弱胶结软岩岩巷支护技术研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文工程实侈 软岩这种来压大、变形速度快的工程特性再次显现。为了保证安全决定停』上 迎头掘进，决定对巷道变形段进行再次返修。 图4 ．5 巷道底梁变形情况 F i g ．4 ．5 D e f o r m a t i o ns i t u a t i o no fb o t t o m g i r d e ro fr o a d w a yo nA u g u s t3 t h 图4 ．6 巷道底梁变形情况 F i g ．4 ．6 D e f o r m a t i o ns i t u a t i o no fb o t t o m g i r d e ro fr o a d w a yo nA u g u s t S t h 图4 ．7 辅运大巷1 4 3 m 处底梁损坏情况图4 ．81 2 0 - - 1 2 5 m 处巷道底梁整体折断 F i g ．4 ．7 B o t t o mg i r d e rd a m a g ec o n d i t i o no f F i g ．4 ．8 T h eo v e r a l lf r a c t u r eo fb o t t o mg i r I a u x i l i a r yt r a n s p o r tr o a d w a ya t1 4 3 m o fr o a d w a ya t1 2 0 - - 1 2 5 m 在后路辅运大巷西翼1 1 5 ～1 3 1 m 段巷道处底板发生较大的变性破坏，底臌现象j 明显，并且变形速度十分迅速。在11 5 m ～1 3 5 m 处巷道的底板出现了较大裂缝，同日 带拖拉架稍微有些倾斜，部分底梁断裂，轨道和皮带拖拉架严重倾斜，已经影响蛰 常施工，底板裂缝较大，并且是从中部鼓起，如图4 ．9 ，4 ．1 0 所示。在辅运大巷西翼1 2 5 左右处底板上鼓高达1 ．7 m ，被迫再次停止施工，全力以赴进行设备拆除工作。 山东科技大学硕士学位论文工程实例 图4 ．9 巷道底粱变形情况 F i g ．4 ．9 D e f o r m a t i o ns i t u a t i o no fb o t t o m g i r d e ro fr o a d w a y 4 ．2 ．2回风大巷支护结构破坏 图4 ．1 0 巷道底梁变形情况 F i g ．4 ．1 0 D e f o r m a t i o ns i t u a t i o no f b o t t o m g i r d e ro fr o a d w a y 2 煤回风大巷现目前己施工至2 2 2 m ，在O “ - - 5 0 m 段初始支护设计采用1 2 矿工 字钢 锚网喷支护形式；后在5 0 m ～1 6 5 ．5 m 段改进设计，调整为U 3 6 支架 锚网索喷 壁后水泥浆联合支护，在施工至1 6 5 m 处，揭露一个落差为1 7 m 的正断层，于1 6 9 m 处完全揭露，见断层后，决定进一步加强支护强度，从1 6 5 ．5 m 位置开始采用钢管混 凝土支架 网喷联合支护形式，其钢管支架为西1 9 4 x 1 2 m m 浅底拱型支架，棚距O ．7 m ， 同时在底板增加锚索束，并沿巷道轴方向铺设5 m m x 9 0 0 m m 3 0 0 0 m m 的钢板以增加 支护的整体性，底梁上铺设一层Q 2 0 2 5 0 m m 钢筋网，钢筋保护层为lO O m m ，铺底 厚为1 2 4 4 m m ，强度为C 4 0 ，同时底板做水窝拦水防止底板水流向迎头，减少水对 围岩的影响，按此支护方案己掘进施工至2 2 2 m 。 但在回风大巷成巷约2 个月后，在后路1 7 7 m ～1 9 4 m 段巷道右帮出现底板开裂、 上鼓现象，如图4 ．1 l 所示。为保证安全次日即组织进行卧底一返修，但在开挖卧底 过程中底板泥岩膨胀速度十分迅速，人工无法挖到设计深度，同时巷道两侧出现开 裂，底梁发生明显弯曲现象。而回风大巷1 8 8 m ～2 0 0 m 段底臌变形速度也明显加快， 局部变形己经超过l m 腰线位置，位于2 煤回风大巷1 8 3 m 处右侧两架棚腿出现断 开，如图4 ．1 2 所示，而且底板钢筋己严重变形。 山东科技大学硕士学位论文 工程实例 图4 ．111 7 7 n - - , 1 9 4 m 段底板开裂情况图4 ．1 21 8 3 m 处右侧两架棚腿断开 F i g4 ．1 1 1 7 7 m ～1 9 4 ms e c t i o no ft h e F i g4 ．1 2 1 8 3 mo nt h er i g h tl e go f fa t f l o o rc r a c k i n gc a s et h et w os h e d 在掘进迎头也开始出现快速底臌现象，并且巷道四周浆皮出现开裂并伴有响声， 施工人员立即停止施工，迅速撤离迎头工作面，同时，破坏向后加速蔓延，使 16 5 m - 2 2 2 m 巷道段全部底臌变形破坏，而且变形量极大，部分巷道出现折帮现象， 一周后巷道底臌变形量使的巷道顶、底板几乎相接连接。如图4 ．1 3 ，4 ．1 4 所示。 图4 ．1 31 7 4 m 处底臌变形达到2 ．7 m图4 ．1 4 变形致巷道顶底、板基本连接 F i g4 ．1 3 17 4ma tt h ee n do ft h ed r u m F i g4 ．1 4R o a d w a yd e f o r m a t i o nc a u s e db yt h e d e f o r m a t i o nr e a c h e s2 ．7 m t o pa n db o t t o m 、b o a r db a s i cc o n n e c t i o n 弱胶结软岩这种变形量大、变形速度快的工程特性，使巷道往往经过多次返修 也难以达到稳定状态。软岩中蕴含的巨大的塑性，若不能以合理的形式释放出来， 高强支护也很难奏效，这也是软岩巷道支护区别硬岩巷道支护的重要区别之一。 4 ．2 ．3 支护工程体系 由于对于白垩系软岩认识不足，软岩巷道施工采取了型钢支架 浇筑砼支护和 钢管砼支架的支护方式，但根据目前实施效果而言，进入泥岩后均不能满足支护要 4 5 山东科技大学硕士学位论文 工程实例 求，解决软岩巷道支护方式是当前的主要课题。 根据该矿井地质特征和工程要求，按客观规律和浅埋矿压理论，选择适应该工 程的支护方案；如果围岩结构岩层位置及地质构造与原始资料出现不同，要及时变 动支护方案及参数。支护方案与支护参数要严格与实际巷道围岩情况相匹配，并且 符合围岩特点与变化规律。 在确定最佳支护临界值时，要选取一个大致范围，留有一定的余地；支护方案 实施后，软岩巷道不应该出现较大的破坏及变形情况，从而确保软岩巷道工程安全 稳定进行，并保证工作人员安全。 1 降低扰动 在巷道掘进过程中，采用机械化切割成型时，每次的开挖量要保持一致，尽量 少量开挖，而且开挖时要注意减少对周围围岩的扰动，最大限度的保持围岩的原始 应力状态。 2 及时支护 巷道开挖后要及时喷射砼封闭，然后再钻锚杆孔、挂网安装并紧固锚杆、复喷 砼。其程序是巷道开挖成形一喷射砼一钻锚杆孔一挂网安装锚杆紧固螺母一复喷 砼。 3 优化结构 根据软岩的力学性质及支护技术要求，通过对本矿软岩巷道围岩变形和距地表 的厚度的研究，优化支护参数和结构。合理的选择锚杆锚索支护数量及参数，优化 U 型钢棚的支护数量。在充分满足巷道稳定的前期下，降低支护成本。 4 整体强固 染烟巷道支护效果要求支护结构本身与所处围岩应力情况及变性破坏规律相匹 配。即要求锚、网、喷、索、注、架等支护形式有机协调的统一，而且要在支护时 间、工艺、顺序上系统合理。 由于软岩巷道产生变形破坏所造成的维护工作十分困难。要建立整体治理工程 系统，进行综合治理，才能实现技术有效，施工容易和降低造价的目的。 软岩治理是一个动态系统，要通过量测各种信息、数据及时归纳、整理、分析、 反馈，制定预定目标，从实践中积累各种基础资料，用正确的理论指导实践，不断 检验和完善，最终达到预期目标。软岩治理研究工程系统见图1 。 山东科技大学硕士学位论文 工程实例 图4 ．1 5软岩治理工程系统 F i g4 ．1 5 S o f tr o c ke n g i n e e r i n gs y s t e m 目标是使支护结构与围岩匹配而达到巷道稳定。主要是避开了强应力场，提高 围岩支撑能力。技术措施有降低外部荷载、优选岩层位置、合理确定支护参数、 优化施工工艺、改善工程布置及尺寸。优化技术原理如图2 。 图4 ．1 6 优化方案技术原型 F i g4 ．1 6O p t i m i z a t i o no ft e c h n o l o g ys c h e m eo fp r o t o t y p e 4 ．3 ．1 支护方案研究 4 ．3 支护方案设计 一次高强、均匀让压，先柔后刚、柔让适度；二次强刚、阻抗防水，强化围岩、 整体稳定。在支护 事件 、时间、空间 位置 三者关系上达到最佳结合。 1 一次高强、均匀让压 根据该矿巷道围岩的特征，采用分次支护的方案。 即巷道开挖后立即进行全封闭一次支护，其支护强度按计算临界荷载设计支架， 让压值按进入缓慢变形阶段的最大变形量设置，而且支护结构形式对围岩压力达到 4 7 山东科技大学硕士学位论文 工程实例 均匀让压的效果。 2 先柔后刚、柔让适度 柔与刚是相对受力变形破坏情况而言，柔性变形一般是整体变形，有一个渐变 过程，不会突然发生破坏，如锚网支护、可缩性U 型钢支架等；刚是指支护结构体 有足够的刚性强度，柔性支护后的让压值不超过缓慢变形阶段变形量为原则，即要 进行二次支护。 3 二次强刚、阻抗防水 二次支护的强度要有较高的刚度，因软岩己进入缓慢变形阶段，但又不能超过 这一阶段，更不能进入到加速变形阶段；软岩巷道变形破坏的重要原因是底臌造成 的，所以对底板要采用抗阻桩来防止底臌；对底板要采取防水措施，隔绝外在水进入， 减少软岩遇水加速膨胀的机会。 4 1 强化围岩、整体稳定 强化围岩是建立在“以强化围岩自承能力为核心”理念基础上的一系列措施。 围岩是被支护体，同时也是承载体，提高、强化围岩自承能力，最大限度的将被动 支护转化为主动支护；如锚注加固、对围岩施加预应力、增加或强化围岩密度等技 术措施。 软岩巷道的变形破坏往往是从局部开始的，支护不仅要有高强度，更要有整体 稳定性。 1 岩巷一次支护 岩巷一次支护，根据岩层情况可选用锚网喷 可缩性u 型钢支架 抗阻桩方式。 无法钻锚杆孔时，用射钉枪发射钉固定钢筋网。其工艺顺序为喷射5 0 m m 厚砼一 锚网或射钉铺网一复喷5 0 m m 厚混凝土一立即架设可缩性u 型钢支架在巷道两侧 钻孔安装抗阻桩一进行矿压观测，待巷道进入缓慢变形阶段时即采用二次支护。 2 岩巷二次支护 根据矿压观测结果合理确定二次支护时间，既不能过早，又不能过迟；要选择 在巷道刚进入缓慢变形阶段，及时进行支护，这是二次支护的最佳时间，绝不能使 巷道变形进入加速阶段。 二次支护采用圈梁封闭支架 围岩锚注加固 让压、防水、混凝土复合反底拱方 式。 选用1 2 号矿用工字钢圆形封闭双排梁结构形式。该支护结构具有较高的强度和 山东科技大学硕士学位论文 工程实例 刚度，在封闭圈梁连接处设有硬质胶垫；在封闭圈梁外均衡架设1 0 0 1 5 0 m m 厚的 缓冲让压层； 围岩锚注加固采用高强螺旋式注浆锚杆和高强高压注浆锚索。 混凝土复合反底拱采用炉渣混凝土可压缩层 纳米防水层 混凝土刚性层的复 合反底拱。 图4 ．1 7 支护方案断面图 F i g4 ．1 7 T h es e c t i o n a ld r a w i n go f T h eS u p p o r t i n gS c h e m e l 一自钻式锚杆，长度2 0 0 0 m m ，间排距1 0 0 0 m m 5 0 0 m m ；2 一顶板锚索束，长度8 0 0 0 m m ， 间排距2 0 0 0 m m 1 0 0 0 m m ；3 一金属网，规格①6 ．5 r a m ，网格1 0 0 l O O m m ，网片1 2 0 0 X 6 0 0 m m ； 4 一1 2 号矿用工字钢棚；5 一底板抗阻桩；6 一喷射橡胶颗粒混凝土；7 一钢筋网；8 一钢纤维喷 射混凝土；9 一防水卷材 4 ．3 ．2 支护参数 1 自钻式螺旋锚杆长度2 0 0 0 r a m ；锚杆间距1 0 0 0 m m ，排距5 0 0 m m 。 2 顶板锚索束巷道项部正中、两肩 拱部4 5 。角度处 各布置锚索束1 组， 每组由3 根钢绞线组成，钢绞线规格①17 ．8 m m ，锚索束长度8 0 0 0 m r n ，间距2 0 0 0 m m ， 4 9 山东科技大学硕士学位论文工程实例 排距1 0 0 0 m m 。采用单液水泥浆注浆，水灰比0 ．6 ，掺加1 ．O ％的高效早强减水剂，注 浆压力1 ．5 M P a 。设计锚索束预应力I O O K N X3 3 0 0 K N 。锚索束应做好封口，以防跑浆， 并设导气管排气，导气管采用矿上已用规格型号产品即可。 3 金属网采用①6 ．5 m m 钢筋制作，网格1 0 0 Xl O O m m ，网片1 2 0 0 X 6 0 0 m m 。 4 矿用工字钢圆形支架矿用工字钢圆形支架，由4 块1 2 号矿用工字钢拼接 而成，每米重量3 1 k g ，每架5 4 0 k g ，4 条螺栓连接，连接处垫1 0 m m 后硬质橡胶，以 缓冲压力。 5 底板抗阻锚索束在巷道底板设置三组抗阻锚索束，中部一组，两侧距帮部 2 0 0 m m 各一组，帮部锚索束向墙帮倾斜1 5 。角度。抗阻锚索孔径①7 5 m m ，内装3 根 ①17 ．8 m m 钢绞线组成锚索束，锚索束长度8 ．O m ，设计锚索束预应力IO O K NX3 3 0 0 K N ， 排距1 0 0 0 m m ，锚索束用砂浆灌注。锚索束托盘为2 5 0 2 5 0 2 0 m m 钢板。 6 喷射橡胶颗粒厚度l O O m m ，水泥砂子橡胶颗粒 1 1 ．5 0 ．5 ，速凝剂 掺量3 ％。橡胶颗粒粒径①5 ’8 E r a 。 7 底板钢筋网在底板混凝土中沿巷道底板全断面铺设钢筋网，钢筋网规格 ①2 5 3 0 0 m m ，钢筋网距巷道底板水平2 0 0 m m 。 8 喷射钢纤维混凝土强度C 2 0 。配合比为水泥砂子石子 1 1 ．8 1 ．5 ，钢 纤维掺量5 0 k g ／m 3 ，速凝剂掺量3 ％，水灰比为0 ．4 7 。钢纤维规格长度3 0 m m ，直径 0 ．5 m m 。喷厚达到与棚口一平，约l O O m m 左右。 9 防水卷材防水卷材型号为K D T S B 型，规格l O O m Xl m Xl m m ，在巷道底板 混凝土中铺设2 层防水层，防水卷材铺设位置距巷道底板水平3 0 0 m m 。 防水卷材的技术标准 断裂拉伸强度纵横向常温 1 6 0N ／c m ，扯断伸长率纵横向常温≥4 0 0 ％，撕裂 强度纵横向≥2 0 N ，低温弯曲一2 0 “ C 无裂纹，不透水性0 ．3 M P a ，3 0 m i n 无渗漏。 施工搭接技术要求 防水卷材应采用粘结剂粘结，粘结剂采用H T 一3 矿用专用胶粉与水、水泥搅拌制 成，其配比为胶粉水水泥 1 1 ．5 ～3 1 0 ，搅拌时先将水与水泥混合浸泡。充 分溶解后加入H T 一3 专用胶。搅拌均匀，粘结剂随伴随用。 防水卷材搭接宽度不小于8 0 m m 。双层铺设时上一层应错开下一层搭接口3 0 0 m E 以上。 山东科技大学硕士学位论文工程实例 1 0 初喷混凝土初喷混凝土厚7 0 m m ，强度C 2 0 ，配合比1 2 2 。 为防止喷射过程中橡胶颗粒回弹，橡胶颗粒混凝土的配制过程中，橡胶集料需 要事先用饱和的N a O H 溶液浸泡3 0 m i n ，去掉橡胶颗粒表面的油脂和杂质。 1 1 复喷混凝土复喷混凝土厚5 0 m m ，强度C 2 0 ，配合比1 2 2 。 1 2 喷射混凝土说明由于安装1 2 4 矿用工字钢后，需卧底处理，故喷射混凝土 时可不考虑底板，只喷拱帮部位即可。 三、施工工艺 帮顶治理巷道掘进 修复 进尺5 0 0 m m _ 一自钻锚杆挂金属网⋯初喷砼7 0 m m 砼一喷射橡胶砼可缩层l O O m m 一复喷混凝土5 0 m m 一架设1 2 。矿用工字钢圆形 棚一喷射钢纤维砼至棚口 约l O O m m 一施工3 0 m 根据工程情况可调整 后施工 顶板锚索束⋯进行底板治理。 底板治理清底～浇注C 3 0 混凝土8 0 0 m m 以底部棚口算起 一铺设2 层防 水卷材一一铺l O O m m 厚C 3 0 混凝土～一并沿巷道底板全断面铺设钢筋网～浇注混 凝土至巷道底板一一施工抗阻锚索束。 4 ．3 ．3 支护工艺 帮顶治理巷道掘进 修复 进尺5 0 0 n l m _ 一自钻锚杆挂金属网一初喷砼7 0 m E 砼一喷射橡胶砼可缩层l O O m m 一复喷混凝土5 0 m m 一架设1 2 号矿用工字钢圆形 棚一喷射钢纤维砼至棚口 约l O O m m 一施工3 0 m 根据工程情况可调整 后施工 顶板锚索束～进行底板治理。 底板治理清底一浇注C 3 0 混凝土8 0 0 m m 以底部棚口算起 一铺设2 层防 水卷材⋯一铺l O O m m 厚C 3 0 混凝土～一并沿巷道底板全断面铺设钢筋网一浇注混 凝土至巷道底板一一施工抗阻锚索束。 4 ．3 ．4 加固机理分析 针对查干卓尔矿弱胶结软岩岩巷采用了二次支护的联合支护形式。一次支护采 用高强锚喷网架支护，钢筋网与U 型钢架可以缩短围岩活动剧烈的时间，减缓了围 岩的初期弱化过程。锚喷网支护，是采用锚杆、钢筋网与喷射混凝土的联合支护， 采用锚喷网支护后，使围岩发生可控的变形量，同时围岩在变形过程中产生裂隙， 山东科技大学硕士学位论文工程实例 便于后续的注浆工作。 二次支护采用圈梁封闭支架 围岩锚注加固 让压、防水、混凝土复合反底拱方 式。利用锚注支护进行二次支护，注浆可以改变围岩的力学性能，明显的提高围岩 的整体强度与自承载能力，减少巷道围岩塑性变形量，有效的控制弱胶结软岩岩巷 围岩的变性破坏。锚杆与锚注联合支护形式具有良好的主动支护性能，对软岩巷道 的变形具有显著的支护作用。 橡胶颗粒混凝土不同于普通混凝土，由于表面性质发生变化，使混凝土的抗压 强度、抗碳化性、抗氯离子扩散性、抗冻性能都得到提高。橡胶混凝土具有良好的 抗裂性与抗收缩性。喷射橡胶颗粒混凝土后，使巷道围岩韧性增强，提高抗拉性能， 改善围岩的整体强度与变形能力。 4 ．3 ．5 支护效果分析 在对查干卓尔矿弱胶结软岩岩巷支护加固的同时，进行了矿压监测工作，通过 采集现场实际数据来观测支护情况。主要监测内容见表4 ．1 所示。 表4 ．4 主要监测内容 T a b l e4 ．4T h eM a i nM o n i t o r i n gC o n t e n t 1 巷道表面位移监测 巷道表面位移包括巷道两帮收敛变形量、顶底板收敛变形量、顶板下沉量和底 臌量。巷道表面位移采用测枪、卷尺进行测量测量。 2 锚杆、锚索受力监测 通过对锚杆锚索受力大小的检测，可以宏观的了解锚杆锚索工作状态，判断巷 道围岩应力状况，从而确定巷道的稳定性与安全性，判断锚杆锚索在支护设计中的 合理性，为支护设计提供实际理论数据。本次监测采用泰安科大洛赛尔传感技术有 限公司生产的锚杆、锚索测力计、智能检测仪，测力计M G H ．2 0 0 M G H ．3 0 0 、智 能检测仪G S J ．2 A 如图4 ．1 8 所示。 山东科技大学硕士学位论文工程实例 图4 ．1 8 锚杆、锚索测力计及监测仪 F i g4 ．1 8 T h eD y n a m o m e t e ro f B o l ta n dA n c h o ra n dM o n i t o r 将监测数据绘制成曲线，如图4 ．1 9 所示。 3 5 0 3 ∞ 垂2 5 0 、、 囊2 0 0 镬 鼋I1 5 0 亲 蕞l o o ∞ O O5l O1 52 02 53 0 整潮天别d O5i O 5 3 2 0 2 53 0 釜溺天i 影d ∞ 黔 ∞ 黔 ∞ 黔 o 3 2 叠 l l 蕊摄罄漳鹾鍪 山东科技大学硕士学位论文工程实例 口5l 口l孑O嚣3 0 黧鬻最羲，畦 图4 ．1 9 监测曲线图 F i g4 ．9 T h eM o n i t o r i n gc u r v e 分析曲线图可以得知，通过锚喷与架设U 型钢支架的一次支护，改善了巷道围 岩的整体性，提高了整体强度，两帮收敛变形与顶板位移量都被控制在一定范围内， 并没有持续增长。二次支护采用了圈梁封闭支架与围岩锚注加固的支护形式，均匀 让压并采用了混凝土复合反底拱方式，充分增强了围岩强度，防止了冒顶与底臌的 发生。巷道表面的收敛变形量、锚杆锚索测力计数据显示均在设计允许的范围内变 化，这验证了本支护方案设计参数在工程实践中的合理性与可行性，能够维持弱胶 结软岩岩巷的长期稳定。 4 ．4 本章小结 通过前文对弱胶结软岩工程力学性质及变形破坏机理的分析研究，在对软岩巷 道支护手段充分掌握的基础上，根据查干淖尔矿弱胶结软岩岩巷工程概况、地质条 件及破坏机理，制定了弱胶结软岩岩巷的支护方案。 本章首先对查干淖尔矿区的工程概况和地质条件进行调查，确定断层位置，分析 黔强∞潞褥{穹潍搪。 鹰象≥≮避簧溪 山东科技大学硕士学位论文 工程实例 地层矿物成分，分析地层岩石力学性质，考虑到水对弱胶结软岩的影响，对水文地 质条件进行详细研究。然后根据现有巷道目前具体情况，优化支护参数，应用软岩 非线性大变形理论，提出了弱胶结软岩地层中全岩巷道的支护方案，针对弱胶结软 岩的工程特性，水对弱胶结软岩岩性的重要影响，设计了在富水条件下的施工方法。 并结合实际检测数据验证了支护方案的合理性。 山东科技大学硕士学位论文数值模拟 5 数值模拟 5 ．1 支护方案模型建立 采用岩土工程模拟软件F L A C 3 D 对查干卓尔弱胶结软岩岩巷支护方案进行模 拟，在无支护、初次支护和二次支护条件下，分析巷道围岩应力分布情况、水平垂 直变形特征及塑性区范围等，从而调整支护方案优化支护参数，为以后弱胶结软岩 巷道支护方案与支护参数提供技术参考。 5 ．1 ．1 数值模拟方案 岩土工程模拟软件F L A C 3 D 在建模处理功能方面相对较弱，简单的实体模型 比较容易建立，但对于相对复杂一些的实体模型的建立则很困难。建立模型时必须 对巷道模型进行分析，选取合适原点，并对模型进行合理的简化，以更好地显示支 护方案带来的支护效果。因此，建立模型时需 1 将所需支护的软岩岩巷处于模型的中心，模型尺寸尽量大，以便消除边界 效应带来的影响； 2 建立软岩岩巷模型时假定初始边界条件与实际情况一致； 3 建立软岩岩巷应把施工因素考虑在内。 5 ．1 ．2 模拟参数的确定 马头门掘进巷道所处围岩的参数体积模量、剪切模量、粘聚力、抗拉强度、 内摩擦角等，根据前期的实验实测数据得到，表5 ．1 所示为巷道所处的围岩参数。 表5 ．1 围岩参数 T a b l e5 ．1 T h el b c kM a s sP a r a m e t e r s 5 6 山东科技大学硕士学位论文 数值模拟 巷道模型为三维实体，考虑到实际结构具有一定意义上的对称性，对整体模型 进行对称性处理。巷道围岩岩层分布按实际岩层划分，模型建立中用不同的颜色代 表不同的巷道围岩。模型尺寸X 、Y 、Z 方向分别为3 0 m 、5 0 m 和3 0 m 。岩石的破坏 准则按M o h r - C o u l o m b 准则，模型共1 6 8 0 0 0 个单元，1 7 4 7 4 7 个节点。建立的软岩岩 巷三维模型如图5 ．1 。 C ≈e f靴均嘲． X0 镐} ∞{茸e ∞0 Y 2 堵住 ∞t丫口∞O Z 一1 5 ■牛渤Z 饕∞O 捷t ’1 7 t 越 妇量0 0 A “ q t 笠∞a B b e k G ∞∞ 孵 匪 ■兰暑9 圈烈 豳三亳12 籍I ∞∞憾翊镩S f 钱尊飘0 蜘馓∞雏l 持it { S 图5 ．1 巷道开挖模型 F i g5 ．1R o a d w a ye x c a v a t i o nm o d e l 5 ．2 支护方案模拟分析 本次数值模拟分三步进行，分别分析了开挖未支护、开挖后初次支护和开挖后 二次支护巷道的应力、变形与围岩塑性区的分布和变化特征 1 开挖后未支护情况下； 2 一次锚网架喷加设抗阻桩支护； 3 二次支护采用圈梁封闭支架与围岩锚注加固反底拱； 5 ．2 ．1 巷道开挖无支护数值模拟分析 巷道开挖后，在未支护条件下，最大主应力如图5 ．2 所示， 山东科技大学硕士学位论文数值模拟 拦黜0 S §燃 h 荽E “∞* ÷诺 I 黧薹麓鬈 I t ∞Ⅻ“m “ 謇瑟慧慧篡 娄黧曩溢嚣 l o5 ∞0 h - 0 ∞t J { 撼稿 j m m I t ∞∞目 I 嚣鬻；嚣黧 ■4 棼∞I ％} ￡ 湃- 粕鼻t 淫 图5 ．2 巷道开挖未支护最大主应力 F i g ．5 ．2 C l o u dp i c t u r eo f t h eg r e a t e s ts t r e s sa f t e re x c a v a t i n gr o a d w a y 巷道开挖以后围岩应力改变，围岩应力重新分布，在未进行支护的条件下，围 岩水平与垂直应力如图5 ．3 、5 ．4 所示。 蚀≈葛g S 疑 瑚；警· 警删e 0 4 鑫苊0 如；警群 粥螗} ∞6 t { 蠹嚣舞- ∞e ∞镰} ∞5 t { ∞渔·0 簿 * ∞} 蝴t - 嚣撇e 饿∞} ·0 笛警毒∞0 釜蝴篡 。e 镰憾警t 巍叁·薄} 帮洳泓t d 湘洲 帮舡泓t - 3 漤∽l 图5 ．3 巷道开挖后x 方向应力云图 F i g ．5 ．3 C l o u dp i c t u r eo fs t r e s so fXd i r e c t i o na f t e re x c a v a t i n gr o a d w a yr o a d w a y 5 8 纛臻 麓僦 山东科技大学硕士学位论文数值模拟 C e t ￡ ￡0 ∞镰嘲 Y §∞渣 ∞0 0 ∞蕾磅∞ 蕊1 9 鞭僵．。科 c 嚣§嚣边 №，警·1 ∞∽0 I 滋溅 I 潮4 锄a 蝴≮≈埘a e ·∞I | l t 渤僵襁t { 湖鲁 氍 冒嬲；雯篙 图5 ．4 巷道开挖后Y 方向应力云图 F i g ．5 ．4 C l o u dp i c t u r eo fs t r e s so f Yd i r e c t i o na f t e re x c a v a t i n gr o a d w a y r o a d w a y 由图5 ．3 、5 ．4 可知，由于弱胶结软岩自稳能力差，围岩应力在巷道开挖位置出 现成应力集现象，并且范围较大，有出现较大松动区的趋势。随着工程开挖进度不 断向前，应力集中不断聚集于开挖巷道的位置，低应力区向围岩深部转移。 巷道开挖后围岩位移变化如图5 ．5 ，5 ．6 所示，巷道塑性区如5 ．7 所示 C ‰ l0 ∞h ’∞0 y 铂∞●棚 2 0 莉钿·∞§ D m l 舶赞 隧墓 一5 ∞∞·藏t { ∞∞·铡 I ，∞曲} ∞{ e ∞轴} ∞l I 黼i 黼 图5 ．5 巷道开挖后x 方向位移云图 F i g ．5 ．5 C l o u dp i c t u r eo fd i s p l a c e m e n to fXd i r e c t i o na f t e re x c a v a t i n gr o a d w a y 5 9 山东科技大学硕士学位论文数值模拟 ‰3 0 0 Ⅶ。＆∞0 L 菲批砒厶L 掣￡c 黜髓 鬃戮 漱 匕】c o o o 自r o ∞i ∞o o №， 啊 ∞k Ⅻ≈Ⅻ∞m i ■2 ∞∞- ∞{ №2 亭‘ ÷拙 图5 ．6 巷道开挖后垂直位移云图 F i g ．5 ．6 C l o u dp i c t u r eo fd i s p l a c e m e n to fZd i r e c t i o na f t e re x c a v a t i n gr o a d w a y C a r o lR a ■啦 X0 盈嘶■mX 口∞O Te 埘‰■mt0 ∞0 22 ∞h ．0 蓝￡a ∞口 ％t ￡Ⅻ∞1 帆5 ∞ ■f 镕．2 2 5 ∞ 量星三一 图5 ．7 巷道开挖后围岩塑性区云图 F i g ．5 ．7 C l o u dp i c t u r eo fw a l lr o c kp l a s t i cz o n ea f t e re x c a v a t i n gr o a d w a y 由巷道开挖使围岩应力释放，并且受到开挖扰动的影响，巷道出现了收敛变形， 最大垂直位移为3 2 2 m m ，最大水平位移为2 9 7 m m 。在整个开挖过程中，巷道顶底板和 两帮收敛变形十分突出，产生的位移相对较大，呈现出内挤形态。所以在巷道开挖 后要迅速进行支护，锚喷并架设u 型钢架，保证围岩的整体强度，防止出现冒顶和 底臌。 由图5 ．1 5 可以看出，弱胶结软岩岩巷在开挖后，出现了明显的塑性区，并且塑 性区域有纷呈的现象，这将导致巷道出现分区破裂化。所以弱胶结软岩岩巷在开挖 后，需要进行及时支护，否则巷道将很快发生变形破坏，无法达到稳定。 山东科技大学硕士学位论文数值模拟 5 ．2 ．2 巷道初次支护后数值模拟分析 巷道开挖后进行一次支护，首先喷射5 0 r a m 厚混凝土喷层，打入高强预应力锚 杆并挂网喷射混凝土，架立可伸缩性u 型钢架，在巷道两侧钻孔安装抗阻桩，并进 行及时观测，确定二次支护时机。 巷道围岩在初次支护条件后应力如图5 ．8 ，5 ．9 ，5 ．1 0 所示 0 n f 蔓O 饕鲁 ∞0 Y §∞鲁 ∞0 0 ∞x 伽 0 杖l ；舶I 鸯铂 C 菇瞰S 鼹 砧●g 譬· ∞羹锄 I 戮垂黧 圈{ ∞o ¨潍警。诺鲁 泓 lH 0 。。叠·∞e ≈≈∞* ·∞‘ K ∞0 各·∞5 蕾{ ∞0 潼黼 匪徽篡黧 图5 ．8 初次支护后围岩x 方向应力云图 F i g ．5 ．8 C l o u dp i c t u r eo fs t r e s so fXd i r e c t i o na f t e r a f t e rf i r s ts u p p o r t i n g 0 目■f X0 ∞∽0 Y } ∞谨喵0 Z0 ∞奠，。嚣 X { ，5 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初次支护后围岩垂直位移云图 F i g ．5 ．1 2 C l o u dp i c t u r eo f Yd i r e c t i o nd i s p l a c e m e n tw a l lo f w a Hr o c ka f t e rf i r s ts u p p o r t i n g C ● ra 4 ■帆 X O ∞C t - 锄X §∞O y S ∞矗稍Y0 ∞0 Z j H ●；∞2t0 a ∞ 0 ●t ，赞h 删k ■■●7 7 hi 5 ∞ 图5 ．1 3 初次支护后巷道围岩塑性区 F i g ．5 ．1 3 P l a s t i cz o n ed r a w i n go fr o a d w a yw a l l o f w a l lr o c ka f t e rf i r s ts u p p o r t i n g 初次支护后，通过巷道位移云图可以看出，巷道水平位移量由2 9 7 m m 减小至 5 7 ．8 m m ，巷道垂直位移由3 2 2 m m 减小到6 2 ．7 衄，巷道水平与垂直收敛变形量大幅度 的减小，塑性区范围显著减小，说明初次支护对巷道围岩整体强度的加强起到了明 显的效果。巷道顶板与两帮支护加固已经起到明显效果，但是底板强度相较于两帮 与顶板还较差，巷道底板会出现应力集中现象，出现明显的底板收敛变形，初次支 护无法全面的提高整个巷道断面围岩整体强度，需