基于修正普氏拱的巷道锚杆支护技术.pdf

第 2 4卷 第 4期 2 0 0 7年 1 2月 采矿与安全工程学报 o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g VoI ． 24 NO． 4 D e e ． 2 OO 7 文 章 编 号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 7 0 4 0 4 6 卜O 4 基于修正普 氏拱 的巷道锚杆支护技术 鲁 岩 ，邹喜 正 ，刘长友 中国矿业大学 能源 与安全工程学院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 为了对受到较大水平应力的巷道进行有效的支护， 本 文在考虑水平构造应力作 用情况下， 假设 巷道 周边 的岩体 为松 散破 碎 岩体 ， 分析 了巷道 周边 自稳 结 构的形 状 ， 得到 开挖 巷道 周边 最终 形成 的修 正普 氏拱 的方程 ． 在 此 基 础 上 ， 推 导 出巷 道 顶部 和 两 帮 的破 碎 范 围与松 动 压 力计 算 公 式 ， 为巷道 的加 固范 围和 支护 强度 计 算提 供 了理论 依 据 。在神 火矿 区新 庄矿 现 场 地 应 力 测量 值 基础 上 ， 采 用 以上理论 ， 进 行巷 道 的锚杆 支护设 计 ， 得 到 了很好 的 支护 效 果． 并采 用 YZ T 一 Ⅱ型岩 层 钻 孔探测 仪观 测巷 道 周边 的破碎 状 况 ， 测 量 结果 与采 用修 正普 氏拱 理论 计算 结 果接近 ． 关键 词 修 正普 氏拱 ；松动 压 力 ；自稳 结构 ； 锚 杆 支护 中图 分类号 T D 3 5 3 ． 6 文 献标 识码 A Ro a dwa y Bo l t Su pp o r t i n g Te c hni q u e Ba s e d o n M o d i f i e d Na t ur a l Ar c h LU Ya n，ZOU Xi z he ng，LI U Ch a ng y ou S c h o o l o f Mi n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ Te c h n o l o g y ，Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a Abs t r a c t I n o r de r t o s u pp o r t t h e r o ad way s u f f e r i ng gr e a t h o r i z o n t a l s t r e s s e f f e c t i ve l y， t he s h ap e o f s e l f s t a bi l i z e d s t r uc t ur e a r ou nd r o a d wa y wa s a n a l y z e d i n c o ns i de r i ng t he h or i z o nt a l t e c t o n i c s t r e s s a n d s u p p o s i n g t h a t t h e r o c k ma s s i s f r a c t u r e d a r o u n d r o a d wa y ，o b t a i n i n g t h e e q u a t i o n f o r t h e mo di f i e d n a t ur a 1 a r c h ． On t he b a s i s o f t hi s，t he f o r m ul a of t he c r a c ke d r a n ge a nd b r ok e n r o c k pr e s s u r e wa s i nd uc e d，pr o vi di n g a t he or e t i c a l b a s i s f o r c a l c u l a t i ng t h e r e i nf o r c i ng r a nge a nd s upp o r t i ng i nt e n s i t y． Ba s e d o n i n s i t u me a s u r e d v a l ue s i n t he Xi nz hu a ng m i ne o f t he Sh e n huo Gr o up， t h e b o l t s up por t i ng wa s de s i g ne d a c c or d i ng t o t he r e s e a r c h r e s u l t，whi c h ha ve b e e n p r o v e d t o b e s u c c e s s f u 1 ．Th e YZ T一 Ⅱt e r r a n e b o r e d e t e c t o r wa s u s e d t o o b s e r v e t h e f r a g me nt a t i on a r o u nd t h e r oa d wa y， s ho wi ng t ha t t he o bs e r v a t i o n i s i n g oo d a c c or d a nc e wi t h t he c a l c ul a t e d r e s ul t ． Ke y wo r d smod i f i e d na t ur a l a r c h； br o ke n r o c k pr e s s u r e； s e l f s t a b i l i z e d s t r u c t u r e； bo l t s up p o r t i ng 进 行地 下 隧道 ， 硐 室 压 力 计 算 时 ， 认 为 上 覆 岩 压直接 作 用在开 挖空 间 的周 围 ， 且将 其 围岩 看成 是 各 向同性 的弹 塑性 体 ， 得 到 圆形 、 椭 圆形 等 巷 道 周 围应力的弹塑性解 ； 认为开挖空间周 围岩体处于 极 限平衡状态 ， 得 到 圆形巷 道周 围应力 的极 限理 论 解l 2 ] ． 其 中最著名 的是俄 国学者 普 罗 托奇 雅 阔诺 夫 在 1 9 0 7年提 出的普 氏理论 ] ， 此 理论 认为 地下 开挖 空 间在 自然状 态 下 可形 成 自稳结 构 ， 解 释 了许 多地 下 溶洞 的拱 顶和 巷 道 围岩 冒落形 成 的拱 顶 ， 但该 理 论将拱角的水平推力限定等于拱角垂直反力所产生 的最大摩擦 力 的半值 ， 且该 理 论 未考 虑 岩体 中水 平 构 造应力 的作用 ， 这 和实 际情 况不 符． 事 实 上 ， 地 下 收 稿 日期 2 0 0 7 0 1 1 7 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 0 5 7 4 0 8 9 作者简介 鲁岩 1 9 8 0 一 ， 男 ， 江苏省徐州市人 ， 博士 ， 从事矿山压力及其控制方面的研究 E ma i l l u y a nc u mt g z 1 2 6 ． t o m Te l 1 3 7 7 5 9 8 7 01 8 维普资讯 4 6 2 采矿 与安全工 程学 报 第 2 4卷 岩体中存在构造应力， 主要为压应力作用， 在地质构 造带附近， 侧压系数多数大于 1 ， 最大可达 3 O J ． 基 于普氏拱理论实际进行锚杆支护的设计误差较大． 1 修正普 氏拱的形成机理 地下 开挖 空 问在岩体 的 自组织作 用 下 ， 会 在 开 挖空 间周 围形成 一稳 定结构 ， 自稳定 结构 为一 椭 圆 形L g ] ， 其方程为 巷道最终形成的稳 定结构 3 修正普 氏拱 的 方 程为 季 『 一 n b t a n 0 ] _ L 一 1 ． 3 n ／ 『 -6 n 6 t a n 1 2 2 二 一1 ， 1 2 巷道周边围岩松动压力 Am 式中 为侧压系数 ， ≠O ； 为椭圆的竖 向半轴长． 巷道 围岩在层 状特征 不 明显 ， 具 有松 散介 质特 性 的条件 下 ， 巷 道 开挖 后 ， 会 立 即沿 巷 道周 边形 成 一 封 闭 的压力 拱 ， 即 自稳 结 构 1 ； 巷 道 周 边 在 压 力 作用下 ， 破碎塌落 ， 压力拱向外扩大 ， 形成稳定结构 2 ； 根据极限平衡原理 ， 当巷道两帮塌落到与巷道两 帮成 一一詈时， 修正普氏拱 自稳结构 3 最终 ‘ 士 厶 形成， 其 中 为岩体 的内摩擦角． 这里假设巷道的 底 板始 终稳 定 ， 因 此 压 力 拱 都 通 过 巷 道 的底 边 两 点 ． 根据 以上 分析 ， 巷 道 周 边 修 正普 氏拱 的 形 成 过 程 如图 1 ． y ． 、＼ f 自 稳窘构3 J ～、 ＼＼ | 厂 结 ＼ l 、 、 ＼ ＼l f l f ／C 3 自 稳 结 l ＼』 f 、 1 1 由 I O x 一0 ； 口 为巷宽之半 - ＼ 、 ，／ 为 塌落角； 。 ～口l - ’ 劝 巷高之半； 自稳结构3 的中心； 1 , 3 的横半轴长； ， 为自稳结构l ， 3 的竖半轴长 图 1 巷道周边 自稳结构 的形成 图 Fi g． 1 Th e f or me d f i g ur e of s e l f - s t ab i l i z e d s t r uc t ur e a r oun d r oa d wa y 结 合 图 1 ， 可得 自稳结 构 1的方 程为 南 在修 正普 氏拱 内 ， 岩体 较 破 碎 ， 可 作 为 松 散 体 考虑． 修正普氏拱 自行封闭， 拱外压力不 向拱内传 递 ， 巷道周 边 的围岩 松动 压力 简化 为拱 内松散 岩体 压力 ． 巷道 周边松 动 压力计 算 简图如 图 2所示 ． 图 2巷 道 周 边 松 动 压 力 计 算 图 Fi g ．2 The c a l c u l a t i ng f i gur e of br o ke n - r o c k p r e s s ur e a r oun d r o ad wa y 2 ． 1巷道 顶部 围岩压 力 按以上分析 ， 巷道顶部的围岩压力等于巷顶与 修正普氏拱之间松散岩体 重． 由式 3 知巷道顶部 的最 大 压 力 在 巷道 中央 ， 巷道 中心 的拱 高 h ， 巷道 边 的拱 高 h ， 拱顶 最大 压力 P ⋯ 见 式 4 ， 5 ， 6 ． h一 望 n b t a n 一 [ 6 一 n ] ， 4 h 一 2 n bt a n ， 5 P 一 ， 6 式 中7为岩 体 的容重 ． 2 作 用在巷 道顶 部结 构物 上总 的围岩压 力为 7 ～f y -- b d x y 』 { c ta n 可一 小 y c ta n 6 ] 4 - m 2 a r c s in 式 中 一 可 ． 维普资讯 、 第 4期 鲁 岩等 基于修正普氏拱的巷道锚杆支护技术 2 ． 2巷道 两 帮 围岩 压 力 巷道 帮距 离修 正普 氏拱 的最 大 宽度 W 为 W a 3 a √ n r6 cn an ， ] n ． ㈦ 巷 道 帮 压 可 采 用 郎 金 土 压 力 理 论 进 行 计 算u ， 则作用在巷道帮上任意点的压力为 P 一 y b一 ．y ／ k， 9 式 中 Y为 竖 向坐标 值 ； 走为 郎金 主 动 土 压 力 系数 ， 走一 t a n 0 ． 由式 9 可得 图 2所 示 的巷 道 侧帮水 平 围岩 压 力 ， 由 图 2可知 ， 帮压 是按 梯形 分 布 的 ， 且是 从上 向 下 逐渐 增 大． 积分 得 到巷 帮总压 力 P 为 P 一 I P d y一 2 b bh 走 y． 1 o 2 ． 3 计算 结果分 析 由 式 3 ， 修 正 普 氏 拱 的 竖 向 半 轴 长 为 √ 譬 [ 6 n 6 ta n ] ， 随 着 侧 压 系 数 的增大而减小 ， 侧压系数 的增大使得巷道顶部岩 体破 碎 范 围减小 ； 修 正普 氏拱 的横 向半 轴 长为 √ n 『 6 n 6 ta n ] 。 ， 随 着 侧 压 系 数 的增 大而增 大 ， 即巷 道周 边岩 体破 碎范 围增 大 ． 3 工 程 实 践 神火 矿 区新 庄 矿 的 1 2 0 5 1机 巷 位 于 三。煤 1 2 采 区 ， 运用 应力解 除 法原 理在 神火 矿 区进行 地应 力 测量 ， 得到 一3 0 0水 平 的实 测地应 力 如表 1 所示 ． 表 l 神火矿 区实测地 应力值 Ta b l e 1 I n - s i t u ob s e r v at i o n s t r e s s o f S he nhu o m i n i n g a r e a 1 8 ． 9 3 9 2 2 3 0 0沉淀池 d 2 6 ． 1 3 5 ． 5 0 1 8 2 7 ． 3 O 8 2 ．1 6 7 ． 51 神火 矿 区 一3 0 0地 应 力 场 是 以近 东 西 向的 水 平构 造 应 力 为 主 ， 垂 直 应 力 次 之 的 应 力 场 ． 其 中 1／ o 2 1 ． 4 1 ， 1 ／ 3 1 ． 6 0， 3 ／ 2 0 ． 8 8 5 ．因 1 2 0 5 1 机 巷方 位角 为 1 7 0 。 ， 取 1 2 0 5 1机巷 横 截 面 的 侧压系数 为 1 ． 4 ． 根据 以上各式 计算 ， 可得 1 2 0 5 1 机巷修正普氏拱的尺寸及巷道周边的松动压力， 如 表 2所 示． 表 2 1 2 0 5 1机巷 修正普氏拱的尺寸及周边松动压 力 Ta bl e 2 Th e s i z e of mod i f i e d n a t ur a l a r c h a n d br o ke n - r o c k pr e s s ur e ar ou n d 1 20 5 1 h a ul a g e g at e wa y 注 P ⋯P 的单位为沿巷道轴向每米的压力 ． 采用 YZ T 一 Ⅱ型 岩层 钻 孔 探测 仪 进 行 观 测 ， 根 据现场采集的影像数据 ， 进行实验室分析 、 处理 ， 得 到 1 2 0 5 1 机 巷 破碎状 况 即修 正普 氏拱 的范 围 ， 如 图 3所示 ． 图 3 实测 1 2 0 5 1 机巷 的修正普 氏拱 范围 mm Fi g． 3 Ac t ua l r a ng e of modi f i e d n at u r al a r c h ar ou nd 1 2 051 ha u l a g e ga t e wa y 根 据 锚杆 支 护 设 计 方法 进行 1 2 0 5 1机 巷 的锚 杆支 护设 计 ． 分 别 得 到顶 锚 杆 与 帮 锚 杆 的 支 护 参 数 ． 顶锚 杆 0 0 2 o mm， 长 2 ． 5 m， 间排 距 8 0 0 F il m 8 0 0 mm； 帮锚 杆 巾 1 8 mm， 长 2 m， 问排 距 1 0 0 0 mm 8 0 0 mm． 锚 固 力 达 到 5 0 k N 以 上 ， 扭 矩 不小 于 8 0 N m ． 现场对 1 2 0 5 1机巷 受 到采 动 影 响 后 的表 面 位 移 进行 了观 测 ， 得 到 的结 果见 图 4 ． ～ 4 5 吕 3 0 1 5 0 嚣1 0 0 2 0 0 3 0 0 _ l-一一／ 一 顶底 ＼ 一．一一1---| 峰●‘ J J 一 一 、 ＼ ． 3 0 2 7 2 4 21 1 9 l 7 1 5 1 2 9 7 2 距采面距离／ m 图 4 1 2 0 5 1机巷回采 时巷道表面位移 Fi g ．4 Sur f a c e di s pl a c e m e nt of 1 2 051 ha u l a ge g at e wa y i n t h e p r oc e s s of c oa l e xt r a c t ion 1 2 0 5 1 机 巷受 到采 动影 响 后 ， 巷 道 的两 帮 移 近 量 ， 顶底 板 移近 量 都 在 2 5 0 mm 以 内 ， 巷 道 的稳 定 性较好 ， 说明基于修正普氏拱的锚杆支护设计是合 理 的． 维普资讯 4 6 4 采矿 与安全工程学报 第 2 4卷 4 结 论 通 过合 理 假 设得 到开 挖 巷道 周 边形 成 的修 正 普氏拱的方程 ， 在此基础上 ， 推导出巷道顶部和两 帮的破碎范围与松动压力公式 ， 为锚杆支护巷道的 加固范围和锚固强度计算提供理论依据 ， 并在神火 矿区新庄矿现场支护中应用 ， 效果很好． 参考 文献 E 1 ] 钱呜高 ， 石平 五．矿 山压 力与岩层 控制 [ M] ．徐州 中 国矿业大学出版社 ， 2 0 0 3 4 7 5 6 ． [ 2 ] 陈炎光 ， 陆士梁．中国煤矿巷道 围岩控制 [ M] ．徐州 中国矿业大学出版社 ， 1 9 9 4 1 9 2 0 ． [ 3 ] 沈 明荣．岩体力学[ M] ．上海 同济 大学出版 ，2 0 0 4 1 63 1 65 ． [ 4 ] 于学馥．轴变论与围岩变形 破坏 的基本规律 [ J ] ．铀 矿冶 ， 1 9 8 2 ， 1 1 8 1 7 ． YU Xue - f u ．On t he t he o r y of ax i a l va r i at i o n a nd ba s i c r u l e s of de f o r ma t i o n a n d f r a c t ur e of r o c ks s ur r ou n d i n g u n d e r g r o u n d e x c a v a t i o n s [ J ] ． Ur a n i u m Mi n i n g a n d M e t a l l u r gy，1 98 2， 1 1 8- 1 7． [ 5 ] 谢 富仁 ， 崔效 峰 ， 赵建 涛．全 球 应力 场 与构 造 分 析 [ J ] ．地学前缘 ， 2 0 0 3 ， 1 0 增 刊 2 2 3 0 ． XI E Fu r e n ，CUI Xi a o f e n g ，Z HA0 J J a n t a o ．An a l 一 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] y s i s o f g l o b a l t e c t o n i c s t r e s s f i e l d E J ] ．E a r t h S c i e n c e Fr o nt i e r s ，2 0 03， 1 0 Su pp 22 30 ． 夏 玉成．构造 应 力 对 煤矿 区采 动 损 害 的影 响探 讨 [ J ] ．西安科技学院学报 ， 2 0 0 4 ， 2 4 1 7 2 7 4 ． XI A Yu c h en g．I nf l u e n c e o f t e c t o ni c s t r e s s o n mi ni n g i n d u c e d g r o u n d d a ma g e i n c o a l mi n i n g a r e a [ J ] ．J o u r n a l o f Xi ’a n Uni ve r s i t y of Sc i e n c e a n d Te c hn ol o gy， 2 0 04，2 41 7 2 7 4 ． 张延新 ， 蔡美 峰．地 应力 与地 质构 造运 动 关 系研究 [ J ] ．铜业工程 ， 2 0 0 4 3 7 - 9 ． ZH ANG Ya n - xi n，CAI M e i f e n g． St u dy o n t he r e l a t i ons hi p b e t we e n i n s i t u s t r e s s f i e l d a n d t e c t o ni z a t l on [ J ] ．C o p p e r E n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 3 7 - 9 ． PAN E，AM ADEl B，SAVAGE W Z． Gr a v i t at i o na l a n d t e c t on i c s t r e s s e s i n a ni s ot r op i c r oc k wi t h i r r e gu l a r t o p o g r a p h y [ J ] ．I n t J R o c k Me c h Mi n S c i ＆ G e o me c h Abs t r ，1 9 95， 3 2 3 201 - 21 4 ． 缪协兴．自然平衡拱与巷道 围岩 的稳定 [ J ] ．矿 山压 力与顶板管理 ， 1 9 9 0 ， 7 2 5 5 5 7 ． M I AO Xi e xi n g．Na t ur a l s e 1 f _ s u pp o r t ing ar c h a nd t he s t a b i l i t y o f r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k[ J ] ． G r o u n d pr e s s u r e a n d s t r a t a c o nt r o l ，19 9 0， 7 2 5 5 5 7 ． 凌贤长 ， 蔡德所．岩体力学 [ M] ．哈尔滨 哈尔滨 工 业 大学 出版社 ， 2 0 0 2 2 8 2 2 8 6 ． 上 接 第 4 6 0页 参 考文 献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 王金华．我 国高效综 采成 套技术 的发 展与现 状 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 3 ， 3 1 1 5 - 8 ． W ANG J i n - h u a ．De v e l o p me n t a n d s t a t u s o n c o mp l e t e d s e t t e c hn ol ogy o f hi gh e f f i c i e nt f ul l y me c ha ni z e d c o a l mi n i n g i n C h i n a [ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o gY，2 0 03， 31 1 5 - 8． 闫少宏．较 薄厚 煤层综 放开 采现状 与关 键技术 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 0 ， 2 8 1 2 - 6 ． YAN S ha o hon g． Th e s t a t us a nd ke y t e c h no l o gy of f u l l y me c h a ni z e d t op c o a l c av i ng i n t he t hi nn e r t hi c k s e a ms [ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，2 0 0 0 ， 2 8 1 2 - 6 ． 孟宪 锐， 张 勇 ， 刘 环宇．较 薄厚煤 层综放 矿压 特点 分析 [ J ] ．矿 山压 力与顶板管理 ， 2 0 0 0 ， 1 7 1 7 - 9 ． M ENG Xi an - r u i ， ZH ANG Yon g。 I I U H u a n yu． Th e a na l ys i s of r oc k p r e s s ur e a nd s t r a t a b e ha v i or s of f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g i n t h e t h i n n e r - t h i c k s e a ms [ J ] ． Gr o u n d P r e s s u r e a n d S t r a t a C o n t r o l ， 2 00 0， 1 7 1 7 - 9． [ 4 ] 谢广祥 ， 杨科 ， 常 聚才．综放 回采 巷道 围岩力学 特 征实测研究[ J ] ．中国矿业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 5 1 9 4 9 8． XI E Gu a n g - x i a n g，YANG Ke ，CH ANG J u c a i ． I n s i t u t e s t i n g o n me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s u r r o u n d i ng ,r o c k i n t he ga t e s of f u l l y me c ha ni z e d t op - c o al c a v i n g f a c e [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g ＆ Te c h n o l o g y，2 0 0 6， 3 5 1 9 4 9 8 ． 维普资讯