8低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制试验研究

1、- Page 1- 第 34卷第 3期 煤 炭 科 学 技 术2006年 3月 低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制试验研究 李大伟 , 侯朝炯 (中国矿业大学 能源与安全工程学院, 江苏 徐州221008) 摘要: 通过在低强度软岩巷道进行的大变形围岩稳定控制试验及计算 , 分析了各种支护方式的试 验效果, 得出一次锚网喷、二次大刚度、高强度支护控制低强度软岩巷道围岩稳定是科学合理的。 低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制的机理为: 一次支护让压 , 围岩体受力达到较低变形速率下的 力学平衡 , 充分发挥围岩承载力; 二次大刚度高强度支护 , 减少巷道岩体偏应力 , 使巷道围岩切向 应力相对降低 ,

2、 径向应力相对升高, 应力状态优化 , 促进围岩应力向稳定应力状态转化。 关键词: 低强度软岩巷道; 围岩稳定; 二次支护 中图分类号: TD35011文献标识码: A文章编号: 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 我国许多煤矿开采时间较长 , 新建煤矿和老矿 地压、长时间持续流变的软岩特性。矿井出现了越 不得不建在地质条件复杂、岩层结构软弱的煤田或 来越多的用传统方法难以控制的软岩巷道。软岩主 向深部开采 , 巷道围岩体表现出明显的大变形、大 要分类为地质软岩和工程软岩。根据软岩的力学性 过测试 , 各项指标均满足使用要求。又选用了 30 设计教程 M . 北京:

8、 机械工业出版社, 2005. 个实际设计方案进行对比验证 , 结果符合要求。系 2 唐大放, 程志红 1机械设计工程 CAD M . 徐州: 中国矿 业大学出版社, 2003. 统从钢丝绳内偏角的查询到现场内偏角的计算及验 3 王亚慧, 武威, 郝学军 1使用 VB 实现对数据库的查询 证都较为完善 , 具有界面友好、操作简便、功能齐 J . 北京建筑工程学院学报 , 2004 (6) . 全、安全可靠等特点。系统的功能及结果的精度满 足设计规范要求 , 使用广系统能够提高设计工作效 作者简介: 马军 ( 1967 - ) , 男, 黑龙江伊春人, 任徐州师 率和计算结果的准确性。 范大学工

9、学院机械工程系副主任 , 现为中国矿业大学硕士研究生。 Tel: 0516 - 87706149, E - mail: mj523xznu1edu1cn 参考文献: 1 唐兵, 乔丰立, 李桂花, 等. V ISUAL BA SIC 中文版程序 收稿日期: 2005 - 11 - 18; 责任编辑: 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 学 技 术2006年 3月 质和结构特点, 低强度软岩指单

10、轴抗压强度小于 行时, 进行了 2 3 次扩刷、重新锚网喷支护 , 巷 25 MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩 道变形速度仍在 215 mm / d左右。马头门支护前期 石的总称。低强度型软岩巷道岩体强度弱、结构 变形不显著 , 2个月后碹体压酥、破坏; 变形速度 差 , 巷道的围岩松动区范围大。由于围岩体承载能 急剧增加 , 并引起邻近的井壁挤碎、开裂。 力差 , 支护方式的选择受到限制 , 巷道的稳定控制 2各种支护方式的工业性试验 更为困难。多数巷道处于多次返修、多次扩刷、多 次支护的境地。 2 11支护方式 目前 , 低强度软岩巷道大变形围岩的稳定控制 由于井底车场巷道支护困

11、难 , 试验巷道尝试采 理论及方式仍处于试验、探索的阶段。为此 , 在焦 用了多种典型的支护方式进行了巷道支护效果的检 作矿区软岩矿井程村矿 , 对井底车场软弱的泥岩巷 验。支护方式如下: 一次锚网喷、二次锚网喷 道群进行了不同支护方式的试验研究, 选择安全可 索; 一次锚网喷、扩刷、二次锚网喷索; 一 靠的支护方法 , 探索正确的低强度软岩巷道变形控 次锚网喷、混凝土底拱、二次锚网喷索; 一次 制机理。 锚网喷、混凝土底拱、二次锚网喷索注浆; 一 次锚网喷、扩刷、二次全断面半刚性料石碹 (双 1巷道基本情况 ) 层 ; 一次锚网喷、让压变形、二次全端面半刚 ( ) 程村矿为在建矿井 , 车场

12、巷道群所处地层为二 性料石碹 单层 , 其中单层料石碹是根据双层的 叠系石盒子组下部 , 位于泥岩、砂质泥岩和粉砂岩 支护效果好进行参数调整的。 互层中; 埋深 520 m , 其中表土层厚 410 m , 基岩 锚网喷索、碹体主要支护参数: 22 2 600 段厚度 110 m 。井底车场四周被 3条大断层切割包 mm20SMi n左旋螺纹钢锚杆 , 间排距 600 mm 700 围, 断层落差 45 110 m。巷道围岩呈碎裂结构 , mm; 混凝土喷层 , 初喷 70 mm、复喷 80 mm; 锚 层理紊乱, 节理发育。泥岩、砂质泥岩、粉砂岩单 索 1718 6 000 mm , 排距

13、1 400 mm; 注浆 , 外锚 轴抗压强度分别为 1414, 1913, 4412 MPa; 单轴 内注 , 注浆管 20 2 000 mm 无缝钢管, 壁厚为 4 抗拉强度分别为 0185, 0199, 2118 MPa。泥岩中 mm , 注浆孔间排距 1 000 mm 2 400 mm , 浆料为 黏土矿物含量 75% 78% , 其中伊蒙混层含量 425号水泥 , 水灰比 017; 锚网索试验巷道底拱 , 25% 32% 、伊利石含量 2% 4% 、高岭石含量 700 mm 厚混凝土; 料石碹单层 350 mm , 双层 700 33% 46% 、绿泥石含量 25% 32% , 其特

14、性是 mm 。巷道断面与支护布置如图 1所示。 遇水易膨胀泥化。粉砂岩节理裂隙发育 , 节理裂隙 条数 1436条 /m3 , 平均间距不大于 012 m。 程村矿井井底车场巷道开工时, 马头门采用 600 mm 厚钢筋混凝土碹; 其他巷道主要采用锚网 初喷、二次复喷支护。巷道断面为半圆拱形 , 两种 支护方式均未封底。 受围岩松软低强度和地质构造应力大的双重作 用影响, 锚网喷巷道压力显现强烈 , 围岩变形具有 四周来压和显著的流变时间效应。巷道开挖后 , 顶 部变形下沉易垮落; 两帮也整体向巷空方向移动; 图 1巷道断面与支护布置 同时, 底板产生强烈底鼓 , 两底角内移上抬 , 底板 中

15、部凸起。巷道变形时间长 , 初期来压快 , 变形量 2 12支护效果 大; 稳定后围岩仍以一定速度长时间持续大变形。 采用 , 支护方式的巷道比常规的锚网喷方 巷道开挖 1月内, 巷道两帮收敛量累计为 400700 式增加了锚索 , 围岩移近速度较大。采用, 支 mm , 底鼓量为 600 1 500 mm , 巷道断面收敛量 护方式的巷道施工了底拱 , 第支护方式采取了外 达 30% 65% 。巷道段面收敛速度稳定后 , 变形 锚内注加固, 巷道初始稳定时间延长到 2个月, 之 速度仍保持在 35 mm / d。巷道端面收缩到难以通 后开裂破坏 , 收敛速度急剧增大。说明锚网支护作 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 学 技 术2006年 3月 为永久支护 , 现有的锚杆、锚索支护系统及注浆加 式中 径向应力; r 固技术对岩石体本身软弱破碎时不适用 , 围岩强度 切向应力; 提高不显著 , 不能有效控制围岩变形 , 甚至失效。 r应力计算位置半径。 锚杆一次支护 , 料石碹二次支护是科学合理 巷道周边: 2 的, 采用, 支护方式巷道全断面料石碹支护巷 2R i r = R , = P

17、 (3) 0 2 2 i 道已施工一年 , 变形速度为 0108 mm / d, 正在持续 R i - R0 料石碹极限承载能力状态时, r = R , = ( ) 0 c 减小, 围岩稳定, 效果好 表 1 。 碹体对围岩的支护强度为 2 2 表 1各种支护方式的试验巷道速度稳定期围岩移近速度 R i - R0 P = = 11113 M Pa i 2 支护方式 2R i 项目 ( ) ( 式中, R0 = 215 m 巷道半径 , R i = 2185 m 支 ) ( - 1 护体半径 , c = 96155 MPa 岩石单轴抗压强 巷道移近速度 /mm d 2145 215 016 01

18、4 0108 01061 ) 度 。 3 12半刚性料石碹的弹塑性力学承载能力 3料石碹刚性及半刚性支护的承载力计算 半刚性料石碹采用拱顶、两肩的木砖做缓冲 及对比分析 体 , 允许料石碹适当让压变形, 实现内外层不同部 位的碹体材料达到单轴抗压强度状态受压; 同时外 3 11刚性料石碹的弹性厚壁圆筒理论承载能力 载荷易调整至均匀分布。其承载能力按结构力学公 料石碹材料为石灰岩 , 强度高且为脆性 , 材料 式计算。半刚性料石碹内切向应力均匀分布 = 性质在极限破坏状态之前可视为线弹性。刚性料石 , 承载能力为 c 碹受力状态为巷道周边岩石切向应力最大 , 当应力 R i - R0 P = =

19、 11186 M Pa 超过岩石的单轴抗压强度时, 材料基本不产生屈服 i R i c 即发生碎裂或片状剥落破坏。因此 , 刚性料石碹的 由理论计算结果知, 中、小断面巷道采用料石 极限受力状态为周边岩石达到单轴抗压强度、碹体 碹进行二次支护加固, 在壁后完全充填、碹体受均 内部基本为弹性变形。试验巷道断面为底拱封闭底 布载荷时, 支护体极限承载力大。刚性料石碹支 板的直墙半圆拱型。巷道拱部的承载能力按圆形巷 护 , Pi 为 11113 MPa。半刚性料石碹支护 , Pi 为 道端面、四周受均布载荷 Pi (图 2) 。 11186 MPa。料石碹极限承载力显著大于锚杆锚索 支护强度 , 做

20、为二次支护有利于巷道实现稳定。 4大变形围岩稳定控制试验巷道分析 4 11试验巷道二次支护的力学分析 试验巷道支护的分类为二次锚网索支护 , 一次 锚网、二次碹体支护两种方式。按平面应变轴对称 问题考虑 , 取巷道围岩体顶角 d 的一部分扇形体 进行第二支护的岩体应力变化趋势的分析。模型扇 形体外径 Rw 位于二次支护应力影响区外 , 径向应 图 2料石碹结构及承载能力计算 力相对改变值 = 0, 两直线边上为切向应力相 r 对改变值 , 围岩体内径周边上施加二次支护阻 根据弹性力学轴对称问题的厚壁圆筒应力 力 q 。锚网二次支护时锚杆的锚固端圆周上对锚 2 解 1 : 固区岩体还作用强度为

21、F = q R /R (R 为锚杆的 2 0 m m 2 2 2 R i R0 R i Pi ( ) 锚固端圆周半径 ) 的二次锚杆压紧力。根据扇形 r = 2 2 Pi - 2 2 2 1 R i - R0 R i - R0 r 体受力的径向力学平衡方程 , 得碹体 (支架 ) 第 2 2 2 R R i R0 R i Pi w = P + (2) 2 2 i 2 2 2 二次支护的岩体切向应力 d = - R q 。锚 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 学 技 术2006年 3月 R w 若巷道变形增加 , 弹性区岩体应力值升高, 阻止变 杆第二次支护岩体切向应力 d = 0。锚杆二 R 0 形的发展趋势; 应变软化区、流动区岩体为非稳定 次支护后 , 沿径向分布的切向应力相对改变值 状态 , 随变形发展该区域围岩应力值减小, 岩体承 ( ) 的总值为零; 在锚固区内为正 升高 , 远 载能力减弱。控制巷道围岩稳定要避免塑性区岩体 ( ) ( ) 离锚固区外为负 降低 。碹体 或支架 二次 承载力的降低。因此 , 二次支护控制低

23、强度软岩巷 支护后 , 沿径向分布的切向应力相对改变值 的 道围岩体稳定的原则是: 巷道初期一次支护适 总值为负值。当碹体刚度大、巷道位移基本为零 度变形 , 充分调动围岩体的承载能力 , 变形的合理 ( ) ( ) 时, 为负 降低 , 为正 升高 。 r r 值是围岩移近速度逐步降至稳定值; 变形若继续发 锚杆做为二次永久支护的软岩巷道 , 岩体本身 展 , 塑性区扩大、岩体应力减小, 围岩状况趋于恶 强度低 , c值、 值小。在侧压作用下 , 巷道塑性 化。二次支护利用支护或锚固区承载体的刚度 区切向应力值提高有限; 由于应变软化 , 围岩体承 和支撑力 , 避免围岩承载体承载力的降低

24、, 并优化 载力较低。而 目前的锚杆设计支护强度在 012 碹体支护塑性区或锚杆支护锚固区外围岩体的应力 014 MPa, 二次锚杆支护锚固区围岩体的总体承载 状态或在承载体刚度和强度不低于相应临界值的适 力增加较少。另外 , 锚杆支护阻力不直接参与巷道 量变形下 , 控制塑性区围岩体应力状态逐步降至长 围岩体的径向平衡 , 只间接提高切向应力值 , 来阻 期强度以下。 止围岩体位移。 锚网喷支护软岩巷道的锚固区围岩承载体稳定 5结论与建议 性和良好的抗流变特性是巷道稳定的关键。若刚度 一次锚网喷、二次大刚度、高强度支护控制低 较高, 二次支护应力重新分配后 , 巷道锚固区外的 强度软岩巷道围

25、岩稳定是科学合理的。大刚度高强 围岩体切向应力值降低 , 利于巷道围岩趋于稳定; 度碹体二次支护的机理是巷道围岩切向应力相对降 若刚度较低 , 锚固区围岩体随应力增高、时间增加 低 , 径向应力相对升高, 应力状态优化。 易变形 , 二次支护后巷道的后续变形引起的围岩应 二次锚网索支护方式不适应低强度软岩巷道。 力重新分配 , 导致巷道锚固区外的周边岩体切向应 其原因是锚杆支护下的锚固区围岩体刚度低 , 岩体 力值升高, 不利于巷道围岩快速趋于稳定状态。同 c值偏低承载力提高有限; 锚杆及锚索支护强度较 时, 锚网索支护巷道出现较大变形 , 会导致巷道表 小; 网喷层对巷表围岩难以实现基本等强支护 , 产 面围岩体破坏 , 锚杆承载