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锚喷支护条件下深井回采巷道两帮合理支护阻力研究
2019-05-17
根据回采巷道两帮压裂失稳和剪切失稳破坏模型,对喷锚支护条件下回采巷道两帮 稳定性及喷锚复合支护的合理支护阻力进行了研究。认为在分析回采巷道两帮围岩锚固体破坏特 征及作用机理的基础上,按照剪切失稳破坏形态对深井回采巷道两帮进行设计能够确保安全。在 上述分析的基础上,提出了锚喷支护条件下两帮喷锚支护的支护阻力计算方法,可为巷道支护设计 施工提供参考。
Serial No. 600 April. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 600期 2019 年 4 月第 4 期 锚喷支护条件下深井回采巷道两帮合理支护阻力研究 1 ,2 1,2 1,2 1,2 1,2 卢永虎 ꢀ 刘长武 ꢀ 周贤良 ꢀ 张连卫 ꢀ 冯ꢀ 波 ( 1. 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室;2. 四川大学水利水电学院) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 根据回采巷道两帮压裂失稳和剪切失稳破坏模型,对喷锚支护条件下回采巷道两帮 稳定性及喷锚复合支护的合理支护阻力进行了研究。 认为在分析回采巷道两帮围岩锚固体破坏特 征及作用机理的基础上,按照剪切失稳破坏形态对深井回采巷道两帮进行设计能够确保安全。 在 上述分析的基础上,提出了锚喷支护条件下两帮喷锚支护的支护阻力计算方法,可为巷道支护设计 施工提供参考。 关键词ꢀ 锚喷支护ꢀ 剪切失稳ꢀ 支护阻力 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 04. 051 Study on Reasonable Support Resistance of Two Sides in Deep Shaft Mining Roadway under Bolt Shotcrete Support Condition 1 ,2 1,2 1,2 1,2 1,2 Lu Yonghu ꢀ Liu Changwu ꢀ Zhou Xianliang ꢀ Zhang Lianwei ꢀ Feng Bo 1. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Development and Protection; . College of Water Resource & Hydropower,Sichuan University) ꢀ ( 2 Abstractꢀ According to the model of fracture instability and shear instability failure of two sides of mining roadway,the reasonable support resistance of two sides of stability and the composite support of bolting and shotcreting under the condition of bolting and shotcreting support are studied. On the basis of analyzing the failure characteristics and mechanism of two sides of rock bolts and solids in the mining laneway,it is considered that the design of the two sides in the deep well mining roadway is partial to safe- ty according to the shear instability failure model. Based on the above discussion results,the design and calculation method of the support resistance of two sides of bolting and shotcreting support under the con- dition of bolting and shotcreting support is put forward. The above study conclusions can be used as a ref- erence for the reinforcement mechanism and design of bolting and shotcreting support. Keywordsꢀ Bolting and shotcreting support,Shear instability,Support resistance ꢀ ꢀ 锚喷支护是由锚杆、钢筋网和高压喷射混凝土 是国内外学者研究的重点,对巷帮变形的研究则相 对有限。 在工程调研中发现,巷道两帮的变形及受 力特征对巷道的整体稳定性也具有重要作用。 由于 深井巷道在高应力作用下围岩的破坏形式趋于复 杂,巷道两帮的破坏形态也分为压剪式破坏、滑落式 组成的复合支护,其主要作用是限制围岩变形自由 发展、帮助围岩发挥自承能力、调整围岩应力分布以 及防止围岩松塌坠落,具有造价低、技术成熟、施工 方便、支护效果良好等优点,因而在巷道支护中得到 了普遍应用。 锚喷既可作为巷道施工过程中的临时 [ 2] 破坏、劈裂式破坏、横拱形破坏等诸多形态 。 帮 破坏可能进一步诱发顶破坏和整个巷道失稳,酿成 工程灾难。 锚喷复合支护可以有效改善巷道两帮围 岩应力状态及力学性能,从而使得围岩强度得到提 [ 1] 支护,也可在某些情况下作为巷道的永久支护 。 长期以来,巷道顶底板变形性态的预报和控制一直 ꢀ ꢀ 卢永虎(1995—),男,硕士研究生,610065 四川省成都市。 通信作者ꢀ 刘长武(1963—),男,教授,博士,博士研究生导师, 10065 四川省成都市。 升以保持两帮稳定。 近年来,部分学者对巷道两帮 [3-5] 的围岩稳定性进行了研究 ,但多侧重于失稳机理 6 1 72 ꢀ ꢀ 卢永虎ꢀ 刘长武等:锚喷支护条件下深井回采巷道两帮合理支护阻力研究ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 4 月第 4 期 探讨,对两帮合理支护阻力的研究涉及较少。 在锚 破坏的程度,换言之,若设计时按剪切破坏形态对两 帮锚固体进行设计,得到的结果必然满足锚固体不 [ 6] 喷支护条件下,勾攀峰等 根据巷道两帮顶板压力 及上部载荷大小以及锚固体力学性能提高程度,将 深井巷道两帮失稳破坏形态分为压裂失稳和剪切失 稳 2 种类型。 本研究在上述成果的基础上,深入分 析深井巷道两帮围岩锚固体压裂失稳和剪切失稳破 坏的力学模型,对两帮喷锚支护的喷射混凝土、锚 杆、金属网、岩石承压拱的最大支护阻力及锚喷支护 总支护阻力进行讨论。 [ 8] 发生压裂破坏的要求 。 2ꢀ 深井巷道两帮支护设计 喷锚支护形成的锚固体强度在一定程度上决定 了巷道两帮锚固体的破坏形态及巷道两帮稳定性。 [ 9] 锚固体强度主要与锚固体的力学参数有关 。 根 据巷道开挖后周边应力重新分布的结果,构建的巷 道两帮锚固体剪切破坏的力学模型如图 2 所示。 1 ꢀ 巷道两帮失稳破坏力学模型 压裂失稳是指当上方顶板锚固体及上部破碎岩 体的载荷压力作用较大,而两帮锚固体强度相对较 小时,锚固体的承载能力小于承载压力,帮锚固体内 部呈压缩破坏失稳,如图 1(a)所示;剪切失稳是指 当上方顶板锚固体及上部破碎岩体载荷压力作用较 小,巷道两帮锚固体由于压缩产生横向拉应力,进而 导致锚固体的剪应力大于抗剪强度,当两帮锚固体 强度相对较大时,巷道两帮锚固体内部产生剪切滑 动破坏失稳,如图 1(b)所示。〛 图 2ꢀ 锚固体剪切破坏力学模型 对于巷道两帮剪切破碎区的确定,可以采用弹 [ 10] 塑性力学或经验公式进行求解 ,本研究采用简便 [ 11] 公式进行求解分析。 根据普氏冒落拱理论 ,巷道 开掘后,巷道顶板平衡拱的高度为 h0 = 1 é W + Htan 45° æ è - φ′ö ù , 2 ø û (1) f1 ë 2 式中,f1 为顶板岩层的普氏系数;W 为巷道宽度,m; H 为 巷 道 中 高, m; φ′ 为 岩 体 似 内 摩 擦 角, φ′ = arctanf1 ,(°)。 巷道两帮锚固体发生剪切失稳破坏时,两帮最 大破坏深度为 æ è φ′ö , 2 ø a = Htan 45° - (2) 式中,φ′为巷道岩土似内摩擦角,(°),当普氏系数 f1 < 1 时,可近似用内摩擦角 φ 代替似内摩擦角。 两帮锚固体上方载荷集度可表示为 q0 = γ1 h0(W + 2a) , (3) 2 l 式中, γ1 为 顶 板 锚 固 体 及 上 方 破 碎 岩 体 容 3 重,kN/ m ;l 为两帮围岩锚固体厚度,可近似用锚杆 图 1ꢀ 巷道两帮锚固体的 2 种破坏形态 长度代替,m。 只有当两帮锚固体既不发生压裂失稳破坏,也 不发生剪切失稳滑动时,巷道两帮方可处于相对稳 定状态。 一般情况下,考虑到锚喷支护的经济性及 实用性,一般要求锚固体的抗压强度大于其承载压 锚固体剪切破坏时,楔形体自身重力为 1 2 æ φk ö , G = 2 H γ2 tan 45° - (4) è 2 ø 3 式中,γ2 为锚固体平均容重,kN/ m ;φk 为锚固体等 效内摩擦角,(°)。 [ 7] 力 。 当两帮破坏形式为剪切破坏时,一般来说, 此时锚固体的抗压强度已达到锚固体不至发生压裂 ꢀ ꢀ 楔形体对剪破面的垂直压力 N 为 1 73 总第 600 期 现代矿业 2019 年 4 月第 4 期 æ φk ö 2 ø + Gsinæ45° - φ è q0 Htan 45° - q0 H æ φk ö 2 ø æ φk ö . 2 ø è 21 H γ2 tan 45° - 2 N = = + sin 45° - (5) æ φk ö k ö cosæ45° - φ k ö è è sin 45° - è 2 ø 2 ø è 2 ø ꢀ ꢀ 根据 Mohr-Coulomb 准则,在巷道两帮锚固体内 滑动破坏时,两帮锚固体剪切面所能提供的最大抗 剪力 F 为 的剪应力大于其抗剪强度的情况下,两帮发生剪切 Hck + 1 æ45° - 2 è φk ö 2 ø tanφk h1 γ1 éW + 2Htan 45° - æ φk ö ù 2 ø û æ φk ö + H γ2 tan 45° - 2 ø } 2 F = . (6) { æ φk ö 2 ø ë è è cos 45° - è ꢀ ꢀ ꢀ 则两帮锚固体下滑力 S 为 æ φk ö 2 ø h1 γ1 éW + 2Htanæ45° - φ ö ù + H γ2 tan 45° - φ k ö } k 2 æ S = 21 cos 45° - . (7) (9) { è ë è è 2 ø û 2 ø ꢀ 当 F⫹S 时,楔形体便可能产生滑动致使两帮 到金属网的最大支护阻力: 破坏,为阻止楔形体的滑动,采用挂网锚喷支护形式 对两帮进行支护,并进行支护参数设计,包括喷射混 凝土最大支护阻力、金属网最大支护阻力、端头锚固 式锚杆最大支护阻力以及围岩自身最大支护阻力, 各部分相加即为锚喷复合支护结构总的最大支护阻 2τmFm , Hmsinαm Psmmax = 式中,τm 为金属网所用材料的抗剪强度,MPa;Fm 为 2 单位延米长度金属网横截面积,m ;Hm 为金属网在 两帮中的高度,m,其大小与 H 相当,可近似用 H 替 代;αm 为金属网所用材料的剪切角,(°)。 为方便计算,按端头锚固式锚杆进行讨论,则锚 杆最大支护阻力可以表示为 [ 12] 。 力 喷射混凝土面层应有足够的抗剪强度 以阻止 楔形体的滑动,假定喷层中抗剪强度是均匀分布的, 则可得出喷射混凝土的最大支护阻力为 = Tbfi cosθi , 2 τc tc Psbmax (10) Pscmax = 2Tc = , (8) S S c 1 Hsinαc 式中,Tbfi 为锚杆锚固力,由现场抗拉拔试验提供, kN;Sc 、S1 为锚杆布置间排距,m;θi 为锚杆锚入方向 与水平面的夹角,(°)。 式中,τc 为喷射混凝土的抗剪强度,MPa,如无试验 数据可 按 经 验 取 为 单 轴 抗 压 强 度 σc 的 20% ~ 3 0% ;tc 为喷层厚度,m;αc 为喷射混凝土剪切破坏 角,按经验通常取 αc =30°。 ꢀ 参照喷射混凝土面层抗剪强度分析方法可以得 对楔形体平衡分析可得到喷锚加固条件下围岩 自身的最大支护阻力为 ꢀ φk ö 2 ø - σcos 45° - φ ö = τtan 45° - φ ö - σ , æ æ 1 τsinæ45° - k k Psrmax = (11) (14) æ φk ö 2 ø è è è 2 ø 2 ø cos 45° - è 式中,σ、τ 分别为楔形体滑动面上的正应力和剪应 ìτ = σ1 - σ3 cosφ 力,MPa。 2 í . 从主应力的概念出发,可以得到 σ = σ1 + σ3 - σ1 - σ3 sinφ + Tbfi î 2 2 σ3 = Pscmax + Psmmax , 1 (12) (13) S S ꢀ ꢀ 将整个支护结构的最大支护力相加,即可得到 c 1 2 σ1 = σ3 + (mσc σ3 + sσc ) 2 . 复合支护结构总的最大支护阻力为 ꢀ ꢀ ꢀ 最后得到 2 τc tc 2τmFm + Tbfi cosθi æ φk ö - σ . Pswmax = Pscmax + Psbmax + Psmmax + Psrmax = + + τtan 45° - (15) Hsinαc Hmsinαm S S è 2 ø c 1 ꢀ 前述分析所得的复合支护结构总的最大支护阻 楔形体不发生滑动所需外界提供的支护力为 力 Pswmax 为巷帮锚喷支护单位面积所能提供的最大 支护阻力,其大小与锚喷支护材料性能、锚杆性能及 间排距,围岩性质,巷帮高度等因素相关。 æ φk ö 2 ø æ φk ö . (16) P = Ncos 45° - - Ssin 45° - è è 2 ø ꢀ ꢀ 当 Pswmax H>P 时,楔形体不发生滑移破坏,此时 1 74 ꢀ ꢀ 卢永虎ꢀ 刘长武等:锚喷支护条件下深井回采巷道两帮合理支护阻力研究ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 4 月第 4 期 可认为巷道两帮稳定。 (3)在确保巷道两帮的锚固体具有足够强度的 前提下,提出了锚喷支护条件下两帮锚杆的支护阻 力计算方法,讨论了锚喷支护的支护阻力,得出的结 论偏于安全,可作为锚喷支护设计施工参考。 3 ꢀ 讨ꢀ 论 在分析过程中,未能考虑支护与围岩的相互作 用,而是将各个结构的最大支护力简单叠加,与实际 情况存在一定的差别。 根据支护—围岩相互作用原 理,应该将支护体系与围岩视为一个复合结构,它们 通过协调变形共同工作,作用于支护结构上的荷载 主要根据各个支护结构成分的刚度不同而分担到各 个部分。 因此,复合结构的承载能力简单叠加不够 完善。 本研究计算所得的喷锚支护承载能力不能作 为准确的定量计算参数,理论分析还需进一步完善, 但由于本研究分析结果相对于工程实际偏于安全, 可作为锚喷加固机理研究及设计施工参考。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1]ꢀ 侯朝炯. 煤巷锚杆支护的关键理论与技术[J]. 矿山压力与顶 板管理,2002,19(1):2-5. 2]ꢀ 苏士龙,梁军起,靖洪文. 多次采动煤巷围岩稳定控制原理及 应用[J]. 矿业研究与开发,2008,28(3):11-13. [3]ꢀ 勾攀峰,陈启永,吴铁军. 回采巷道锚杆支护两帮稳定性分析 J]. 焦作工学院学报,1999,18(5):317-321. [ [ 4]ꢀ 朱德仁. 巷道煤帮稳定性相似材料模拟试验研究[J]. 煤炭学 报,1998,23(1):42-47. [ 5]ꢀ 单仁亮,孔祥松,蔚振廷,等. 煤巷强帮支护理论与应用[J]. 岩 石力学与工程学报,2013,32(7):1304-1314. 4 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)根据巷道两帮围岩锚固体破坏特征及作用 [6]ꢀ 勾攀峰,辛亚军,申艳梅,等. 深井巷道两帮锚固体作用机理及 稳定性分析[J]. 采矿与安全工程学报,2013,30(1):7-13. 机理,将深井回采巷道两帮围岩锚固体的破坏形态 分为压裂失稳和剪切失稳。 当两帮破坏形式为剪切 破坏时,一般来说此时锚固体的抗压强度已达到锚 固体不至发生压裂破坏的程度,若按照剪切失稳破 坏形态进行设计,可以保证两帮锚固体强度不发生 压裂破坏。 [ 7]ꢀ 康红普,姜铁明,高富强. 预应力在锚杆支护中的作用[J]. 煤 炭学报,2007,32(7):673-678. [ 8]ꢀ 贾俊峰. 煤巷片帮类型及锚固机理研究[J]. 太原理工大学学 报,2005,36(1):342-345. [9]ꢀ 侯朝炯,勾攀峰. 巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J]. 岩 石力学与工程学报,2000,19(3):342-345. [ 10]ꢀ 翟英达. 多裂隙围岩中锚固结构形成的力学机理[J]. 煤炭学 报,2011,36(9):1435-1438. ( 2) 锚喷网复合支护结构总的最大支护阻力 Pswmax 为巷帮锚喷支护单位面积所能提供的最大支 护阻力,其大小与锚喷支护材料性能、锚杆性能及间 排距,围岩性质,巷帮高度等因素相关。 当 Pswmax H> P 时,楔形体不发生滑移破坏,此时可认为巷道两帮 稳定。 [ 11]ꢀ 刘佑荣,唐辉明. 岩体力学 [ M]. 北京: 北京工业出版社, 2 008. [12]ꢀ 徐金海,石炳华. 锚固体强度与组合拱承载能力的研究与应 用[J]. 中国矿业大学学报,1999,28(5):482-485. ( 收稿日期 2018-09-07ꢀ 责任编辑ꢀ 王小兵) ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ ( 上接第 160 页) 面支架实际平均初撑力为 6 990 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 kN,占额定初撑力的 80. 1% ,满足规定的 80% 要 求。 初撑力主要分布于 6 000 ~ 8 000 kN 区间内,频 率分布合理,多数情况下工作面支架初撑力均能达 到规定要求,可实现对顶板的有效支护。 [ [ 1]ꢀ 郝海明,任耀飞. 浅埋深分层综放工作面超前支承压力特征 J]. 江西煤炭科技,2018(4):64-66. [ 2]ꢀ 任耀飞. 浅埋深综放工作面初采矿压显现规律研究[J]. 煤矿 现代化,2018(6):62-65. ( 2)正常回采周期来压期间,工作面支架的平 均末 阻 力 为 10 326 kN, 占 支 架 额 定 工 作 阻 力 9. 4% ,支架额定工作阻力能够保证来压期间工作 [3]ꢀ 于ꢀ 斌. 大同矿区特厚煤层综放开采强矿压显现机理及顶板 控制研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2014. [ 4]ꢀ 柴ꢀ 敬,郝ꢀ 雷,姚纪凯,等. 近浅埋煤层综采工作面矿压规律 试验研究[J]. 煤矿安全,2014,45(1):40-43. 7 面的支护需要,且有足够的富余量。 支架循环增阻 量平均为 3 336 kN,循环增阻率平均为 47. 7% 。 支 架增阻显著,但支架工作阻力构成仍以初撑力为主, 支架增阻量(率)处于合理范围内。 [ 5]ꢀ 刘全明. 浅埋薄基岩综放面矿压显现规律的基岩厚度效应 [ J]. 煤矿开采,2016(3):98-100. [6]ꢀ 闫瑞龙. 浅埋煤层综采工作面矿压显现规律研究[D]. 徐州: 中国矿业大学,2016. [ 7]ꢀ 郭ꢀ 放,高保彬,牛国庆,等. 近距离煤层煤柱及采空区下综采 工作面矿压规律研究[J]. 煤炭科学技术,2017,45(5):92-97. 8]ꢀ 刘海胜. 浅埋煤层大采高工作面矿压规律与“ 支架—围岩” 关 系研究[D]. 西安:西安科技大学,2013. ( 3) 180401 工 作 面 支 架 工 作 阻 力 主 要 分 布 于 6 000 ~ 9 000 kN 区间内,阻力频率整体呈正态分 布,频率分布峰值位于 7 000 ~ 8 000 kN 区间内,为 额定阻力的 53. 8% ~ 61. 5% ,支架工作阻力频率分 布合理,表明该工作面支架选型合理。 [ ( 收稿日期 2018-11-16ꢀ 责任编辑ꢀ 王小兵) 1 75
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