軟巖大巷圍巖穩(wěn)定性分析

軟巖大巷圍巖穩(wěn)定性分析

0總結(jié)軟巖道路一直是煤礦安全生產(chǎn)的保障問題。不同埋深不同的軟巖道路變形和破壞的特點(diǎn)不同。而對(duì)于深部軟巖巷道，圍巖塑性變形和流變特性顯著1巷道圍巖結(jié)構(gòu)某煤礦南翼軌道大巷是服務(wù)于南翼采區(qū)的主要運(yùn)輸、通風(fēng)巷道，全長(zhǎng)4290m，埋深480m。巷道為直墻拱形，開挖尺寸為5260mm（寬）×4960mm（高），半圓拱的半徑為2630mm。巷道頂部與上部3南翼軌道大巷延伸段以巖巷為主，巖巷中的巖石主要以砂巖、泥巖及砂泥巖為主。巷道穿過較為軟弱的泥巖層，為保障巷道圍巖穩(wěn)定和快速掘進(jìn)，需對(duì)其穿過泥巖的工況進(jìn)行分析。因此，采用數(shù)值模擬的方式對(duì)其進(jìn)行模擬研究，在此之前需進(jìn)行圍巖力學(xué)參數(shù)測(cè)定。2圍巖力學(xué)參數(shù)的測(cè)量對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行取樣制樣后，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。3數(shù)值模擬3.1模擬對(duì)象的確定數(shù)值模型如圖2所示。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)柱狀圖，確定模型的長(zhǎng)×寬×高為30m×30m×40m?？紤]到實(shí)際工程的對(duì)稱性，只取巷道的右半側(cè)為模擬對(duì)象。巷道為直墻拱形，開挖尺寸為5260mm（寬）×4960mm（高），半圓拱的半徑為2630mm。均勻噴射混凝土厚度120mm。3.2錨桿錨固方式及錨索安裝量(1）錨桿形式和規(guī)格。頂、幫錨桿型號(hào)相同，桿體為直徑22mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.4m或3.0m，桿尾螺紋為M24。(2）錨桿角度。幫、頂錨桿分別垂直巖面打設(shè)。(3）錨桿錨固方式。每根錨桿使用低粘度樹脂藥卷K2335、Z2360藥卷各1支。在模擬中可在錨桿參數(shù)中設(shè)定。(4）錨桿布置。間排距為800mm×800mm或1000mm×1000mm。(5）錨桿扭矩。幫頂錨桿扭矩均要求達(dá)到150N·m以上，錨桿錨固力要求在100kN以上。錨索的模擬與錨桿類似，其錨固力為200kN。錨桿的模擬模型如圖3所示。3.3垂直應(yīng)力的計(jì)算模型的邊界條件為：周邊側(cè)向約束，不允許有水平方向位移；底部全部約束不允許有位移；頂部為自由面。巖體中的垂直應(yīng)力根據(jù)實(shí)際情況按12MPa計(jì)算。巖層參數(shù)表1已經(jīng)說明，噴射混凝土層厚度為120mm，采用C20混凝土，其力學(xué)參數(shù)如表2所示。3.4模擬方案和結(jié)果分析3.4.1巷道圍巖位移分布根據(jù)未支護(hù)巷道開挖后巖石的應(yīng)力、應(yīng)變情況及塑性區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變較大的部位進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)。按實(shí)際開挖進(jìn)度，進(jìn)行分步開挖模擬，每次進(jìn)尺6m，釋放部分應(yīng)力后進(jìn)行支護(hù)。開挖后的圍巖變形和應(yīng)力分布分別如圖4、5所示。由圖4、5分析可知：(1)巷道的較大垂直位移存在于拱頂處和巷道底部，拱腳處的垂直位移分布范圍廣；巷道的水平位移主要存在于邊墻中上部。這些部位是設(shè)計(jì)支護(hù)的重點(diǎn)之一。(2)在拱頂上方巷道的垂直應(yīng)力變化影響范圍很大，因此在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多加考慮。3.4.2種錨桿支護(hù)對(duì)比分析針對(duì)未支護(hù)情況模擬發(fā)現(xiàn)的問題，以初選錨噴支護(hù)為手段進(jìn)行模擬。錨桿長(zhǎng)度2.4m，間排距為800mm×800mm。錨桿參數(shù)如表3所示。開挖后的圍巖變形和塑性區(qū)的模擬對(duì)比云圖如圖6、7所示。由圖6、7分析可知：(1)開挖對(duì)巷道頂部圍巖的影響范圍減小，可見錨桿支護(hù)能起到維護(hù)圍巖整體性的作用；垂直變形的影響范圍比不做任何支護(hù)時(shí)變小，但沒有顯著減小；而水平位移的影響范圍明顯減小。(2)拱腳、拱頂依然有較大范圍的塑性區(qū)，邊墻的塑性區(qū)范圍減小明顯。由上述分析可知，在錨桿長(zhǎng)度2.4m、間排距為800mm×800mm時(shí)，支護(hù)效果較為明顯。為了與其做一比較，改變錨桿長(zhǎng)度為3.0m，并加大錨桿間排距，其它錨桿參數(shù)不做變動(dòng)。其位移對(duì)比分析如圖8、9所示。從圖8、9可以看出，對(duì)于2種錨桿支護(hù)方法，開挖結(jié)束后拱頂位移和邊墻位移都沒有顯著的差距。在錨桿長(zhǎng)度2.4m、間排距為800mm×800mm時(shí)，邊墻位移較另一種支護(hù)方法略小。通過分析認(rèn)為，宜用錨桿長(zhǎng)度2.4m、間排距為800mm×800mm的支護(hù)方式。3.4.3錨桿支護(hù)情況對(duì)拱頂圍巖變形的影響錨索成排布置，間排距為1600mm×1600mm，每排布置3根。其中拱頂處1根，拱腳處各1根；錨索長(zhǎng)10m。錨索布置如圖10所示，錨索參數(shù)如表4所示。開挖后的圍巖變形和塑性區(qū)的變化情況如圖11、12所示。由圖11、12分析可知：比起單純的錨噴支護(hù)，錨桿、錨索、噴射混凝土結(jié)合的支護(hù)方法可以明顯減小開挖對(duì)拱頂圍巖的影響范圍；加錨索支護(hù)后，邊墻水平位移與應(yīng)力的變化規(guī)律與單純的錨桿支護(hù)的變化規(guī)律差別不明顯。從塑性區(qū)對(duì)比情況來看，與錨桿支護(hù)相比，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)明顯減小了拱頂和拱腳的塑性區(qū)范圍，邊墻的塑性區(qū)也有所減小?？梢娫诠绊敽凸澳_處增加錨索是一種非常有效的支護(hù)方法。3.4.4錨桿錨桿聯(lián)合支護(hù)方案確定由于錨索施工較為不便，影響支護(hù)的及時(shí)進(jìn)行。因此，根據(jù)錨桿索聯(lián)合支護(hù)模擬成果，將錨索布置成三花式（2-3-2-3）,如圖13所示。拱腳排距依然為1600mm，拱頂排距為3200mm。按照與之同樣的模擬方法對(duì)該工法進(jìn)行模擬，開挖后的圍巖變形和塑性區(qū)的云圖對(duì)比如圖14、15所示。綜合以上幾種巷道圍巖支護(hù)方式，對(duì)拱頂位移和邊墻位移進(jìn)行比較，結(jié)果如圖16、17所示。由圖14～17分析可知：錨桿索優(yōu)化組合比未優(yōu)化時(shí)的錨桿索組合圍巖變形略有增加，開挖對(duì)拱頂圍巖的影響范圍沒有明顯變化。塑性區(qū)特征顯示，優(yōu)化支護(hù)的塑性區(qū)與錨桿索支護(hù)未優(yōu)化時(shí)的塑性區(qū)差別不明顯。因此，考慮巷道穩(wěn)定性、完整性和施工方便，選擇“錨噴+錨桿+錨索三花式布置”聯(lián)合支護(hù)方式。具體參數(shù)為：錨桿長(zhǎng)度2.4m，間排距為800mm×800mm，錨固力100kN；錨索布置方式為三花式，間距1.6m，拱腳排距1.6m，拱頂排距3.2m，錨索預(yù)緊力200kN。4邊墻支護(hù)施工(1）通過對(duì)某礦深部軟巖大巷的模擬得知：巷道開挖后，巷道的較大垂直位移存在于拱頂處和巷道底部，拱腳處的垂直位移分布范圍廣；巷道的水平位移主要存在于邊墻中上部。(2）錨噴支護(hù)可以有效地減小邊墻變形