软岩大巷围岩稳定性分析

软岩大巷围岩稳定性分析

0总结软岩道路一直是煤矿安全生产的保障问题。不同埋深不同的软岩道路变形和破坏的特点不同。而对于深部软岩巷道，围岩塑性变形和流变特性显著1巷道围岩结构某煤矿南翼轨道大巷是服务于南翼采区的主要运输、通风巷道，全长4290m，埋深480m。巷道为直墙拱形，开挖尺寸为5260mm（宽）×4960mm（高），半圆拱的半径为2630mm。巷道顶部与上部3南翼轨道大巷延伸段以岩巷为主，岩巷中的岩石主要以砂岩、泥岩及砂泥岩为主。巷道穿过较为软弱的泥岩层，为保障巷道围岩稳定和快速掘进，需对其穿过泥岩的工况进行分析。因此，采用数值模拟的方式对其进行模拟研究，在此之前需进行围岩力学参数测定。2围岩力学参数的测量对研究对象进行取样制样后，对其进行力学测试，测试结果如表1所示。3数值模拟3.1模拟对象的确定数值模型如图2所示。根据实际地质柱状图，确定模型的长×宽×高为30m×30m×40m。考虑到实际工程的对称性，只取巷道的右半侧为模拟对象。巷道为直墙拱形，开挖尺寸为5260mm（宽）×4960mm（高），半圆拱的半径为2630mm。均匀喷射混凝土厚度120mm。3.2锚杆锚固方式及锚索安装量(1）锚杆形式和规格。顶、帮锚杆型号相同，杆体为直径22mm的左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m或3.0m，杆尾螺纹为M24。(2）锚杆角度。帮、顶锚杆分别垂直岩面打设。(3）锚杆锚固方式。每根锚杆使用低粘度树脂药卷K2335、Z2360药卷各1支。在模拟中可在锚杆参数中设定。(4）锚杆布置。间排距为800mm×800mm或1000mm×1000mm。(5）锚杆扭矩。帮顶锚杆扭矩均要求达到150N·m以上，锚杆锚固力要求在100kN以上。锚索的模拟与锚杆类似，其锚固力为200kN。锚杆的模拟模型如图3所示。3.3垂直应力的计算模型的边界条件为：周边侧向约束，不允许有水平方向位移；底部全部约束不允许有位移；顶部为自由面。岩体中的垂直应力根据实际情况按12MPa计算。岩层参数表1已经说明，喷射混凝土层厚度为120mm，采用C20混凝土，其力学参数如表2所示。3.4模拟方案和结果分析3.4.1巷道围岩位移分布根据未支护巷道开挖后岩石的应力、应变情况及塑性区的发展趋势，进而对应力、应变较大的部位进行重点支护。按实际开挖进度，进行分步开挖模拟，每次进尺6m，释放部分应力后进行支护。开挖后的围岩变形和应力分布分别如图4、5所示。由图4、5分析可知：(1)巷道的较大垂直位移存在于拱顶处和巷道底部，拱脚处的垂直位移分布范围广；巷道的水平位移主要存在于边墙中上部。这些部位是设计支护的重点之一。(2)在拱顶上方巷道的垂直应力变化影响范围很大，因此在支护设计时应多加考虑。3.4.2种锚杆支护对比分析针对未支护情况模拟发现的问题，以初选锚喷支护为手段进行模拟。锚杆长度2.4m，间排距为800mm×800mm。锚杆参数如表3所示。开挖后的围岩变形和塑性区的模拟对比云图如图6、7所示。由图6、7分析可知：(1)开挖对巷道顶部围岩的影响范围减小，可见锚杆支护能起到维护围岩整体性的作用；垂直变形的影响范围比不做任何支护时变小，但没有显著减小；而水平位移的影响范围明显减小。(2)拱脚、拱顶依然有较大范围的塑性区，边墙的塑性区范围减小明显。由上述分析可知，在锚杆长度2.4m、间排距为800mm×800mm时，支护效果较为明显。为了与其做一比较，改变锚杆长度为3.0m，并加大锚杆间排距，其它锚杆参数不做变动。其位移对比分析如图8、9所示。从图8、9可以看出，对于2种锚杆支护方法，开挖结束后拱顶位移和边墙位移都没有显著的差距。在锚杆长度2.4m、间排距为800mm×800mm时，边墙位移较另一种支护方法略小。通过分析认为，宜用锚杆长度2.4m、间排距为800mm×800mm的支护方式。3.4.3锚杆支护情况对拱顶围岩变形的影响锚索成排布置，间排距为1600mm×1600mm，每排布置3根。其中拱顶处1根，拱脚处各1根；锚索长10m。锚索布置如图10所示，锚索参数如表4所示。开挖后的围岩变形和塑性区的变化情况如图11、12所示。由图11、12分析可知：比起单纯的锚喷支护，锚杆、锚索、喷射混凝土结合的支护方法可以明显减小开挖对拱顶围岩的影响范围；加锚索支护后，边墙水平位移与应力的变化规律与单纯的锚杆支护的变化规律差别不明显。从塑性区对比情况来看，与锚杆支护相比，锚杆锚索联合支护明显减小了拱顶和拱脚的塑性区范围，边墙的塑性区也有所减小。可见在拱顶和拱脚处增加锚索是一种非常有效的支护方法。3.4.4锚杆锚杆联合支护方案确定由于锚索施工较为不便，影响支护的及时进行。因此，根据锚杆索联合支护模拟成果，将锚索布置成三花式（2-3-2-3）,如图13所示。拱脚排距依然为1600mm，拱顶排距为3200mm。按照与之同样的模拟方法对该工法进行模拟，开挖后的围岩变形和塑性区的云图对比如图14、15所示。综合以上几种巷道围岩支护方式，对拱顶位移和边墙位移进行比较，结果如图16、17所示。由图14～17分析可知：锚杆索优化组合比未优化时的锚杆索组合围岩变形略有增加，开挖对拱顶围岩的影响范围没有明显变化。塑性区特征显示，优化支护的塑性区与锚杆索支护未优化时的塑性区差别不明显。因此，考虑巷道稳定性、完整性和施工方便，选择“锚喷+锚杆+锚索三花式布置”联合支护方式。具体参数为：锚杆长度2.4m，间排距为800mm×800mm，锚固力100kN；锚索布置方式为三花式，间距1.6m，拱脚排距1.6m，拱顶排距3.2m，锚索预紧力200kN。4边墙支护施工(1）通过对某矿深部软岩大巷的模拟得知：巷道开挖后，巷道的较大垂直位移存在于拱顶处和巷道底部，拱脚处的垂直位移分布范围广；巷道的水平位移主要存在于边墙中上部。(2）锚喷支护可以有效地减小边墙变形