深部巷道分层围岩变形特征研究.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 深 部巷道分层 围岩变形特征研究 马雪晴 ，霍 亮 ，郭永祥 1 ．阜阳职业技术学院，安徽 阜阳2 3 6 0 0 0；2 ．煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司，河南 郑州4 5 0 0 0 7 摘要矿井进入深部开挖后 ，巷道围岩 内部 出现破裂现 象。通过考虑巷道 围岩碎胀性和地 质分层的影响 ，得 出了计算巷道 围岩 内部破裂范围的位移解析表达式；分析 了锚杆对巷道两帮的 影响，获得 了维持巷道 两帮稳定所需的最小锚 固段长度。最后通过算例进行验证 ，为深部巷道支 护 设计提 供 了一定 的理论依 据 。 关键词 深部巷道；分层围岩；解析解 ；破裂区 中图分类号T D 3 5 0 ． 1 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 2 - 0 0 8 0 - 0 4 St ud y o n De f o r ma t i o n Fe a t u r e s o f I n di v i d ua l S ur r o un d i ng Ro c k Al o ng M i n e Ro a d wa y i n d e e p M i n e MA Xu eq i n g ，HU O L i a n g ， GUO Yo n gx i a n g 1 ． F u y a n g V o c a t i o n a l a n d T e c h n ic al C o l l e g e ，F u y a n g 2 3 6 0 0 0，C h i n a ； 2 ． Z h e n g z h o u D e s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e l i m i t e d C o m p a n y o f C o a l I n d u s t r y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7，C h i n a Ab s t r a c t T h e r e wa s a c r a c k p h e n o me n o n o c c u r r e d wi t h i n t h e s u r r o u n d i n g r o c k o f t h e mi n e r o a d wa y a f t e r e x c a v a t i o n s i n t h e d e e p s e c t i o n o f t h e mi n e ． I n c o n s i d e r a t i o n o f t h e i n fl u e n c e s o f t h e s u rr o u n d i n g r o c k b r o k e n a n d s we l l i n g a n d t h e g e o l o g i c a l b e d s e p a r a t i o n，a d i s p l a c e me n t a n a l y t i c a l e x p r e s s i o n t o c a l c u l a t e t h e c r a c k s c o p e w i t h i n s u r r o u n d i n g r o c k o f t h e r o a d w a y w a s o b t a i n e d ． T h e p a p e r a n aly z e d t h e b o l t a f f e c t e d t o t h e t w o s i d e wa l l s o f t h e r o a d w a y a n d a mi n b o l t a n c h o ri n g l e n g t h r e q u i r e d t o k e e p t h e t w o s i d e w all s t a b i l i t y o f t h e r o a d w a y w a s o b t a i n e d ． T h e v e r i f i c a t i o n o n t h e c a l c u l a t i o n e x a mp l e s c o u l d p r o v i d e c e r t a i n t h e o r e t i c a l b a s i s t o t h e s u p p o r t d e s i g n o f t h e mi n e r o a d wa y i n t h e d e e p mi n e ． Ke y wo r d s mi n e r o a d w a y i n d e e p mi n e ；i n d i v i d u a l s u r r o u n d i n g r o c k；a n a l yti c a l s o l u t i o n；c r a c k i n g z o n e 目前 普遍 接 受 的巷道 围岩 力学 性质 是 用弹性 、塑性 、 粘性或三者之间的组合来表示。求解其力学问题是从围岩 的单元微分体出发，研究微分体的力的平衡关系 平衡方 程 、位移和应变的关系 几何方程 以及应力和应变的关 系 本构方程 ，得到相应的基本方程，然后联立、积分求 解这些方程 ，并 与 围岩 的边 界条件联 系起来 ，从 而求得 巷 道围岩内部的应力场和位移场。这种研究方法的前提条件 之一就是假 设 巷道 围岩 是 由同一 类型 的均 匀材 料组 成 的 ， 各部分的物理性质是相同的，并不会随着坐标位置的改变 而发生变化 | 9 。然而在通常情况下，巷道 围岩是处在分 层的岩体中的。各岩层间的物理性质不同，其应力场和位 移场也不尽相同。 1 巷道 围岩位移计算基本理论和方程 设有一直墙半圆拱巷道，开挖半径 r 0 ，原岩垂直应力 8 0 分量 P 、水 平应力分量 q ，支护荷 载 P ，巷遁 围岩处在分层 的岩体中，由塑性区、弹性区、原始应力 区三部分组成。 圆巷周边的塑性位移公式 为 ‰ [ 2 1一 A R ／ O ]{ s i n [ p 1 A 2 cc 。 s ] [ 哿 ] 一 p 一 A c o s2 0 } 式 中 ro { 嚣 1 1 Ⅷ c口 c o s 2 塑性区半径计算公式⋯ r o{ 舞 { 收稿 日期 2 0 1 2 0 51 4 基金项目国家 “ 十一五”支撑计划子课题 “ 深井巷道围岩变形特性与支护优化设计研究” 2 0 0 6 B A J 2 1 B 0 4 作者简介马雪晴 1 9 8 5一 ，女，安徽阜阳人 ，硕士，毕业于安徽理工大学土木建筑工程学院，研究方向为矿井巷道 支护技术。 2 0 1 3年第 2期 煤炭工程 考虑岩体的碎胀性，有 2南 一 ][ r 02一k r ou 。 ] 式 中 碎胀 系数 ，由实测所得 ，通常为 I ． 1～1 ． 2 。 可得出弹塑性边界处的位移 一 √ r0 设分层处距圆巷中点的距离为 r ，围岩弹性位移 U为 U c o s v s i n a u 【 ， r 4 一 __ c 。 s 2 ] 一 ＼ r ， J [ ， 一 一 咖 2 一 【 一 si叫 一 【 一 sin 2 】 式中 选取的分层处计算点与垂直于分层走向的径向 轴夹角； 弹性区巷道任一点的径向位移； 弹性区巷道任一点的切向位移。 分层处的破裂区宽度为 AU 一 Ul 式中 上层围岩位移； U ， 下层围岩位移。 当下层围岩位移小于上层围岩时，AU 0 ，分层处出现明显的破裂。 与塑性区内围岩位移有关的参数为内聚力 c 、内摩擦角 泊松比纵弹性模量 E 、径向与水平轴的夹角 、侧压 系数 A以及支护力P 。 ；与弹性区内围岩位移有关的参数为 泊松比 、弹性模量 E、垂直地应力 P 、水平地应力 q以及 径向与水平轴的夹角 。对分层处破裂区宽度有较大影响的 参数有泊松 比 、弹性模量 E、垂直地应力 P 、水平地应力 q以及分层处距圆巷中点的距离为 r 。 在巷道两帮的直墙部分 ，由于巷道开挖而造成直墙部 分围岩在水平方向产生卸载效应。在竖直方向压应力的作 用下，水平方向将会产生卸荷效应，按照剪切破坏极限平 衡条件，直墙部分围岩体 内将会 出现两个对称的剪切破坏 面，形成塑性变形区。当采用锚网喷支护加强后，在加强 范围内 锚杆的有效锚 固长度范围内 ，破坏的岩体与锚杆 共同作用形成复合岩体来维护其后岩体的稳定。在预应力 锚杆的锚固区段内，由于锚固区岩体主要承受拉应力的作 用 ，因此在较大的预应力作用下 ，该处岩体最容易首先产 生拉破坏，由岩体受拉破坏而出现近于直立的复合岩体梁。 此时，只要岩体内没有特别软弱的结构面存在，复合岩体 梁内的岩体就不会发生沿结构面的滑动破坏，即巷道直墙 部分的复合岩体梁作为一个整体是稳定的，因此，对于深 埋巷道直墙段的稳定性分析，可以采用复合岩体梁弯曲破 坏理论进行计算，其分析过程如下 在施工过程中，采用 的锚杆与围岩体锚 固以后，在锚固端将形成一个锚杆与岩 体的复合体，按照平面应变方法，将复合岩体的稳定性简 化为宽度为锚杆间距的简支梁构件，按照均布荷载简支梁 稳定性分析方法来进行。复合岩体作用简图如图 1 所示。 图 1 复合岩体作用简 图 从图 1中可以看出，整个直墙段岩体的稳定性完全依 赖于锚杆锚固段的稳定 ，一旦锚固段失稳破坏则整个锚杆 支护结构将失效。对于长度为 。锚 固段岩体而言则近似简 化为受弯简支梁的稳定性分析，方法如下 对于锚固段岩体而言，该处岩体可以看作是由锚杆和 岩体组成的复合材料，其承载力 近似看作复合岩体材料 的屈服应力 ，则有 m 一 其中， 为锚杆的强度； 为岩体的强度；m d ／ 为锚固段锚杆的置换率，以为锚杆直径，d 为加固区 段的等效直径 ，若锚杆按间排距均为 的正方形排列，则 有 d 1 ． 1 3 s 。对于锚固端来说，复合岩体梁的破坏主要是 在均布的水平荷载 q作用的弯曲破坏，则复合岩体梁的几 何尺寸如图2所示。其中，o为锚杆端头锚固长度；s为锚 杆排距；h为巷道直墙段的高度。 要保证复合岩体梁不会出现弯 曲破坏，则必须要保证简支梁的最 大弯矩 M⋯不大于复合简支梁的屈 服弯矩 ，即要满足条件 M ≤ M s 其中 图2 复合岩体梁简图 M 1 1 口 则锚杆端头锚固长度 h J 4s 如果巷道直墙部分存在着岩体分层现象，也就是存在 81 煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 软弱结构面，要使岩体不发生沿着结构面的滑动破坏 ，则 必须要求预应力锚杆沿潜在滑动面所提供的阻力足以抵抗 岩体的滑动。其预应力的大小与软弱结构面的力学参数、 结构面的倾角、锚杆的倾角及锚固形式、巷道埋深、水平 构造应力等因素有关。 2 案例分析 现场监测选在淮南矿业集团望峰岗煤矿二副井 一 9 6 0 m 水平巷道，监测区段处巷道围岩主要是砂质泥岩、泥岩和 细砂岩，岩层倾角小于 5 。 。巷道支护主要是采用喷、锚、 网和锚索联合支护方式。巷道出现了较为严重的拱顶下沉 和底鼓现象，严重者锚杆和锚索被拉断。岩层介质物理力 学参数见表 1 。 表 1 岩层介质物理力学参数 在巷道顶板 、拱肩与拱基处采用全景数字化智能钻孔 电视成像仪观测巷道围岩内部位移情况；在巷道两帮采用 声波测试仪进行 围岩破裂区范围的判断。该巷道竖直方向 的自重应力为最大主应力，即P 2 2 M P a ；水平方向的最大 主应力为q 2 0 ． 2 MP a ，水平与竖直地应力比值为 A 旦 2 0 ．9 2 P Z 监测区段巷道半圆拱处在泥岩层中，由于钻孔深度限 制，探测到顶板 2 m至 3 ． 8 m处为砂质泥岩，深部为细砂 岩；巷道直墙段处在砂质泥岩层中。将参数代人力学模型， 可得出顶板处泥岩层与砂质泥岩层之间的破裂带宽度为 4 8 m m，砂质泥岩层与细砂岩层之间的破裂带宽度为 1 2 m m； 拱肩处泥岩层与砂质泥岩层之间的破裂带宽度为 3 9 ra m，砂 质泥岩层与细砂岩层之间的破裂带宽度为 1 0 m r n 。M⋯为 2 5 k N i n ，Ms 为 1 0 9 k N In 。现场观测结果如图3所示。 图3中 1 、2 、3 、6测点采用的是全景数字化智能钻孑 L 电视成像仪 ，4 、5测点采用的是声波测试仪。测试结果清 晰地展示了巷道围岩经过长时间变化以后的破碎程度及分 布范围。需要说明的是钻孔窥视图像是在巷道返修以后 测得的，因此 图像起点位 置对应于返 修前距巷道表 面 1 0 0 0 ra m的深度，即钻孔窥视图像岩层的显示位置应加上刷 帮厚度 1 0 0 0 m m，才是相应巷道围岩返修前的实际位置。从 钻孔窥视展开图像中可以看出，巷道拱形顶板部分泥岩层 与砂质泥岩层之间 1 ． 9～2 ． 1 m 、砂质泥岩层与细砂岩层 之间 3 ． 7～ 3 ． 8 m 均出现了与计算结果接近的破裂区；而 与拱顶成4 5 。 夹角的拱肩处层间虽然也出现了破裂区，但破 裂宽度远大于计算结果，其原因为受到了与平行于巷道直 墙的连续剪切滑动面交汇的影响，因此拱肩处围岩破碎比 8 2 砂质泥岩层 ＼＼ 1 ．9 ～2 ． 1 m 3 ．2 ～ 3 ．踟 ／／3 ．1 -- 3 ．8 m 一 ⋯ 泥岩层 J 0 0 n N 一 2．2 m 0 ～ 2 ． 1 ～ 2 ． 2 m 粤 一 L I 4 6 0 0 『 d 、 4 9 0 0 0 图 3 检测区巷道 围岩破裂区测试及结果 IT l m 较严重 。 由于施工比较困难 ，对于巷道两帮直墙部分的围岩的 测试 主要采 用声波法进行 测试，声波测 试孔 的深度 为 2 ． 5 m。声波测试的时程曲线 如图4所示 表明，两帮围岩 破碎变形的深度基本一致 ，其中左帮松动圈的深度约为 2 ． 2 m左右 ，而右帮松 动圈的深度在 2 ． 1 ～ 2 ． 2 m左右 。 厘 富 耀 迎 粗 孔深， m a 巷道右帮声速 、 振幅随孔深的变化曲线 1 3 5 0 三1 2 0 皿 薹l0 5 羹9 0 骚， s 6 0 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2． 5 孔深／ m b 巷道左帮声速、振幅随孔深的变化曲线 图 4 巷道两帮超声波传播时间变化 该距离与巷道所用锚杆的有效锚固长度相吻合，即巷道 两帮是沿着预应力锚杆锚固区岩体受拉破坏处产生连续剪切 滑动面。由于M ≤ ，巷道直墙段岩体未出现明显破坏。 3 结论 1 巷道围岩在同一层内材料参数保持不变，且符合弹 塑性基本方程 ，得到了考虑围岩分层条件下的位移解析表 达式 。 下转第8 6页 煤炭 工程 2 0 1 3年第 2期 考虑用矩形替代直墙半圆拱形巷道时要加强顶底板支护。 综上所述，在进行巷道断面选型时要考虑如下因素 1 巷道所处地层地应力的绝对大小以及随着采区巷道 延伸而引起增值的大小。当所处地应力整体水平较小时， 应力增加对巷道稳定性影响较小，此时可以继续沿用原有 断面形式；而当地应力整体水平较高时，应力增加，须对 原有巷道断面重新验算。 2 水平应力与竖向应力的相对大小。 3 结论 1 矩形和梯形巷道相对于拱形巷道而言，围岩表面位 移量较大，不利于维持巷道围岩稳定性 ，但断面利用率较 高、施工方便 ，经济性较好。 2 在常用的拱形巷道中，直墙半圆拱形优于三心拱及 圆弧拱 ，能够发挥较好的承载性能，对于维护巷道围岩稳 定性有利。加设底拱对于抑制底板变形量效果明显，故有 条件的地方应加设反拱。 3 采区巷道埋深和侧压力系数对巷道位移场 、应力场 都有重要影响，影响程度的大小与外部条件变化所引起的 应力增量以及巷道所处地应力水平有关，采区巷道延伸时 要统筹考虑 。 4 采区巷道埋深小于4 0 0 m，侧压力系数小于 1 ． 6时， 巷道所处围岩条件与数值模拟相近时，可以选用矩形巷道， 达到提高施工速度及经济效益的目的E 12 1 。 5 巷道断面选型要基于地应力实测数据 ，并结合巷道 稳定性、断面利用率 、施工难易程度、用途而进行。 参 考文献 [ 1 ] 李桂臣，张农 ，王成，等．高地应力巷道断面形状优 化数值模拟研究 [ J ] ． 中国矿业大学 学报，2 0 1 0，3 9 5 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] [ 1 2 ] 6 5 3～6 5 7． 凌标灿 ，黄向宏．巷道断面形 状力学效应 三维数值模拟 分 析 [ J ] ．安徽理工大学学报 自然科 学版 ，2 0 0 2 ，2 2 1 6 ～9． 戴永浩 ，陈卫忠 ，刘泉声 ，等．深部高地应 力巷道断 面优 化研究[ J] ．岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ，2 0 0 4，2 3 Z 2 4 9 6 0～49 6 5． 朱 以 文 ，蔡 元 奇 ，徐 晗． A B A Q U S与 岩 土 工 程 分 析 [ M] ．香港 中国图书出版社 ，2 o o 5 ． 王金昌 ，陈页开 ．A B A Q U S在土木工程 中的应用 [ M] ．杭 州 浙江大学出版社 ，2 0 0 6 ． 庄海洋 ，陈国兴 ，梁艳仙 ，等．土体动 非线性黏弹性模 型 及其 A B A Q U S软件的实现 [ J ] ．岩土力学 ，2 0 0 7 ，2 8 3 4 3 64 4 2． 范庆来 ，栾茂田 ，杨庆．修正 剑桥模型 的隐式 积分算法 在 A B A Q U S中的数值实施 [ J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 1 2 6 9～2 7 3． 宗义江 ，韩立军 ，张后 全，等．深井上下覆 开采 软岩巷道 围岩稳定 机 理 与 控 制技 术 研 究 [ J ] ． 煤 矿安 全 ，2 0 0 9 ， 3 1 2～1 5 ． 高富强．断面形状对巷道 围岩稳 定性影响 的数值模 拟分析 [ J ] ． 山东科 技大 学学 报 自然科 学 版 ，2 o 0 7，2 6 2 4 3～4 6 ． 刘豆豆 ，陈卫忠 ，杨建 平，等．二道垭隧道 开挖与支护 的 数值模 拟分 析 [ J ] ．山东 大学 学 报 工 学版 ，2 0 0 7 ，3 7 1 8 0～ 8 5 ． 吴忠 ，罗运军 ，秦本东．断面形状对巷 道稳定性影 响的 研究 [ J ] ．矿山压力与顶板管理， 2 0 o 4 ， 2 1 4 4 1 ～ 4 3 ， 4 O． 汪伟，韩磊 ，邵康．基 于 U D E C数 值模拟的巷道 断 面形状优化设计 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 0 7 ， 1 2 5 4～ 5 5 ． 责任编辑郭继圣 上接第 8 2页 2 考虑锚杆对巷道两帮的影响，通过对复合岩体梁的 受力分析得到了保证巷道两帮稳定所需的最小锚固段长度。 3 深部巷道围岩内部出现破裂现象是由于围岩各岩层 之间位移不同所形成的。 参 考文献 钱七虎．深部岩体 工程响应的特征科学现象及 “ 深部 ” 的 界定 [ J ] ．东华理工学院学报 ，2 0 0 4，2 7 1 1～ 5 ． 周宏伟，谢和平 ， 左建平．深部高地应力下岩石力学行为 研究进展 [ J ] ．力学进展， 2 o o 5 ， 3 5 1 9 1 ～ 9 9 ． 何 满朝 ，谢和 平，彭苏 萍 ，等．深部 开采 岩 体力 学研 究 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 5 ，2 4 1 6 2 8 0 32 8 1 3 ． 李全生．我国井下煤矿开采技术现状和发展展望 [ J ] ．煤 矿 开采 ，2 0 0 2，7 3 1 ～5 ． 陈坤福 ，深部巷道 围岩破裂演化过程 及其控制机 理研究与 应用 [ D ] ．徐州中国矿业大学，2 0 0 9 ． [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9] [ 1 O] 钱七虎．非线性岩体力学 的新进展深 部岩体力 学的若 干 问题 [ c ]／ ／ 中国岩石力学 与工程学会 主编．第八 次全 国岩石力学与工程 学术大 会论 文集．北京 科 学 出版社 ， 2 0 0 4 1 0～1 7． 张强 ，王水林 ，葛修润．圆形巷道 围岩应变软化 弹塑性 分析 [ J ] ．岩石力学 与工程 学报 ，2 0 1 0 ，2 9 5 1 0 3 1～ 1 0 3 5． 王其胜．深部软岩巷道矿压特征与支护技术研究 [ D] ．长 沙中南大学 ，2 0 0 8 ． 蒋斌松 ，张强 ，贺永 年，等 ．深 部圆形巷道破 裂围岩 的 弹塑性分析 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 7 ，2 6 5 9 8 2～9 8 6． 华 安增．矿 山岩石力学基 础 [ M] ．北京 煤炭 工业 出版 社 ，1 9 8 0 ． 蔡 美 峰．岩 石力 学 与 工 程 [ M] ．北 京 科 学 出 版 社 ， 2 0 0 2． 责任编辑郭继圣 1 ]J 1 J 1 J 1 j ，