基于巖石強(qiáng)度理論計算的軟巖巷道支護(hù)方法

張立新

(七臺河職業(yè)學(xué)院,黑龍江七臺河 154600)

基于巖石強(qiáng)度理論計算的軟巖巷道支護(hù)方法

張立新

(七臺河職業(yè)學(xué)院,黑龍江七臺河 154600)

本文以新強(qiáng)煤礦巷道支護(hù)為工程實例,根據(jù)巖石強(qiáng)度理論,對采區(qū)軟巖巷道圍巖特性進(jìn)行了理論計算。對巷道圍巖性質(zhì)、原有支護(hù)方式進(jìn)行了計算分析。通過理論計算,設(shè)計出錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)形式,通過現(xiàn)場觀測證明對該礦軟巖巷道實施的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)獲得成功,解決了該礦高應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù)難題。

圍巖;軟巖;錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)

Abstract:In this paper,a new coal mine roadway support strong example for the project,according to the theory of rock strength on the mining area of soft rock roadway surrounding rock properties of the theory.The nature of the roadway surrounding rock,the original supporting manner calculated and analyzed. By theoretical calculations to design a joint mesh-anchor of supporting forms,through on-site observation proved to be the implementation of the mine of soft rock roadway mesh-anchor supporting the success of the joint resolve of the mine high stress of the supporting soft rock roadway problems.

Key words:rock soft;rock the joint;mesh-anchor of supporting

隨著煤炭連續(xù)開采,淺部資源越來越少,目前礦井多數(shù)已轉(zhuǎn)向深部開采,大應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題越來越突出.據(jù)統(tǒng)計,我國目前煤炭開采每年開掘巷道大約7000km,其中軟巖巷道約占600km。由于軟巖巷道的支護(hù)問題,每年大約有100km的軟巖巷道需要維護(hù)和返修。因此,能否解決好軟巖巷道的支護(hù)問題,是我國煤礦開采向深部發(fā)展和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。

目前,深部開采高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)設(shè)計主要有三種方法,即現(xiàn)場測量法、工程類比法和強(qiáng)度計算法。本文結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)通過強(qiáng)度計算法探討圍巖和支護(hù)間的關(guān)系,解決高應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù)問題。

1 問題的提出

黑龍江七煤集團(tuán)所轄新強(qiáng)煤礦,設(shè)計年產(chǎn)量為120萬t,現(xiàn)可采第5層組。分別為5-1, 5-2,5-3煤層頂板為深灰色和灰色泥巖,該巖石遇水膨脹,膨脹應(yīng)力和膨脹率大,是我國較為典型的軟巖礦井。由于二采區(qū)回采巷道(支護(hù):梁長2.2m,腿長2.4m,11#礦用工字鋼金屬棚梯形巷道)準(zhǔn)備期間巷道壓力大,圍巖變形嚴(yán)重,巷道遭到嚴(yán)重破壞,主要顯現(xiàn)為:棚子扭曲、折斷;巷道斷面明顯縮小;個別地段底板起臌。使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。在準(zhǔn)備相鄰采區(qū)準(zhǔn)備巷道時,對二采區(qū)的回采巷道影響嚴(yán)重,迫使準(zhǔn)備巷道推進(jìn)工作無法進(jìn)行。

2 新強(qiáng)礦第5層組巖層物理力學(xué)參數(shù)

新強(qiáng)礦5層組5-1煤層巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1～表5。

表1 新強(qiáng)礦煤巖天然視密度測定結(jié)果

表2 新強(qiáng)礦煤巖單向抗拉強(qiáng)度測定結(jié)果

表3 新強(qiáng)礦煤巖單向抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果

3 圍巖特性計算

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,煤層頂?shù)装鍨樗绍泿r體,則根據(jù)強(qiáng)度理論對巷道圍巖計算,并繪制圍巖塑性位移與支護(hù)抵抗力特性曲線。根據(jù)實測原巖最大主應(yīng)力值為P0=14MPa,5-1煤層頂板巖石為灰色砂泥巖。單向抗壓強(qiáng)度為σ=19.1MPa,彈性模量為E=5.1×103MPa,泊松比μ=0.24,天然視密度γ=23kN/m3,取系數(shù)m=1,s=0.004; sr=0.0001。

3.1 塑性區(qū)巖體強(qiáng)度

在破壞準(zhǔn)則中,霍克-布朗以破壞時最大和最小主應(yīng)力術(shù)語表達(dá)這一破壞準(zhǔn)則,這些應(yīng)力之間的關(guān)系用下述方程來定義: σ1=σ3+(mσcσ3+sσc2)1/2式中:σ1為破壞時的最大主應(yīng)力;σ3為破壞時的最小主應(yīng)力,在三軸情況下的側(cè)限應(yīng)力;σc為組成巖體完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度;m、s為經(jīng)驗常數(shù);m、s為經(jīng)驗常數(shù)。

表4 新強(qiáng)礦煤巖彈性模量、泊松比測定結(jié)果

表5 新強(qiáng)礦煤巖凝聚力、內(nèi)摩擦角測定結(jié)果

系數(shù)m總是一個有限的正值,其變化范圍從0.001(強(qiáng)擾動巖體)到大約25(堅硬完整巖體),系數(shù)S值的變化從0(節(jié)理化巖體)到1(定整巖石材料)。

塑性區(qū)是彈塑性巖體中與巷道相連的某一區(qū)域。修正后的強(qiáng)度公式也適用于塑性區(qū)。

即:

式中:σc為完整巖塊的單向抗壓強(qiáng)度。

式中:p0—原巖應(yīng)力。

m、S是巷道圍巖體的物性常數(shù),mr、sr為塑性區(qū)巖體的物性常數(shù)。因為塑性區(qū)巖體是破碎巖體,質(zhì)量相對較差,因此mr、Sr應(yīng)當(dāng)小于m、S。這四個物性參數(shù)可由軟巖分類分級獲得。

3.2 塑性區(qū)半徑

實際生產(chǎn)中,隨著圍巖位移的增大,塑性區(qū)內(nèi)的巖體是不可能始終保持原來那種極限平衡狀態(tài)的。塑性區(qū)內(nèi)巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角會逐漸降低,因而塑性區(qū)的應(yīng)力會繼續(xù)松弛,塑性區(qū)也會進(jìn)一步擴(kuò)大。

式中:R0為巷道半徑;Pi為支護(hù)力。

3.3 彈性區(qū)位移

如果巷道埋深超過軟化臨界深度,應(yīng)力高于巖石強(qiáng)度的部分巖體就發(fā)生破壞,靠近壁面的巖體最先破壞,最大主應(yīng)力集中區(qū)向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移。巷道圍巖應(yīng)力又重新進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整的結(jié)果,巷道圍巖出現(xiàn)四個區(qū),由巷道壁面向圍巖深部依次為:塑性流動區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性硬化區(qū)、彈性區(qū)。

式中:E、μ為巖石彈性摸量和泊松比。

3.4 塑性區(qū)體積應(yīng)變和位移

式中:R=1.1D

式中:

取支架抵抗力為3、2、1、0.5、0.2、0MPa,計算出R、u、εv和UR,計算結(jié)果見表6。表6中塑性區(qū)體積應(yīng)變εv為負(fù)值,表示體積增大。

表6 計算結(jié)果

由表6數(shù)據(jù)繪制圍巖特性曲線見圖1。

圖1 圍巖特性曲線

由計算結(jié)果可知,被動支護(hù)支護(hù)抗力為零時的圍巖塑性區(qū)位移uR=461mm。巷道圍巖允許位移空間uR]=(0.3--0.6)uR=(0.3—0.6) ×461=138—277mm。在選擇巷道支護(hù)時,巷道周邊位移應(yīng)落入允許位移區(qū)間uR]內(nèi),此時表明支護(hù)方式合理。

4 軟巖巷道支護(hù)設(shè)計

根據(jù)原巖應(yīng)力測定成果,該采區(qū)屬高應(yīng)力區(qū),圍巖屬V類極不穩(wěn)定巖層。在不改變采區(qū)設(shè)計基礎(chǔ)上,設(shè)計巷道斷面形狀和支護(hù)方式。根據(jù)軟巖巷道支護(hù)原理和方法,該工作面回采巷道選擇拱形斷面,錨桿-金屬網(wǎng)-錨索-鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)方式。支護(hù)參數(shù)確定與巷道斷面設(shè)計如下:

由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測定結(jié)果可知,該采區(qū)巷道圍巖屬于V類極不穩(wěn)定巖層,確定支護(hù)參數(shù):

①錨桿類型選擇:錨桿為樹脂錨固螺旋鋼錨桿,直徑d=1.8cm,抗拉強(qiáng)度Rs=580MPa,抗剪強(qiáng)度τs=160MPa,錨桿有效長度L=2200mm。

②錨桿間排距確定:間距:e=0.6m;排距: i=0.6m。

③鋼筋梯選擇:直徑:Φ=16mm;梯寬: B=100mm。

④金屬網(wǎng)選擇:直徑:Φ≥3mm;網(wǎng)格尺寸為:50×50mm;經(jīng)緯網(wǎng)網(wǎng)寬1000mm。

⑤錨索選擇:直徑Φ=15.24mm,錨索有效長度:L=6000mm。

⑥木墊板選擇:木質(zhì)選擇楊木或柳木,尺寸為:300×300×50mm。

根據(jù)軟巖巷道支護(hù)原理、原則和方法,巷道斷面形狀選擇半圓拱斷面。

5 巷道觀測結(jié)果分析

5.1 巷道表面位移觀測結(jié)果與分析

通過一個多月的觀測,獲取了表面位移的實測值,經(jīng)整理其結(jié)果見表7所示,從觀測計算結(jié)果來看,巷道的收斂量不大,在近一個多月的觀測時間內(nèi),頂板最大下沉量為29mm,兩幫最大收斂量53mm。由圍巖收斂量來看,巷道四周呈均勻內(nèi)擠的趨勢。巷道在掘后一段時間后趨于穩(wěn)定。由此可以看出,該支護(hù)方案對于控制巷道的變形來講是可取的。

表7 表面位移數(shù)據(jù)觀測表

5.2 頂板離層觀測結(jié)果與分析

由表8可看出,掘后穩(wěn)定后6m內(nèi)的頂板最大離層量為28mm,2m內(nèi)最大離層量為10mm,2～6m間頂板最大離層量18mm。從離層量來看,錨桿和錨索的共同作用有效的控制了頂板的下沉,從而說明該設(shè)計方案的錨桿和錨索的設(shè)計參數(shù)滿足對巷道控制的要求。

表8 頂板離層數(shù)據(jù)觀測表

6 結(jié)論

高應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù),多采用聯(lián)合支護(hù)方式和塑性支護(hù)不應(yīng)采用剛性支護(hù),支護(hù)效果顯著。可通過“承壓拱理論”進(jìn)行驗算。實踐證明新強(qiáng)煤礦通過采用該支護(hù)方式是合理有效的。在高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)圍巖特性計算中,采用了霍克強(qiáng)度理論,考慮了圍巖破碎程度和體積增大的特性,有別于脆性巖體圍巖變形性質(zhì),計算的圍巖變形更符合實際。通過對實驗巷道的觀測,該高應(yīng)力區(qū)軟巖巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)獲得了成功。解決了礦井軟巖巷道支護(hù)的難題。

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Theoretical calculations based on rock strength of the soft rock roadway approach

ZHANGLi-xin
(Qitaihe Vocational College,Qitaihe 154600,China)

TD353.6

A

1004-4051(2010)02-0096-04

2009-10-09