深井軟巖巷道承壓環力學模型與理論研究?

王 波王 軍高昌炎

(1.華北科技學院安全工程學院,河北省三河市,065201; 2.山東建筑大學土木工程學院,山東省濟南市,266510)

深井軟巖巷道承壓環力學模型與理論研究?

王 波1王 軍2高昌炎1

(1.華北科技學院安全工程學院,河北省三河市,065201; 2.山東建筑大學土木工程學院,山東省濟南市,266510)

建立在錨網噴支護和鋼管混凝土支架高強度支護基礎上,提出巷道承壓環強化支護模型及理論,闡述了承壓環的概念,建立承壓環的力學模型,并對承壓環結構的承載能力進行理論分析,最后對深井軟巖巷道承壓環進行分類并提出相應的支護設計方法,巷道承壓環強化支護理論作為新的深井巷道支護概念,對于深井軟巖巷道支護機理的分析和實際支護工作具有重要意義.

深井軟巖巷道 巷道支護 承壓環 力學模型

支護與圍巖形成的相互協調的承載共同體是巷道圍巖控制的核心,對于深部巖石工程的圍巖-支護結構共同體的相互作用問題,Lang.T.A.提出了錨網噴支護組合拱理論,康紅普提出了巷道圍巖的關鍵圈理論,余偉健提出由主壓縮拱(錨桿支護)和次壓縮拱(密集型錨索支護)共同構成的疊加拱承載體力學模型.上述理論均是以錨桿支護為基礎,依靠的是錨固圍巖體對外部巖體進行控制,同時這些理論并沒有對巷道圍巖的巖性進行詳細的分類,也沒有把巷道開挖空間內的支護體結構的作用考慮在內.

井下灌注式鋼管混凝土支架是由高延法教授發明的具有高承載力的新型支架,建立在錨網噴支護和鋼管混凝土支架高強度支護基礎上,本文提出巷道承壓環強化支護模型及理論作為新的深井巷道支護概念,對于深井軟巖巷道支護機理的分析和實際的支護工作具有重要意義.

1 承壓環概念

巷道開挖前,巖體處于初始應力平衡狀態,各部位單元塊體處于三向應力狀態.巷道開挖后,圍巖原有應力平衡狀態破壞,巷道圍巖產生應力集中,巷道法線方向周邊巖體應力狀態由原來的三向應力狀態轉為二向應力狀態,應力進行重新分布,接著,沿巷道法線方向圍巖內部逐漸由二向應力狀態向三向應力狀態恢復,直至處于初始應力狀態.

以各向等壓圓形硐室為例,硐室開挖后應力重新分布,其應力分布如圖1所示,開挖瞬間用彈性理論進行分析,可以得到圓孔周圍的應力分布:

圖1 各向等壓圓形洞室開挖圓孔周邊的應力曲線

式中:σr——徑向應力;

σθ——切向應力;

P——原巖應力;

a——巷道半徑.

可以看出在巷壁處,切向應力為2p,徑向應力為0.

在沒有徑向支護力的條件下,如果巷壁處巖石的強度小于應力峰值,則該處巖石發生破壞,應力峰值由半徑a處向半徑b處轉移,在這個過程中由于屈服的巖石仍有一定的殘余強度,仍然可以分擔一部分切向應力,故應力峰值有所減小,徑向應力增大,使得內側巖石處于三向應力狀態,強度提高.最終峰值轉移到某處時恰好達到平衡.此時應力分布如圖2所示.

從應力峰值轉移過程可以看出,這種環狀區域對于硐室整體穩定起了重要的作用,稱之為承壓環,巷道承壓環通過錨網噴支護、鋼管混凝土支架在巷道內形成環狀承壓體,然后通過圍巖注漿支護增強承壓環內巖體強度和改善承壓環應力狀態,提高承壓環的承載能力,從而達到維持巷道圍巖整體穩定的目的.

圖2 圍巖內的彈塑性應力分布

2 承壓環力學模型

2.1 幾何形狀

承壓環的幾何內邊界是巷道開挖一側的噴層,承壓環幾何外邊界是錨桿端頭用平滑曲線連接起來的閉合弧線,對于圓形巷道承壓環外邊界形狀大致為圓形,對于非圓形巷道如矩形、梯形、馬蹄形等承壓環的外邊界形狀大致呈與巷道斷面形狀相似的弧形巷道,且承壓環越大外邊界越趨于圓形.圓形巷道和多心弧段巷道的承壓環形狀如圖3所示.

圖3 不同斷面的承壓環幾何形狀

2.2 承壓環模型的力學邊界

以最為簡單的側壓系數(λ＝1)的圓形巷道為例,承壓環內外邊界的力學條件如圖4所示.

圖4 承壓環內外邊界的力學條件

承壓環內邊界受到的作用力主要有鋼管混凝土支架對承壓環的支護反力和錨桿內端頭提供的徑向力,這些作用力相加即為承壓環力學內邊界作用力(σ內).

巷道深部圍巖塑性變形對承壓環外邊界產生的徑向作用力、錨桿外端頭由于軸向拉力對承壓環外邊界產生徑向作用力,這些作用力相加即為承壓環外邊界受到的作用力(σ外).

2.3 承壓環強化支護作用下巷道穩定的條件

要維持巷道的穩定,既要保持承壓環外部圍巖的穩定即破碎區域不再繼續擴展,同時也要保證承壓環自身的穩定.

承壓環外部圍巖承受來自承壓環的徑向作用力,承壓環外部圍巖受力及邊界點處的應力狀態如圖5所示.

圖5 承壓環應力狀態

承壓環內部巖石已經破壞,以塊狀形式存在,由于應力峰值已經轉移到圍巖深部,對于承壓環內部的巖塊而言,足以滿足強度條件,但是這種破碎的巖塊之間是以鉸接、摩擦等形式相互作用的,如果沒有足夠的約束,同樣會在低的應力條件下受擾動(如放炮、地震、吸水膨脹等形式)而出現錯動、滑移,從而向開挖空間運動,這種運動同時會破壞內部圍巖的穩定條件,因此對承壓環自身的強化,有利于自身和內部圍巖的穩定.

承壓環自身穩定應該以提高承壓環的穩度和整體性為重點,從總體上看提高了承壓環整體粘聚力、內摩擦角.

3 承壓環強化支護作用機理分析

從維持巷道穩定的條件可以看出無論承壓環外部圍巖的穩定還是承壓環自身的穩定,都需要強化承壓環的支護.

3.1 一次支護承壓環強化支護理論分析

錨桿既能承受拉應力又能承受剪應力,能夠很好地加固圍巖,錨桿所起的作用主要體現在提供給承壓環內破碎的巖體一定的約束,提高其整體性.對于較長的錨桿還能通過承壓環提供徑向支護作用力;錨索起的作用主要是對承壓環整體的懸吊作用,提供了徑向的應力.

初次薄噴層的作用主要是封閉圍巖,防止巷壁的巖塊受擾動脫落,對于易吸水膨脹的巖石同時能防止水分的滲入.厚噴層和金屬網能夠被動的產生一定的徑向支護力,同時將支架的支護反力均勻施加到承壓環.

3.2 二次支護承壓環強化支護理論分析

剛性支架的作用是提供一個較大的徑向支護反力,在維護承壓環穩定的同時傳遞到承壓環外邊界的圍巖,使得破壞區域不再繼續擴展.

鋼管混凝土支架對承壓環的支護反力如圖6所示,剛性支架強大的支護反力通過承壓環的放大作用很好地維持了內部圍巖的穩定,并且對承壓環內部破碎區域有很好的擠壓加固作用.

圖6 鋼管混凝土支架對承壓環的支護反力

4 深井軟巖巷道承壓環分類

根據巷道圍巖條件,可將承壓環分為三類.

(1)中硬圍巖巷道.巖石強度30～50 MPa,吸水軟化載荷-強度比小于0.5;通過強化加固巷道圍巖,在巷道圍巖中形成承壓環.

(2)軟弱巖層的巷道.巖石強度10～30 MPa,吸水碎裂崩解,載荷-強度比0.5～1.0;在巷道圍巖中和巷道開挖空間內支護,共同形成承壓環.

(3)極軟弱巖的巷道.巖石強度小于10 MPa,吸水泥化,載荷-強度比大于1.0,在巷道開挖空間內再造承壓環.

5 主要結論

(1)巷道承壓環以錨網噴支護和鋼管混凝土支架高強度支護為基礎,錨網噴支護在巷道內形成環狀承壓體,然后通過圍巖注漿支護和鋼管混凝土支架支護等巷道支護方式增強承壓環內巖體強度和改善承壓環應力狀態,提高承壓環的承載能力.

(2)要維持巷道的穩定,既要保持承壓環外部圍巖的穩定即破碎區域不再繼續擴展,同時也要保證承壓環自身的穩定.

(3)對于中硬巖層,在巷道圍巖中構建承壓環;對于軟弱巖層,在巷道圍巖和開挖空間內共同構建承壓環;對于極軟巖巷道,在巷道開挖空間內再造承壓環.

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Study on mechanical model and theory of pressure-bearing ring of soft rock roadway in deep mine

Wang Bo1,Wang Jun2,Gao Changyan1
(1.School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Sanhe,Hebei 065201,China; 2.School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan,Shandong 266510,China)

Based on the high-strength support with anchor-net-shotcrete and concrete-filled steel tube,strengthening support model and theory of roadway pressure-bearing ring were put forward,the concept of pressure-bearing ring was elaborated and the mechanical model was built,then carrying capacity of the pressure-bearing ring structure was analyzed in theory.The pressure-bearing ring of soft rock roadway in deep shaft was classified and the corresponding supporting design methods were put forward.As a new roadway supporting concept of deep shaft, the strengthening support theory of roadway pressure-bearing ring was significant for soft rock roadway supporting mechanism analysis and practical support work in deep shaft.

soft rock roadway in deep shaft,roadway support,pressure-bearing ring,mechanical model

TD353

A

王波(1981-),男,副教授,從事礦山巖體力學與軟巖巷道支護方面的教學與科研工作。

(責任編輯 張毅玲)

國家自然科學基金(51404105),河北省自然科學基金(E2015508047),河北省高等學?？茖W技術研究項目(QN2015325),中央高校基金科研業務費(3142015085、3142015020)