矿山巷道支护结构技术分析.pdf

- 斌验研究 I MP化I矿物与加 7 - 2 0 0 8年第 3 期 文章编号 1 0 0 8 7 5 2 4 2 0 0 8 0 3 0 0 2 60 3 矿山巷道支护结构技术分析 李文秀 ， 梁旭黎2 1 ． 河北大学， 保定0 7 1 0 0 2 ； 2 ． 石家庄经济学院， 石家庄0 5 0 0 3 1 擒要 从平面应变问题的基本方程出发 ， 导出了巷道弹塑性变形的位移理论解 ， 采用 莫尔 一库仑屈服准则分析了 轴对称软岩巷道的变形规律 ， 分析 了巷道围岩与支护结构的相互作用， 并通过选用 合理的支护结构 ， 采用高性能混凝 土作 为支护材料 ， 可使支护体系具有更高的强度和耐久性。 关键词 围岩； 支护结构 ； 弹塑性分析 ； 高性能混凝土 中图分类号 T D 3 2 5 TU 4 5 7 文献标识码 A 0 引言 无论是金属还是非金属矿山， 都存在地下巷 道围岩变形以及巷道围岩与支护结构相互作用问 题。本文针对某矿 区深部巷道稳定性 问题， 就围 岩变形、 巷道支护问题 ， 根据弹塑性理论 ， 建立弹 塑性解析分析模型 ， 采用解析方法对矿 区深部巷 道稳定性及围岩变形进行计算分析 ， 为合理确定 支护结构和支护材料提供科学依据 ， 并通过选用 合理的支护结构 ， 采用高性能混凝土作为支护材 料， 可使支护体系具有更高的强度和耐久性 。 1 围岩变形分析模型 当不考虑体积力时 ， 塑性区内的平衡方程为 掣 0 1 口 ， ． ， ． 式 中 O “ r p 一 塑性 区的径 向应力 ； O “ t p 一 塑性 区 的径 向应力； r 一 围岩内任一点的半径。 在塑性区的边界上 ， 还需满足塑性条件， 本文 采用摩尔一库伦屈服准则进行弹塑性分析。 O r p C C O S g 一 二 旦翌 r c c O S 1 s i n 、 。 由于变形压力的作用，巷道周边必将出现弹 塑性变形和位移， 随之而形成的塑性区将逐步发 展 ， 这对围岩的稳定性是不利的。从理论上讲 ， 巷 道周边不形成塑性区是最为理想的的情况，此时 就需要足够的支护阻力． 若想使塑性区域不形成 ， 即 R0 r 0 时，可得所需 的最小支护阻力为 P 。 O “z 1一s i n g 一c c o s g 3 式 中， 为垂 直应力 ， 且 y H ， y为巷道上 覆土体的体积质量 ， H 为巷道的开挖深度。 当 P 。 1 一s i n g 一C C O S g时 ， 围岩处 于弹 性应力状态 ， 支护阻力与巷道周边 rr 。 位移 关 系可表示 为 M E 。 一 4 式中 同上，“ ； 为弹性位移， E为岩体弹性模 量 ， 为泊松 比。 对于矿 山巷 道 ， 不 形 成塑 性 区在客 观 上是不 可能 的 。 研 究 表 明 ，围岩 适 当 地进 入 塑性状 态可 提高围岩的承载力 ， 关键在于如何控制塑性区的 发展 。 巷道周边形成塑性 区， 此时， 支护阻力与巷 道周边位移 “ 的关系可采用修正的芬纳公式计 算 P 。一c c o t g 1一s i n g c c o t g [ c c 唧 詈] 5 式中“ 为塑性位移。 研究结果表明， 任何类别的围岩都有一个极 收稿 E t 期 2 0 0 7一O 82 3 基金课题 河北省科技攻关计划项 目 No ． 0 3 2 1 3 8 1 0 ， 河北省教育厅科研项 目 N o ． 2 0 0 4 3 0 8 。 2 6 维普资讯 试验研究 I MP化工矿澎与加工 2 0 0 8年第 3期 限变形量 U 。 ， 超过这个极限值 ， 岩体 的岩体层面 粘聚力 c 、 摩擦角 9值将急剧下降， 造成岩体的松 弛和塌落， 此处 ， 与 对应的是巷道 围岩所需提 供 的最小 支护 阻力． P 。 ． n o 迄 今为止 ， 精 确确 定 P 。 i 和 U 。 的具体数值 尚无较好方法 ， 但可采用 以下公式估算 P a 嘶 y． 。 R m a x 一 1 6 R 一～[ 毒 ] 7 式中， R。 为与 P 。 耐 相对应的工 程上能够允许 的最大松动区半径。 把式 5 写成塑性变形压力 P 。 与支护外壁 的 位移 的关系式 P 。一c c o t 9 1一s i n g c e o t 9 。 [ c c o t 9t r y 8 式中，U 0 与支护的施工条件有关 ， 它可 由实 际量测 、 经验估算等方法确定 。 但式 8 中仍有 2 个未知数 ， 因此， 必须根据支护受力情况再建立 1 个方程才能求出解答。 根据研究，当喷层的厚度 d ， ≥ 0 ． 0 4 r o ， 可按 弹性力学中的厚壁圆筒理论进行分析． 而此时， 支 护阻力与结构刚度 K 的关系可表为 - j - 。t ， c 。 o 。 t ，c 。 0P a 。 。 9 当喷层厚度 d ≤ 0 ． 0 4 r o， 可采用薄壁 圆筒 的计算公式， 即 C0 U C O t oP a 。 式中 E c 、 分别 为衬砌材料 的弹性模量 、 泊 松 比。 计算支护材料所能提供的最大支护阻力 户 f c d 1 1 式中 为支护材料的抗压强度， d ， 为支护材料 的厚度， r 0 意义同前。 2 工程实倒分析 某矿区地表为近水平地形。矿区地层 自上而 下为 第四纪 Q层 ， 第 三系红色粘土质砂岩，石 炭系砂岩 ， 奥陶系泥质灰岩。矿 区内有关的工程 参数列入表 1 。 表 1 计算所用的工程参数值 H r o y E ／ I n ／ I n／ k N m一 ’ ／ MP a 厂 ／ MP a 一 2 0 0 3 ． 5 2 7 0． 2 3 8 6 0 0 0． 2 6 U ／ c m 图 1 荷载 一位移关系 由图 1可见， 合理的设计要求支护阻力满足 P 。 i ≤ P 。 ≤ P 。 计算 出不形成塑性 区所需的最小支护阻力 P 。4 ． 4 5 3 6 MP a ； 此 时 P 。对应 弹塑性分界点 0 ． 1 3 6 2 MP a ； 极 限位 移 U 为 4 8 ． 4 2 9 3 c m。 经实际测量，开挖后 围岩 已发生初始位移 1 5 c m， 若喷射 1 8 c m厚的C 3 0 混凝土 ， 该混凝土的弹 性模量 E 2 0 GP a ， 泊松 比 0 ． 1 6 7 ， 抗压强 度 1 4 ． 3 MP a ， 可得 P。 1． 1 7 2 5 M Pa； U ，C O 3． 8 78 4 mm ； 由式 1 1 ， d 1 8 c m的混凝土所能提供的 最大 支 护 阻 力 P 0 ． 7 6 3 5 4P 1 ． 1 7 3 8 MP a 。 因此， 喷射 1 8 c m 厚的高性能混凝土可满足支护 结构的使用要求 。 为了节约成本 、 便于施工 ， 考虑减少喷层的厚 度， 改喷 d 1 0 c m 的高性能混凝土， 则可得 1 1 8 3 8 M Pa； “ 2 73 7 6 ram ； 由式 1 1 ， d 1 0 c m 的高性能混凝土所能 提供的最大支护阻力 P 4． 2 8 5 7 P 1． 1 7 38 M Pa 因此 ， 喷射 1 0 c m厚的高性能混凝 土可满足 支护结构的使用要求． 由此可见， 不 同厚度的支护 结构对 围岩的位 移控制 作用 并不 明显 ， 就 1 0 0 mm和 1 8 0 mm厚 的混凝土喷层来说 ， 支护结构 上的支护阻力 P 相差仅为 1 ． 0 4 ％； 但对 于不 同 的支护材料 ， 其作用有明显的差异 。对本例 ， 若采 用高性能混凝土 ， 1 0 c m 的喷层 即可满 足要 求。 现将喷射不同抗压强度、 不同厚度 的混凝土用 于 巷道支护效果示于表 2 。 表 2 不 同喷射 混凝土 用于巷 道支 护的效 果 从表 2可见， 喷射 1 8 c m 厚的普通混凝土不 能满足工程使用要求， 若采用高性能混凝土， 喷射 1 0 c m厚即可满 足要求 。因此， 采用高性能混凝 土可以缩短工期且便 于施工。另外 ， 理论分析表 明， 单纯采用更高强度 的高性能混凝土是不可取 的， 应根据施工 的实 际情况， 本例 采用 6 0～8 O MP a的高性能混凝土就可满足实际工程的需要。 合理选用材料， 可以达到节约成本， 获得更大经济 效益的目的。 3 结论 对于金属或非金属矿 山巷道 ， 采用高性能混 凝土支护更有利于巷道稳定 ， 而如何提高混凝土 材料的强度和耐久性是致关重要的， 这也是今后 巷道支 护技术 中需 要 进一步 开展研 究的重要工 程 技术 问题 之一 。 Ana l y s i s o n s u p p o r t i n g s t r u c t u r e i n t u n n e l i n mi n e LI W e n x i u 1 ． LI ANG Xu l i 2 1 ．He b e i Un i v e r s i t y ，Ba o d i n g He b e i 0 7 1 0 0 2， Ch i n a ；2 。 S h i j i a z h u a n g Un i v e r s i t y o f Ec o n o mi c s ，S h ij i a z h u a n g He b e i 0 5 0 0 3 1 。 C h i n a Ab s t r a c t D e f o r ma t i o n o f t h e a x is y r t ma e t r i eal t u n n e l i n r ock T I I a s s i s s t u d i e d b y u s i n g t h e Mo h r - C o u l o m b y i e ld c r i t e r i o n ．A t h e o r e t i c 8 0 - l u t i o n o f e la s t o p l a s t i c d e f o r ma t i o n f o r t h e t u n nel i s d e ri v e d f r o m t h e f u n d a me n t a l e q u a t i o n s o f t h e p l a n e s t r a i n，e l a s t o p las t ic p r o b l e m．Th e i n t e r a c t io n b e t we e n t u n n e l s u r r o u n d i n g r o c k a nd s u p p o r t in g s t r u c t u r e h a s b e e n d e e p l y a n a l y z e d，a n d t h e h ig h e r s t ren gt h a n d d u r a b i l i t y o f s u p p o r t i n g s t r u c t u r e ma d e b y s e l e c t i n g r e a s o n a b l e s u p po r t i n g 8 t r a c - t u r e a n d a d o p t i n g h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a s ma t e ri a l h a s b e e n p r o v e d． Ke y wo r ds t u n n e l s u r r o u n d i n g r o c k ；s u p por t in g s t r u c t u r e ；e la s - t i c - p l a s t i c a n a l y s i s ；r e a c t i v e po we r c o n c r e t e ． 专 利 信 息 用三产品重介质旋流器分选磷矿的工 艺 C N 1 7 9 9 6 9 9 A 三产品重介 质旋流器无压 给料的第 一段圆筒 形旋流器 的安装倾角为 2 5 ～5 0 。 ， 有压给料的第二 段 圆筒 圆锥形旋 流器的安装倾角 为 5 ～9 0 。 。用其 分 选磷 矿的 工艺是 磷 矿的原矿由给 料 口给入 无压 给料三 产 品重介 质旋流 器 ， 2 8 合格介质由介 质泵 给入无 压 给料三产 品重介 质旋流器 。 磷矿石经过 分选后得 到 的精矿 、 中矿和尾矿 依次 由无 压 给料三产品重介质旋 流器 的精 矿 口、 中矿 口和尾 矿 口排 出 ， 出来 的精矿 、 中矿和尾矿经 过脱介质 脱水后就可 以得 到最终的合格精矿、 中矿和尾矿。本发明工艺简单， 可以 对磷矿 以及分选密度大于 2 ． 4 k g ／ c m 3的其他非磁性矿物 进行有效分选。 维普资讯