8低強度軟巖巷道大變形圍巖穩(wěn)定控制試驗研究

1、- Page 1- 第 34卷第 3期 煤 炭 科 學(xué) 技 術(shù)2006年 3月 低強度軟巖巷道大變形圍巖穩(wěn)定控制試驗研究 李大偉 , 侯朝炯 (中國礦業(yè)大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院, 江蘇 徐州221008) 摘要: 通過在低強度軟巖巷道進(jìn)行的大變形圍巖穩(wěn)定控制試驗及計算 , 分析了各種支護(hù)方式的試 驗效果, 得出一次錨網(wǎng)噴、二次大剛度、高強度支護(hù)控制低強度軟巖巷道圍巖穩(wěn)定是科學(xué)合理的。 低強度軟巖巷道大變形圍巖穩(wěn)定控制的機理為: 一次支護(hù)讓壓 , 圍巖體受力達(dá)到較低變形速率下的 力學(xué)平衡 , 充分發(fā)揮圍巖承載力; 二次大剛度高強度支護(hù) , 減少巷道巖體偏應(yīng)力 , 使巷道圍巖切向 應(yīng)力相對降低 ,

2、 徑向應(yīng)力相對升高, 應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)化 , 促進(jìn)圍巖應(yīng)力向穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化。 關(guān)鍵詞: 低強度軟巖巷道; 圍巖穩(wěn)定; 二次支護(hù) 中圖分類號: TD35011文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號: 0253 - 2336 (2006) 03 - 0036 - 04 Exper im ent and research on stab ilization control of high deform ed surround ing rock in m ine low strength soft rock roadway L IDa2wei, HOU Chao2jiong ( S chool of Energy an

3、d Saf ety Eng ineering, Ch ina University of M in ig and Technology, X uzhou221008, Chinia) Abstract: W ith the experiment and calculation on the stabilization control of high deformed surrounding rock in the m ine low strength weak rock roadway, the paper analyzed the experiment results of differen

4、t support methods. The paper held that a first bolt/ steel mesh / shotcreting support and a second high rigid and high strength support to control the stability of the surrounding rock for the low strength weak rock roadway are rational and scientific. The mechanism of the stabilized control for the

5、 high deformed surrounding rock in the low strength weak rock roadway is that the first support was a yield to let the stressed surrounding rock have a mechanics balance under a low deformation rate and to fully make of the surrounding rock loading. The secondary support is the high rigid and high s

6、trength support to re2 duce the deflection stress of surrounding rock for the m ine roadway, which could relatively reduce the shear stress of the surrounding rock of the roadway and could relatively increase the radial stress. The op tim ized stress could help the surrounding rock stress converted

7、to the stabilized stress. Key words: low strength weak rock roadway; stability of the surrounding rock; secondary support 我國許多煤礦開采時間較長 , 新建煤礦和老礦 地壓、長時間持續(xù)流變的軟巖特性。礦井出現(xiàn)了越 不得不建在地質(zhì)條件復(fù)雜、巖層結(jié)構(gòu)軟弱的煤田或 來越多的用傳統(tǒng)方法難以控制的軟巖巷道。軟巖主 向深部開采 , 巷道圍巖體表現(xiàn)出明顯的大變形、大 要分類為地質(zhì)軟巖和工程軟巖。根據(jù)軟巖的力學(xué)性 過測試 , 各項指標(biāo)均滿足使用要求。又選用了 30 設(shè)計教程 M . 北京:

8、 機械工業(yè)出版社, 2005. 個實際設(shè)計方案進(jìn)行對比驗證 , 結(jié)果符合要求。系 2 唐大放, 程志紅 1機械設(shè)計工程 CAD M . 徐州: 中國礦 業(yè)大學(xué)出版社, 2003. 統(tǒng)從鋼絲繩內(nèi)偏角的查詢到現(xiàn)場內(nèi)偏角的計算及驗 3 王亞慧, 武威, 郝學(xué)軍 1使用 VB 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢 證都較為完善 , 具有界面友好、操作簡便、功能齊 J . 北京建筑工程學(xué)院學(xué)報 , 2004 (6) . 全、安全可靠等特點。系統(tǒng)的功能及結(jié)果的精度滿 足設(shè)計規(guī)范要求 , 使用廣系統(tǒng)能夠提高設(shè)計工作效 作者簡介: 馬軍 ( 1967 - ) , 男, 黑龍江伊春人, 任徐州師 率和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 范大學(xué)工

9、學(xué)院機械工程系副主任 , 現(xiàn)為中國礦業(yè)大學(xué)碩士研究生。 Tel: 0516 - 87706149, E - mail: mj523xznu1edu1cn 參考文獻(xiàn): 1 唐兵, 喬豐立, 李桂花, 等. V ISUAL BA SIC 中文版程序 收稿日期: 2005 - 11 - 18; 責(zé)任編輯: 王宗禹 36 (C) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. - Page 2- 第 34卷第 3期 煤 炭 科 學(xué) 技 術(shù)2006年 3月 質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點, 低強度軟巖指單

10、軸抗壓強度小于 行時, 進(jìn)行了 2 3 次擴刷、重新錨網(wǎng)噴支護(hù) , 巷 25 MPa的松散、破碎、軟弱及風(fēng)化膨脹性一類巖 道變形速度仍在 215 mm / d左右。馬頭門支護(hù)前期 石的總稱。低強度型軟巖巷道巖體強度弱、結(jié)構(gòu) 變形不顯著 , 2個月后碹體壓酥、破壞; 變形速度 差 , 巷道的圍巖松動區(qū)范圍大。由于圍巖體承載能 急劇增加 , 并引起鄰近的井壁擠碎、開裂。 力差 , 支護(hù)方式的選擇受到限制 , 巷道的穩(wěn)定控制 2各種支護(hù)方式的工業(yè)性試驗 更為困難。多數(shù)巷道處于多次返修、多次擴刷、多 次支護(hù)的境地。 2 11支護(hù)方式 目前 , 低強度軟巖巷道大變形圍巖的穩(wěn)定控制 由于井底車場巷道支護(hù)困

11、難 , 試驗巷道嘗試采 理論及方式仍處于試驗、探索的階段。為此 , 在焦 用了多種典型的支護(hù)方式進(jìn)行了巷道支護(hù)效果的檢 作礦區(qū)軟巖礦井程村礦 , 對井底車場軟弱的泥巖巷 驗。支護(hù)方式如下: 一次錨網(wǎng)噴、二次錨網(wǎng)噴 道群進(jìn)行了不同支護(hù)方式的試驗研究, 選擇安全可 索; 一次錨網(wǎng)噴、擴刷、二次錨網(wǎng)噴索; 一 靠的支護(hù)方法 , 探索正確的低強度軟巖巷道變形控 次錨網(wǎng)噴、混凝土底拱、二次錨網(wǎng)噴索; 一次 制機理。 錨網(wǎng)噴、混凝土底拱、二次錨網(wǎng)噴索注漿; 一 次錨網(wǎng)噴、擴刷、二次全斷面半剛性料石碹 (雙 1巷道基本情況 ) 層 ; 一次錨網(wǎng)噴、讓壓變形、二次全端面半剛 ( ) 程村礦為在建礦井 , 車場

12、巷道群所處地層為二 性料石碹 單層 , 其中單層料石碹是根據(jù)雙層的 疊系石盒子組下部 , 位于泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖 支護(hù)效果好進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的。 互層中; 埋深 520 m , 其中表土層厚 410 m , 基巖 錨網(wǎng)噴索、碹體主要支護(hù)參數(shù): 22 2 600 段厚度 110 m 。井底車場四周被 3條大斷層切割包 mm20SMi n左旋螺紋鋼錨桿 , 間排距 600 mm 700 圍, 斷層落差 45 110 m。巷道圍巖呈碎裂結(jié)構(gòu) , mm; 混凝土噴層 , 初噴 70 mm、復(fù)噴 80 mm; 錨 層理紊亂, 節(jié)理發(fā)育。泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖單 索 1718 6 000 mm , 排距

13、1 400 mm; 注漿 , 外錨 軸抗壓強度分別為 1414, 1913, 4412 MPa; 單軸 內(nèi)注 , 注漿管 20 2 000 mm 無縫鋼管, 壁厚為 4 抗拉強度分別為 0185, 0199, 2118 MPa。泥巖中 mm , 注漿孔間排距 1 000 mm 2 400 mm , 漿料為 黏土礦物含量 75% 78% , 其中伊蒙混層含量 425號水泥 , 水灰比 017; 錨網(wǎng)索試驗巷道底拱 , 25% 32% 、伊利石含量 2% 4% 、高嶺石含量 700 mm 厚混凝土; 料石碹單層 350 mm , 雙層 700 33% 46% 、綠泥石含量 25% 32% , 其特

14、性是 mm 。巷道斷面與支護(hù)布置如圖 1所示。 遇水易膨脹泥化。粉砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育 , 節(jié)理裂隙 條數(shù) 1436條 /m3 , 平均間距不大于 012 m。 程村礦井井底車場巷道開工時, 馬頭門采用 600 mm 厚鋼筋混凝土碹; 其他巷道主要采用錨網(wǎng) 初噴、二次復(fù)噴支護(hù)。巷道斷面為半圓拱形 , 兩種 支護(hù)方式均未封底。 受圍巖松軟低強度和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力大的雙重作 用影響, 錨網(wǎng)噴巷道壓力顯現(xiàn)強烈 , 圍巖變形具有 四周來壓和顯著的流變時間效應(yīng)。巷道開挖后 , 頂 部變形下沉易垮落; 兩幫也整體向巷空方向移動; 圖 1巷道斷面與支護(hù)布置 同時, 底板產(chǎn)生強烈底鼓 , 兩底角內(nèi)移上抬 , 底板 中

15、部凸起。巷道變形時間長 , 初期來壓快 , 變形量 2 12支護(hù)效果 大; 穩(wěn)定后圍巖仍以一定速度長時間持續(xù)大變形。 采用 , 支護(hù)方式的巷道比常規(guī)的錨網(wǎng)噴方 巷道開挖 1月內(nèi), 巷道兩幫收斂量累計為 400700 式增加了錨索 , 圍巖移近速度較大。采用, 支 mm , 底鼓量為 600 1 500 mm , 巷道斷面收斂量 護(hù)方式的巷道施工了底拱 , 第支護(hù)方式采取了外 達(dá) 30% 65% 。巷道段面收斂速度穩(wěn)定后 , 變形 錨內(nèi)注加固, 巷道初始穩(wěn)定時間延長到 2個月, 之 速度仍保持在 35 mm / d。巷道端面收縮到難以通 后開裂破壞 , 收斂速度急劇增大。說明錨網(wǎng)支護(hù)作 37 (

16、C) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. - Page 3- 第 34卷第 3期 煤 炭 科 學(xué) 技 術(shù)2006年 3月 為永久支護(hù) , 現(xiàn)有的錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)及注漿加 式中 徑向應(yīng)力; r 固技術(shù)對巖石體本身軟弱破碎時不適用 , 圍巖強度 切向應(yīng)力; 提高不顯著 , 不能有效控制圍巖變形 , 甚至失效。 r應(yīng)力計算位置半徑。 錨桿一次支護(hù) , 料石碹二次支護(hù)是科學(xué)合理 巷道周邊: 2 的, 采用, 支護(hù)方式巷道全斷面料石碹支護(hù)巷 2R i r = R , = P

17、 (3) 0 2 2 i 道已施工一年 , 變形速度為 0108 mm / d, 正在持續(xù) R i - R0 料石碹極限承載能力狀態(tài)時, r = R , = ( ) 0 c 減小, 圍巖穩(wěn)定, 效果好 表 1 。 碹體對圍巖的支護(hù)強度為 2 2 表 1各種支護(hù)方式的試驗巷道速度穩(wěn)定期圍巖移近速度 R i - R0 P = = 11113 M Pa i 2 支護(hù)方式 2R i 項目 ( ) ( 式中, R0 = 215 m 巷道半徑 , R i = 2185 m 支 ) ( - 1 護(hù)體半徑 , c = 96155 MPa 巖石單軸抗壓強 巷道移近速度 /mm d 2145 215 016 01

18、4 0108 01061 ) 度 。 3 12半剛性料石碹的彈塑性力學(xué)承載能力 3料石碹剛性及半剛性支護(hù)的承載力計算 半剛性料石碹采用拱頂、兩肩的木磚做緩沖 及對比分析 體 , 允許料石碹適當(dāng)讓壓變形, 實現(xiàn)內(nèi)外層不同部 位的碹體材料達(dá)到單軸抗壓強度狀態(tài)受壓; 同時外 3 11剛性料石碹的彈性厚壁圓筒理論承載能力 載荷易調(diào)整至均勻分布。其承載能力按結(jié)構(gòu)力學(xué)公 料石碹材料為石灰?guī)r , 強度高且為脆性 , 材料 式計算。半剛性料石碹內(nèi)切向應(yīng)力均勻分布 = 性質(zhì)在極限破壞狀態(tài)之前可視為線彈性。剛性料石 , 承載能力為 c 碹受力狀態(tài)為巷道周邊巖石切向應(yīng)力最大 , 當(dāng)應(yīng)力 R i - R0 P = =

19、 11186 M Pa 超過巖石的單軸抗壓強度時, 材料基本不產(chǎn)生屈服 i R i c 即發(fā)生碎裂或片狀剝落破壞。因此 , 剛性料石碹的 由理論計算結(jié)果知, 中、小斷面巷道采用料石 極限受力狀態(tài)為周邊巖石達(dá)到單軸抗壓強度、碹體 碹進(jìn)行二次支護(hù)加固, 在壁后完全充填、碹體受均 內(nèi)部基本為彈性變形。試驗巷道斷面為底拱封閉底 布載荷時, 支護(hù)體極限承載力大。剛性料石碹支 板的直墻半圓拱型。巷道拱部的承載能力按圓形巷 護(hù) , Pi 為 11113 MPa。半剛性料石碹支護(hù) , Pi 為 道端面、四周受均布載荷 Pi (圖 2) 。 11186 MPa。料石碹極限承載力顯著大于錨桿錨索 支護(hù)強度 , 做

20、為二次支護(hù)有利于巷道實現(xiàn)穩(wěn)定。 4大變形圍巖穩(wěn)定控制試驗巷道分析 4 11試驗巷道二次支護(hù)的力學(xué)分析 試驗巷道支護(hù)的分類為二次錨網(wǎng)索支護(hù) , 一次 錨網(wǎng)、二次碹體支護(hù)兩種方式。按平面應(yīng)變軸對稱 問題考慮 , 取巷道圍巖體頂角 d 的一部分扇形體 進(jìn)行第二支護(hù)的巖體應(yīng)力變化趨勢的分析。模型扇 形體外徑 Rw 位于二次支護(hù)應(yīng)力影響區(qū)外 , 徑向應(yīng) 圖 2料石碹結(jié)構(gòu)及承載能力計算 力相對改變值 = 0, 兩直線邊上為切向應(yīng)力相 r 對改變值 , 圍巖體內(nèi)徑周邊上施加二次支護(hù)阻 根據(jù)彈性力學(xué)軸對稱問題的厚壁圓筒應(yīng)力 力 q 。錨網(wǎng)二次支護(hù)時錨桿的錨固端圓周上對錨 2 解 1 : 固區(qū)巖體還作用強度為

21、F = q R /R (R 為錨桿的 2 0 m m 2 2 2 R i R0 R i Pi ( ) 錨固端圓周半徑 ) 的二次錨桿壓緊力。根據(jù)扇形 r = 2 2 Pi - 2 2 2 1 R i - R0 R i - R0 r 體受力的徑向力學(xué)平衡方程 , 得碹體 (支架 ) 第 2 2 2 R R i R0 R i Pi w = P + (2) 2 2 i 2 2 2 二次支護(hù)的巖體切向應(yīng)力 d = - R q 。錨 R i - R0 R i - R0 r R 0 2 0 38 (C) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publish

22、ing House. All rights reserved. - Page 4- 第 34卷第 3期 煤 炭 科 學(xué) 技 術(shù)2006年 3月 R w 若巷道變形增加 , 彈性區(qū)巖體應(yīng)力值升高, 阻止變 桿第二次支護(hù)巖體切向應(yīng)力 d = 0。錨桿二 R 0 形的發(fā)展趨勢; 應(yīng)變軟化區(qū)、流動區(qū)巖體為非穩(wěn)定 次支護(hù)后 , 沿徑向分布的切向應(yīng)力相對改變值 狀態(tài) , 隨變形發(fā)展該區(qū)域圍巖應(yīng)力值減小, 巖體承 ( ) 的總值為零; 在錨固區(qū)內(nèi)為正 升高 , 遠(yuǎn) 載能力減弱?？刂葡锏绹鷰r穩(wěn)定要避免塑性區(qū)巖體 ( ) ( ) 離錨固區(qū)外為負(fù) 降低 。碹體 或支架 二次 承載力的降低。因此 , 二次支護(hù)控制低

23、強度軟巖巷 支護(hù)后 , 沿徑向分布的切向應(yīng)力相對改變值 的 道圍巖體穩(wěn)定的原則是: 巷道初期一次支護(hù)適 總值為負(fù)值。當(dāng)碹體剛度大、巷道位移基本為零 度變形 , 充分調(diào)動圍巖體的承載能力 , 變形的合理 ( ) ( ) 時, 為負(fù) 降低 , 為正 升高 。 r r 值是圍巖移近速度逐步降至穩(wěn)定值; 變形若繼續(xù)發(fā) 錨桿做為二次永久支護(hù)的軟巖巷道 , 巖體本身 展 , 塑性區(qū)擴大、巖體應(yīng)力減小, 圍巖狀況趨于惡 強度低 , c值、 值小。在側(cè)壓作用下 , 巷道塑性 化。二次支護(hù)利用支護(hù)或錨固區(qū)承載體的剛度 區(qū)切向應(yīng)力值提高有限; 由于應(yīng)變軟化 , 圍巖體承 和支撐力 , 避免圍巖承載體承載力的降低

24、, 并優(yōu)化 載力較低。而 目前的錨桿設(shè)計支護(hù)強度在 012 碹體支護(hù)塑性區(qū)或錨桿支護(hù)錨固區(qū)外圍巖體的應(yīng)力 014 MPa, 二次錨桿支護(hù)錨固區(qū)圍巖體的總體承載 狀態(tài)或在承載體剛度和強度不低于相應(yīng)臨界值的適 力增加較少。另外 , 錨桿支護(hù)阻力不直接參與巷道 量變形下 , 控制塑性區(qū)圍巖體應(yīng)力狀態(tài)逐步降至長 圍巖體的徑向平衡 , 只間接提高切向應(yīng)力值 , 來阻 期強度以下。 止圍巖體位移。 錨網(wǎng)噴支護(hù)軟巖巷道的錨固區(qū)圍巖承載體穩(wěn)定 5結(jié)論與建議 性和良好的抗流變特性是巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵。若剛度 一次錨網(wǎng)噴、二次大剛度、高強度支護(hù)控制低 較高, 二次支護(hù)應(yīng)力重新分配后 , 巷道錨固區(qū)外的 強度軟巖巷道圍

25、巖穩(wěn)定是科學(xué)合理的。大剛度高強 圍巖體切向應(yīng)力值降低 , 利于巷道圍巖趨于穩(wěn)定; 度碹體二次支護(hù)的機理是巷道圍巖切向應(yīng)力相對降 若剛度較低 , 錨固區(qū)圍巖體隨應(yīng)力增高、時間增加 低 , 徑向應(yīng)力相對升高, 應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)化。 易變形 , 二次支護(hù)后巷道的后續(xù)變形引起的圍巖應(yīng) 二次錨網(wǎng)索支護(hù)方式不適應(yīng)低強度軟巖巷道。 力重新分配 , 導(dǎo)致巷道錨固區(qū)外的周邊巖體切向應(yīng) 其原因是錨桿支護(hù)下的錨固區(qū)圍巖體剛度低 , 巖體 力值升高, 不利于巷道圍巖快速趨于穩(wěn)定狀態(tài)。同 c值偏低承載力提高有限; 錨桿及錨索支護(hù)強度較 時, 錨網(wǎng)索支護(hù)巷道出現(xiàn)較大變形 , 會導(dǎo)致巷道表 小; 網(wǎng)噴層對巷表圍巖難以實現(xiàn)基本等強支護(hù) , 產(chǎn) 面圍巖體破壞 , 錨桿承載