基于軟巖下應(yīng)力分析與穩(wěn)定的研究

1、基于軟巖下應(yīng)力分析與穩(wěn)定的研究    摘 要：軟巖支護(hù)適用于松軟、破碎、膨脹、流變、風(fēng)化、蝕變及地質(zhì)構(gòu)造帶、深部礦井等巖體中，用一般手段難以支護(hù)的巖土工程支護(hù)方法的總稱。本文對風(fēng)化破碎軟巖巷道的錨桿(索)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了技術(shù)分析。深部軟巖在開挖后,由于卸荷及施工擾動,導(dǎo)致塑性圈的形成,如果支護(hù)體的支撐力不足時,會導(dǎo)致塑性圈內(nèi)巖體的松動,從而引起圍巖非平衡應(yīng)力狀態(tài)或?qū)е率Х€(wěn),所以有必要通過適當(dāng)?shù)睦碚撏茖?dǎo)來確定巷道圍巖壓力。采用錨網(wǎng)索噴+錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，利用新型專利注漿錨桿，對大巷周圍2 m 范圍注漿，能夠有效控制大巷變形關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；高應(yīng)力；錨桿；錨注

2、中圖分類號: TD320 前言深部開采首要、關(guān)鍵的技術(shù)是巷道支護(hù),特別是頂板條件較差的回采巷道,如泥巖、頁巖或泥巖頁巖互層的厚軟巖頂板,特征是強(qiáng)度低、孔隙率高,吸水性好、易風(fēng)化、易崩解,具有顯著的膨脹性和明顯的時效性。由于巖體開挖后出現(xiàn)持續(xù)變形,成為巷道施工、維護(hù)中常遇到的問題,也是造成事故和影響生產(chǎn)的主要因素之一。對傳統(tǒng)的巷道支護(hù)理論、技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。如果仍然沿用淺部低應(yīng)力穩(wěn)定圍巖條件下的巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行方案設(shè)計,必將出現(xiàn)支護(hù)體的結(jié)構(gòu)、參數(shù)與圍巖變形特性不匹配、不耦合、不協(xié)調(diào),容易造成支護(hù)材料失效或局部冒頂,嚴(yán)重影響采掘銜接和安全生產(chǎn)。1 圍巖塑性圈的彈塑性力學(xué)分析1.1 塑性圈的形成及

3、研究巷道開挖后,圍巖發(fā)生卸荷破壞,應(yīng)力降低,加之新開裂處巖體在水及空氣等因素作用下加速風(fēng)化,巖體向巷道內(nèi)部產(chǎn)生塑性松脹。這種塑性松脹的結(jié)果是,使原先由巷道周壁圍巖所承受的應(yīng)力傳遞一部分給鄰近的巖體,鄰近巖體也將產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)應(yīng)力足夠大時,塑性變形的范圍便由巷道周壁圍巖開始向深部圍巖逐漸擴(kuò)展下去,在巷道一定深度范圍的圍巖中形成一個塑性松動變形圈,簡稱塑性圈。在塑性圈內(nèi),巖體的內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角及彈性模量E等均有所降低,強(qiáng)度也減小,喪失部分承載能力,形成三次應(yīng)力。所以,研究圍巖塑性區(qū)半徑對于支護(hù)設(shè)備參數(shù)的選擇具有重要意義 1, 2 。在圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi),根據(jù)支護(hù)阻力、支護(hù)剛度、支護(hù)時間的不同,最

4、終會形成次生承載圈和松動圈。松動圈的大小及穩(wěn)定與否與支護(hù)阻力有關(guān),當(dāng)支護(hù)阻力不足以維持圍巖的穩(wěn)定,松動區(qū)中的巖體就會在重力作用下松動塌落。所以要維持圍巖穩(wěn)定,既要維持圍巖的極限平衡,還要維持松動區(qū)內(nèi)滑移體的重力平衡。如果為維持滑移體重力平衡所需的支護(hù)阻力小于維持圍巖極限平衡狀態(tài)所需的支護(hù)阻力,那么只要松動區(qū)還保持極限平衡狀態(tài)中,則松動區(qū)內(nèi)滑移體就不會松動塌落。反之,則會松動塌落。由此,可以把維持松動區(qū)內(nèi)滑移體平衡所需的支護(hù)阻力等于維持極限平衡狀態(tài)的阻力,作為圍巖出現(xiàn)松動塌落和確定最小支護(hù)阻力的條件。-2-1.2 圍巖參數(shù)計算彈塑性力學(xué)推導(dǎo)深部軟巖在開挖后,由于卸荷及施工擾動,導(dǎo)致塑性圈的形成,

5、如果支護(hù)體的支撐力不足時,會導(dǎo)致塑性圈內(nèi)巖體的松動,從而引起圍巖非平衡應(yīng)力狀態(tài)或?qū)е率Х€(wěn),所以有必要通過適當(dāng)?shù)睦碚撏茖?dǎo)來確定巷道圍巖壓力。下面以開挖圓形巷道為例,利用卡柯彈塑性理論,假定塑性圈與彈性巖體或彈性變形區(qū)脫落,二者之間不發(fā)生任何聯(lián)系,僅推導(dǎo)塑性圈內(nèi)巖體在自重力作用下所產(chǎn)生的圍巖壓力的計算公式。根據(jù)靜力平衡條件,該微元體（圖1）在巷道中軸線AB方向上的所有力之和為零,應(yīng)用微積分的等價無窮小、高級無窮小的處理方法,根據(jù)莫爾準(zhǔn)則,巷道圍巖塑性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力 關(guān)系,結(jié)合邊界條件聯(lián)立解得圍巖壓力a 的卡柯計算公式:( ) 2sin 3sin 1a1 sin 1cot 1 a1 si

6、n 1 sinr 3sin 1racR R = + （1）式中,r ,為巖體所受的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力; c,為塑性圈內(nèi)巖體粘結(jié)力及內(nèi)摩擦角; R, a為塑性圈和巷道半徑; r為計算應(yīng)力點距巷道內(nèi)壁的距離。圖1 圓形巷道微元體由式(1)可知計算圍巖壓力時,首先需要確定塑性圈半徑R。根據(jù)卡柯公式推導(dǎo)的前提條件是塑性圈與彈性區(qū)巖體已脫落。事實上,由新奧法支護(hù)原則可知,為了充分調(diào)動圍巖的自承能力,一般在塑性圈與彈性區(qū)巖體尚未完全脫離之前,已采取足夠的支護(hù)措施。此時,應(yīng)將卡柯圍巖壓力a 和塑性圈半徑R 的計算公式做以下修正 3 ( ) 3sin 11 sin 1 a 1 sin 3sin 1 araR

7、= ( )( )1 sincot 1 sin 2sin-3-2 大巷圍巖變形破壞規(guī)律為了研究-620 大巷圍巖的變形破壞規(guī)律，根據(jù)大巷的地質(zhì)狀況和變形破壞影響因素，模擬采動影響下大巷變形破壞規(guī)律，模擬結(jié)果如圖2。圖2 采動影響下大巷變形規(guī)律根據(jù)模擬結(jié)果，分析其變形破壞規(guī)律如下：(1) 采動影響后，巷道表面位移量增加，頂板下沉量明顯增大，頂板下沉達(dá)248 mm、底鼓量達(dá)576 mm，兩幫位移最大為471 mm；(2) 采動影響后，巷道附近的位移矢量和影響范圍增大，巷道附近的位移矢量隨巷道周邊距離的增大而逐漸減小；巷道周圍位移矢量的方向指向巷道的內(nèi)部；巷道周邊上位移矢量隨著距離巷道中心的增大而減小

8、；(3) 受采動影響，應(yīng)力集中的位置距巷道的距離變大，集中系數(shù)增加，垂直應(yīng)力在巷道兩幫產(chǎn)生應(yīng)力集中，水平應(yīng)力在巷道頂?shù)装瀹a(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，應(yīng)力集中的位置向巷道方向移近，應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大43 大巷加固方案3.1 大巷加固思想及方案提出國內(nèi)外對于軟巖的特征、變形機(jī)制以及支護(hù)對策作了不少的研究，綜合-620 大巷破壞因素以及變形規(guī)律，提出如下控制思想：（1）軟巖充分變形。理論和實踐都證明5，巷道開挖后，根據(jù)軟巖的變形過程和特征，無論采用何種支護(hù)形式，圍巖不可避免要進(jìn)入塑性狀態(tài)，巨大的 (如膨脹變形能)塑性能必須釋放，這個過程由于圍巖特性和工程環(huán)境改變而不同，給予充分的時間使軟巖最

9、大限度地發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而又不松動破壞，是實現(xiàn)軟巖控制的關(guān)鍵；（2）改善圍巖性質(zhì)。通過注漿加固，漿液充填到巖石塊間的孔隙之中，改變軟弱圍巖松散結(jié)構(gòu)，提高圍巖黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角，改善巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖的整體承載能力，是實現(xiàn)軟巖控制的基礎(chǔ)；（3）全斷面、聯(lián)合加固。漿液的“網(wǎng)絡(luò)”效應(yīng)以及擴(kuò)散作用將形成一個漿液擴(kuò)散加固拱，具有“固底”和涵拱“作用，錨桿、錨索和噴網(wǎng)支護(hù)將形成錨網(wǎng)索噴漿組合拱與錨桿或錨索壓縮區(qū)組合拱，聯(lián)合支護(hù)實現(xiàn)了巷道多層有效拱結(jié)構(gòu)，加上頂板、底板、底角、兩幫全斷面支護(hù)，避免應(yīng)力集中和局部破壞，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定；針對前期錨網(wǎng)支護(hù)使巷道已經(jīng)發(fā)生充分變形的現(xiàn)狀，基于大巷加固的

10、思想，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，提出采用錨網(wǎng)索噴+錨注的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。-4-3.2 模擬方案為了確定合理的支護(hù)參數(shù)，建立-620 大巷數(shù)值模型，模擬大巷在有采動和無采動因素下的周邊表面位移、巷道附近的垂直位移和水平位移分布、頂板冒落及周圍巖層活動狀況、巷道圍巖垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布。3.3 模擬結(jié)果（1）巷道的表面位移。在不同的方案下，對應(yīng)的表面位移量逐漸減小，如表1 所示，表1-大巷受采動時表面位移量方案 頂板下沉量 底鼓量 左幫位移量 右?guī)臀灰屏? 594 1002 1722 3312 248 576 471 1503 203 462 272 77.54 105 351 110 36.4采動影響后

11、，表面位移量增加，頂板下沉量影響最大，由于保護(hù)煤柱比較寬，影響不是很大（2）巷道附近的位移矢量。在4 種不同支護(hù)方式下，位移矢量影響范圍和大小依次減小，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，兩者變小。同一支護(hù)方式下，采動影響時較大。（3）巷道圍巖的應(yīng)力分布。在不同的支護(hù)方式下，應(yīng)力分布形狀是相同的，采動影響后，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，應(yīng)力集中的位置向巷道方向移近，應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大，如圖3所示。圖3 不同方案下采動后圍巖垂直應(yīng)力分布（4）巷道頂板冒落及圍巖活動狀況。無支護(hù)情況下，巷道破壞嚴(yán)重，圍巖向巷道空間拋落，采動影響后巷道空間幾乎被破碎巖塊充滿；在錨網(wǎng)支護(hù)情況下，較為穩(wěn)定，在圍巖性質(zhì)較差，或

12、受采動影響后，有少量巖體可能脫落；在錨注支護(hù)下，巷道圍巖得到加強(qiáng)，巷道穩(wěn)定性很好，極少會發(fā)生巖塊冒落現(xiàn)象，并且隨著注漿范圍的增大，巷道圍巖的穩(wěn)定性變得越來越好。綜合分析比較，最終選取方案4，采用錨網(wǎng)索噴+錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù) 6 。3.4 方案實施注漿設(shè)備是試驗的基礎(chǔ)，注漿參數(shù)設(shè)計是控制支護(hù)的核心，合理地監(jiān)控巷道圍巖注漿過程和確定注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，是確保注漿效果的關(guān)鍵。實踐表明，利用注漿壓力、注漿量和注漿-5-時間3個指標(biāo)作為控制注漿的標(biāo)準(zhǔn)較為合理，注漿設(shè)備和注漿參數(shù)如表2所示。表2 注漿設(shè)備和注漿參數(shù)Table 2 Grouting equipment and parameters注漿材料注漿泵型號

13、注漿錨桿水灰比注漿壓力注漿量注漿時間525 號普通硅酸鹽水泥KBY-50/70液壓注漿泵LF-1 新型注漿錨桿（圖5）0.8:11:13 mpa30-50Kg/孔20 min注漿錨桿是影響注漿工藝和注漿效果的重要因素，依據(jù)孔莊礦實際情況，在傳統(tǒng)“錨封        一體化”注漿錨桿基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，研制了LF-1 新型注漿錨桿， 獲得國家實用新型專利（ 專利號ZL200620073183.0），應(yīng)用效果較好 7。6 結(jié) 論(1) 圍巖軟弱以及承受多種力綜合作用，是造成圍巖變形破壞嚴(yán)重的根本因素，采動是加劇破壞程度的

14、關(guān)鍵因素，模擬歸納了采動影響下大巷變形破壞規(guī)律，提出了大巷加固思想和方案，確定采用錨網(wǎng)索噴+錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。(2) 錨網(wǎng)索噴+錨注聯(lián)合加固主要參數(shù)設(shè)計正確，研制的新型注漿式錨桿結(jié)構(gòu)合理，工作可靠性高。(3) 注漿前后圍巖力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果、礦壓觀測結(jié)果以及實攝大巷整體狀況表明：新方案實施后，巷道圍巖的頂板下沉及兩幫移近速度、底鼓速度都能較大程度地降低，巷道變形得到明顯控制，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面都取得了良好效果。-6-參考文獻(xiàn) 1 康洪普,王金華. 煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)M . 北京:煤炭工業(yè)出版社, 2007, 11. 2 蔡美峰,何滿朝. 巖石力學(xué)與工程M . 北京: 科學(xué)出版社,2004,

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16、leresearchZhang Qiushuang, Liu Jia, Qi Gang1Liaoning Engineering Technology University of Technology and Economics, Liaoning,PRC (123000)2Department of Resources and Environmental Engineering, Liaoning Engineering TechnologyUniversity, Liaoning, PRC (123000)AbstractThe soft rock supporting applied t

17、o soft, broken, swelling, rheological, weathering, alteration andgeological tectonic belt, deep mines such as rock, by using an ordinary means of supporting it difficultgeotechnical engineering methods supporting the general term. In this paper, weathered soft rockroadway broken bolt (cable) support

18、ing technical analysis parameters. Deep soft rock in the excavation,due to the unloading and construction of the disturbance, resulting in the formation of the plastic ring,if the supporting body of sufficient support, it will lead to the loosening of rock mass plastic circle,which led to non-equilibrium state of stress or rock lead to instability, it is necessary to adoptappropriate theoretical derivation to determine the roa