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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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