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确定交叉巷道锚杆支护参数的围岩平均应力集中系数分析方法
2018-08-15
大跨度交叉巷道多采用锚杆支护,支护后巷道周壁应力分布的均匀程度可以作为评价支护参数合理性的指标。将支护后巷道周壁某一点大主应力与周壁大主应力均值的比值定义为围岩平均应力集中系数,用该系数表征巷道围岩的应力分布均匀程度。以某铁矿交叉巷道为研究对象,根据矿山工程条件及均匀设计试验方法,选取锚杆长度、锚杆间距和锚杆排距3 个锚杆支护参数设计4 种不同的支护方案,分别计算未支护与4 种支护方案下巷道周壁的围岩平均应力集中系数,通过对比分析,确定最优的交叉巷道锚杆支护参数。结果表明:未支护时,巷道周壁围岩平均应力集中系数在0.3~2.9,应力分布极不均匀;锚杆支护后,最大围岩平均应力集中系数与未支护时相...
Series No. 505 July 2018 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 505 期 2018 年第 7 期 确定交叉巷道锚杆支护参数的围岩平均应力 集中系数分析方法 1 ,2 1 1 1 1 1 伟 刘艳章 李 京 胡 斌 张 奎 吴恩桥 李 ( 1. 武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081; 2 . 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081) 摘 要 大跨度交叉巷道多采用锚杆支护,支护后巷道周壁应力分布的均匀程度可以作为评价支护参数合理 性的指标。将支护后巷道周壁某一点大主应力与周壁大主应力均值的比值定义为围岩平均应力集中系数,用该系数 表征巷道围岩的应力分布均匀程度。以某铁矿交叉巷道为研究对象,根据矿山工程条件及均匀设计试验方法,选取 锚杆长度、锚杆间距和锚杆排距3个锚杆支护参数设计4种不同的支护方案,分别计算未支护与4种支护方案下巷道 周壁的围岩平均应力集中系数,通过对比分析,确定最优的交叉巷道锚杆支护参数。结果表明:未支护时,巷道周壁 围岩平均应力集中系数在 0.3~2.9,应力分布极不均匀;锚杆支护后,最大围岩平均应力集中系数与未支护时相比降 低幅度超过50%,围岩应力分布得到较好的改善;确定最优的支护参数为锚杆长度2.2 m、锚杆间距1.1 mm、锚杆排距 1 .0 mm,此时巷道周壁的围岩平均应力集中系数在 0.9~1.19,其变化幅度仅有0.29,围岩应力分布较均匀;围岩平均应 力集中系数能对围岩应力分布的均匀性进行有效评价。 关键词 围岩平均应力集中系数 交叉巷道 锚杆支护参数 数值模拟 中图分类号 TD853 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2018)-07-032-06 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201807006 Parameter Determination of Bolt Support for Cross Roadway Based on Mean Stress Concentration Factor of Surrounding Rock 1 ,2 1 1 1 1 1 Liu Yanzhang Li Jing Hu Bin Zhang Kui Wu Enqiao Li Wei (1.School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081, China;2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources,Wuhan 430081, China) Abstract Bolt support is widely used in large span intersecting roadway support engineering. The uniformity of roadway stress distribution after supported can be used as an index to evaluate the rationality of support parameters. The ratio of large principal stress at a point of roadway wall to the mean large principal stress of roadway wall is defined as the Mean Stress Con⁃ centration Factor of surrounding rock(MSCF). This factor is applied to characterize the uniformity of surrounding rock stress distribution. Taking the crossing roadway as the research object,four different support schemes which consist of bolt length, bolt spacing and bolt array pitch parameters are designed based on the mine engineering conditions and the uniformity design test method. The MSCF of unsupported and four support schemes are calculated,respectively. The reasonable bolt support pa⁃ rameters of cross roadway are determined by comparison. The result shows that the MSCF of roadway wall is between 0.3 and 2 .9 and the stress distribution is not uniform when the roadway is not supported. Compared with the MSCF under unsupported condition,the decrease of MSCF is more than 50% after bolt support,which indicates that the stress distribution of surround⁃ ing rock is improved. The determined reasonable support parameters of bolt length,bolt spacing and bolt array pitch are 2.2 m,1.1 m and 1.0 m,respectively. The MSCF of roadway wall calculated by the aforementioned support parameters is between 0 .9 and 1.19,and the variation amplitude is only 0.29,which indicates that the stress distribution of the surrounding rock is more uniform. Therefore,the MSCF can effectively evaluate the uniformity of surrounding rock stress distribution. 收稿日期 2018-04-08 基金项目 国家自然科学基金面上项目(编号:51074115,51574183),湖北省自然科学基金重点项目(编号:2015CFA142)。 作者简介 刘艳章(1969—),男,教授,博士。 · 32 · 刘艳章等:确定交叉巷道锚杆支护参数的围岩平均应力集中系数分析方法 2018年第7期 Keywords MSCF,Intersecting roadway,Bolting parameter,Numerical simulation 巷道开挖导致围岩应力重分布,引起巷道围岩 应力集中,尤其在巷道交叉处,巷道跨度大,巷道周 道周壁应力集中系数为原岩应力的2倍,不适合作为 评价应力分布均匀程度的指标。与原岩应力相比, 平均应力值包含巷道周壁各点应力的信息,能更好 地反映开挖后的应力分布状态。 [ 1-4] 壁应力分布极不均匀,应力集中现象显著 。为改 善巷道交叉处的应力分布状况,需对围岩进行支护, [ 5-6] 因此,本研究以开挖及支护后巷道周壁二次应 力的平均值作为基准应力,提出一种基于平均应力 的应力集中系数,称为围岩平均应力集中系数。在 合理的支护参数下,围岩应力分布均匀性得到改善, 围岩应力均为压应力,围岩平均应力集中系数以巷 道周壁大主应力进行计算,将其定义为支护后巷道 周壁某一点大主应力与周壁大主应力均值的比值。 其中锚杆支护在矿山巷道支护中应用广泛 ,选取 合理的锚杆支护参数,能有效改善围岩应力分布。 锚杆的支护效果根据支护后围岩应力变形状况 评价。对于锚杆支护效果的评价,众多学者做了大 [7] 量研究:康红普等 采用顶底板及两帮离近量、移近 速度、离层量等指标对高预应力、强力支护理论进行 [8] 验证;吴学震等 通过围岩位移分布和锚杆轴力变化 [ 分析不同支护因素下的锚固效应;何富连等 对支 9-10] 平均应力σ m 的表达式为: ∫ i σ dLC 护前后的围岩最大沉降量、分离量及应力分布进行 11] 分析,确定合理的锚杆支护参数;屈彪等 比较不同 σm = , (2) LC [ i C 式中,σ 为巷道周壁某一点的大主应力值,MPa;L 为 巷道周壁积分路径的长度,m。 以平均应力替换原岩应力,带入公式(1),得到 围岩平均应力集中系数K 为: 支护参数下巷道变形、围岩应力场、塑性区范围的差 [ 12] 异,确定锚杆支护效果;李本奎等 对比不同支护参 数下围岩塑性区分布规律和应力、变形特征,分析支 m [ 13] 护对围岩稳定性的影响;郭保华等 通过正交试验 σ∙LC Km = . (3) 对锚杆支护参数进行极差、方差分析,确定支护参数 ∫ i σ dLC [ 14] 变化对围岩稳定性的影响;孟强等 采用容许极限 位移量作为失稳判据,对锚杆支护的可靠性进行分 析。以上研究采用应力、位移及塑性区范围等指标 对锚杆支护效果进行分析,未能从锚杆支护前后围 岩应力分布均匀性的角度评价支护效果。与原岩应 力相比,平均应力能更好地表征支护效果的好坏,以 得到合理的锚杆支护参数。 2 工程概况 某铁矿+150 m 巷道围岩以闪长岩为主,断裂构 造发育,各级结构面组合情况复杂。巷道交叉口稳 定性差,尤其沿脉巷道和穿脉巷道十字形交叉口稳 定性最差,其主巷道断面为直墙三心拱断面,巷道跨 度 3.8 m,净高 2.93 m;支巷道断面为直墙三心拱断 面,巷道跨度2.4 m,净高2.59 m。巷道埋深250 m,上 本研究提出围岩平均应力集中系数,表征交叉 巷道的应力集中程度,对锚杆支护效果进行定量评 价。以某铁矿+150 m 十字形交叉巷道为研究对象, 采用有限元法进行数值模拟,分析交叉巷道在不同 支护参数下的围岩应力分布情况,确定最优的交叉 巷道锚杆支护参数,为矿山巷道交叉口支护方案选 择提供参考。 3 覆岩层容重为25 kN/m ,围岩参数如表1所示。 3 交叉巷道围岩平均应力集中系数分析 1 巷道围岩平均应力集中系数 应力集中系数是反映巷道应力分布均匀性的指 3 . 1 锚杆支护方案设计 锚杆长度、锚杆间距和锚杆排距是影响锚杆支 标。岩石力学中通常将开巷后的次生应力σ与原岩 应力σ 的比值定义为该点的应力集中系数K,即: [15] 护效果的主要因素 。针对锚杆长度、锚杆间距和 锚杆排距3个因素设计试验方案,建立不同支护参数 下的有限元模型,采用围岩平均应力集中系数对锚 杆支护参数进行分析。该矿采用直径 20 mm 的螺纹 钢锚杆,其参数如表 2 所示,影响支护效果的 3 个参 数取值范围如表3所示。 p K = σσ . (1) p 巷道开挖导致围岩应力重分布,巷道周壁出现 应力集中。以深埋轴对称原岩应力圆形巷道为例, 以原岩应力作为基准应力计算应力集中系数时,巷 · 33 · 总第505期 金 属 矿 山 2018年第7期 [ 16] 考虑巷道应力分布及现有支护经验 ,根据均 匀设计试验方法,在巷道顶板和两帮按设计锚杆参 数等间距布置锚杆,使各水平的锚杆支护参数均匀 分布在各锚杆支护方案中,巷道锚杆布置如图 1 所 示。依据影响锚杆支护效果的 3 个因素设计锚杆支 护方案,如表4所示。 数的计算进行说明。 取截面周壁为积分路径计算基准应力,以巷道 截面左侧底角为起点,提取积分路径上的大主应力 值,如图4所示。将图4积分路径上的大主应力值带 m 入公式(2)得到基准应力σ 为12.08 MPa。 注:由于巷道断面尺寸的影响,方案 4 中主巷道锚杆长度取 2 .4 m,支巷道锚杆长度取2.2 m。 3 . 2 交叉巷道模型构建 为确定最优的交叉巷道锚杆支护参数,选择摩 尔-库伦(M-C)准则,建立交叉巷道三维模型,模型 长×宽×高为 41.8 m×32.93 m×26.4 m,模型划分 131 890 个单元,25 198 个节点。模型侧面边界施加 水平位移约束,底面固定,上部施加等价上覆岩层自 重的均布荷载,施加的均布荷载为6.25 MPa。建立的 交叉巷道三维模型如图2所示。 以巷道截面左侧底角为例计算围岩平均应力集 中系数。截面左侧最底端的大主应力为 33.73 MPa, 将其带入公式(3)得到围岩平均应力集中系数 K .79。 按照上述计算,以巷道截面左侧底角为起点,在 m 为 3 . 3 交叉巷道围岩平均应力集中系数计算 2 交叉巷道拐角处发生几何突变,极易引起应力 集中;交叉巷道跨度大,开挖引起应力相互叠加,巷 道变形剧烈。将巷道交叉口对角线截面(巷道跨度 最大)作为分析截面(如图3所示)计算围岩平均应力 集中系数。 其截面上每隔 0.5 m提取一次数据,计算巷道截面的 围岩平均应力集中系数。 3. 4 合理锚杆支护参数确定 未支护时的交叉巷道截面大主应力分布如图 5 以未支护交叉巷道为例对围岩平均应力集中系 所示。计算未支护时巷道截面的围岩平均应力集中 · 34 · 刘艳章等:确定交叉巷道锚杆支护参数的围岩平均应力集中系数分析方法 2018年第7期 系数,绘制围岩平均应力集中系数关于巷道截面周 线的曲线图,结果如图6所示。 数的最大值附近应力变化幅度大,应力分布不均 匀。经分析,巷道断面形状突变越明显,围岩应力变 化幅度越大,越容易引起应力集中。为降低交叉巷 道的应力集中程度,需对巷道围岩进行加固,改善巷 道围岩的应力分布状态。 由图 5 和图 6 可知,巷道围岩应力变化幅度大, 在两帮底角和顶板拱角存在应力集中;围岩平均应 力集中系数在 0.3~2.9 之间,交叉巷道应力分布不均 匀;围岩平均应力集中系数在两帮底角和顶板拱角 达到最大,是平均应力的 2.8 倍,在底板中部和顶板 中部较小,应力分布较均匀;在围岩平均应力集中系 4 种支护方案下的巷道截面大主应力分布如图7 所示。计算 4 个锚杆支护方案中巷道截面的围岩平 均应力集中系数,绘制不同支护方案下围岩平均应 力集中系数关于巷道截面周线的曲线图,结果如图8 所示。 · 35 · 总第505期 金 属 矿 山 2018年第7期 好。为保证锚杆支护效果,提高巷道掘进速度和工 效,满足高强度、高刚度、高可靠性、低支护密度的锚 杆支护设计理念,确定方案 3 为最优锚杆支护方案。 该方案下的围岩平均应力集中系数在0.9~1.19,应力 集中程度较低,围岩应力分布较均匀。 4 结 论 本研究提出围岩平均应力集中系数,表征交叉 巷道的应力集中程度。设计4种锚杆支护方案,对巷 道未支护与 4 种支护方案下的围岩平均应力集中系 数进行分析,确定最优的交叉巷道锚杆支护参数。 ( 1)围岩平均应力集中系数综合考虑围岩特性 由图7和图8可知,支护后围岩的应力集中程度 大幅度降低,应力分布较均匀;4 种支护方案下巷道 周壁大主应力的平均值分别为 8.15、6.82、6.11、5.92 MPa,围岩平均应力集中系数均在 0.9~1.4,应力集中 程度较小;巷道两帮底角和顶板拱角的围岩平均应 力集中系数与其它位置相比偏大。与未支护交叉巷 道相比,围岩平均应力集中系数最大值由 2.86 降到 对应力分布的影响,能对围岩应力分布的均匀性进 行评价,其平均应力包含巷道周壁各点应力的信息, 能更好地反映开挖后的应力分布状态。 (2)未支护时,交叉围岩平均应力集中系数在 0 .3~2.9,变化幅度大,应力分布不均匀,巷道两帮底 角和顶板拱角的应力集中现象显著,应力达到基准 应力的2.8倍。 1.36,降低幅度超过 50%,巷道围岩应力分布均匀程 ( 3)通过锚杆对围岩的悬吊和组合支护作用,围 岩平均应力集中系数大幅度降低,降低幅度超过 0%。围岩平均应力集中系数在 0.9~1.4,应力变化 幅度小,分布较均匀。 度得到改善,巷道周壁应力分布较均匀。4个锚杆支 护方案的最大围岩平均应力集中系数分别为 1.36、 5 1.27、1.19、1.15,方案 1 的围岩平均应力集中系数最 大,方案2次之,方案3和方案4的围岩平均应力集中 系数较小;与方案 1 相比,方案 2、方案 3、方案 4 巷道 左帮底角的围岩平均应力集中系数分别降低6.27%、 (4)确定方案 3 为最优锚杆支护方案,此方案确 定的锚杆支护参数为:锚杆长度 2.2 m、锚杆间距 1.1 m、锚杆排距 1.0 m。该方案下的围岩平均应力集中 系数在 0.9~1.19,变化幅度仅有 0.29,围岩平均应力 集中系数波动幅度小,应力集中程度较低,围岩应力 分布较均匀。 12.76%、16.24%,方案3和方案4支护效果更好。 锚杆对巷道围岩的支护作用主要表现为悬吊和 组合作用。悬吊作用与锚杆长度有关,锚杆长度变 化影响锚杆对围岩的锚固深度,在锚杆间距和锚杆 排距相同的条件下,锚杆长度越大,锚固深度越大, 锚杆将围岩松动圈和松动圈外较坚固岩层锚固在一 起,形成次生承载层,增强锚固区内围岩的完整性, 阻止围岩沿弱面转动或滑移,减小了围岩的应力集 中程度。组合作用与锚杆间距和锚杆排距有关,锚 杆间距和锚杆排距影响锚杆杆体对围岩的锚固范 围,在锚杆长度相同的条件下,锚杆间距和锚杆排距 越小,各锚杆作用形成的压应力区越容易相互交错、 叠加,形成压缩带,使围岩成为一个整体,增强锚杆 支护范围内围岩的强度,提高支护刚度,有利于围岩 的稳定和支撑能力的提高。 参 考 文 献 [ 1] 李龙福,金爱兵,邓富根,等.软岩交叉巷道开挖围岩稳定性数值 模拟分析[J].中国矿业,2011,20(9):84-86. Li Longfu,Jin Aibing,Deng Fugen,et al.Numerical simulation anal- ysis of wall rock stability at intersection of tunneling in soft rock[J]. China Mining Magazine,2011,20(9):84-86. [ 2] Xiao Tongqiang,Wang Xianngyu,Zhang Zhigao.Stability control of surrounding rocks for a coal roadway in a deep tectonic region[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2014,24 (2):171-176. [ 3] 曹日红,曹 平,张 科,等考虑应变软化的巷道交叉段稳定性 分析[J].岩土力学,2013,34(6):1760-1765. Cao Rihong,Cao Ping,Zhang Ke,et al.Stability analysis of roadway intersection considering strain softening[J]. Rock and Soil Mechan- ics,2013,34(6):1760-1765. 方案 1 锚杆长度最小,锚杆间距较大,不能有效 发挥锚杆对围岩的支护作用,围岩平均应力集中系 数较大,支护效果最差;方案2、方案3、方案4的锚杆 支护参数能较好地发挥锚杆对围岩的悬吊和组合作 用,围岩平均应力集中系数较小,锚杆支护效果较 [ 4] 柴华彬,张彦宾,程立朝,等.深部巷道交岔点围岩变形及稳定 性研究[J].采矿与安全工程学报,2010,27(2):200-204. Chai Huabin,Zhang Yanbin,Cheng Lichao,et al.Research on de- · 36 · 刘艳章等:确定交叉巷道锚杆支护参数的围岩平均应力集中系数分析方法 2018年第7期 formation and stability of wall rocks in intersection of laneway in deep mine[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2010,27 道稳定性[J].金属矿山,2016(1):151-156. Qu Biao,He Zhiliang,Wang Ddguo,et al. Stability comparison of the roadway supporting by different types of anchor under compli- cated stress conditions in Jinchuan No.3 mine area[J]. Metal Mine, 2016(1):151-156. (2):200-204. [ 5] 康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践[J]. 岩石力学与 工程学报,2005,24(21):3959-3964. Kang Hongpu. Study and application of complete rock bolting tech- nology to coal roadway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(21): 3959-3964. [12] 李本奎,苏学贵,李浩春,等.含有软泥入侵的多溶洞型顶板巷道 稳定控制研究[J]. 金属矿山,2014(8):143-147. Li Benkui,Su Xuegui,Li Haochun,et al.Research on roadway sta- bility control of more karst cave roof with weak mud invasion[J]. Metal Mine,2014(8):143-147. [ 6] 康红普.我国煤矿巷道锚杆支护技术发展 60年及展望[J]. 中国 矿业大学学报,2016,45(6):1071-1081. Kang Hongpu.Sixty years development and prospects of rock bolting technology for underground coal mine roadways in china[J].Journal of China University of Mining and Technology,2016,45(6):1071- [13] 郭保华,陆庭侃巷道交岔点合理支护参数正交优化[J].地下 空间与工程学报,2007,3(7):1195-1198. Guo Baohua,Lu Tingkan. Orthogonal optimization of reasonable re- inforcement parameters for roadway intersection[J]. Chinese Jour- nal of Underground Space and Engineering,2007,3(7): 1195- 1198. 1081. [ 7] 康红普,王金华,林 健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J]. 岩石力学与工程学报,2010,29(4):649-664. Kang Hongpu,Wang Jinhua,Lin Jian.Case study of rock bolting in coal mine roadways[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and En- gineering,2010,29(4):649-664. [14] 孟 强,赵洪波,茹忠亮.锚杆支护圆形隧洞的等效强度参数及 可靠性分析[J]. 岩土力学,2014,35(1):437-442. Meng Qiang,Zhao Hongbo,Ru Zhongliang.Equivalent strength pa- rameters and reliability analysis of circular tunnel with rock bolt supporting[J]. Rock and Soil Mechanics,2014,35(1):437-442. [15] 窦斌强. 隧道全长粘结锚杆锚固参数优化及无损检测技术研究 [D]. 武汉:华中科技大学,2015. [ 8] 吴学震,蒋宇静,王 刚,等.大变形锚杆支护效应分析[J]. 岩土 工程学报,2016,38(2):245-252. Wu Xuezhen,Jiang Yujing,Wang Gang,et al.Reinforcement effect of yielding bolts[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2 016,38(2):245-252. Dou Binqiang.Research on Anchorage Parameter Optimization and Nondestructive Testing Technology of Tunnel Fully Grouted Bolt [D].Wuhan: Huazhong University of Science & Technology,2015. [16] 康红普,牛多龙,张 镇,等. 深部沿空留巷围岩变形特征与支护 技术[J]. 岩石力学与工程学报,2010,29(10):1977-1987. Kang Hongpu,Niu Duolong,et al. Zhang Zhen. Deformation charac- teristics of surrounding rock and supporting technology of gob-side entry retaining in deep coal mine[J].Chinese Journal of Rock Me- chanics and Engineering,2010,29(10): 1977-1987. [ 9] Yan Hong,He Fulian,Li Linyue,et al.Control mechanism of a ca- ble truss system for stability of roadways within thick coal seams[J]. Journal of Central South University,2017,24(5):1098-1110. [ 10] 何富连,康 荣,李宏彬,等新三矿大断面空间近距交叉巷道数 值分析及支护[J]. 煤炭工程,2011(3):60-62. He Fulian,Kang Rong,Li Hongbin,et al.Numerical analysis and support on mine large cross section space crossing roadways with closed distance in Xinsan Mine[J].Coal Engineering,2011(3):60-62. [11] 屈 彪,何治良,王大国,等.复杂应力条件下不同锚杆支护的巷 (责任编辑 徐志宏) · 37 ·
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