软岩巷道GTMR法力学参数评估及锚注机理研究

论文摘要

地下岩体在巷道开挖前处于平衡状态,巷道一旦开挖,原岩应力失去平衡,应力将重新分布,如岩体的强度不够,围岩将失稳,巷道将受到破坏。因此,有必要对软弱围岩采取支护措施。支护方法因岩体性质、断面大小、服务年限和地应力等对巷道的影响不同而各异。我国常用的传统支护有木、各类金属支架、料石或混凝土砌碹等。而锚杆及以锚固为主的综合支护正在成为适应各种条件的新型支护。岩体力学参数的确定是巷道支护工程中一项基础工作,是指导设计与施工和数值模拟的可靠保障。本文结合现场调查、岩石力学试验、软岩力学性质研究和数值模拟确定了大坊矿软岩的性质与类别、破坏机理和支护难点。基于修正的RMR法-GTMR法,估算巷道岩体力学参数。该方法较全面地考虑了完整岩石强度、地下水条件、岩石质量指标、巷道埋深、地震烈度、巷道形状等影响岩体力学性质的因素,并基于完整岩石强度、岩石质量指标权值的连续修正,减少了主观判断带来的误差。把巷道开挖弱化因子和锚固增强因子引入广义Hoek-Brown强度准则,借用两因子计算式,得到了开挖前和锚固后的岩体力学参数,并应用到大坊矿软岩巷道锚注支护实践中。锚注支护是软岩工程加固中正在推广应用的支护形式,锚注支护具有施工快、效果好、工程造价低等优点,但其理论不够完善。本文基于软岩巷道“锚注支护嵌套力学计算模型”,优化锚注支护,利用弹塑性理论分析,得到不同区域的应力、位移、围岩弹塑性区和锚注区半径与初期支护力之间的关系式。依据理论分析结果,分析锚注机理,提出了软岩巷道支护定量设计的方法。应用突变理论,结合圆形巷道有效承载圈和锚注支护圈的突变失稳模型,得到了锚注体有效承载圈稳定的最小厚度计算式和注浆锚杆与其间排距的关系式。本文以大坊矿巷道加固为工程背景,利用力学分析模型和应力、应变计算式以及锚注圈的突变分析模型对典型巷道的加固处理进行理论分析和研究,并利用FLAC-3D软件对典型巷道进行数值计算和现有理论分析计算进行对比,验证了理论的可靠性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 软岩巷道支护现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 软岩巷道工程设计
• 1.3 软岩支护现状评价
• 1.4 研究内容、方法及技术路线
• 1.4.1 研究的目的和意义
• 1.4.2 研究的内容和方法
• 1.4.3 研究的目标及创新点
• 1.4.4 研究的技术路线
• 第二章 软岩力学特性及巷道失稳分析
• 2.1 软岩的定义和分类
• 2.1.1 软岩的定义
• 2.1.2 软岩的分类
• 2.2 软岩成分
• 2.2.1 软岩粒组分类
• 2.2.2 软岩矿物成分
• 2.3 软岩工程特性及力学属性
• 2.3.1 软岩工程特性
• 2.3.2 软岩力学属性
• 2.4 软岩巷道变形破坏及支护难点
• 2.4.1 软岩巷道变形破坏方式
• 2.4.2 软岩巷道破坏特征
• 2.4.3 软岩巷道支护难点
• 2.5 大坊矿岩石力学试验
• 2.5.1 试件制备
• 2.5.2 试验设备
• 2.5.3 物理性质指标测定
• 2.5.4 抗拉试验
• 2.5.5 单轴抗压试验
• 2.5.6 剪切试验
• 2.6 大坊矿巷道地质勘探
• 2.6.1 工程概况
• 2.6.2 工程地质
• 2.6.3 水文地质
• 2.7 大坊矿岩体属性
• 2.8 本章小结
• 第三章 软岩巷道GTMR法力学参数的估算
• 3.1 概述
• 3.2 岩体质量评价准则
• 3.3 修正的RMR法—GTMR法
• 3.3.1 RMR法概述
• 1～R₃的连续性修正'>3.3.2 R₁～R₃的连续性修正
• 7'>3.3.3 形状调整权值R₇
• 8'>3.3.4 等效半径调整权值R₈
• 9'>3.3.5 埋深调整权值R₉
• 10'>3.3.6 地震应力调整权值R₁₀
• 3.3.7 GTMR法的提出
• 3.4 开挖及锚固岩体力学参数
• 3.4.1 广义HB与MC强度准则
• 3.4.2 开挖弱化因子
• 3.4.3 锚固增强因子
• i的确定'>3.4.4 m_i的确定
• 3.5 GTMR法估算岩体力学参数
• 3.5.1 巷道变形参数估算
• 3.5.2 巷道岩体强度参数估算
• 3.6 本章小结
• 第四章 大坊矿软岩巷道支护方法的选择
• 4.1 巷道开挖后数值模拟
• 4.1.1 软件的选择
• 4.1.2 模型的建立
• 4.1.3 结果分析
• 4.2 软岩巷道承载机理
• 4.2.1 软岩巷道弹塑性模型
• 4.2.2 软岩巷道承载机理
• 4.3 巷道大变形主要因素
• 4.4 软岩巷道支护技术
• 4.5 软岩巷道支护的共识
• 4.5.1 维护和改善围岩
• 4.5.2 发挥围岩的自承
• 4.5.3 锚注是软岩支护最有效手段
• 4.6 大坊矿支护方法的选择
• 4.6.1 根据软岩类型选择
• 4.6.2 根据压力类型选择
• 4.6.3 大坊矿巷道支护最终确定
• 4.7 本章小结
• 第五章 锚注支护优化分析
• 5.1 锚固注浆支护加固作用机理
• 5.2 锚注支护时间优化分析
• 5.2.1 优化基本原理
• 5.2.2 最佳时间和时段理论
• 5.2.3 注浆最佳时间的确定
• 5.3 锚注结构嵌套模型
• 5.4 锚注体与围岩的弹塑性分析
• 5.4.1 力学模型的建立
• 5.4.2 原岩弹性区应力和位移
• 5.4.3 原岩塑性区应力和位移
• 5.4.4 残余区应力和位移
• 1和R₂'>5.4.5 弹塑性区半径R₁和R₂
• 5.4.6 锚注区应力和位移
• 5.5 锚注支护参数分析
• 5.5.1 塑残区与初支护力的关系
• 5.5.2 锚注区应力、初支护力与强度的关系
• 5.6 本章小结
• 第六章 锚注支护设计工程应用
• 6.1 锚注圈最小厚度的确定
• 6.1.1 突变理论和传统弹塑性理论
• 6.1.2 锚注体突变模型
• 6.1.3 大坊矿锚注圈最小厚度
• 6.2 软岩巷道支护设计方法
• 6.3 锚注支护工程实例
• 6.4 数值模拟对比分析
• 6.4.1 锚注后数值模拟
• 6.4.2 对比分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果