巷道围岩强度弱化规律及其应用

巷道围岩强度弱化规律及其应用

张农　侯朝炯

(中国矿业大学采矿工程系　徐州221008)

3

α

杨米加　贺永年

(中国矿业大学建筑工程学院　徐州221008)

摘要　认为软岩巷道稳定性应采用动态支护的观点分析1用巷道周边位移表达的损伤因子来描述围岩阶段性变形特征及破坏过程,分析与之对应的围岩强度弱化规律,在此基础上提出了喷锚注分阶段加固技术,并对合理滞后注浆时间的确定进行了研究1最后,介绍了一个应用实例1关键词　巷道,岩石强度,损伤因子,分阶段加固中图分类号　TD353.3

第一作者简介　张　农,男,1968年生,讲师　　岩体的变形破坏与其内在结构和所处的应力环境密切相关,由于应力路径不同,导致的岩体变形破坏也不同.巷道的开挖与支护实际上是对围岩的卸荷与加载过程,开挖与支护方式、支护时机的不同组合导致的围岩变形和破坏也是不同的.岩体动态施工过程力学[1]指出,复杂岩体的施工是一个非线性的力学过程,其稳定性与应力路径相关,取决于分阶段或分步开挖的方案,有必要运用动态规划原理对施工过程进行优化分析.同样,软岩巷道的稳定是围岩对支护的非线性力学响应过程,有必要采用动态支护的观点分析围岩变形特征及强度弱化规律1动态支护观点包括:

1)软岩巷道围岩的性状是动态变化的,是强度不断降低的过程,其变形和破坏则是分阶段的,各阶段的特点及强度弱化规律各不相同.

2)软岩巷道变形的力学机制非常复杂,软岩支护不可能一蹴而就,而表现为一个受控的力学过程,应有针对性地分阶段加固,并根据围岩破坏特征及强度弱化规律进行支护选型.

3)巷道围岩总能保持一定的自稳能力,并随其内部结构和外部约束条件的变化而消长,因此支护选型应充分利用围岩的自稳能力,优先选择主动加固并能直接强化围岩强度的支护技术.

4)不同支护技术的组合,同一支护的不同加固时机对巷道围岩的变形和稳定有不同的影响,应根据围岩强度弱化规律优化分析,并通过动态监测

α收稿日期　19980428

　　3煤炭科学基金资助项目(97采10103)

围岩变形来确定最佳支护方式和支护时机.

1　软岩巷道围岩强度弱化规律1.1　软岩巷道围岩变形的阶段性

采用常规支护时,软岩巷道围岩变形一般表现为3个阶段(图1):

1)开掘之初的剧烈变形和应力调整阶段,是变形速度降低的过程;

2)次生应力场初步形成,破裂范围趋向稳定的稳定变形阶段;

3)采动影响等应力扰动,围岩长时强度进一步降低,支护失效等原因造成的加速变形阶段.

图1　软岩巷道围岩变形特征

Fig.1　Characteristicofrockdeformationaroundsoftrockroadway

大量实践证明,软岩巷道的稳定性及稳定后的变形速度在很大程度上取决于第1阶段的支护和巷道围岩保持的状态.第2阶段的变形速度与第1

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中国矿业大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第28卷134

阶段支护阻力呈负指数关系,常由于支护形式不合理、支护阻力偏低,软岩巷道很快失稳.1.2　围岩强度弱化规律

巷道围岩在变形的前两个阶段表现为强度弱化,在变形加速阶段表现为围岩结构的逐渐失稳,在失稳前可以用损伤力学对这一过程进行描述1巷道围岩的变形移动能够直观准确地描述围岩的破裂损伤程度,因此可假定损伤因子D为巷道围岩变形范围内的体积V的变化率(以5倍巷道半径计算),则

D=f(U)=

择喷层支护,及时封闭围岩并提供一定的径向阻力是最佳的补强措施.第1阶段中后期以支、限为主,优先选择锚喷支护,并以全长锚固方式最为可靠1经过应力和变形最后阶段的调整,锚杆进入较合理的工作状态,与围岩共同形成承载圈,并对内部岩层提供较大的支护阻力,使围岩稳定阶段变形速度尽量降低.这一时期围岩仍处在较强烈的动态调整过程中,提供岩体结构弱面或岩块间的抗剪阻力,阻止破坏的发展,适时提高围岩的抗剪强度是最佳的补强措施.围岩趋向稳定以后,为防止其长时流变、强度弱化,并保持一定的储备,以适应应力扰动和采动影响,滞后一段时间注浆加固破裂岩石锚固圈层,以全面改善围岩体的力学性能,并强化锚杆支护结构.

及时喷层、适时锚喷与滞后注浆[2]的联合支护技术是针对围岩变形、破坏和强度弱化特征所采取的动态分步加固措施1它能根据围岩强度弱化原因及时加固围岩,同时充分利用围岩的自稳性能,强化围岩的承载结构.它不是锚喷与注浆的简单组合,必须深刻认识软岩的动态支护力学过程、各单一支护所起的作用和加固补强的实质,正确把握锚杆安装及注浆加固的时机,适时安装锚杆以适应并限制围岩变形1滞后注浆加固以进一步提高巷道围岩的稳定性.

应当说明,当巷道围岩十分破碎时,分步加固技术需适当改进:1)及时喷层应结合顶部锚网护顶,以确保施工安全;2)锚喷支护改为锚喷网支护,并适当增加锚杆密度1

最佳支护时机很难从理论上准确推导,可通过观测巷道围岩移近速度的变化规律判断围岩变形所处阶段,进而确定支护时机.

2.2　合理滞后注浆时机的进一步分析

巷道开掘后,围岩裂隙参数和围岩变形密切相关,并随时间、空间不同而变化1可以认为,正是由于巷道的持续变形导致了围岩裂隙的张开、扩展和闭合1巷道围岩典型的裂隙状态变化如图2,围岩裂隙间距随时间推移呈负指数降低——刚掘巷时间距大,岩体相对完整;随后裂隙发育,间距变小,岩体破碎加剧;围岩进一步变形时,裂隙密度增加不大,或基本不变1由此可假定

-bt

d(t)=1󰃗n(t)=d0e,

2

B(t)=-B0(t-c)+e,

∃VV22r0-(r0-U)=,6r02-(r0-U)2

式中:∃V为巷道围岩变形范围内的体积变化;r0为巷道半径;U为巷道围岩变形量1

由此可作如下假定:当U+

C2(U-U1).vdt(其中v∫0t1其中:U1为第1阶段极限位移,U1=t2为围岩移近速度,t1为掘巷变形稳定时间);U2为第2阶段极限位移,U2=

vdt(其中t为采动影响开∫0

2

始的时间);D1为围岩初始损伤因子;C1,C2,Β为系数1

这里考虑巷道围岩变形与其应力2应变曲线对应,损伤程度取决于围岩变形的大小,并对应着应力2应变曲线中特定的位置,因此有D(U1)=ΕΕC󰃗U-D1.其中,ΕC为围岩的峰值应变,ΕU为极限应变.

引入Κ=ft(1-D1)󰃗EC(其中ft为峰值表现

(1-D1-Κ),C1=[D(U1)-应力),则Β=Κ󰃗1-D(U1)Β

D1]󰃗U1,C2=.-U2

U1

这样,就得到了用围岩变形表达的两阶段损伤因子1将损伤因子藕合到岩石本构方程中,则可得到一组控制方程dΡij=EijkldΕkl(1-D),

Β

D=D1+C1U　　　　　　(UD=D(U1)+C2(U-U1)　(U11ΕUij,j,ij=

2

Ρij,j+Fi=0.

　　上述方程可用迭代法求解.

2　工程应用

2.1　喷锚注分步加固技术

根据围岩变形特点及强度弱化规律,相应采取分步加固技术1第1阶段初期以护、让为主,优先选

式中:d0,d(t)分别为初始及t时刻围岩裂隙的平

均间距;n(t)为裂隙密度;B0,B(t)分别为初始及t时刻围岩裂隙的平均张开度;b,c,e均为拟合参数.

第2期　　　　　　　　　　　　　　张农等:巷道围岩强度弱化规律及其应用　　　　　　　　　　　　　　　　135

固1巷道掘出后2个月喷层开始破坏,但围岩变形已

稳定,复喷至最小厚度100mm,采用高水速凝材料注浆1注浆材料性能:水灰比1.6󰃘1,初凝时间20min,2h单轴抗压强度1.05MPa,1d强度5.5MPa,最终强度8.5MPa;注浆参数:注浆孔深2.5m,排距1.2m,每断面6个孔,注浆压力1.2～2.0MPa,单孔注浆量30～100L,实际注浆巷道长

图2　巷道围岩裂隙的典型分布

Fig.2　Typicaldistributionoffracturesaroundroadway

40m,用料5.0t.

则根据立方定律,某一特征体积单元围岩渗透系数

2bt

n(t)gB(t)geK(t)==[e-B0(t-c)2]2,

12ΛV′12Λd0V′

该巷道维护一年时间(包括采动影响100d)基

本稳定1注浆前围岩移近速度基本稳定,注浆后其两帮移近速度从0.45mm󰃗d逐渐降至0.25mm󰃗d,顶底从0.42mm󰃗d逐渐降至0.35mm󰃗d;采动附加变形量大大降低1累计变形量:两帮103mm,顶底137mm;巷道喷层完整,片帮少,较单一锚喷支护维护时间延长2倍以上.

式中:g为重力加速度;Λ为运动粘滞系数;V′为单

元体积1

对上式求导可证明K(t)存在一个极大值,它与围岩初始裂隙张开度、初始密度等岩体性质有关,而与流体性质无关.注浆的合理滞后时间可以参考文献[3]确定.2.3　工程实例[4]

淮北矿务局芦岭矿󰂫82矸子道长50m,围岩为灰色砂质泥岩,单轴抗压强度为19.6MPa,薄层状赋存,节理裂隙发育;巷道埋深450m,水平(构造)应力大于垂直应力,巷道净宽×净高为3100mm×2600mm.同类巷道采用一般锚喷支护维护周期为0.5a,采用0.6m棚距的U29型钢架棚联合喷层支

3　结束语联合支护、综合治理是软岩巷道维护的基本原则,本文针对软岩巷道变形及围岩强度弱化规律提出的喷锚注分阶段加固技术具有更明确的指导意义,也便于实践应用.

参考文献

1　朱维申,何满潮.复杂条件下的岩体稳定与动态施工力

学1北京:科学出版社,1995.1～50

2　侯朝炯,贺永年,何亚男.巷道围岩稳定的注浆加固技

术.见:何满潮主编1中国煤矿软岩巷道支护理论与实践1徐州:中国矿业大学出版社,1996.166～182

3　贺永年,张　农,杨米加等.巷道滞后注浆加固与滞后时

护维护周期为1.0～2.0a.

试验采用滞后注浆与锚喷支护相结合的加固技术,随掘巷施工顶锚杆并喷层护顶,滞后20～30m补打帮角锚杆,喷射混凝土.锚杆参数为516×1500mm,间排距700mm×700mm,水泥药卷锚

间分析.煤炭学报,1996,21(3):240～244

4　张　农,侯朝炯,杨米加等.软岩巷道的喷锚注支护技

术.矿山压力与顶板管理,1997(3,4):125～127

LawofRockStrengthWeakeningAroundRoadway

andItsApplication

ZhangNong　HouChaojiong

(DepartmentofMiningEngineering,CUMT,Xuzhou221008)

YangMijia　HeYongnian

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,CUMT,Xuzhou221008)

Abstract　Thestabilityofsoftrockroadwayshouldbeanalyzedintheviewofdynamicsupporting.Damagefactorexpressedinthedisplacementofroadwaywallisusedtodescribethecharacteristicofstagedeformationofsurroundingrockofroadwaysanditsdamageprocess.Andthecorrespondingregu2larityofrockstrengthweakeningisinvestigated.Basedontheabove,astaged2reinforcementtechnologyofshotcreting2bolting2groutingforgreatly2deformedsoftrockroadwaysisputforward,andtherationalopportunityofdelayedgroutingisdiscussed.Finally,anengineeringexampleisgiven.Keywords　roadway,rockstrength,damagefactor,stagedreinforcement