基于多级锚固承载层的软岩巷道支护技术研究.pdf

第 卷 第 期 年 月 黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 .基于多级锚固承载层的软岩巷道支护技术研究李景涛 段燕伟(.黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室 哈尔滨.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司 内蒙古 鄂尔多斯)摘 要:针对软岩巷道在传统支护条件下围岩变形大且较难控制的问题以红庆梁煤矿软岩巷道为例根据巷道支护现状提出了一种基于多级锚固承载层的软岩巷道支护技术建立了锚固 围岩耦合作用力学模型分析了支护参数对巷道围岩应力和变形的影响 利用 对比分析了优化前后巷道围岩的稳定性 结果表明:采用多级锚固承载层支护方案后顶板垂直位移明显下降最大值由.降为.两帮水平位移由.下降为.塑性区域明显缩减关键词:软岩 多级锚固 承载层 巷道支护:./.中图分类号:文章编号:()文献标志码:(.):.:收稿日期:基金项目:黑龙江省“揭榜挂帅”科技攻关项目()第一作者简介:李景涛()男黑龙江省依兰人高级工程师硕士研究方向:矿山灾害与防治:.引 言位于内蒙古西部的红庆梁煤矿广泛分布着三叠纪、白垩纪、侏罗纪弱胶结软岩 该地区的软岩具有强度低易风化等特点在进行开挖或者遇水后极易软化、崩塌岩质快速劣化致使巷道内发生大冒顶、高片帮、严重底鼓等工程灾害的概率大大增加 红庆梁煤矿软岩巷道采用传统支护技术围岩变形较大且较难控制 因此急需提出新的支护技术用以解决该类工程问题针对上述问题国内学者开展了大量工作提出了软岩巷道的支护方法和手段 赵帅通过分析现有巷道的破坏特征结合地应力分布特征和扰动尺度明确了巷道底鼓类型并针对关键部位进行了支护现场效果良好 李明等通过现场试监测总结了软岩巷道的变形特征利用数值模拟分析了不同开挖方式的围岩变形量和塑性区变化建立了评价指标由此探讨了最佳支护方案 王金平等针对复合软岩顶板由于淋水造成的围岩变形大的问题提出了“梯度支护”理念即顶板采用限位抗剪锚杆 防腐短锚索 长锚索对于顶板下沉问题起到了良好的控制作用 魏世明等通过对围岩变形量的监测和变形特征的分析并利用数值模拟对比分析了原支护和高强锚注支护的围岩控制效果结果表明后者能在较短时间内使巷道围岩稳定上述研究中支护技术虽取得了较好的现场效果但是均为特定软岩条件下的合理支护不具有普适性 因此笔者针对红庆梁软岩巷道支护现状提出基于多级锚固承载层的软岩巷道支护技术通过建立锚杆 围岩力学模型分析了支护参数对巷道围岩应力和变形的影响 最后利用 对比分析采用原支护方式和多级锚固层承载支护的围岩稳定性 研究结果对于优化支护参数和丰富软岩巷支护技术具有重要意义 工程现状.地质概况 煤结构简单厚度为.平均厚度.煤层倾角 平均倾角 工作面走向长 倾斜长 回风顺槽沿 采空区留设 煤柱巷道有压力显现 工作面顶底板情况如表 所示表 工作面顶底板情况 名称岩性厚度/岩性特征老顶含砾砂岩 浅灰、灰白色含岩屑及云母碎片泥岩胶结直接顶泥质砂岩与粉砂岩互层 灰色粉砂岩和深灰色砂质泥岩、局部存在植物化石水平层理节理发育伪顶泥质砂岩 深灰色砂质泥岩、局部存在植物化石层理发育直接底泥质砂岩 深灰色砂质泥岩、局部存在植物化石层理发育老底泥质砂岩与粉砂岩互层.灰色粉砂岩和深灰色砂质泥岩、局部存在植物化石平行层理发育.支护现状及评价 胶运顺槽采用锚杆、锚索支护 顶板选用规格为 的锚杆间排距分别为 顶板选用规格为.的预应力锚索间排距为 两帮支护选用规格为 的锚杆间排距分别为 支护方案如图 所示 采用原支护方案巷道变形严重工作面出现煤壁片冒、底鼓、帮鼓等现象初步分析其原因为巷道围岩分级控制不足难以形成整体锚固承载结构从而导致支护效果一般图 胶运顺槽断面支护.多级锚固承载层的构建.构建原则传统的支护形式较为单一对于围岩的分级控制不足无法充分发挥各级支护效果从而难以形成整体锚固承载结构导致支护效果一般 因此提出第 期李景涛等:基于多级锚固承载层的软岩巷道支护技术研究软岩巷道多级锚固承载层的支护理念即通过多级控制围岩形成多级锚固承载层提高围岩的整体承载力其支护原则如下()构建围岩浅部锚固承载层 巷道围岩浅部结构通常较为松散自承能力弱难以形成承载结构 通过注浆锚杆的支护形式可以改良松垮的围岩结构从而提高围岩的力学特性进而形成浅部锚固承载层 浅部锚固承载层至关重要不仅可以提高浅部围岩承载能力还可以缓解深部围岩变形()形成相互耦合多级锚固承载层 通过锚杆构建中部锚固承载层再利用锚索将这两个锚固承载层悬吊起来形成深部锚固承载层 多级锚固承载层之间相互耦合形成一个整体锚固承载层()锚固承载层与围岩的耦合作用 通过支护配件(钢带、钢筋梯子梁等)将支护体从不同方向连接形成一个整体支护体结构 这种耦合作用极大地提高了围岩自身的承能力从而有利于围岩稳定.多级锚固承载层特点软岩巷道多级锚固承载层的支护特点主要为:一级支护针对浅部围岩破裂区域采用注浆短锚杆进行注浆使松散的破裂区域形成整体从而提高了浅部围岩的承载能力构建了浅部锚固承载层 二级支护采用长锚杆支护端头锚固锚杆杆尾托盘之间利用钢带进行横向连接形成新的锚固承载层 两个锚固承载层之间的耦合形成一个整体进一步提高了围岩的整体性 三级支护利用长锚索将前两级锚固承载层进行悬吊使前两级锚固承载层稳定在围岩深部实现了围岩由浅及深的分级支护 另外使用钢带将锚索进行纵向连接与横向连接锚杆形成交错叠加的钢带网共同组成三级锚固承载层 三级锚固承载层形成后围岩受力更均匀使围岩压力可以沿不同方向进行传递从而有利于围岩的整体稳定 巷道全锚 围岩弹塑性分析.锚杆 围岩耦合作用力学模型的建立假设半径为 的巷道开挖后围岩结构由浅及深可分为破裂区、塑性承载区和弹性区 破裂区岩体发生破坏较为松散岩体丧失了承载能力是锚杆加固支护的重点区域塑性承载区围岩发生轻微破裂但仍具有承载能力 弹性区围岩结构完整围岩的力学性质基本不受影响 锚杆支护下巷道围岩力学模型如图 所示 其中和 分别为塑性承载区和破裂区的半径 为中性点到巷道中心点的距离为锚杆端部与围岩中心点的长度 为锚杆长度为锚杆间距图 锚杆支护下巷道围岩力学模型.锚杆 围岩弹塑性分析巷道开挖并待其稳定后在 屈服准则下围岩应满足:/()/()()/()()/()式中:塑性承载区屈服强度 破裂区屈服强度 塑性承载区摩擦角系数 破裂区摩擦角系数 塑性承载区摩擦角()破裂区内摩擦角()塑性承载区内聚力 破裂区内聚力塑性承载区和破裂区总应变可表示为 (塑形承载区)(破裂区)式中:破裂区塑性径向应变 塑性区塑性切向应变 破裂区塑性径向应变 破裂区塑性切向应变弹性区应力与变形的公式可表示为 ()()黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷结合边界条件()()塑性承载区环向和径向应力可表示为 结合边界条件()()可得塑性承载区位移及应变表达式为()()()()()()()()()()()()()()(/)()()()()()()()(/)当 时破裂区围岩可认为只存在支护区以此建立的锚杆 围岩耦合作用下单元体力学模型如图 所示图 锚杆 围岩耦合作用下单元体力学模型.由图 可知锚杆加固破裂区应满足:()式中 锚杆支护的密度参数 一般取值在.之间 ()()式中:中性点位置 锚杆半径 摩擦因子与锚杆和围岩间的摩擦角有关结合边界条件()为巷道支护压力则破裂区 段的围岩应力表达式为()()()()()()()()()结合边界条件()即得破裂区 段的围岩应力表达式为()()()()()()()()()()()()()()假定 破 裂 区 为 塑 性 变 形 结 合 边 界 条 件()()可得破裂区位移为()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()由上述公式可知随着锚杆间排距的逐渐增加围岩塑性承载区、破裂区的范围与表面位移均呈增加速率减小的非线性增加 另外对于围岩变形支第 期李景涛等:基于多级锚固承载层的软岩巷道支护技术研究护阻力与间排距呈负相关即支护阻力越大间排距的影响作用越小 因此可以从提高支护阻力和优化锚杆间排距两个方面优化巷道支护 数值模拟.模型的建立与模拟方案根据红庆梁煤矿地质资料和相关作业规程利用 建立 胶运顺槽数值模型 模型尺寸为 巷道断面为矩形(带窝角)宽 高 窝 角 半 径 为 数值模型如图 所示 模型共有 个单元体和 个节点图 数值模型.模型采用摩尔 库伦力学模型模型四周和底部进行位移约束顶部施加等效载荷 各岩层力学参数如表 所示 其中 为体积模量 为剪切模量 为内聚力 为内摩擦角为抗拉强度 为密度表 岩层力学参数 岩性/()/()中粒砂岩.砾岩.砂质泥岩.细粒砂岩.煤.泥岩.砂质泥岩.模拟方案分为原支护方案和采用多级锚固承载层支护方案多级锚固承载层支护方案如图 所示模拟中锚杆和锚索通过 构件实现图 多级锚固承载层支护方案.结果分析对比分析两种方案巷道围岩塑性区域和变形量如图 所示图 方案优化前后垂直位移分布云图.由图 可知原支护方案下顶板垂直位移为最大值为.底板垂直位移最大值为.采用多级锚固承载层支护方案后顶板垂直位移最大值 为.底 板 垂 直 位 移 为 最 大 值 为.通过对比两者的垂直位移云图采用多级锚固承载层支护方案后顶板垂直位移整体变小由图 可知 采用多级锚固承载层支护方案后两帮水平位移明显下降 由原支护方案 的.下降为.这说明采用多级锚固承黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷载层支护方案后两帮位移得到了控制图 方案优化前后水平位移分布云图.图 优化前后巷道围岩塑性区分布图.由图 可知采用多级锚固承载层支护方案后塑性区域明显缩减主要体现在底角位置顶板和两帮略有缩减这说明采用多级承载层支护方案后围岩整体稳定性提高围岩变形得到了有效控制综上所述采用多级锚固承载层支护方案后顶板和两帮的位移明显减小塑性区域明显缩减围岩整体稳定性增高支护效果良好 结 论()提出基于多级锚固承载层的软岩巷道支护技术并阐明其构建原则和特点 其具体支护特点为:一级支护采用注浆短锚杆改善浅部围岩二级支护采用长锚杆进行横向连接三级支护采用长锚索将前两级锚固承载层进行悬吊并进行纵向连接()建立了锚杆 围力学模型推导了围岩分区的应力及变形表达式由公式可知随着锚杆的间排距变大围岩塑性承载区、破裂区的范围与表面位移均呈增加速率减小的非线性增加()利用 对比分析可知采用多级锚固承载层支护方案后顶板垂直位移明显下降最大值由.降为.两帮水平位移由.下降为.塑性区域也明显缩减围岩整体稳定性增高支护效果良好参考文献:张 伟 杨富强 蔡来生 等.红庆梁煤矿弱胶结地层煤巷锚网支护研究.煤矿安全 ():.荣 海 韩永亮 张宏伟 等.红庆梁煤矿地应力场特征及巷道稳定性分析.煤田地质与勘探 ():.刘振文 段燕伟 刘 志 等.红庆梁煤矿 回风巷底板变形的数值模拟.黑龙江科技大学学报 ():.乔卫国 韦九洲 林登阁 等.侏罗白垩纪极弱胶结软岩巷道变形破坏机理分析.山东科技大学学报(自然科学版)():.康永水 耿 志 刘泉声 等.我国软岩大变形灾害控制技术与方法研究进展.岩土力学 ():.赵 帅.采空区下泥质软岩巷道底鼓机理与联合支护技术研究.煤炭工程 ():.李 明 马玉琨 董秀磊 等.深部软岩大断面硐室开挖与支护方式优化.煤炭技术 ():.王金平 周 宏 黎劲东 等.复合软岩淋水顶板及底鼓巷道锚注一体化支护技术研究.煤炭技术 ():.魏世明 靳梦帆 禄鑫琰 等.软岩巷道变形破坏特征及锚注一体化支护技术.煤炭工程 ():.张宇.深部巷道蠕变大变形失稳机理与控制技术研究.北京:中国矿业大学.(编辑 张永彬)第 期李景涛等:基于多级锚固承载层的软岩巷道支护技术研究