支护-围岩接触关系与软岩硐室失稳破坏的研究.pdf

中国矿业大学学报990 50 9 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第28卷 第5期 Vol.28 No.5 1999 支护-围岩接触关系与软岩硐室失稳破坏的研究* 谢文兵 陆士良 杨米加 姜耀东 殷少举 史振凡 摘要 基于由注浆量统计结果得出的支护-围岩接触关系，通过数值计算全面、系统地 分析了支护-围岩接触关系对支护-围岩承载体系的影响规律和碹体支护失稳破坏的内 在机制，分析了支护体上载荷分布与其破坏形式的关系，为改进现有碹体支护工艺提 供了一定的理论基础. 关键词 硐室，数值分析，失稳破坏 中图分类号 T D 354 Influence of Support-Rock Contact Conditions on Stability of Soft Rock Chamber Xie Wenbing Lu Shiliang Yang Mijia Jiang Yaodong Department of Mining Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Ying Shaoju Shi Zhengfan Zaozhuang Mining Bureau, Zaozhuang, Shandong 277519 Abstract Based on the contacting relation of support and surrounding rock, the effect regularity of the relation on bearing system is analysed systematically by numerical modeling. The relation of damage and load on support is discussed. The intrinsic mechanism of lining damage is investigated. Key words chamber, numerical simulation, damage 碹体支护在我国各种地下工程中的应用有着悠久的历史. 它具有结构简单、操作方 便、巷道成形好和承载能力大等优点. 特别是大断面硐室中，设备管线多，对变形要求 相对较严，不可能要求硐室象锚杆和U 型钢支护的巷道那样具有很大的可缩空间. 故在 我国煤矿大断面硐室中，碹体支护应用广泛. 但是随着地下开采深度的不断增加，软岩 矿井的大量开采，碹体支护暴露的问题日益突出. 根据软岩巷道的围岩变形特点［1］和碹体支护的工作特性，采用碹体支护的巷道 一般都需采用二次支护或联合支护［2 ］. 多年的碹体支护观测表明，碹体与围岩的恶劣 接触关系大大地降低了碹体的整体承载能力，造成碹体在较低的载荷作用下失稳破坏. 出现这种情况的原因主要有两个方面一是由于人们对现有碹体支护严重破坏的机理 认识不清，往往把原因归咎于碹体支护的高刚度. 实际上，已有的研究结果表明，较高 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 9. h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 14 中国矿业大学学报990 50 9 的支护阻力对控制软岩硐室的变形富有成效［1］，碹体支护的高刚度并不等于高支护 阻力. 另一个原因，是由于人们对提高围岩的残余强度、形成支护围岩共同承载体系的 机理认识不清. 本文以柴里煤矿水泵房为例，由围岩注浆量统计结果得出的支护-围岩接触关系， 通过数值力学分析对软岩硐室失稳破坏的内在机制进行了研究. 1 支护-围岩接触关系的数值力学模型 文献［3］根据泵房注浆量的统计资料从各个侧面分析了泵房围岩空隙、裂隙的分 布. 为了分析泵房破坏的原因，基于注浆量的统计分析结果和典型断面的注浆量结果， 建立了相应的数值分析模型，如图1所示. 模型的条件按泵房实际的地质采矿条件确定. 图1 不同支护-围岩接触关系模型 Fi g . 1 Ca l c u l a t i n g m o d e l f o r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s o f l i n i n g -r o c k c o n t a c t 为了使模型较好地反映泵房及其围岩的实际状况，建立的模型具有以下特点 1 采用应变软化模型； 2 按照硐室开挖及碹体受力承载的过程进行模拟，即在平衡的原岩应力场中开掘 硐室，待围岩自稳一段时间后进行碹体支护； 3 为了分析不同支护围岩关系下碹体的受力和破坏状况，分别采用有限单元和梁 单元处理碹体，以便对碹体进行全面地分析. 为了既便于计算，又能描述研究对象的主要特征，将硐室围岩-支护系统简化为平 面应变问题. 硐室净跨度5 m ，墙高2 . 5 m ，半圆拱半径2 . 5 m ，碹体厚0 . 5 m . 应力条件取埋 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 9. h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 14 中国矿业大学学报990 50 9 深510 m 的静水应力状态，垂直应力和水平应力均为11. 44 m Pa . 模型的力学参数根据柴 里矿泵房岩芯试验结果和有关资料确定，见表1. 表1 碹体及围岩的物理力学参数 T a b l e 1 Ph y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f l i n i n g a n d r o c k s 体积模 量/ G Pa 剪切模 量/ G Pa 密度/ k g . m -3 内摩擦 角/ ） 内聚力/ M Pa 抗拉强 度/ M Pa 黑泥岩1. 2 570 . 5502 2 43311. 900 . 8 3 混凝土2 . 2 2 21. 6 6 72 433342 . 2 61. 7 0 2 支护-围岩接触关系的影响 2 . 1 对支护体内力的影响 表2 为各种支护-围岩接触关系下支护体受到的最大弯矩和轴力. 由表2 可见，支护- 围岩接触较好的，如模型a ，支护体受到的弯矩小，轴力较大. 计算结果表明此时支护 体上的轴力分布较均匀，较能发挥支护的整体承载能力. 而b ，c ，d 情况下，由于支护 与围岩间存在较大的不均匀空隙，支护体受到的弯矩大，支护体上各处受到的轴力也 极不均匀，不利于支护体的整体承载. 由表2 还可以看出，支护围岩间空隙对称分布的 模型b ，d 的弯矩小于空隙不均匀且不对称的模型c . 模型c 情况下支护体受到的弯矩最 大，模型b ，d 虽然支护与围岩间的空隙大于模型c ，但由于空隙对称分布，支护体受到 的弯矩反而要小. 这反映了偏载对支护体内力及承载能力影响极大. 支护体上载荷分布的 特点［3］表明，在支护围岩的相互作用过程中，不良的支护-围岩接触关系决定了支护 始终承受着集中载荷的作用，而且随着时间的推移，这种影响越来越大，最终使支护 体遭到破坏. 表2 支护体上的最大内力 T a b l e 2 A x i a l f o r c e a n d b e n d i n g m o m e n t o n l i n i n g 模型 轴力/ M N 弯矩/ M N.m a2 . 2 31-0 . 7 7 5 b2 . 8 7 41. 50 4 c2 . 4101. 7 39 d1. 32 8-1. 42 3 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 9. h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 14 中国矿业大学学报990 50 9 2 . 2 对围岩自承能力的影响 图2 为各种支护-围岩接触关系下沿A -B截面 图1a 所示 径向应力和切向应力分布. 支 护-围岩接触关系对支护体内力的影响结果表明，碹体后不均匀空隙的存在必然使支护 体承受极不均匀的载荷，使其在较低的载荷下失稳破坏，发挥不了支护的整体承载能 力. 换言之，支护体提供给围岩的支护阻力总体来说也较小，使围岩在更大的范围内产 生松动变形. 由图2 可见，不同的支护-围岩接触关系对围岩应力分布有明显影响的范围 大约在2 倍巷道半径左右. 与支护体紧密接触的部位应力集中程度较高，而未接触部位 应力要向深部迁移. 这说明不良的支护-围岩关系降低了围岩本身的自承能力. 同支护体 与围岩均匀接触的情况相比，不良支护-围岩关系使围岩应力减小0 ～3 m Pa 左右. 图2 A -B截面切向应力和径向应力分布 Fi g . 2 D i s t r i b u t i o n o f s t r e s s e s a l o n g s e c t i o n A -B 2 . 3 不同支护-围岩接触关系下支护体的变形特征 支护体的典型位移情况是，水平位移一般帮部最大，其次是起拱线处，再其次是 帮脚；垂直位移顶部最大，碹体帮脚处一般先经历微小上升再下降. 碹体的这种位移规 律与围岩位移场的规律是相适应的. 不同的支护-围岩接触关系，支护体具有不同的位移特征. 图1中模型b 拱顶接触，两 侧肩部存在较大空隙，则起拱线处碹体被挤向围岩，“拱顶压平”，而帮脚处的水平 位移最大；碹体帮脚产生内移，垂直方向略微上升. 若拱顶一开始就与围岩均匀接触， 则帮脚的位移规律与拱顶的相同，并且拱顶的位移略大于帮脚，如模型a . 若整个拱部 都存在较大空隙 如模型d ，则不能发挥拱的承载能力，其拱顶位移向上，产生通常所 说的“尖桃型破坏”. 上述分析结果表明，碹体周边的位移规律反映了支护与围岩的接 触关系. 2 . 4 载荷分布与破断形式的关系 支护体破坏形式与其所受的载荷密切相关，图3为某种载荷作用下的破坏形式. 分 析结果表明，支护体的破坏表现为结构性破坏. 即支护体受载较大的部位，其内侧易出 现拉破坏，形成张裂隙，而其外侧则出现压剪破坏. 在受载较大的部位之间，根据结构 的受载状况，其内侧易出现压剪破坏，表面出现张裂，其外侧则出现拉破坏. 拉破坏集 中在一个小范围，剪破坏在一个较大的范围，沿周向发展. 对称载荷作用下，整个支护 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 9. h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 14 中国矿业大学学报990 50 9 的破坏呈现明显的对称性. 图3 支护所受载荷及其破坏形式 Fi g . 3 Lo a d o n l i n i n g a n d i t s d a m a g e f o r m 3 形成支护-围岩共同承载体系的技术措施 为了适应软弱围岩的矿压显现规律，碹体支护的巷道一般都需要先锚喷作为一次 支护或采用其它临时支护，在适当的时候再用碹体作为永久支护. 上述支护-围岩接触关 系的影响分析表明，保证支护体拱部与围岩均匀接触，对形成支护-围岩共同承载体系 至关重要. 要实现支护与围岩共同承载，可采用壁后充填或围岩注浆加固. 3. 1 壁后充填 我国碹体后充填采用了多种充填材料，充填形式均为人力手工充填，没有实现机 械化作业，充填质量差，充填效果不理想，难以改善支护-围岩的接触关系. 须采用碹体 后带压充填注浆，施工中尤其要注意拱部充填密实. 这种方法适用于新掘巷道的二次支 护. 3. 2 围岩注浆加固 柴里矿泵房注浆统计结果表明，碹体支护初期支护与围岩的不均匀间隙已被围岩 吸收. 对于这种维修巷道，必须进行围岩深部注浆，实现深、浅部注浆相结合，才能从 根本上改善支护-围岩接触关系，形成支护-围岩共同承载体系. 柴里矿泵房注浆效果充 分地证明了这点. 4 结 论 1） 支护与围岩是一对相互作用的共同体，不良的支护-围岩接触关系必然使支护 体受到极不均匀的载荷作用，使支护体在较小的载荷下失稳破坏，发挥不了支护体的 整体承载能力. 同时，支护体提供给围岩的支护阻力较小，使围岩在更大的范围产生松 动变形，降低围岩的自承能力. 同支护体与围岩均匀接触的情况相比，不良支护-围岩接 触关系使围岩应力减小0 ～3 m Pa 左右. 2 ） 支护体的破坏表现为结构性破坏，即支护体受载较大的部位，其内侧易出现 拉破坏，形成张裂隙，而其外侧则出现压剪破坏. 在受载较大的部位之间，其内侧易出 现压剪破坏，表面出现片裂，其外侧则出现拉破坏. 拉破坏集中在一个小范围，剪破坏 在一个较大的范围沿周向发展. 3） 支护-围岩接触关系的影响分析表明，偏载的影响大于空顶的影响，拱部非对 称不均匀载荷对承载能力影响最大. 在目前施工工艺下，这是极易造成的，因此必须改 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 9. h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 14 中国矿业大学学报990 50 9 进现有的支护工艺，支护体拱部的充填密实尤为重要. *博士学科点专项基金资助项目（97 0 2 90 0 6 ） 第一作者简介 谢文兵，男，196 4年生，工学博士，讲师 作者单位谢文兵 陆士良 杨米加 姜耀东 中国矿业大学采矿工程系 江苏徐州 2 2 10 0 8 殷少举 史振凡 枣庄矿务局 山东枣庄 2 7 7 519 参 考 文 献 1 陆士良，陈炎光．中国煤矿巷道围岩控制．徐州中国矿业大学出版社，1994. 2 7 ～ 41 2 陆家梁．软岩巷道支护技术．吉林吉林科学技术出版社，1995. 55～7 3 3 谢文兵．软岩硐室失稳和锚注加固机理的研究. ［博士学位论文］．徐州中国矿 业大学采矿工程系，1998 4 谢文兵，陆士良，殷少举．软岩硐室围岩注浆加固作用与浆液扩散规律．中国矿业 大学学报，1998 ，2 7 4 40 6 ～40 9 收稿日期1999-0 3-0 4 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 9. h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 14