一种基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法

1.本发明涉及工程岩体技术领域，尤其是一种基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法。


背景技术：

2.随着煤矿开采深度的不断增加，巷道围岩在高地应力和强烈采动影响下表现出更为剧烈的变形、破坏失稳特征，使巷道围岩的变形破坏越发严重，巷道围岩的加固和维护也愈发困难；处于深部高地应力环境下的软岩巷道，其围岩变形、破坏和失稳受地应力方向和岩性影响明显，并基于此产生具有方向性、非均匀性特征的拉剪破裂网络。现有研究对于巷道围岩松动破坏区的宏观范围研究较多，但是忽略了拉剪破裂分布的细观特征，对地应力大小和方向以及巷道围岩岩性考虑不充分；现有的巷道支护理论多基于岩体的悬吊、组合和压缩，或通过锚固作用对岩体峰前(后)的宏观力学参数进行提升，对于地应力环境和巷道围岩自身变形失稳特征关注度不高，同时对于非均匀支护的机理和分级支护方法研究尚不明确。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法。为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
4.一种基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法，包括以下步骤：
5.(1)首先结合地质和开采资料，通过应力解除法现场测试，获得巷道周围的原始地应力参数，包括三个主应力方向θ1、θ2,、θ3和大小σ1、σ2、σ3；
6.(2)通过对巷道所处环境中取得的岩石试样，分别进行3-5组单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩试验，获得巷道围岩的力学参数，所述力学参数包括弹性模量ed、抗拉强度σ
t
、抗压强度σc、抗剪强度τ、内聚力c、内摩擦角φ、泊松比v等宏观力学参数；
7.(3)以试验获得的所述宏观力学参数为基础，对目标岩体的细观力学参数进行标定，使用fdem模拟多组单轴压缩和巴西劈裂试验，直至模拟得到的试件抗拉强度σ
t
、抗压强度σc以及变形破坏特征与宏观物理试验中的所述宏观力学参数基本一致，记录此时输入的各细观参数值；
8.(4)基于现场测试获得的原始地应力参数和标定获得的围岩力学参数，结合地质和开采资料，构建fdem数值模型，获得巷道围岩最大主应力云图和位移云图；
9.(5)对照巷道围岩最大主应力云图和位移云图，将巷道围岩开挖破坏区中与最大主应力方向垂直且以拉伸扩容-剪切滑移为主要变形特征的区域划分为拉剪破裂变形区，将与最大主应力方向平行且以岩梁整体大挠度位移为主要变形特征的区域划分为整体移动变形区；
10.(6)对巷道围岩实现“区域精准
”ⅱ
级非对称锚固设计，针对拉剪破裂变形区拉伸扩容-剪切滑移的主要变形特征，选用“阻裂抗滑为主导”作用的锚杆或锚索对围岩潜在拉
剪破裂进行锚固控制；针对整体移动变形区大挠度位移为主的变形特征，选用“悬吊控移为主导”作用的锚索对围岩整体移动进行锚固控制；
11.(7)在ⅱ级锚固设计的基础上，对巷道围岩整体实现“整体协同
”ⅰ
级综合控制，结合不同变形破坏机理的拉剪破裂、变形移动分区的相互嵌入和融合性，适时进行锚杆或锚索支护的精准调控，对拉剪破裂-整体变形混合区加设锚杆或锚索，对破裂发育密集区域进行注浆加固等；
12.(8)依据巷道围岩变形破坏范围对锚杆或锚索进行选型并确定所需锚固剂种类；
13.(9)通过实验室拉拔试验以及直剪试验获得选定的锚杆或锚索及锚-力学参数；
14.(10)通过fdem数值模拟，添加选定的锚杆或锚索及锚-力学参数，并对锚杆或锚索的布设进行优化；
15.(11)通过前述步骤，在巷道围岩出现宏观拉伸、剪切破坏前，进行锚杆或锚索的布设，对深部软岩巷道进行非对称性的分区分级超前主动锚固；
16.(12)对巷道围岩变形破坏进行实时监测。
17.进一步的，所述力学参数为排除差异性较大存在误差的参数，其余几组取平均值。
18.进一步的，所述拉剪破裂变形区具有“方向性”的拉剪破裂密集发育。
19.进一步的，所述整体移动变形区具有少量张拉裂隙和层间错动裂隙发育。
20.进一步的，所述锚杆一方面通过提供锚固力，增强各岩层面间的摩擦力，阻止岩层面的相对滑动，另一方面锚杆的杆体增加了岩层间的抗剪强度，阻止剪切裂隙的产生，即“阻裂抗滑为主导”作用。
21.进一步的，所述锚杆或锚索长度依据松动圈理论进行计算获得，锚杆以深入稳定岩体内1-2m为准，锚索以1.5倍巷道宽度为准，锚杆型号根据所需阻裂抗滑作用确定，锚索型号根据所需悬吊控移作用确定。
22.进一步的，所述锚-力学参数包括锚杆或锚索的弹性模量eb、抗拉强度σb等以及岩石-锚固剂间的内聚力c
rg
、内摩擦角φ
rg
和锚杆-锚固剂间的的内聚力c
gb
、内摩擦角φ
gb
等。
23.进一步的，所述实时监测包括安设gwl150型本安型位移传感器对巷道围岩位移进行实时监测，采用myj-20锚杆锚索测力计对锚杆或锚索进行受力检测，一旦巷道出现局部大变形、破坏或锚杆或锚索锚固失效，及时对相应位置进行补强，维持巷道稳定性。
24.进一步的，所述ⅱ级锚固设计是在基于对围岩分区的基础上，针对拉剪破裂变形区拉伸扩容-剪切滑移的主要变形特征，结合破裂发育的明显方向性，选用抗剪型锚杆沿近似垂直围岩剪切破裂滑移线进行精准布设；针对整体移动变形区大挠度位移为主的变形特征，选用锚索对浅部岩层进行悬吊布设。
25.进一步的，还包括ⅰ级锚固，所述ⅰ级锚固设计是基于ⅱ级非对称分区精准锚固设计，对围岩进行整体协同调控，包括对拉剪破裂变形区岩体补设锚索，将浅部锚固后的拉剪破裂变形区整体悬吊在深部稳定岩层中；对整体移动变形区补设锚杆，控制浅部岩体的破裂裂隙；对破裂发育密集区域进行注浆加固，保证围岩的完整性；结合不同变形破坏机理的拉剪破裂、变形移动分区的相互嵌入和融合性，对拉剪破裂-整体变形混合区加设锚杆或锚索。
26.本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：(1)该方法通过fdem数值模拟，对深部巷道所处地应力环境进行重现，通过计算预测其变形破坏特征，使复杂的深部
巷道围岩变形破坏问题清晰化。(2)该方法充分考虑了巷道围岩因岩性和所处地应力环境不同引起的巷道围岩拉剪破裂网络的差异性，并结合围岩变形破坏特征将巷道围岩开挖破坏区(edz)分为拉剪破裂变形区和整体移动变形区，为巷道非均匀支护的研究提供了理论基础。(3)该方法通过分区分级超前主动锚固，对巷道不同变形破坏分区进行差异性锚固设计，在巷道围岩变形破坏发生之前甚至在尚未出现局部拉伸剪切应变局部化之前(进入塑性之前)进行具有针对性的锚杆或锚索布设，实现了“区域精准控制-整体协同控制”两个分级锚固层次的支护设计，在加强巷道围岩稳定性的同时，降低了支护成本和巷道返修次数。
附图说明
27.图1为本发明中基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法的原理示意图；
28.图2为本发明中基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法的力学分析示意图一；
29.图3为本发明中基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法的力学分析示意图二；
30.图4为本发明中基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法的具体实施例图一；
31.图5为本发明中基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法的具体实施例图二；
32.图6为本发明中基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法的具体实施例图三。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
35.本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.本发明公开了一种基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法，涉及如下步骤：
37.(1)首先结合地质和开采资料，通过应力解除法现场测试，获得巷道周围的原始地应力参数，包括三个主应力方向θ1、θ2,、θ3和大小σ1、σ2、σ3；
38.(2)通过对巷道所处环境中取得的岩石试样，分别进行3-5组单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩试验，获得巷道围岩的力学参数，所述力学参数包括弹性模量ed、抗拉强度σ
t
、抗压强度σc、抗剪强度τ、内聚力c、内摩擦角φ、泊松比v等宏观力学参数；
39.(3)以试验获得的所述宏观力学参数为基础，对目标岩体的细观力学参数进行标定，使用fdem模拟多组单轴压缩和巴西劈裂试验，直至模拟得到的试件抗拉强度σ
t
、抗压强度σc以及变形破坏特征与宏观物理试验中的所述宏观力学参数基本一致，记录此时输入的各细观参数值；
40.(4)基于现场测试获得的原始地应力参数和标定获得的围岩力学参数，结合地质和开采资料，构建fdem数值模型，获得巷道围岩最大主应力云图和位移云图；
41.(5)对照巷道围岩最大主应力云图和位移云图，将巷道围岩开挖破坏区(edz)中与最大主应力方向垂直且以拉伸扩容-剪切滑移为主要变形特征的区域划分为拉剪破裂变形区，将与最大主应力方向平行且以岩梁整体大挠度位移为主要变形特征的区域划分为整体移动变形区；
42.(6)对巷道围岩实现“区域精准
”ⅱ
级非对称锚固设计，针对拉剪破裂变形区拉伸扩容-剪切滑移的主要变形特征，选用“阻裂抗滑为主导”作用的锚杆或锚索对围岩潜在拉剪破裂进行锚固控制；针对整体移动变形区大挠度位移为主的变形特征，选用“悬吊控移为主导”作用的锚索对围岩整体移动进行锚固控制；
43.(7)在ⅱ级锚固设计的基础上，对巷道围岩整体实现“整体协同
”ⅰ
级综合控制，结合不同变形破坏机理的拉剪破裂、变形移动分区的相互嵌入和融合性，适时进行锚杆或锚索支护的精准调控，对拉剪破裂-整体变形混合区加设锚杆或锚索，对破裂发育密集区域进行注浆加固等；
44.(8)依据巷道围岩变形破坏范围对锚杆或锚索进行选型并确定所需锚固剂种类；
45.(9)通过实验室拉拔试验以及直剪试验获得选定的锚杆或锚索及锚-力学参数；
46.(10)通过fdem数值模拟，添加选定的锚杆或锚索及锚-力学参数，并对锚杆或锚索的布设进行优化；
47.(11)通过前述步骤方法，在巷道围岩出现宏观拉伸、剪切破坏前，进行锚杆或锚索的布设，对深部软岩巷道进行非对称性的分区分级超前主动锚固；
48.(12)对巷道围岩变形破坏进行实时监测。
49.所述力学参数为排除差异性较大存在误差的参数，其余几组取平均值；
50.所述拉剪破裂变形区具有“方向性”的拉剪破裂密集发育；
51.所述整体移动变形区具有少量张拉裂隙和层间错动裂隙发育；
52.所述锚杆一方面通过提供锚固力，增强各岩层面间的摩擦力，阻止岩层面的相对滑动，另一方面锚杆的杆体增加了岩层间的抗剪强度，阻止剪切裂隙的产生，即“阻裂抗滑为主导”作用；
53.所述锚杆或锚索长度依据松动圈理论进行计算获得，锚杆以深入稳定岩体内1-2m为准，锚索以1.5倍巷道宽度为准，锚杆型号根据所需阻裂抗滑作用确定，锚索型号根据所需悬吊控移作用确定；
54.所述锚-力学参数包括锚杆或锚索的弹性模量eb、抗拉强度σb等以及岩石-锚固剂间的内聚力c
rg
、内摩擦角φ
rg
和锚杆-锚固剂间的的内聚力c
gb
、内摩擦角φ
gb
等；
55.所述实时监测包括安设gwl150型本安型位移传感器对巷道围岩位移进行实时监测，采用myj-20锚杆锚索测力计对锚杆或锚索进行受力检测，一旦巷道出现局部大变形、破坏或锚杆或锚索锚固失效，及时对相应位置进行补强，维持巷道稳定性。
56.所述ⅱ级锚固设计是在基于对围岩分区的基础上，针对拉剪破裂变形区拉伸扩容-剪切滑移的主要变形特征，结合破裂发育的明显方向性，选用抗剪型锚杆沿近似垂直围岩剪切破裂滑移线进行精准布设；针对整体移动变形区大挠度位移为主的变形特征，选用锚索对浅部岩层进行悬吊布设。
57.本方法还包括ⅰ级锚固，所述ⅰ级锚固设计是基于ⅱ级非对称分区精准锚固设计，对围岩进行整体协同调控，包括对拉剪破裂变形区岩体补设锚索，将浅部锚固后的拉剪破裂变形区整体悬吊在深部稳定岩层中；对整体移动变形区补设锚杆，控制浅部岩体的破裂裂隙；对破裂发育密集区域进行注浆加固，保证围岩的完整性；结合不同变形破坏机理的拉剪破裂、变形移动分区的相互嵌入和融合性，对拉剪破裂-整体变形混合区加设锚杆或锚索。
58.通过现场测试和实验室试验，获得地应力参数和巷道围岩力学参数；结合获得的参数进行fdem数值模拟，获得巷道围岩最大主应力云图和位移云图；对照两个云图和围岩拉剪破坏特征，对巷道围岩拉剪破裂网络基于差异化的变形破裂机理确定拉剪控制分区；针对不同分区围岩变形破坏特征，进行ⅱ级分区非对称锚固设计；在ⅱ级锚固设计基础上，结合不同变形破坏机理的拉剪破裂、变形移动分区的相互嵌入和融合性，适时进行锚杆或锚索支护的精准调控，实现对全围岩的ⅰ级锚固设计。该方法以巷道所处地应力场和岩性条件为基础，根据深部高地应力环境下软岩巷道的破裂性质和机理，将巷道围岩拉剪破裂网络分为拉剪破裂变形区、整体移动变形区和拉剪破裂-整体移动混合区，并在此基础上进行“区域精准控制-整体协同控制”两个分级锚固层次的支护设计，在巷道围岩出现宏观拉伸、剪切破坏前，有针对性地进行超前主动锚杆或锚索布设，准确高效地提升巷道围岩的稳定性。
59.以下通过某矿业公司的具体实施例对本发明的方法进行说明：以最大主应力σ1与巷道轴线方向垂直并与水平面呈45
°
条件下圆形软岩巷道(r＝2.5m)为例，经由fdem数值模拟获得围岩拉剪破裂展布如图4。图4中区域
①
包含大量拉剪破裂，且破裂发育具有明显的方向性，划分为专利步骤[5]中描述的与最大主应力方向垂直的“拉剪破裂变形区”；图中区域
②
含有少量张拉裂隙，以岩梁的整体变形移动为主，划分为专利步骤[5]中描述的与最大主应力方向平行的“整体移动变形区”；两个分区交会区域，表现出两种破裂变形特征的叠加，即所述的“拉剪破裂-整体变形混合区”。
[0060]
如图5所示，结合松动圈理论计算获得该地质条件下巷道裂隙发育范围，确定锚杆长度为2.4m，为提高锚杆抗剪强度，选用φ22.5mm的锚杆进行全注浆锚固，锚固剂选定水泥。理论与数值模拟结合分析可知围岩剪切破裂呈滑移线分布，并与最大主应力方向成45
°‑
φ/2的角度分布，故抗剪切锚杆沿近似垂直围岩剪切破裂滑移线进行布设，锚固密度根据围岩滑移线密度与“拉剪破裂变形区”范围确定，为“拉剪破裂变形区”提供阻裂抗滑作用，抑制围岩剪切破裂的产生。选用锚索长度为9m，为提高锚索抗拉强度，选用φ17.8mm的
锚索进行锚固。近似垂直张拉裂隙进行布设，锚固密度根据“整体移动变形区”范围确定，将浅部松动围岩悬吊在深部稳定岩层中，限制“整体移动变形区”围岩向巷道方向产生位移。(ⅱ级非对称性锚固设计)
[0061]
如图6所示，在ⅱ级锚固设计的基础上，沿最大主平面方向补设锚索，将浅部锚固后的拉剪破裂变形区整体悬吊在深部稳定岩层中；对破裂发育密集区域进行注浆加固，保证围岩的完整性；结合不同变形破坏机理的拉剪破裂、变形移动分区的相互嵌入和融合性，对拉剪破裂-整体变形混合区加设锚杆或锚索，对巷道围岩进行整体精准调控。(ⅰ级全围岩锚固设计)实现“区域精准控制-整体协同控制”两个分级锚固层次的支护设计，形成非对称性分区分级超前主动锚固方案，(此处的“超前”并非指空间上巷道的前方，而是特指时间上巷道围岩出现宏观拉伸、剪切破裂之前；此处的“主动”并非传统意义上的“锚杆主动支护”，而是依据实际环境条件对控制目标进行的“绝对主动”)
[0062]
本发明的基于围岩破裂非对称性的分区分级超前主动锚固方法通过fdem数值模拟，对深部巷道所处地应力环境进行重现，通过计算预测其变形破坏特征，使复杂的深部巷道围岩变形破坏问题清晰化。该方法充分考虑了巷道围岩因岩性和所处地应力环境不同引起的巷道围岩拉剪破裂网络的差异性，并结合围岩变形破坏特征将巷道围岩开挖破坏区(edz)分为拉剪破裂变形区和整体移动变形区，为巷道非均匀支护的研究提供了理论基础。该方法通过分区分级超前主动锚固，对巷道不同变形破坏分区进行差异性锚固设计，在巷道围岩变形破坏发生之前甚至在尚未出现局部拉伸剪切应变局部化之前(进入塑性之前)进行具有针对性的锚杆或锚索布设，实现了“区域精准控制-整体协同控制”两个分级锚固层次的支护设计，在加强巷道围岩稳定性的同时，降低了支护成本和巷道返修次数。
[0063]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各块技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0064]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。