锚杆支护在极弱岩石中对巷道支护的影响外文翻译资料

 2022-01-17 21:59:40

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锚杆支护在极弱岩石中对巷道支护的影响

摘要

在巷道支护中,底板锚杆支护不仅起到了控制底鼓的作用,而且对顶板及其两侧起到了加固作用。相应的,顶板和两侧锚杆的锚固也起到了控制底鼓的作用。为了量化这种锚杆支护的效果,以特软弱岩体巷道支护为基础,建立了三种物理模型,并在实验室进行了试验。通过三种物理模拟试验中锚杆位移的比较,定量分析了锚杆在极弱岩石巷道中的加固效果。将加固系数定义为原支护与新支护体系的位移比。结果表明:顶板及其两侧锚杆的加固系数分别为2.18、3.56和1.81。底板、两侧、屋面锚杆加固系数分别达到3.06、2.34、1.39。因此,在这种极其软弱的岩石中,围岩在任何支护作业中都应被视为一个整体结构:这使得局部强度得到了更好的提高,为今后的设计提供了指导。

关键词:物理模拟;巷道支护;锚杆支护;极弱岩层;强化系数。

背景

软岩巷道控制是许多矿山普遍存在的问题。当道路开挖时,压力被重新分配。在这种开采应力作用下,软岩巷道在开挖过程中会发生较大的连续变形。岩体分级(RMR)、岩体强度(RMS)和边坡质量分级(SMR)三种方法在土木工程中已广泛应用于硬岩和软弱岩地区。Brook和Hutchinson(2008)指出,RMR、RMS和SMR分类方案中不同参数的相对权重需要对弱岩体进行修改,但这方面的精确细节很难确定。在矿井中,根据均方根值、泥岩含量、节理面特征、塑性变形机理,将软弱岩体分为极软弱岩体(溶胀软岩)、高应力软岩、节理软岩和混合软岩四种类型。

岩石极其软弱,抗压强度较低,抗拉强度较低,表观粘结力降低,胶结不良,常含有膨胀粘土矿物。这种岩石易风化,与水接触时风化作用更为严重。在该岩石中开挖巷道时,即使在较低的应力条件下(lt; 25mpa),断面也会发生破坏,围岩塑性破坏区往往显著扩展。事实上,白垩纪地层中的泥岩一直表现出这种特征。Christoph et al.(2011)、Luciano和Eduardo(2012)在研究支撑此类软岩膨胀行为的机理时指出,硬石膏的溶解和石膏的析出发生在吸水过程中。爱因斯坦(1996)指出,在泥质岩石中,膨胀是由晶内、渗透和机械作用引起的,或者是这些作用的一个或组合。

在隧道中,Butscher等人(2011a,b)的结论是,开挖导致地下水流入到酸酐层中,导致岩石膨胀。Pejon和Zuquette(2002)和Moosavi等人(2006)指出,膨胀软岩中巷道的变形取决于矿物学、岩性、地面特征、水文、应力状态和风化条件。此外,Doostmohammadi等人(2008)利用人工神经网络研究了泥岩的膨胀潜力。Lo和Hefny(1996)建立了流变模型,该模型可用于预测圆形隧道的膨胀效应。高应力软岩的抗压强度高,抗拉强度高,粘结力好,泥质组分较少。在高应力条件下(gt; 25mpa),岩石可发生明显的变形。高应力是引起巷道变形的主要因素。对于相同强度的围岩,在不同应力条件下,巷道可能呈现不同的变形形态。在低应力条件下,巷道稳定,无明显变形;然而,在高应力条件下,巷道可能表现出流变特性,如软岩变形:变形较大,给巷道控制带来困难。地下1000米的地层一直具有这种特征。联合软岩,岩体中有很多节理,通常含有较少甚至没有泥质成分。在如此松软的岩石中,每块岩石都表现出很高的强度。但在采动应力作用下,由于节理的平面滑移和膨胀作用,整个岩体表现出较强的软岩特性,可发生较大的变形。混合软岩是由高应力膨胀软岩、高应力节理软岩和高应力膨胀节理软岩三种软岩组合而成。为了控制软岩变形,许多研究提出了各种支护策略,并进行了现场试验。在膨胀软岩中,支护措施包括要么采用坚固、刚性的支撑模板来限制变形,要么允许底鼓释放膨胀压力,要么两者结合(Christoph et al. 2011)。在加拿大,位于安大略省南部昆斯顿组的隧道由双层壳体衬砌系统支撑,包括喷射混凝土、钢骨和岩石桩的初始衬砌,以及防水膜和现浇混凝土的最终衬砌(Ansgar和Thomas2010)。在T13隧道中,Ankara-Istanbul高铁项目采用了较重的非变形支撑系统(Aksoy et al. 2012)。在柳海煤矿第三系软岩巷道中(Yang et al. 2015),采用锚杆网索和双层桁架支护控制大流变变形。申(2014)提出了一种支护体系,包括优化锚索布置、注浆、锚索高负荷预张。

Chang等(2013)在高应力软岩巷道支护工程中,采用了40个u型钢套、锚索、肋顶树脂锚杆和底板锚杆组成的双层支护结构。Sun等(2014)指出锚杆网喷淋与锚索、地脚螺栓的非对称耦合支护可以提高深部巷道的稳定性。Li等(2015)提出了一种联合支护体系,包括:高韧性密闭层、空心注浆索、全长锚杆。Li等(2014)建议采用双屈服壳耦合支护,控制高应力软岩巷道变形。在大多数控制措施中,采用围岩锚杆支护效果较好(Guoet al. 2012;王等,2012;孟等,2013;Kang等,2015;Sun and Wang 2011;Wang et al. 2015;Yuan等,2014;Yu等,2015;赵等。2015)。由于围岩被视为一个整体结构,底板锚杆不仅起到了控制底鼓的作用,而且对屋面和两侧起到了加固作用。相应的,顶板和两侧的锚杆不仅起到了加固顶板和两侧的作用,而且起到了控制底鼓的作用。为了量化锚杆支护效果,以查戈诺尔1号矿特软弱岩体为研究对象,进行了3个物理模拟试验。通过三次试验位移对比,分析了顶板和两侧锚杆支护的定量效果,以及底板锚杆支护对围岩的加固效果,为今后巷道支护提供指导。

地质及地应力

位于内蒙古锡林郭勒盟的查戈诺尔(NMC)一号矿正在建设中,产能为8.0 Mt/a。在矿区范围内,所有煤层均稳定,倾角接近水平。矿区存在向斜(长20公里,宽4-10公里)。总的来说,这个地区的地质构造很简单。在NMC中,2号煤层平均厚度为22.3 m,含褐煤,赋存于白垩系与侏罗系之间,为主要开采煤层,埋深为212.2 m。主巷道直方图部分如图1所示。2号煤层顶板和底板岩层主要为强度极低的泥岩和碳质泥岩(表1),均低于煤层强度,处于松散破碎状态。泥岩中膨胀粘土矿物(蒙脱土)含量达到49.7%。当屋顶和地板与水相互作用时,它们就会变成泥浆并迅速膨胀。在我的设计中,考虑到低强度的屋顶和地板,主要的道路是放置在2号煤层(图1)。主巷道设计成直半圆墙拱(图2)。直墙的高度是1800毫米,半圆拱的直径是5000毫米。巷道净截面积为18.82 平方米。为了确定地应力的方向和大小,在A、B、C三个位置进行了应力测量,测量采用过取心法。相关设备如图3所示。在每个位置,测量都在侧壁进行。在地面上方1500毫米处钻出直径100毫米、深度15000毫米的大洞。在大孔末端钻出与大孔中心相同直径为40mm的小孔(图4),并在小孔内安装仪器。在对岩体进行仪器减压时,获得了相应的数据。表2总结了A点和B点成功测量的结果,如图5所示(程序误差意味着在C点没有测量)。结果发现,最大主水平应力大致位于东西方向。简单的地质条件意味着sigma;hmax离在A和b之间的比率sigma;hmax和sigma;v几乎相同(1.76和1.78)。在这种情况下,最大主水平应力沿南北方向垂直于巷道,沿东西方向平行于巷道。当应力作用垂直于巷道时,会比平行于巷道的应力引起更大的破坏。回风横切时回风道变形较大(两侧向内移动19.3 mm/天,监测期内共变形596 mm),巷道开挖支护安装后第一个月回风道变形较小,证实了这一点。大约一个月后,由于这种极其软弱的岩石膨胀压力过大,回程气道也发生了较大的变形(两侧向内移动12.5 mm/天,且总变形量较大,监测期间426毫米)。

在极端软弱岩体、地应力和溶胀压力的影响下,巷道变形严重,其中底鼓尤为严重。单独使用钢套或螺栓对控制巷道变形作用不大。为此,现场测试了封闭36u型钢机组和锚杆支护、一对12i型钢机组和锚杆支护等多种支护方法。虽然支护强度较大,但巷道连续变形,支护效果不理想。由于在这种极其软弱的岩石中存在膨胀粘土,灌浆是不可行的。所以,另一种选择是提高钢的强度,或者提高锚杆的强度,或者两者都提高。本项目主要研究了在这种极其软弱的岩石中锚杆支护的效果,包括顶板和两侧锚杆支护效果的评价,底板锚杆支护效果的评价。

方法

在这一极其软弱的岩石中,由于短时间内发生大变形(38.3 mm/天底板抬升,监测期内总变形1658 mm),基于回风横切变形,建立了三种不同支护方案的模型并进行了试验。在模型1中(图6a),巷道采用36u型钢套支护。在模型2中(图6b),巷道由36u型钢套支撑,顶板和两侧锚固。在模型3(图6c)中,巷道由36u型钢套支撑,顶板、两侧和底板采用锚杆支护。通过对模型1和模型2中巷道位移的比较,分析了顶板和两侧锚杆支护的效果。通过比较模型2和模型3的位移,分析了底板锚杆支护的效果。在模型1和2的原型,使用类型Phi;20times;2500毫米的锚在屋顶和两侧,全尺寸灌浆。每700毫米安装一个封闭的36u型钢套。在每个700毫米的中心,安装了一排锚杆。在每一行中,每两个锚杆的间距为700毫米(即每对钢套之间安装一排锚杆)。封闭钢结构为1000mm仰拱,混凝土填充。

原型与模型的比值

物理试验是地质力学分析中常用的方法。相似性定理表明模型的每个元素与原型对应的元素相似。由相似元素组成的模型与原型之间的场和物理现象是相似的。基于相似的物理现象,通过模型试验可以推导出样机的力学分析。根据相似定理,模型中的材料与原型一样,应遵循胡克定律。模型中各点的应力状态应同时满足平衡方程、相容方程和几何方程。将原型与模型的比值(yuan1998)定义为 (图片)

l p,gamma;p, E p,delta;p是大小,容积比重,弹性模量和位移原型。l m,gamma;m E m,delta;m大小,容积比重,弹性模量和位移模型。

在实验室中,模型框架的长度、宽度和高度分别为1600、400和1600毫米。根据现场情况,巷道宽5000毫米,高4300毫米。考虑采矿作业影响区域的大小,将原型与模型的几何比C l设为16。根据比值,模型中巷道宽313mm,高269 mm。钢套厚度和巷道表面裸露锚杆,意味着模型巷道的宽度和高度均增大了5 mm(即模型巷道宽318 mm,高274 mm)。巷道设计靠近模型中心(图7),模型中煤层高度为1050mm。为简化模型,其余高度(550 mm)设计为碳泥岩(图1为碳泥岩与2 1煤层)。

材料

从表1中列出的力学参数中,我们主要根据容重、抗压强度、抗拉强度和表观粘聚力的平均值来确定岩层的物理性质。Cgamma;被发现是1.176,C l 是16。相应地,Csigma;是18.82。碳泥岩和煤层岩层之间,体积密度的参数Cgamma;的比值,以及参数的抗压强度、抗拉强度和表观粘聚力的比值都在Csigma;里。根据比例,石膏与水反应得到碳泥岩地层,石膏、水和聚苯乙烯泡沫塑料形成煤层。经过反复试验,找到了物理地层。在物理地层中不存在膨胀特征。膨胀力是通过加载施加的(加载过程中有更多细节)。采用逐层铺装的方法模拟了层状沉积。铺装模型在支架安装前如图8所示。

为比较不同材料的刚度和变形特性,选取10 mm宽、2 mm厚的钢筋作为36u型钢(图9a)。根据几何比cl,情景钢与模型钢之间的距离为700mm,模型钢与模型之间的距离为44mm。在原型中,底板中有一个1000mm的仰拱:当仰拱开挖时,原位产生的影响较小,但在这些试验中会破坏石膏-复合底板的完整性。为保持模型楼板的完整性,模型中没有开挖,简化钢套仰拱,形成楼板梁(图9a, b)。每个锚由杆、螺母和端板组成。在模型中,每个杆由Phi;4times;40毫米的螺丝和Phi;2times;120毫米铁丝。每个螺钉的末端都有孔。铁丝通过穿孔连接到螺钉的末端。每根杆的总长度为160毫米。各螺钉配套的螺母作为锚定螺母,锚定板采用10mmtimes;10mmtimes;1mm钢板。采用环氧树脂AB胶作为锚固剂。在岩石和锚板之间安装了一个精细的金属网(图10)。在每个模型中,分别在顶板(s3)、底板(s1)、两侧(s2、s2)设置位移计s1、s2、s2、s3、s4进行变形测量.

加载过程

NMC的地应力结果(表2)表明:sigma;hmax 8.41 - -8.66 MPa,sigma;v 4.72 - -4.91 MPa。为了方便加载实验,sigma;hmax设置为8.6 MPa和sigma;v被设置为4.8 MPa。相应地,sigma;hmax /sigma;v 1.8。根据Csigma;18.8,sigma;hmax 0.457 MPa和sigma;v 0.255 MPa在这些测试。在加载过程中,水平应力和垂直应力同时增大。垂直应力每30分钟增加0.1 MPa,水平应力为垂直应力乘以1.8。当竖向应力达到0.3 MPa时,水平应力为0.54 MPa,围岩无破坏迹象。因此,地应力并不是导致这种极弱岩石巷道变形的原因。这种软弱破碎的岩石易风化、易崩解、易膨胀。所以改变下一个加载阶段来反映溶胀的影响。在相同的开挖条件下,围岩的膨胀压力几乎处处相等。因此,在现有荷载基础上,竖向和水平应力每30分钟同时增加0.1 MPa,直到模型破坏后才停止加载。模型1-3的加载情况分别见表3、表4和表5。

结果

在不同的支护状态下,巷道发生的变形量是不同的,因此可以根据其相对位移来量化每一组支护条件的有效性。以顶板为例,假设原支护条件下顶板沉降为d0,新支护条件下为d1。在这种情况下,屋面新支护的加固系数Q可定义为:

对两侧和楼板的加固系数进行了相同的处理。地板、右侧、屋顶和左侧的位移可以通过在s1、s2、s3和s4处的测量得到。两侧位移基本相同,因此本文仅采用左侧位移进行分析。当Qgt;1时,表明新支护可以控制巷道变形。Q值越大,新支护的变形控制效果越好。当Q lt; 1时,表明新支护不能控制巷道变形。

分析了顶板及两侧锚杆的受力情况

模型1在第8次荷载增量前,屋面、两侧和楼板位移分别达到19.0 mm、22.8 mm和36.0 mm。模型2采用第十二荷载增量前,屋面、两侧和楼板位移分别达到17.8 mm、14.3 mm和29.0 mm。在这两种情况下,巷道变形程度较大,但仍保持稳定。当第8次荷载增量作用于模型1,第12次荷载增量作用

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资料编号:[1141]

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