软岩巷道二次支护最佳时间的研究.pdf

文章编号 l o o 3 5 9 2 3 2 0 0 3 0 2 --0 0 5 6 --0 3 软岩巷道二次支护最佳时间的研究 陈玉萍， 张生华 焦作大学， 河南 焦作 4 5 4 0 0 3 摘要 研究表明， 软岩巷道具有大地压、 大变形、 难支护特点， 其二次支护最佳支护时间的确定是软岩控 制的关键技术之一。通过二次最佳支护时间和最佳支护时段的研究实施， 并采用与之耦合的控制支护方式， 控制了软岩二次支护的强烈变形， 保证了巷道稳定， 在实践中取得了显著的技术经济效果。 关键词 软岩巷道； 二次支护； 最佳 时间时段 中图分类号 TD 3 5 3 文献标识码 B 1 引 言 2 最佳支护时间的确定 软岩巷道支护和硬岩巷道支护原理截然不同， 软岩巷道的一个独特之处是， 其巨大 的塑性能 如 膨胀变形能等 必须以某种形式释放 出来[ 1 ] 。施工 中二次支护时间过早 ， 巨大的软岩膨胀变形能不能 得到充分释放 ， 二次支护强度难 以抗拒围岩巨大的 塑性变形而产生破坏； 二次支护时间过晚 ， 膨胀变 形能虽然得到释放 ， 但围岩支护强度大部分丧失 ， 转加到支护体上的是失去 自撑能力 的围岩巨大载 荷。 二次支护强度较大也难以抗拒围岩巨大载荷作 用， 巷道仍变形破坏。 以古汉山矿软岩巷道为例， 实 测二次支护时间过晚或过早不耦合支护时软岩巷 道 的破坏状况， 见 图 1 。图 1 a为一次支护锚网喷支 护， 半年 以后 因二次支 护不及时巷道 变形破坏状 况 ； 图 1 b为一次支护锚网喷支护， 3 0 4 0 d后进行 工钢二次支护 ， 因二次支护过早， 支护时间不耦合 巷道变形破坏状况。理论与实践表明， 软岩巷道为 取得好的支护效果， 其二次支护最佳支护时间的确 定是软岩控制的关键技术之一。 a b 图 1 一支支护锚网喷巷道变形破坏状况 a 二次支护不及时 b 二次支护 过早 2 ． 1 软岩巷道支护优化原理[ 2 ] 软岩巷道支护和硬岩巷道支护的原理不同， 是 由它们 的本构关系不同所决定的。 硬岩巷道支护不 允许硬岩进入塑性 ， 因进入塑性状态的硬岩将丧失 承载 能力。而软岩巷 道 的塑性能 如膨胀 变形能 等 必须以某种形式释放出来。因此软岩巷道支护 原理可 以表示为 p r pd pR ps 式 中 户 ， 挖掉岩体后使围岩 向临空区运动的 合力 ， 包括重力、 水作用力、 膨胀力、 构造应力和工程偏应力等 ； 加 以变 形的形式转 化 的工 程力 ， 可 以 包括① 弹塑性转 化 与时 间无关 ； ② 粘弹塑 能转化 与 时 间有 关 ； ⑧ 膨 胀力的转化 与时间有关 。对于 软岩来讲 ， 主要是 塑性 能 以变形 的 方式释放 ； 加 围岩 自撑力， 即围岩本身具有一定强 度 ， 可承担部分或全部荷载 ； 声 工程支护力。 上式物理如下 1 巷道开挖 后引起的围岩 向临空 区运动的 合力并不是纯碎由工程支护力全部承担， 而是 由三 部分共同分担 。 首先 由软岩的弹塑性能以变形的 方式 释放一部分 ， 亦 即 的一部 分转化 为岩体形 变 。 其次， 的另一部分由岩体本身 自承力承担 。 如 收稿 日期 2 O O 2 一l 2 一l 9 作者简介 陈玉萍 1 9 6 4 一 ， 女， 河南焦作人， 毕业于郑州工学院土建系， 现从事岩土工程技术教学研究工作， 曾发表学术论文十余篇。 ．5 6． 2 0 0 3 ． N 9- 2 矿山压 力与顶板 管理 维普资讯 果岩体强度很高， P P ， 则巷道可以 自稳。 对 于软岩 ， P 较小 ， 一般p R P ， 故巷道要稳定 ， 必须进行工程支护 ， 即加上 。 为求工程稳定 ， 通常 P s P R 值要大于 一P d 值 。 2 一个 优化的巷道设计和支护设计应该 同 时满足三个条件 ， ～p ,c - - ma x ； ②一P R -- - ma x ； ③一P s mi n 。 实际上， 要使① 一ma x ， 加就不能达到最大； 要使②户 一ma x ， 就不能达到最大。要 同时满足 P 一ma x ， P 一ma x ， 关键是选取变形能释放的时间 和支护时间。 2 ． 2 最佳支护时间和最佳支护时段 岩石力学理论 和工程实际表 明， 硐 室开挖 以 后， 变形逐渐加大。 以变形速度区分 ， 可划分三个阶 段 即减速变形 阶段、 近似线性的恒 速变形 阶段和 加速变形阶段。当进入加速变形阶段时 ， 岩体本身 结构改组， 产生新裂纹， 强度就大大降低。显然， 加 速变形 阶段可 以使P 一ma x ， 但却大大降低 了P ， 这不满足优化原则。 解决这个问题 的关键是最佳支 护时间概念的建立和最佳支护时段的确定 。 最佳支护时间系指可 以使 P P 同时达到 最大的支护时间， 其意义如图 2所示。 P 厶PR 0 Ts 1 Ts Ts 2 T 图 2 最佳 支Y MN 一p ． 一p a ～￡ 曲线 图 2表明， 最佳支护时 间就是 P ～ 曲 线峰值点所对应的时间 。实践证明该点与 P 。 ～ t曲线和 P ～ 曲线的交点所对 应的时 间基 本相 同。此时， 支护使 P 。在优化意义上充分地达到最 大 ， 同时又保 护围岩强度， 使其强度损失在优化意 义上达到充分小， 亦即其本身 自承力 P 达到最大 。 最佳支护时间的确定， 在工程实践中是难 以办 到的， 故提出了最佳支护时段概念。最佳支护时段 的概念如 图 2所示 ～ 段 。 最佳支护时间 T s 的物理意义 塑性 区可分为稳定塑性区和非稳定塑性区。 出 现松动破坏之前的最大塑性区范围， 称为稳定塑性 区； 出现了松动破坏区之后 的塑性区， 称为非稳定 塑性区。 稳定塑性 区所对应的宏观围岩的径 向变形 称为稳定变形 ； 非稳定塑性 区所对应的围岩的径 向 变形称为非稳定变形。 塑性区的出现改变 了围岩的应力状态， 这种变 化对支护来讲具有两个力学效应 ① 围岩中切 向 应力和径 向应力降低 ， 减小了作用于支护体上的荷 载。 ② 应力集中区向深层偏移 ， 减小了应力集中的 破坏作用。在巷道两帮发生应力集中时， 两帮岩石 处于极不利的单轴受力状态条件， 极易产生片帮破 坏现象 。应力集中偏移深部后 ， 一方面应力集 中程 度降低， 另一方面深部岩石处于三轴受力状态 ， 其 破坏可能性大大减小 。因此， 对于高应力软岩巷道 支护来讲 ， 要允许 出现 稳定 塑性 区， 严格限制非稳 定塑性区的扩展。 其宏观判别标志就是最佳支护时 间 。 之 间出现的变形称稳定变形， 对应 的塑 性 区称稳定塑性 区。所 以最佳 支护时间的力学含 义就是最大 限度地发挥塑性 区承载能力而又不 出 现松动破坏时所对应的时间。 它可以通过计算机监 控得到 ， 也可以通过现场特 征判断得到或直 接得 到。现场具体施工中， 可以根据时间一位移 ～ 曲线进行判定。 具体方法通过对巷道表面位移的监 测 ， 可以判定巷道表面位移变化速率由快到趋于平 缓的拐点 丁。 附近作为二次支护的最佳支护时间。 3 工 程 实例 焦作矿区古汉山矿为新建矿井 ， 由于主要运输 大巷 布置在软岩层位上 ， 使巷道变形破坏 十分严 重。 对围岩物化特征 、 力学参数、 矿物成份等进行分 析测试 表明， 古汉 山矿井软岩是具有高应力、 节理 化、 强膨胀的复杂应力变形特征的极软岩层。原支 护方式 为锚网喷、 工字钢支架等支护方式， 虽经多 次翻修仍不能控制 围岩变形[ 3 ] ， 维 修费用达 1 0 0 0 ～ 1 5 0 0元 ／ 年 I T I 。 3 ． 1支护方案 ] 支护方案设计见 图 3 。一次支护为锚 网喷支 护， 二次支护在不 良部位施加锚索注浆加 固， 其 参数设计如图 3所示 。 二次支护为预应力注浆锚索 锚注。在断层带、 冒落区等大面积冒落破坏区采 用锚注加锚棚支护系统 。 1 顶板两帮加固 锚 索 索 体直径 1 5 ． 2 4 mm， 长度顶部 为 3 7 0 0 0 ， 拱脚为 2 5 0 0 0 ； 排距 3 m； 锚具 高强度锚具 ； 锚固方式 树脂锚固与注浆锚固。采用两支锚 索专用低粘度树脂锚固剂 ， 锚 固长度 1 m。其余部 分采用锚索专用水泥浆全长锚固； 矿山压 力与顶板管理2 0 0 3 ． №2 5 7 维普资讯 2 0 00 2 0 0 0 图 3 支护方案 设计 钻孔直径； 孔 口 4 2 mm、 孔 内 3 2 mm； 托 板 7 0 0 mm 长 的 1 2 槽 钢 ， 1 2 01 0 0 1 0 mm的钢板 ； 组合构件 顶肩部辅以钢筋梯， 轴向方向布置， 拱脚辅槽钢 ， 全断面铺设压痕钢筋网； 注浆锚杆 直径 1 5 mm， 长度 1 ． 5 ～2 ． 2 m 不 等。数量为 6 ． - - ． 8根 ， 正常情况 6根 ， 在弱软夹层处 两帮各加一根， 注浆锚杆排距为 3 m。 2 底脚加固 底脚为高强度锚杆和注浆锚杆共 同加固补强 ， 高强度锚杆 2 2 3 0 0 0 ， 两 脚各 布置 一根 ， 与水平 夹角 4 5 。 ， 排距 1 m， 注浆锚杆 为 1 5 3 0 0 0 ， 两底 脚各布置一根， 与水平夹角 4 5 。 ， 排距 1 m， 与高强 度锚杆 间隔布置。 断层带破碎带加固方案为在 以上布置方案基 础上， 全断面架设钢筋支架并锚注。 3 ． 2 最佳支护时段 研究认 为， 一次支 护后 ， 及时对 围岩松动圈进 行测试 ， 当围岩塑性变形范围接近最大松动圈值所 用时间， 即为最佳支护时间。对松动圈的测试可采 用声发射 、 地质雷达或多点位移计进行测试。实测 认 为一次支护后到 围岩最大松动圈值形成时间一 般为 6 0 ～9 0 d ， 即为最佳支护时段 。 所 以， 古汉 山矿 工程实施 中一般 以一次支护后 6 0 ～9 0 d作为二次 支护最佳支护时段 。 3 ． 3矿压 观 测 对古汉 山矿软岩巷道最佳支护时段二次支护 效果进行矿压观测 ， 结果如图 4所示。矿压观测结 ． 5 8． 2 0 0 3 ． № 2 矿 山压 力与顶板管理 ⋯ 尊 果表明， 古汉山矿软岩巷道采用最佳二次支护时段 进行锚 注支护 ， 可以控制围岩的强烈变形 ， 保证巷 道稳定 ， 且技术经济效果显著， 具推广应用价值。 l ∞ ＼ 彗 s o 5 0 0 8 0 1 O 0 时间／ d 图 4 二次 支护围岩稳定性监测 4 主要结论 软岩巷道具有大地压 、 大变形、 难支护特点， 其 二次支护最佳支护时间的确定是软岩控制的关键 技术之一。 通过二次支护最佳支护时间和最佳支护 时段的研究实施 ， 并采用与之耦 合的控制支 护方 式， 控制 了软岩二次支护的强烈变形， 保证了巷道 稳定 ， 且技术经济效果显著， 具有推广应用价值 。 参考文献 [ 1 ] 何满潮． 软岩 巷道变形机制 的探讨 E J ] ． 软岩 工程 ， 1 9 9 2 ， 1 1 4 ． [ 2 ] 何 满潮． 软 岩巷 道工程 概论 [ M] ． 州 中国 矿业 大学 出版 社 ， 1 9 9 3 ． [ 3 ] 董方庭． 巷道围岩松 动圈支护理论及应 用技术E M] ． 北京 煤 炭工业出版社， 2 0 0 0 ． 6 0 8 8 ． [ 4 ] 陆士 良， 汤雷．锚 固支护技术研究 [ M] ． 北京 煤炭 工业出版 社， 1 9 9 9 ． 6 5 8 0 ． - I _ 罐 维普资讯