王 波王 軍高昌炎

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

深井軟巖巷道承壓環(huán)力學(xué)模型與理論研究?

王 波1王 軍2高昌炎1

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

建立在錨網(wǎng)噴支護(hù)和鋼管混凝土支架高強(qiáng)度支護(hù)基礎(chǔ)上,提出巷道承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)模型及理論,闡述了承壓環(huán)的概念,建立承壓環(huán)的力學(xué)模型,并對(duì)承壓環(huán)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行理論分析,最后對(duì)深井軟巖巷道承壓環(huán)進(jìn)行分類并提出相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)方法,巷道承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)理論作為新的深井巷道支護(hù)概念,對(duì)于深井軟巖巷道支護(hù)機(jī)理的分析和實(shí)際支護(hù)工作具有重要意義.

深井軟巖巷道 巷道支護(hù) 承壓環(huán) 力學(xué)模型

支護(hù)與圍巖形成的相互協(xié)調(diào)的承載共同體是巷道圍巖控制的核心,對(duì)于深部巖石工程的圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)共同體的相互作用問題,Lang.T.A.提出了錨網(wǎng)噴支護(hù)組合拱理論,康紅普提出了巷道圍巖的關(guān)鍵圈理論,余偉健提出由主壓縮拱(錨桿支護(hù))和次壓縮拱(密集型錨索支護(hù))共同構(gòu)成的疊加拱承載體力學(xué)模型.上述理論均是以錨桿支護(hù)為基礎(chǔ),依靠的是錨固圍巖體對(duì)外部巖體進(jìn)行控制,同時(shí)這些理論并沒有對(duì)巷道圍巖的巖性進(jìn)行詳細(xì)的分類,也沒有把巷道開挖空間內(nèi)的支護(hù)體結(jié)構(gòu)的作用考慮在內(nèi).

井下灌注式鋼管混凝土支架是由高延法教授發(fā)明的具有高承載力的新型支架,建立在錨網(wǎng)噴支護(hù)和鋼管混凝土支架高強(qiáng)度支護(hù)基礎(chǔ)上,本文提出巷道承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)模型及理論作為新的深井巷道支護(hù)概念,對(duì)于深井軟巖巷道支護(hù)機(jī)理的分析和實(shí)際的支護(hù)工作具有重要意義.

1 承壓環(huán)概念

巷道開挖前,巖體處于初始應(yīng)力平衡狀態(tài),各部位單元塊體處于三向應(yīng)力狀態(tài).巷道開挖后,圍巖原有應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞,巷道圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中,巷道法線方向周邊巖體應(yīng)力狀態(tài)由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為二向應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力進(jìn)行重新分布,接著,沿巷道法線方向圍巖內(nèi)部逐漸由二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)恢復(fù),直至處于初始應(yīng)力狀態(tài).

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

圖1 各向等壓圓形洞室開挖圓孔周邊的應(yīng)力曲線

式中:σr——徑向應(yīng)力;

σθ——切向應(yīng)力;

P——原巖應(yīng)力;

a——巷道半徑.

可以看出在巷壁處,切向應(yīng)力為2p,徑向應(yīng)力為0.

在沒有徑向支護(hù)力的條件下,如果巷壁處巖石的強(qiáng)度小于應(yīng)力峰值,則該處巖石發(fā)生破壞,應(yīng)力峰值由半徑a處向半徑b處轉(zhuǎn)移,在這個(gè)過程中由于屈服的巖石仍有一定的殘余強(qiáng)度,仍然可以分擔(dān)一部分切向應(yīng)力,故應(yīng)力峰值有所減小,徑向應(yīng)力增大,使得內(nèi)側(cè)巖石處于三向應(yīng)力狀態(tài),強(qiáng)度提高.最終峰值轉(zhuǎn)移到某處時(shí)恰好達(dá)到平衡.此時(shí)應(yīng)力分布如圖2所示.

從應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)移過程可以看出,這種環(huán)狀區(qū)域?qū)τ陧鲜艺w穩(wěn)定起了重要的作用,稱之為承壓環(huán),巷道承壓環(huán)通過錨網(wǎng)噴支護(hù)、鋼管混凝土支架在巷道內(nèi)形成環(huán)狀承壓體,然后通過圍巖注漿支護(hù)增強(qiáng)承壓環(huán)內(nèi)巖體強(qiáng)度和改善承壓環(huán)應(yīng)力狀態(tài),提高承壓環(huán)的承載能力,從而達(dá)到維持巷道圍巖整體穩(wěn)定的目的.

圖2 圍巖內(nèi)的彈塑性應(yīng)力分布

2 承壓環(huán)力學(xué)模型

2.1 幾何形狀

承壓環(huán)的幾何內(nèi)邊界是巷道開挖一側(cè)的噴層,承壓環(huán)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(duì)于圓形巷道承壓環(huán)外邊界形狀大致為圓形,對(duì)于非圓形巷道如矩形、梯形、馬蹄形等承壓環(huán)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(huán)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(huán)形狀如圖3所示.

圖3 不同斷面的承壓環(huán)幾何形狀

2.2 承壓環(huán)模型的力學(xué)邊界

以最為簡(jiǎn)單的側(cè)壓系數(shù)(λ＝1)的圓形巷道為例,承壓環(huán)內(nèi)外邊界的力學(xué)條件如圖4所示.

圖4 承壓環(huán)內(nèi)外邊界的力學(xué)條件

承壓環(huán)內(nèi)邊界受到的作用力主要有鋼管混凝土支架對(duì)承壓環(huán)的支護(hù)反力和錨桿內(nèi)端頭提供的徑向力,這些作用力相加即為承壓環(huán)力學(xué)內(nèi)邊界作用力(σ內(nèi)).

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

2.3 承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)作用下巷道穩(wěn)定的條件

要維持巷道的穩(wěn)定,既要保持承壓環(huán)外部圍巖的穩(wěn)定即破碎區(qū)域不再繼續(xù)擴(kuò)展,同時(shí)也要保證承壓環(huán)自身的穩(wěn)定.

承壓環(huán)外部圍巖承受來自承壓環(huán)的徑向作用力,承壓環(huán)外部圍巖受力及邊界點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)如圖5所示.

圖5 承壓環(huán)應(yīng)力狀態(tài)

承壓環(huán)內(nèi)部巖石已經(jīng)破壞,以塊狀形式存在,由于應(yīng)力峰值已經(jīng)轉(zhuǎn)移到圍巖深部,對(duì)于承壓環(huán)內(nèi)部的巖塊而言,足以滿足強(qiáng)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(huì)在低的應(yīng)力條件下受擾動(dòng)(如放炮、地震、吸水膨脹等形式)而出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)、滑移,從而向開挖空間運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)同時(shí)會(huì)破壞內(nèi)部圍巖的穩(wěn)定條件,因此對(duì)承壓環(huán)自身的強(qiáng)化,有利于自身和內(nèi)部圍巖的穩(wěn)定.

承壓環(huán)自身穩(wěn)定應(yīng)該以提高承壓環(huán)的穩(wěn)度和整體性為重點(diǎn),從總體上看提高了承壓環(huán)整體粘聚力、內(nèi)摩擦角.

3 承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)作用機(jī)理分析

從維持巷道穩(wěn)定的條件可以看出無論承壓環(huán)外部圍巖的穩(wěn)定還是承壓環(huán)自身的穩(wěn)定,都需要強(qiáng)化承壓環(huán)的支護(hù).

3.1 一次支護(hù)承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)理論分析

錨桿既能承受拉應(yīng)力又能承受剪應(yīng)力,能夠很好地加固圍巖,錨桿所起的作用主要體現(xiàn)在提供給承壓環(huán)內(nèi)破碎的巖體一定的約束,提高其整體性.對(duì)于較長的錨桿還能通過承壓環(huán)提供徑向支護(hù)作用力;錨索起的作用主要是對(duì)承壓環(huán)整體的懸吊作用,提供了徑向的應(yīng)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(dòng)脫落,對(duì)于易吸水膨脹的巖石同時(shí)能防止水分的滲入.厚噴層和金屬網(wǎng)能夠被動(dòng)的產(chǎn)生一定的徑向支護(hù)力,同時(shí)將支架的支護(hù)反力均勻施加到承壓環(huán).

3.2 二次支護(hù)承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)理論分析

剛性支架的作用是提供一個(gè)較大的徑向支護(hù)反力,在維護(hù)承壓環(huán)穩(wěn)定的同時(shí)傳遞到承壓環(huán)外邊界的圍巖,使得破壞區(qū)域不再繼續(xù)擴(kuò)展.

鋼管混凝土支架對(duì)承壓環(huán)的支護(hù)反力如圖6所示,剛性支架強(qiáng)大的支護(hù)反力通過承壓環(huán)的放大作用很好地維持了內(nèi)部圍巖的穩(wěn)定,并且對(duì)承壓環(huán)內(nèi)部破碎區(qū)域有很好的擠壓加固作用.

圖6 鋼管混凝土支架對(duì)承壓環(huán)的支護(hù)反力

4 深井軟巖巷道承壓環(huán)分類

根據(jù)巷道圍巖條件,可將承壓環(huán)分為三類.

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

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

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

5 主要結(jié)論

(1)巷道承壓環(huán)以錨網(wǎng)噴支護(hù)和鋼管混凝土支架高強(qiáng)度支護(hù)為基礎(chǔ),錨網(wǎng)噴支護(hù)在巷道內(nèi)形成環(huán)狀承壓體,然后通過圍巖注漿支護(hù)和鋼管混凝土支架支護(hù)等巷道支護(hù)方式增強(qiáng)承壓環(huán)內(nèi)巖體強(qiáng)度和改善承壓環(huán)應(yīng)力狀態(tài),提高承壓環(huán)的承載能力.

(2)要維持巷道的穩(wěn)定,既要保持承壓環(huán)外部圍巖的穩(wěn)定即破碎區(qū)域不再繼續(xù)擴(kuò)展,同時(shí)也要保證承壓環(huán)自身的穩(wěn)定.

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

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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(xué)與軟巖巷道支護(hù)方面的教學(xué)與科研工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國家自然科學(xué)基金(51404105),河北省自然科學(xué)基金(E2015508047),河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(QN2015325),中央高?；鹂蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(3142015085、3142015020)