回采巷道锚杆支护两帮稳定性分析.doc

回采巷道锚杆支护两帮稳定性分析 勾攀峰 陈启永 吴铁军 摘要根据巷道围岩应力变化特点结合锚固体变形破坏的相似材料模拟试验，分析了巷道两帮锚固体的变形破坏特征，指出锚杆支护巷道两帮表面主要发生张性破坏，锚固体内部发生剪切破坏，据此建立起回采巷道锚杆支护两帮稳定的分析模型，提出了两帮稳定的判别准则，即锚固体中锚杆的拉应变必须小于锚杆的允许拉应变，在巷道两帮围岩较松软时，还必须满足巷道周边位移值的要求． 关 键 词锚杆支护；稳定性；判别准则 中图分类号TD353．6 文献标识码A 文章编号10077332（1999）05031705 Stability analysis of two sides of roadway supported with bolts GOU Panfeng1，CHEN Qiyong2，WU Tiejun3 （1．Dept．of Resource Materials Eng．，Jiaozuo Inst．of Technol．，of Henan Prov．，Jiaozuo 454000，China；2．No．4 Coal Mine of Pingdingshan Coal Indus．Group，of Henan prov．，Pingdingshan 476000，China；3．Jiaozuo Mine Bureau，of Henan Prov．Jiaozuo 454000，China） AbstractBolting is a conceal engineering．The stability of surrounding rock around roadway is very important．Based on the variety characteristics of surrounding rock stress around roadway and similitude material simulation tests，the deation and failure feature of bolted rock body are analyzed．It points out the tension fracture occurrence in the surface of two sides of roadway using bolt and shear fracture occurrence inside the bolted rock body．The model analyzing the stability of two sides of roadway supported with bolted is hereby built up，and a criterion judging the stability of its two sides is proposed．Namely，tensile strain of bolt in the bolted rock body must be less than its permissible value．The circumference displacement is also satisfactory in soft rock． Key wordsbolting；stability；judge criterion 1 回采巷道两帮破坏形式分析 地下工程的稳定可以分为两类，一是巷道围岩的自稳，即当巷道围岩的应力小于围岩强度时巷道围岩能够长期保持稳定；二是人工稳定，即巷道开掘后，围岩出现破碎区和塑性区，巷道出现片帮、塌落或无休止的变形，此时必须进行支护才能保持巷道围岩的稳定．井工开采的大部分巷道，特别是回采巷道，属于人工稳定，采用锚杆支护是保持巷道围岩稳定的有效途径之一． 回采巷道采用锚杆支护时巷道断面一般为矩形，假设巷道的长度足够长，则巷道可按平面应变问题处理．国内外根据开巷后围岩应力的变化过程对围岩体的破坏做过大量的试验研究［1～3］，结果表明，在岩石降压破碎中，岩石的破坏为脆性破坏．在常规三轴试验中，当σ1＞σ2＝σ3时，岩石的破坏可能是脆性的，也可能是延性的，而当σ1＝σ2＞σ3时，岩石的破坏必定是脆性的．在低侧压真三轴试验条件下，岩石的破坏可分三类剪切、拉剪、拉裂，即当σ2／σ3较小时为剪切破坏，σ2／σ3逐渐增大，岩石的破坏逐渐变为张剪性破坏，然后又变为张性破坏，就实验结果来看，可以预计当σ2／σ3＞8时，岩石将发生张性破坏． 巷道开挖后，应力发生变化．巷道边缘的应力在无支护时下降为零，使σ2／σ3趋于无穷大，所以巷道壁的破坏主要是张性破坏，在离巷道稍远处，σ2／σ3逐渐减小，围岩的承载能力逐渐提高，其破坏形式变为剪切破坏．表现在生产实际中，巷道两帮出现片帮及大面积滑落． 2 巷道两帮锚固体的变形破坏特征 2．1 模拟试验简介 借助相似材料模拟实验可以有效地分析锚杆支护的作用机理及锚固体的破坏过程，模型实验的原型相当于从巷道一侧取出的，其尺寸的大小应能代表锚固体的一般状态［4］，据此选定模拟实验的原型尺寸为2．0m2．0m2．0m，该锚固分离体所处位置、形状及尺寸如图1所示． 图1 锚固分离体的形状及尺寸 a位置； b形状尺寸 Fig．1 Shape and dimension of bolted separate rock body 模拟试验的几何相似比CL＝1／10，容重相似比Cγ＝0．75，应力相似比Cσ＝0．075．从选定的相似比及原型尺寸知锚固试体模型尺寸为20cm20cm20cm． 岩石相似材料由砂、水泥和石膏组成，配比号为737，含水量1／10，缓凝剂硼砂含量为水量的1％．锚杆相似材料选用15A保险丝，粘结剂采用1∶1的石膏浆． 为了较真实地模拟锚固岩体的受力状况，设计了平面应变加载试验装置，平面应变加载装置采用20b槽钢制作，保证其有足够的刚度，使试体的两侧（即模拟巷道的轴向方向）接近平面应变状态，并留设一个自由面，在刚性试验机上加载，测定锚固试体破坏前后的应力应变曲线，观测锚固体的破坏过程． 2．2 锚固体的变形破坏特征 在平面应变情况下，锚固体体积应变εv为 εv＝ε1＋ε3 式中 ε1锚固体加压方向应变； ε3锚杆轴向方向的应变． 图2为典型的锚固体的体积变形曲线，分析锚固体的体积变形曲线可以看出，锚固体的变形破坏特征如下  图2 锚固试体的应力应变曲线 Fig．2 Stressstrain curve of bolted rock body （1）在锚固体屈服以前，主要是加载方向的弹性变形．尽管不同锚杆布置时锚固体的弹性模量各不相同，但其总的变形量都较小，并且锚固体在锚杆轴向方向上没有变形产生，此时锚固体的体积变形主要是压缩变形． （2）当锚固体屈服以后，在锚杆轴向方向上锚固体开始变形，在峰值前的弹塑性区域，锚固体的变形主要是其材料本身的变形，以试体内部的微裂隙发展汇集、主控面逐渐形成为其主要变形机理，此时锚固试体的体积较弹性段有所膨胀，但其主体仍是以锚固体的压缩变形为主． （3）在锚固体的峰值点，尽管锚杆数目不同，但锚固体的极限体积应变近似等于零．可见，在峰前，锚固体不存在扩容特性． （4）在峰后，锚固体处于应变软化阶段，其变形有两大特点，一是自由面的变形量大于锚固体的纵向压缩量，二是变形量逐渐增加，其量级较大，锚固体主要是以体积膨胀为主，至残余强度时，不同锚杆支护的体积膨胀应变可达3％～8％，所以，在峰后锚固体产生显著的体积膨胀效应．由于岩石材料及试验所用的相似材料本身的压缩性或膨胀性较小，所以锚固体的体积膨胀主要是一种结构效应．图3表明了锚固体的变形特征，可以看出，在锚固体的纵截面上，锚固体内部存在两条贯穿的主破裂面，至残余强度时发生胀裂，锚固体的变形主要以剪切面的胀裂为主． 图3 锚固体的变形破坏特征 Fig．3 Deation and failure feature of bolted rock body 综上所述，锚固体的变形破坏过程首先是在外载作用下发生剪切变形，形成两个剪切面，而后继续加载，锚固体在受到压缩的同时，沿剪切面胀裂，由于锚杆的存在，胀开的距离比无锚杆时减小，而在靠近自由面的地方出现一三角形破碎区，在自由面的表面多出现张性破坏． 3 巷道锚杆支护两帮稳定性分析判据 根据应力分析及实际应用情况建立巷道两帮稳定性分析模型，如图4所示． 图4 两帮稳定性分析模型 R煤帮塑性区半径； a巷道半径；L锚杆长 Fig．4 Model for the analysis stabilityof roadway′s two sides 在煤壁处，由于锚杆作用而提供的沿锚杆轴向的等效应力σm3与σ2（沿巷道轴向方向的应力）相比仍较小，所以煤壁常出现一些张性破裂，即出现一些垂直于煤壁的裂缝，这类裂缝能引起局部掉块，但不会造成围岩大面积的塌落．煤壁出现大面积滑落的原因是锚固体内锚杆被拉断或剪断，使临近自由面的部分煤体失去了σm3的作用，结果出现煤壁片帮以及大面积滑落．所以煤帮是否稳定的准则之一则是锚固体内锚杆的应变量不能超过其极限应变量，表达式为 εm＜［ε拉］ （1） 式中 εm锚固体中锚杆的拉应变； ［ε拉］锚杆的允许拉应变． 由于煤体的强度较低，煤帮塑性区半径较大，所以煤帮锚固体常处于围岩的塑性区以及破碎区内，在此种状态下锚固体内任一点r处的位移为［5］ （2） 假设锚杆与围岩之间没有滑落，则锚杆中的拉应变为 P0原岩应力，P0＝γH； R巷道两帮塑性区半径； C、原岩体的内聚力及内摩擦角；G原岩体的剪切弹性模量； a巷道半径；L锚杆长； α、β原岩体及锚固体破坏后的塑性扩容系数． 由式（3）可以看出，εm与原岩应力及围岩的塑性区半径R成正比，原岩应力越大，塑性区半径R越大，εm就越大． 由式（1）可以看出 εm＜［ε拉］，两帮处于稳定状态； εm＝［ε拉］，两帮处于极限平衡状态； εm＞［ε拉］，按此设计的巷道两帮围岩处于失稳状态． 要使围岩由失稳向稳定转化，可能的途径有三一是在锚杆布置密度不变的情况下，改变锚杆的种类，提高［ε拉］，如采用可拉伸锚杆；二是在不提高［ε拉］的情况下，增加锚杆布置密度，减小围岩塑性区半径．因为围岩塑性区半径是锚杆布置密度亦即σm3的函数［5］，锚杆布置密度越大，所提供的σm3也越大，围岩的塑性区半径越小；三是既提高［ε拉］，又增加锚杆布置密度． 对于一些巷道，两帮围岩的脆性系数较小，这时可能出现较大的塑性位移，尽管锚杆没有发生断裂，但围岩较大的位移影响巷道的正常使用，所以还必须满足巷道周边位移值的要求．围岩稳定的条件就为 ua≤us （4） 式中 ua巷道周边的实际位移值； us允许的周边最大位移值． 由式（2）知，ua与围岩塑性区半径成正比，所以增加锚杆布置密度，提高锚固力，减小围岩塑性区半径，亦能有效减小巷道周边的位移量． 4 应用实例 邢台矿务局显德汪矿1725综采工作面走向长1800m，倾斜长140m，采深400～450m．开采2号煤，煤层厚2．14～2．8m，平均2．5m，单向抗压强度为1．5～2．0MPa，属极软煤层；顶板为粉砂岩，厚0．5～2．5m，灰色薄层状，单向抗压强度为77．0MPa，其中有1～3层煤线，易冒落；老顶为中细砂岩，层理发育．1725回采巷道均为锚杆支护，其综采切眼两帮采用Q235圆钢锚杆，直径为16mm，长度1．8m．树脂锚固，锚固长度663mm，锚固剂为Z2366． 两帮煤体采用的Q235圆钢锚杆的允许应变为［ε拉］＝0．023，根据式（3）知，在锚杆与围岩之间没有滑落时，锚杆中的拉应变为 式中 P0＝10．16MPa；C＝0．48MPa；＝25；G＝800MPa；a＝2．5m；L＝1．8m（有效长度1．7m）；α＝2；β＝1．7；R＝6．5m． 因为εm＜［ε拉］，所以按初始设计进行两帮锚杆支护时，两帮煤体将处于稳定状态，不会出现片帮及大面积滑移． 5 主要结论 （1）从围岩的受力特点结合锚固体变形的相似材料模拟试验，指出巷道锚杆支护两帮围岩的破坏形式，即两帮表面发生张性破坏，其内部发生剪切破坏． （2）建立了两帮稳定的判别准则，即锚固体中锚杆的拉应变小于锚杆的允许拉应变εm＜［ε拉］，对于变形量大的巷道还必须满足ua≤us． 作者简介勾攀峰（1966－），男，工学博士，副教授． 作者单位 勾攀峰焦作工学院资源与材料工程系，河南焦作 454000 陈启永平顶山煤业集团四矿，河南平顶山 476000 吴铁军焦作矿务局，河南焦作 454000 参考文献 ［1］ 耿乃光．应力途径的研究［J］．中国地震，1985（2）6166 ［2］ 陶振宇，莫海鸿，吴景浓．水压致裂试验中岩石的破坏特性及判据［J］．岩石力学与工程学报，1986（1）4150 ［3］ 肖树芳，杨淑碧．岩体力学［M］．北京地质出版社，1987，1828 ［4］ 李世平，吴振业，贺永年，等．岩石力学简明教程［M］．北京煤炭工业出版社，1996，69 ［5］ 勾攀峰．巷道锚杆支护提高围岩强度和稳定性的研究［D］［博士论文］．徐州中国矿业大学，1998 收稿日期19990311