的各种工程。如地下井巷、隧道、通道、峒室、地下仓库等，而采矿涉及范围最大，条件最复杂。岩石地下工程一般埋深较大，穿越的地层复杂，地应力和对地下结构作用的传递情况也很复杂。但实现地下工程稳定性的条件：σmax＜SUmax＜U巷道维护任务（1）、在巷道的使用期内，为保证其形状、横向断面尺寸及其完好程度满足生产需要；（2）、在巷道的使用期内，保证人员和机器设备的安全及必要工作条件；（3）、选择最经济的提高巷道维护稳定性和巷道维护方法的措施。维护巷道提高巷道稳定性的方法是很

2、多的，而应用最广泛的是在巷道中安设支架。支架分为两类：①传统支护（支撑式支护），木材、石材、混凝土、金属等，②锚喷支护。我国因为巷道不通畅影响生产的例子是很多的。就以铜川王石凹矿为例。该矿是苏联莫斯科煤矿设计院设计的，57年建井，61年投产，设计能力120万t/年。因为主要巷道的岩层层位选的不正确，到64年不得不被迫停产维修，这三年也总共产煤90万t/年。总损失达3000万元，相当于建3各中型矿井。2003年，神东公司掘进巷道33万米，打地板（宽5米厚150mm）11万米，各种费用约5900万元，随着产量的不断攀升，底板处理费用会逐年加大。因此，

3、作为咽喉和通道的巷道，直接影响着生产能否正常进行。在进行矿井设计时就必须考虑巷道维护。§2围岩与支架的相互作用2.1、地下工程（巷道）与地面工程比较地面工程，如水塔：体系由结构和基础组成，承受外载荷为水压，气压等。地下工程，如巷道：体系由岩体和支护结构组成。岩体既是载荷，又是承载单元。即围岩和支护结构共同承载（见图）。地下工程必然要进行岩石开挖和维护结构工程。维护结构工程包括构筑承载结构和只护结构，如支架、锚喷、砌碹。我们已经知道了围岩是在岩石地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。开挖引起围岩的应力重分布：从原始应力场变化到新的

4、平衡应力场的过程。也称为二次应力：经过应力重分布形成的新的平衡应力。地下工程中，支护所受的压力及其变形，来自于（1）围岩在自身平衡过程中的变形或破裂导致的对支护的作用；（2）同时支护以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破裂的进一步发展，而这一过程同样也影响支护自身的受力。（3）于是围岩与支护形成一种共同体。这种共同体的耦合作用和相互影响的情况称为围岩-支护相互作用。地下工程支护的两种可能的极端情况：①在岩体内应力达到峰值前，支护已经到位的情况；②在岩体内应力达到峰值时，支护未及时架设，甚至在岩体破坏充分发展时，支护仍未起到作用，③界于两者之间，在岩体

5、内应力达到峰值后，岩体的变形发展在未完全破裂之前，支护开始作用。这时也可以进入围岩-支护共同作用状态。这时支护所受到的作用要比第一种极端情况有利。但是，并非支护时间越晚越好，因为有可能进入第二种情况。2.2相互作用原理分析分析一种简单情况，由轴对称围岩弹塑性位移计算公式可以得到：取P0为原岩应力，R0为围岩边界。（1）围岩周边位移与支护反力之间的理论关系，绘制成P1-U0曲线如图下图所示。图1轴对称圆巷围岩支护共同作用曲线图中，a为围岩特性曲线；b为支护工作曲线图2圆形衬砌支护压力与位移一般的支护都可以根据计算或实验获得他的作用与位移关系曲线。图

6、2是圆形隧道修建圆形衬砌的情况，可以将圆形衬砌物看作厚壁圆筒。如果圆筒的内、外半径为a，R0，材料弹性常数分别为E1，μ1表示，则可以得到外边界经向位移为：（2）上式表明：周边位移υ0与支护作用P1成正比关系。绘制在图1中，即为一支护特性曲线（图b）将式（1）和（2）联合，就可以确定具体条件下的支护压力P1和衬砌壁面位移υ0的解答。即可以得到P1-υ0图上两线的交点坐标。围岩特性曲线和支护特性曲线构成了它们共同作用关系。作用关系图例的分析：①支护刚度与支护受力状态的关系，解释：柔性支护、刚性支护以及支护中的“让压”的说法。应用：煤矿用可缩性支护。

7、②反映了岩体力学性质与支护时间对共同作用的影响。岩体性质越软，式（1）中G越小，围岩特性曲线越向外移动，变形也越大；而支护时间越迟，支护曲线的起点离坐标的原点也越远，支护工作压力也越低。③以上理论的应用条件和特点的解释。式（1）曲线P1-U0中，曲线的有效段受到Umax限制；当U0趋于零时，理论上P1将趋于无限大。实际上，当RP=R0，此时要求的支护作用力不超过：（3）式中，σ0为岩石单轴抗压强度。从理论上，P超出上式求解的值，围岩的变形处在弹性范围，应由另外的线弹性表示。但是要求在围岩开挖的同时就有支护足够的作用，是无法实现的。相互作用原理对实

8、际工程进行支护作用和围岩位移的定量分析还非常困难，因为他没有反映岩石在峰值强度以后的普遍情况。2.3、岩石及破坏特性的意义设破坏特性即全