[发明专利]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

说明书

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。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；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。

技术领域

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

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。

发明内容

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：

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：

(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；

(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E_d、抗拉强度σ_t、抗压强度σ_c、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；

(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σ_c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；

(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；

(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；

(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；

(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；