锚喷支护巷道围岩承载结构研究.pdf

2 0 1 0 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第3 期 锚喷支护巷道围岩承载结构研究 郭军杰， 孙光中 河南工程学院 安全工程 系， 河南 郑州 4 5 1 1 9 1 摘 要 以郭庄矿三水平回采巷道应用情况为例， 首先采用金属工字钢进行支护， 巷道变形量大， 难 于维护， 支护效果差 ， 不能满足实际需要。为了提高 围岩的承载能力， 采用锚喷支护进行 了实验 性的研 究， 取得 了较好 的支护效果。结合大量的实践数据 ， 采用 F L A C 3 D数值分析软件， 从监测点的收敛变形 、 垂直方向的应力、 水平方向的应力等方面比较说明了锚喷支护优越于料石砌碹支护， 从实测结果来看锚 喷支护技术能有效解决大变形巷道围岩难支护的技术 问题， 使巷道在变形过程中趋于稳定， 形成稳定 的 承载结构。 关键词 巷道围岩； 大变形； 锚喷支护； 数值分析； 承载结构 中图分类号 T D 3 5 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 0 0 3 0 0 3 8 0 3 当某些地下工程或矿山巷道处于高地应力区而 且围岩较为软弱破碎时 ， 其巷道 的顶底 板或两 帮的 移近量大 ， 甚至高达 5 0～1 0 0 c m。在这种情况下有 时采用料石砌碹等支护方式则不能满足安全生产的 要求。因此， 如何加固围岩提高其强度、 控制其变形 量就成为一个紧迫的问题 。锚喷支护无疑是可 以考虑的重要手段 。 郭庄矿三水平一工作面 回采巷道用金属工字钢 支护 ， 已经施工 2 0 0 m， 支护速度非常慢 ， 而且是被动 支护 ， 在局部受压大的地方需采用架子棚与砌碹联 合支护 ， 掘进和支护不能协 调， 巷道变形量大 ， 不能 满足上下水平的交替 ， 而且浪费大量 的材料和人力。 为了提高施工进度 和巷道施工质量， 在 回采巷道进 行了锚喷支护的实验性研究 ， 改变原来 的被动支护 方式。 1 锚喷支护 1 ． 1 锚杆支护参数的确定 根据 目前国内锚杆的类型和该矿的实际经济技 术水平 ， 选择直径为 1 8 mm全长锚固式 的树脂金属 锚杆 ， 其布置方式见图 1 。 理论计算锚杆长度为 1 ． 6 1 IT I ， 选用锚杆的长度为 1 ． 8 m。根据 围岩的性质， 选择 间排距为 7 0 0 m m 7 0 0 mm。 收稿日期 2 0 0 90 7 2 7 ； 2 0 0 9 1 1 1 9修订 作者简介 郭军杰 1 9 7 8 一 ， 男， 河南唐河人， 硕士， 主要 从事煤矿安全方面的教学与科研工作。 38 l 一混凝土 ； 2 一锚杆 ； 3 一锚杆外露 长度 ； a 一地 角锚杆的 角度 ， 2 O 。 。 图1 巷道锚杆支护布置 1 ． 2喷射混凝土厚度的确定 按剪切破坏理论计算， 认为喷层中弯距值很小， 基本上不出现拉应力 ， 喷层主要表现为剪 切破坏形 式 ， 剪切破坏面是与巷道轴线呈 2 0 。 一3 0 。 的莫尔面。 计算公式如下 f 2 ．5 orr R o s i n 2 a or t 4 5 式中 t 为喷层的厚度， m m； or 为作用于喷层的径向 应力 ， 0 ． 0 1 6 MP a ； o r 为喷层混凝土抗拉设计强度 ， 0 ． 8 MP a ； R 。 为半圆拱的半径 ， 1 4 0 0 m m； o r 2 0 。 。 计算得到喷射混凝 土的厚度 为 4 5 mm， 为保证 安全和满足施工要求， 施工中喷射混凝土的厚度为 5 0 mm 。 2 锚 喷支护数值模拟 目前在工程领域广泛使用的数值分析方法包 2 0 1 0 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第3 期 括 有限元法 、 边界元 法、 离散元法及有 限差分 法。 国际上较大 型的面 向工程 的通 用程 序有 A N S Y S ， N A S T R A N， F L A C， U D E C， A S K S以及 A D I N A等程序。 其功能越来越完善 ， 不仅包含 多种条件下的有限元 分析程序 ， 而且带有功能强大 的前后处理程序 。但 是 ， 对采矿工程而言 ， 应用最为广泛是 I T A S C A系列 软件 中的 F L A C【 】 ， 在此选 用 A N S Y S建立模 型， 导 入 F L A C 3 D进行计算 。 2 ． 1 巷道 围岩的物理力学性质 根据试验得到的岩石力学 、 物理力学参数 ， 并结 合郭庄矿的具体情况 ， 给出 了各煤岩层的物理属性 和力学性质 ， 见表 1 。 表 1 岩层 的物理 性质 表 2 岩体力学参数 2 ． 2 计算模型设计 2 ． 2 ． 1 边界条件和载荷模式 为了考察开挖引起 的效应 ， 采用三维计算模型 ， 方 向 水平 尺寸 6 0 m， Y方 向 高度 尺寸 5 6 m， 方向 轴向 尺寸 3 6 m。模型左右边界均施加水平 位移约束 ， 即 U x 0 ； 前后端面为水平位移约束 ， 即 0 ； 底边界为位移边界 ， 限制水平和垂直方 向的 位移 ， 即 0 ； 上部边界为铅直方 向上 的应力边 界， 其值 1 0 ． 1 2 5 MP a 。 2 ． 2 ． 2 喷浆 的模拟 围岩屈服准则采用莫尔一库 仑准则 ， 喷层采用 衬砌单元来模拟。衬砌单元能模拟喷浆层的切 向滑 动和法 向开裂变形 ， 能够 真实反 映现场 实际的地质 情况和喷层破坏特点。 2 ． 2 ． 3 单元格划分 采用 A N S Y S 模 型导入 F L A C 3 D进行计算 ， 采用 四面体单元 ， 巷道附近网格较密 ， 模型边界处单元稀 疏 ， 网格划分模型见 图2 。 图2 模型与巷道放大图 2 ． 2 ． 4 模拟方案 根据现 场 施工 的实 际情 况 进行 模 拟 ， 取 巷道 1个断面设置 4个监测点 ， 随着开挖步数 的不 同， 寻 找其变形规律。 2 ． 3 模拟结果分析 监测点 1和监测点 3随开挖步数 的变形情况见 图 3 ， 应力等值线 图见 图 5 _ _ 6 。 3 9 2 0 1 0 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第3 期 O． 1 5 g 0． 1 0 0．O 5 0 ． 1 5 鲁 0 ． 1 0 蝴 0 ． 0 5 O 2 0 l 0 ． ▲▲▲▲▲▲▲ ⋯ 了 1 l l 开挖 步数 图 3 监测点 1的位移变化 曲线 ▲▲▲▲▲▲▲▲ ●r V V 7 l t l 开挖步数 图4 监测点 3的位移变化曲线 ， f I ＼ ，， j j 谴 、 、 、 、 ， 是 、 ～ ； 一／ l l l 2 0 0 ． 2 O 图5 方向的应力等值线图 从模拟的结果来看 ， 监测点的位移量在开始 阶 段变化较大 ， 随着开挖步数 的增加 ， 位移量在增加 ， 但 变形 速度减小 ， 最终趋 向一稳定值 ， 说 明巷道在 1 O 0 。 。。 、 、 。 、 ． ． ． 乏 。、 4 2 0 0 图6 ， 方向的应力等值线图 锚喷支护的情况下 ， 最终会趋于稳定。从巷道 的应 力变化可 以得到 ， 锚杆使围岩的强度得到了提高 ， 喷 浆和锚杆的联合支护对于围岩形成稳定的承载结构 起到了促进作用 ， 使 围岩在一 定程度上进人稳定的 状态 。 3 现场监测分析 为确保掘进 和回采工作的安全 ， 以及对支护效 果、 支护参数的合理性 、 锚杆对地质生产条件的适应 性、 巷道在整个服务期间的围岩稳定性和顶板运动 情况等内容的分 析研究 ， 进行 现场监测是十分必要 的。现场监测内容的选择必须充分考虑到 ①巷道 围岩的运动情况 ， 从监测数据直接判断 围岩是否稳 定 ； ②便于观测 ， 易于现场测取。 围岩变形是围岩力学性态最直观的反映， 由于位 移量测简便 ， 可靠稳定 ， 加之通过工程施工阶段和使 用阶段的位移量测 ， 可以监测判断工程稳定状况 ， 指 导施工， 因此， 在巷道掘进期间对巷道表面位移进行 了现场监测， 监测的主要 内容包括顶板下沉量、 顶板 下沉速度、 两帮移近量 、 两帮移近速度 ， 结果见表 3 。 表 3 观测期间围岩位移汇总 巷道围岩变形观测表 明， 初期 阶段， 距掘进工作 面较近时， 表面或深部位移变化较大 ， 随远离工作面 而趋缓 ， 总体变形在控制范围内。巷道稳定后两帮和 顶板下沉速度都趋于稳定。现场实测结果与数值模 拟进行比较发现 ， 巷道 围岩的最大变形量在 1 3 0 ra i n 4 0 左右 ， 同时也对数值模拟结果进行了验证。 4 结语 锚喷支护技术及工艺的探索与实践给煤矿安 下转第4 3页 2 0 1 0 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第3 期 积效率过低和换向阀 内泄漏 过大 ， 溢流 阀调节失 当 或机械故障， 以及油路堵塞等。 如马达实际输入流量达到设计要求， 需首先考虑 液压马达故障。液压马达的外泄漏和内泄漏过大， 即容 积效率过低， 将导致液压马达输出转速过低； 液压马达 的实际排量低于理论值或机械效率过低 ， 在同等工作压 力下， 液压马达的输出转矩将低于设计值。 5 流量测试值的修正计算 5 ． 1 进 口流量修正计算 工作介质的可压缩性， 体积随着压力的增高而 减小。进 口流量计处于高压端 ， 随着 钻机液压系统 工作压力的变化 ， 将产生流量测试值误差 。需要对 进口流量测试值进行修正计算 q j 1一 6 式 中 Q 为标 准压力状 态下进 口流 量值 ， mlMm i n ； △ p 为标准压力与进油 口压力差 ， MP a ； K为体 积弹 性模量 ， K 1 ／ ， 液压油取 1 ． 4～2 ． 0 1 0 MP a ； 为工作介质体积压缩性系数 。 5 ． 2 出口流量修正计算 钻机液压马达将 液压能转换成机械能 ， 由于能 量损失导致出 口温度升高。考虑 到工作介质在热胀 冷缩效应作用之下 ， 体积增大 ， 需要对 出口流量测试 值进行修正计算 j q c 0q 1 △ 7 式中 Q m为标准温度状态下出口流量值， m L ／ m i n ； A T 为标准温度与回油口温差， K ； 为工作介质热膨 胀系数 ， 液压油取 6 ． 3 7 ． 8 1 0 K ～。 严格说来 ， 物质 的热膨胀系数在较大的温度 区 间 内通常不是一个常量 ， 故式 7 不适用于精密测量 时的修正计算。 6 结语 1 采用流量测试装置测试钻机工作介质流量 ， 是对钻机液压系统中间工作状 态进行监测 的有效手 段 ， 辅助并提高测试人 员对钻机液压系统进行检测 分析和故障诊断的准确性 。 2 采用整流器整定钻机工作介质流 向， 改善流 量计测试环境 ， 避免工作介质对流量计的逆向冲击 ； 整流器与换向阀组合 ， 简化测试人员操作流程 ， 提高 了工作效率。 3 对液压马达进 出 口工作介质 的温度 和压力 测量 ， 以及对流量测试值的修正计算 ， 提高了测试和 分析的精确度 。 参考文献 [ 1 ]许贤良， 王传 礼．液压传动[ M] ．北京 国防工业出版 社 ， 2 006 ． [ 2 ]王益群， 曹栋璞， 郎静．纯水液压传动及其展望[ J ] ． 机 床 与液压 ， 2 0 0 3 1 1 31 5 ． 责任编辑 李琴 上接第 4 0页 全生产带来了巨大 的安全效益和经济效益 。实践证 明， 锚喷支护技术是一种结构合理 、 施 工方便 、 节省 投资、 技术先进 、 安全可靠 、 科学合理 、 经济实用的支 护形式。相对于其他支护技术 ， 锚喷支护有一定 的 优越性， 值得大范围推广应用， 尤其是在我国高产高 效矿井的建设中应用。在使用过程中， 应针对不同 围岩情况采取不 同的锚喷结构 ， 选择合理 的技术参 数及施工方法 ， 保证其工程质量 。锚喷支护改善 了 围岩的强度 ， 促使 围岩在 变形 过程 中形 成稳定的承 载结构 ， 在变形早期进入稳定状态。在郭庄矿的成 功应用也为其他情况下的锚 喷支护设计提供 了 参考。 参考文献 [ 1 ]何满朝， 孙晓明． 中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施 工指南[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 4 ． [ 2 ]李大伟， 侯朝炯． 低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制 试验研究[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 006 ， 3 4 3 3 63 9 ． [ 3 ]侯朝炯， 郭励生， 勾攀峰． 煤巷锚杆支护[ M] ． 徐州 中国 矿业大学出版社， 1 9 9 9 ． [ 4 ]苏学贵， 李彦斌， 田万寿． 煤矿巷道支护与矿压观测研究 [ J ] ． 太原理工大学学报， 2 008 ， 3 9 5 5 2 75 2 9 ． [ 5 ]李清， 刘文江， 杨仁树， 等． 深部岩巷二次锚喷耦合支护 技术[ J ] ． 采矿与安全工程学报， 2 0 0 8 ， 2 5 3 2 5 8 2 6 2 ． [ 6 ]汤雷， 王五平． 锚杆支护与围岩共同承载的协调性[ J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 0 4 ， 2 9 1 1 21 6 ． [ 7 ]刘泉声， 张华， 林涛． 煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策 [ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 005 ， 2 3 2 1 3 7 3 2 3 7 3 7 ． [ 8 ]侯斌 ， 刘永立． 锚喷支护的特点及应用[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 8 ， 2 7 6 5 4 5 5 ． [ 9 ]王兆申， 梁洪光， 孙成． 锚喷柔性让压支护技术应用与实 践[ J ] ． 煤矿开采， 2 0 0 8 ， 1 3 6 3 94 1 ． [ 1 0 ]刘波， 韩彦辉． F L A C原理 、 实例与应用指南[ M] ． 北京 人 民交通 出版社 ， 2 005 ． 责任编辑 吴 自立 43