基于软岩下应力分析与稳定的研究

1、基于软岩下应力分析与稳定的研究    摘 要：软岩支护适用于松软、破碎、膨胀、流变、风化、蚀变及地质构造带、深部矿井等岩体中，用一般手段难以支护的岩土工程支护方法的总称。本文对风化破碎软岩巷道的锚杆(索)支护参数进行了技术分析。深部软岩在开挖后,由于卸荷及施工扰动,导致塑性圈的形成,如果支护体的支撑力不足时,会导致塑性圈内岩体的松动,从而引起围岩非平衡应力状态或导致失稳,所以有必要通过适当的理论推导来确定巷道围岩压力。采用锚网索喷+锚注联合支护技术，利用新型专利注浆锚杆，对大巷周围2 m 范围注浆，能够有效控制大巷变形关键词：软弱围岩；高应力；锚杆；锚注

2、中图分类号: TD320 前言深部开采首要、关键的技术是巷道支护,特别是顶板条件较差的回采巷道,如泥岩、页岩或泥岩页岩互层的厚软岩顶板,特征是强度低、孔隙率高,吸水性好、易风化、易崩解,具有显著的膨胀性和明显的时效性。由于岩体开挖后出现持续变形,成为巷道施工、维护中常遇到的问题,也是造成事故和影响生产的主要因素之一。对传统的巷道支护理论、技术提出了新的挑战。如果仍然沿用浅部低应力稳定围岩条件下的巷道支护参数进行方案设计,必将出现支护体的结构、参数与围岩变形特性不匹配、不耦合、不协调,容易造成支护材料失效或局部冒顶,严重影响采掘衔接和安全生产。1 围岩塑性圈的弹塑性力学分析1.1 塑性圈的形成及

3、研究巷道开挖后,围岩发生卸荷破坏,应力降低,加之新开裂处岩体在水及空气等因素作用下加速风化,岩体向巷道内部产生塑性松胀。这种塑性松胀的结果是,使原先由巷道周壁围岩所承受的应力传递一部分给邻近的岩体,邻近岩体也将产生塑性变形。当应力足够大时,塑性变形的范围便由巷道周壁围岩开始向深部围岩逐渐扩展下去,在巷道一定深度范围的围岩中形成一个塑性松动变形圈,简称塑性圈。在塑性圈内,岩体的内聚力c、内摩擦角及弹性模量E等均有所降低,强度也减小,丧失部分承载能力,形成三次应力。所以,研究围岩塑性区半径对于支护设备参数的选择具有重要意义 1, 2 。在围岩塑性区范围内,根据支护阻力、支护刚度、支护时间的不同,最

4、终会形成次生承载圈和松动圈。松动圈的大小及稳定与否与支护阻力有关,当支护阻力不足以维持围岩的稳定,松动区中的岩体就会在重力作用下松动塌落。所以要维持围岩稳定,既要维持围岩的极限平衡,还要维持松动区内滑移体的重力平衡。如果为维持滑移体重力平衡所需的支护阻力小于维持围岩极限平衡状态所需的支护阻力,那么只要松动区还保持极限平衡状态中,则松动区内滑移体就不会松动塌落。反之,则会松动塌落。由此,可以把维持松动区内滑移体平衡所需的支护阻力等于维持极限平衡状态的阻力,作为围岩出现松动塌落和确定最小支护阻力的条件。-2-1.2 围岩参数计算弹塑性力学推导深部软岩在开挖后,由于卸荷及施工扰动,导致塑性圈的形成,

5、如果支护体的支撑力不足时,会导致塑性圈内岩体的松动,从而引起围岩非平衡应力状态或导致失稳,所以有必要通过适当的理论推导来确定巷道围岩压力。下面以开挖圆形巷道为例,利用卡柯弹塑性理论,假定塑性圈与弹性岩体或弹性变形区脱落,二者之间不发生任何联系,仅推导塑性圈内岩体在自重力作用下所产生的围岩压力的计算公式。根据静力平衡条件,该微元体（图1）在巷道中轴线AB方向上的所有力之和为零,应用微积分的等价无穷小、高级无穷小的处理方法,根据莫尔准则,巷道围岩塑性区内的径向应力r和切向应力 关系,结合边界条件联立解得围岩压力a 的卡柯计算公式:( ) 2sin 3sin 1a1 sin 1cot 1 a1 si

6、n 1 sinr 3sin 1racR R = + （1）式中,r ,为岩体所受的径向应力和切向应力; c,为塑性圈内岩体粘结力及内摩擦角; R, a为塑性圈和巷道半径; r为计算应力点距巷道内壁的距离。图1 圆形巷道微元体由式(1)可知计算围岩压力时,首先需要确定塑性圈半径R。根据卡柯公式推导的前提条件是塑性圈与弹性区岩体已脱落。事实上,由新奥法支护原则可知,为了充分调动围岩的自承能力,一般在塑性圈与弹性区岩体尚未完全脱离之前,已采取足够的支护措施。此时,应将卡柯围岩压力a 和塑性圈半径R 的计算公式做以下修正 3 ( ) 3sin 11 sin 1 a 1 sin 3sin 1 araR

7、= ( )( )1 sincot 1 sin 2sin-3-2 大巷围岩变形破坏规律为了研究-620 大巷围岩的变形破坏规律，根据大巷的地质状况和变形破坏影响因素，模拟采动影响下大巷变形破坏规律，模拟结果如图2。图2 采动影响下大巷变形规律根据模拟结果，分析其变形破坏规律如下：(1) 采动影响后，巷道表面位移量增加，顶板下沉量明显增大，顶板下沉达248 mm、底鼓量达576 mm，两帮位移最大为471 mm；(2) 采动影响后，巷道附近的位移矢量和影响范围增大，巷道附近的位移矢量随巷道周边距离的增大而逐渐减小；巷道周围位移矢量的方向指向巷道的内部；巷道周边上位移矢量随着距离巷道中心的增大而减小

8、；(3) 受采动影响，应力集中的位置距巷道的距离变大，集中系数增加，垂直应力在巷道两帮产生应力集中，水平应力在巷道顶底板产生应力集中，随着支护强度的增加，应力集中的位置向巷道方向移近，应力集中系数逐渐增大43 大巷加固方案3.1 大巷加固思想及方案提出国内外对于软岩的特征、变形机制以及支护对策作了不少的研究，综合-620 大巷破坏因素以及变形规律，提出如下控制思想：（1）软岩充分变形。理论和实践都证明5，巷道开挖后，根据软岩的变形过程和特征，无论采用何种支护形式，围岩不可避免要进入塑性状态，巨大的 (如膨胀变形能)塑性能必须释放，这个过程由于围岩特性和工程环境改变而不同，给予充分的时间使软岩最

9、大限度地发挥塑性区承载能力而又不松动破坏，是实现软岩控制的关键；（2）改善围岩性质。通过注浆加固，浆液充填到岩石块间的孔隙之中，改变软弱围岩松散结构，提高围岩黏结力和内摩擦角，改善岩石的物理力学性质，提高围岩的整体承载能力，是实现软岩控制的基础；（3）全断面、联合加固。浆液的“网络”效应以及扩散作用将形成一个浆液扩散加固拱，具有“固底”和涵拱“作用，锚杆、锚索和喷网支护将形成锚网索喷浆组合拱与锚杆或锚索压缩区组合拱，联合支护实现了巷道多层有效拱结构，加上顶板、底板、底角、两帮全断面支护，避免应力集中和局部破坏，保证支护结构的整体稳定；针对前期锚网支护使巷道已经发生充分变形的现状，基于大巷加固的

10、思想，结合工程实践经验，提出采用锚网索喷+锚注的联合支护技术。-4-3.2 模拟方案为了确定合理的支护参数，建立-620 大巷数值模型，模拟大巷在有采动和无采动因素下的周边表面位移、巷道附近的垂直位移和水平位移分布、顶板冒落及周围岩层活动状况、巷道围岩垂直应力、水平应力分布。3.3 模拟结果（1）巷道的表面位移。在不同的方案下，对应的表面位移量逐渐减小，如表1 所示，表1-大巷受采动时表面位移量方案 顶板下沉量 底鼓量 左帮位移量 右帮位移量1 594 1002 1722 3312 248 576 471 1503 203 462 272 77.54 105 351 110 36.4采动影响后

11、，表面位移量增加，顶板下沉量影响最大，由于保护煤柱比较宽，影响不是很大（2）巷道附近的位移矢量。在4 种不同支护方式下，位移矢量影响范围和大小依次减小，随着支护强度的增加，两者变小。同一支护方式下，采动影响时较大。（3）巷道围岩的应力分布。在不同的支护方式下，应力分布形状是相同的，采动影响后，垂直应力和水平应力随着支护强度的增加，应力集中的位置向巷道方向移近，应力集中系数逐渐增大，如图3所示。图3 不同方案下采动后围岩垂直应力分布（4）巷道顶板冒落及围岩活动状况。无支护情况下，巷道破坏严重，围岩向巷道空间抛落，采动影响后巷道空间几乎被破碎岩块充满；在锚网支护情况下，较为稳定，在围岩性质较差，或

12、受采动影响后，有少量岩体可能脱落；在锚注支护下，巷道围岩得到加强，巷道稳定性很好，极少会发生岩块冒落现象，并且随着注浆范围的增大，巷道围岩的稳定性变得越来越好。综合分析比较，最终选取方案4，采用锚网索喷+锚注联合支护技术 6 。3.4 方案实施注浆设备是试验的基础，注浆参数设计是控制支护的核心，合理地监控巷道围岩注浆过程和确定注浆结束标准，是确保注浆效果的关键。实践表明，利用注浆压力、注浆量和注浆-5-时间3个指标作为控制注浆的标准较为合理，注浆设备和注浆参数如表2所示。表2 注浆设备和注浆参数Table 2 Grouting equipment and parameters注浆材料注浆泵型号

13、注浆锚杆水灰比注浆压力注浆量注浆时间525 号普通硅酸盐水泥KBY-50/70液压注浆泵LF-1 新型注浆锚杆（图5）0.8:11:13 mpa30-50Kg/孔20 min注浆锚杆是影响注浆工艺和注浆效果的重要因素，依据孔庄矿实际情况，在传统“锚封        一体化”注浆锚杆基础上进行了改进，研制了LF-1 新型注浆锚杆， 获得国家实用新型专利（ 专利号ZL200620073183.0），应用效果较好 7。6 结 论(1) 围岩软弱以及承受多种力综合作用，是造成围岩变形破坏严重的根本因素，采动是加剧破坏程度的

14、关键因素，模拟归纳了采动影响下大巷变形破坏规律，提出了大巷加固思想和方案，确定采用锚网索喷+锚注联合支护技术。(2) 锚网索喷+锚注联合加固主要参数设计正确，研制的新型注浆式锚杆结构合理，工作可靠性高。(3) 注浆前后围岩力学性质测试结果、矿压观测结果以及实摄大巷整体状况表明：新方案实施后，巷道围岩的顶板下沉及两帮移近速度、底鼓速度都能较大程度地降低，巷道变形得到明显控制，在技术、经济方面都取得了良好效果。-6-参考文献 1 康洪普,王金华. 煤巷锚杆支护理论与成套技术M . 北京:煤炭工业出版社, 2007, 11. 2 蔡美峰,何满朝. 岩石力学与工程M . 北京: 科学出版社,2004,

15、 12. 3 汪 伟,韩 磊. 基于UDEC 数值模拟的巷道断面形状优化设计 J . 煤炭工程, 2007, 12. 4 吕爱钟. 高地应力区地下硐室断面形状的选择方法 J . 煤炭学报, 1997, 10. 5 邢福康,蔡 坫等. 煤矿支护手册M . 北京:煤炭工业出版社, 1991, 12. 6 何满朝. 煤矿力学软岩变形机制与支护对策J. 水文地质工程地质, 1997, (2): 1216. 7 陆士良, 汤雷, 杨新安. 锚杆锚固力与锚固技术M.北京: 煤炭工业出版社, 1998.Under the stress analysis based on soft-rock and stab

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