深井软岩巷道承压环力学模型与理论研究∗

王 波王 军高昌炎

(1.华北科技学院安全工程学院,河北省三河市,065201; 2.山东建筑大学土木工程学院,山东省济南市,266510)

深井软岩巷道承压环力学模型与理论研究∗

王 波1王 军2高昌炎1

(1.华北科技学院安全工程学院,河北省三河市,065201; 2.山东建筑大学土木工程学院,山东省济南市,266510)

建立在锚网喷支护和钢管混凝土支架高强度支护基础上,提出巷道承压环强化支护模型及理论,阐述了承压环的概念,建立承压环的力学模型,并对承压环结构的承载能力进行理论分析,最后对深井软岩巷道承压环进行分类并提出相应的支护设计方法,巷道承压环强化支护理论作为新的深井巷道支护概念,对于深井软岩巷道支护机理的分析和实际支护工作具有重要意义.

深井软岩巷道 巷道支护 承压环 力学模型

支护与围岩形成的相互协调的承载共同体是巷道围岩控制的核心,对于深部岩石工程的围岩-支护结构共同体的相互作用问题,Lang.T.A.提出了锚网喷支护组合拱理论,康红普提出了巷道围岩的关键圈理论,余伟健提出由主压缩拱(锚杆支护)和次压缩拱(密集型锚索支护)共同构成的叠加拱承载体力学模型.上述理论均是以锚杆支护为基础,依靠的是锚固围岩体对外部岩体进行控制,同时这些理论并没有对巷道围岩的岩性进行详细的分类,也没有把巷道开挖空间内的支护体结构的作用考虑在内.

井下灌注式钢管混凝土支架是由高延法教授发明的具有高承载力的新型支架,建立在锚网喷支护和钢管混凝土支架高强度支护基础上,本文提出巷道承压环强化支护模型及理论作为新的深井巷道支护概念,对于深井软岩巷道支护机理的分析和实际的支护工作具有重要意义.

1 承压环概念

巷道开挖前,岩体处于初始应力平衡状态,各部位单元块体处于三向应力状态.巷道开挖后,围岩原有应力平衡状态破坏,巷道围岩产生应力集中,巷道法线方向周边岩体应力状态由原来的三向应力状态转为二向应力状态,应力进行重新分布,接着,沿巷道法线方向围岩内部逐渐由二向应力状态向三向应力状态恢复,直至处于初始应力状态.

以各向等压圆形硐室为例,硐室开挖后应力重新分布,其应力分布如图1所示,开挖瞬间用弹性理论进行分析,可以得到圆孔周围的应力分布:

图1 各向等压圆形洞室开挖圆孔周边的应力曲线

式中:σr——径向应力;

σθ——切向应力;

P——原岩应力;

a——巷道半径.

可以看出在巷壁处,切向应力为2p,径向应力为0.

在没有径向支护力的条件下,如果巷壁处岩石的强度小于应力峰值,则该处岩石发生破坏,应力峰值由半径a处向半径b处转移,在这个过程中由于屈服的岩石仍有一定的残余强度,仍然可以分担一部分切向应力,故应力峰值有所减小,径向应力增大,使得内侧岩石处于三向应力状态,强度提高.最终峰值转移到某处时恰好达到平衡.此时应力分布如图2所示.

从应力峰值转移过程可以看出,这种环状区域对于硐室整体稳定起了重要的作用,称之为承压环,巷道承压环通过锚网喷支护、钢管混凝土支架在巷道内形成环状承压体,然后通过围岩注浆支护增强承压环内岩体强度和改善承压环应力状态,提高承压环的承载能力,从而达到维持巷道围岩整体稳定的目的.

图2 围岩内的弹塑性应力分布

2 承压环力学模型

2.1 几何形状

承压环的几何内边界是巷道开挖一侧的喷层,承压环几何外边界是锚杆端头用平滑曲线连接起来的闭合弧线,对于圆形巷道承压环外边界形状大致为圆形,对于非圆形巷道如矩形、梯形、马蹄形等承压环的外边界形状大致呈与巷道断面形状相似的弧形巷道,且承压环越大外边界越趋于圆形.圆形巷道和多心弧段巷道的承压环形状如图3所示.

图3 不同断面的承压环几何形状

2.2 承压环模型的力学边界

以最为简单的侧压系数(λ＝1)的圆形巷道为例,承压环内外边界的力学条件如图4所示.

图4 承压环内外边界的力学条件

承压环内边界受到的作用力主要有钢管混凝土支架对承压环的支护反力和锚杆内端头提供的径向力,这些作用力相加即为承压环力学内边界作用力(σ内).

巷道深部围岩塑性变形对承压环外边界产生的径向作用力、锚杆外端头由于轴向拉力对承压环外边界产生径向作用力,这些作用力相加即为承压环外边界受到的作用力(σ外).

2.3 承压环强化支护作用下巷道稳定的条件

要维持巷道的稳定,既要保持承压环外部围岩的稳定即破碎区域不再继续扩展,同时也要保证承压环自身的稳定.

承压环外部围岩承受来自承压环的径向作用力,承压环外部围岩受力及边界点处的应力状态如图5所示.

图5 承压环应力状态

承压环内部岩石已经破坏,以块状形式存在,由于应力峰值已经转移到围岩深部,对于承压环内部的岩块而言,足以满足强度条件,但是这种破碎的岩块之间是以铰接、摩擦等形式相互作用的,如果没有足够的约束,同样会在低的应力条件下受扰动(如放炮、地震、吸水膨胀等形式)而出现错动、滑移,从而向开挖空间运动,这种运动同时会破坏内部围岩的稳定条件,因此对承压环自身的强化,有利于自身和内部围岩的稳定.

承压环自身稳定应该以提高承压环的稳度和整体性为重点,从总体上看提高了承压环整体粘聚力、内摩擦角.

3 承压环强化支护作用机理分析

从维持巷道稳定的条件可以看出无论承压环外部围岩的稳定还是承压环自身的稳定,都需要强化承压环的支护.

3.1 一次支护承压环强化支护理论分析

锚杆既能承受拉应力又能承受剪应力,能够很好地加固围岩,锚杆所起的作用主要体现在提供给承压环内破碎的岩体一定的约束,提高其整体性.对于较长的锚杆还能通过承压环提供径向支护作用力;锚索起的作用主要是对承压环整体的悬吊作用,提供了径向的应力.

初次薄喷层的作用主要是封闭围岩,防止巷壁的岩块受扰动脱落,对于易吸水膨胀的岩石同时能防止水分的渗入.厚喷层和金属网能够被动的产生一定的径向支护力,同时将支架的支护反力均匀施加到承压环.

3.2 二次支护承压环强化支护理论分析

刚性支架的作用是提供一个较大的径向支护反力,在维护承压环稳定的同时传递到承压环外边界的围岩,使得破坏区域不再继续扩展.

钢管混凝土支架对承压环的支护反力如图6所示,刚性支架强大的支护反力通过承压环的放大作用很好地维持了内部围岩的稳定,并且对承压环内部破碎区域有很好的挤压加固作用.

图6 钢管混凝土支架对承压环的支护反力

4 深井软岩巷道承压环分类

根据巷道围岩条件,可将承压环分为三类.

(1)中硬围岩巷道.岩石强度30～50 MPa,吸水软化载荷-强度比小于0.5;通过强化加固巷道围岩,在巷道围岩中形成承压环.

(2)软弱岩层的巷道.岩石强度10～30 MPa,吸水碎裂崩解,载荷-强度比0.5～1.0;在巷道围岩中和巷道开挖空间内支护,共同形成承压环.

(3)极软弱岩的巷道.岩石强度小于10 MPa,吸水泥化,载荷-强度比大于1.0,在巷道开挖空间内再造承压环.

5 主要结论

(1)巷道承压环以锚网喷支护和钢管混凝土支架高强度支护为基础,锚网喷支护在巷道内形成环状承压体,然后通过围岩注浆支护和钢管混凝土支架支护等巷道支护方式增强承压环内岩体强度和改善承压环应力状态,提高承压环的承载能力.

(2)要维持巷道的稳定,既要保持承压环外部围岩的稳定即破碎区域不再继续扩展,同时也要保证承压环自身的稳定.

(3)对于中硬岩层,在巷道围岩中构建承压环;对于软弱岩层,在巷道围岩和开挖空间内共同构建承压环;对于极软岩巷道,在巷道开挖空间内再造承压环.

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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,从事矿山岩体力学与软岩巷道支护方面的教学与科研工作。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金(51404105),河北省自然科学基金(E2015508047),河北省高等学校科学技术研究项目(QN2015325),中央高校基金科研业务费(3142015085、3142015020)