錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)大斷面煤倉(cāng)硐室圍巖穩(wěn)定性研究(1)_圖文

1、錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)大斷面煤倉(cāng)硐室圍巖穩(wěn)定性研究張華偉1彭文慶2摘要 以土朱礦井煤倉(cāng)硐室為例,運(yùn)用松動(dòng)圈理論和組合拱理論分別計(jì)算了硐室圍巖穩(wěn)定 性系數(shù),兩種理論計(jì)算得到硐室圍巖穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.1,證明了錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì) 參數(shù)符合硐室圍巖安全穩(wěn)定的要求。運(yùn)用FLAC4.0數(shù)值模擬軟件計(jì)算分析了大斷面硐室囤 巖的穩(wěn)定性。建立了無(wú)支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨桿注裴聯(lián)合支護(hù)3種模擬方案,分別分析了3種 方案引起的硐室圍巖的變形情況,模擬結(jié)果顯示錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)的巷道頂?shù)装搴蛢蓭褪諗?量都較小,底鼓量也較小,能保證該巷道圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定。最后運(yùn)用工程類比法確定采用錨 桿注漿聯(lián)合支護(hù)方案,并通過(guò)后期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),證明

2、錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)效果良好,能夠保證硐 室圍巖的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定。關(guān)鍵詞 大斷面煤倉(cāng)硐室 圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)1工程概況土朱礦井位于金竹山礦區(qū)南段中部,為漣邵礦業(yè)集團(tuán)金竹山實(shí)業(yè)有限公司之骨干礦井,1970建 成投產(chǎn)。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力40x 104t/a,礦井為平硐暗斜井開(kāi)拓,一水平運(yùn)輸大巷標(biāo)高為一50m,二水平 運(yùn)輸大巷標(biāo)高為一250m,目前礦井正處于水平接替時(shí)期。一50m水平硐室包括翻車機(jī)硐室、煤倉(cāng)以 及給煤機(jī)硐室。一50m翻車機(jī)硐室長(zhǎng)9m,凈寬6m,凈高5.6m,凈斷面30.96m2。在重車進(jìn)車方向設(shè) 單道阻車器,在空車出車方向設(shè)爬車機(jī),補(bǔ)償高差2.Om。一50m煤倉(cāng)全高17m,倉(cāng)高1

3、3.2m,有效 儲(chǔ)煤高度9m,煤倉(cāng)直徑4.6m,有效容積150m2。一50m煤倉(cāng)給煤機(jī)硐室位于煤倉(cāng)出煤口下部平臺(tái), 平臺(tái)高1.8m,寬3.6,長(zhǎng)3.2m,平臺(tái)下煤倉(cāng)中線底板高度2m。煤倉(cāng)直徑4.6m,開(kāi)挖直徑5.6m,澆 注混凝土厚度為0.5m。該硐室埋深約400m,圍巖主要為泥質(zhì)粉砂巖,由于硐室跨度大,施工工藝復(fù)雜,硐室開(kāi)挖后, 應(yīng)力重新分布,施工工藝復(fù)雜,硐室開(kāi)挖后,應(yīng)力重新分布,會(huì)發(fā)生局部范圍的應(yīng)力集中,圍巖塑性 變形嚴(yán)重,承載能力急劇下降,在較小的采動(dòng)影響下,就有片幫和冒頂現(xiàn)象發(fā)生,造成支護(hù)極為困 難,是礦井延深工程中主要的技術(shù)難題之一,因此,進(jìn)行合理支護(hù)設(shè)計(jì)與施工具有重要意義。2圍巖

4、失穩(wěn)理論分析隧道及地下工程的圍巖安全性評(píng)價(jià)所關(guān)注的是圍巖中破壞區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)的范圍、深度、形成的機(jī)理 以及危險(xiǎn)性狀態(tài)在施工過(guò)程中的演化特性。在這個(gè)狀態(tài)惡化直至破壞的過(guò)程中,需要不斷地根據(jù)應(yīng)力 或變形信息來(lái)評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)。運(yùn)用突變理論來(lái)研究圍巖體的失穩(wěn)判據(jù)問(wèn)題。主要是用來(lái)闡述 系統(tǒng)中某些變量為何從連續(xù)逐漸變化導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)的突然變化,據(jù)此理論可以給出巖體的塑性體積 判據(jù)。一198據(jù)塑性巖石力學(xué)理論和現(xiàn)有的室內(nèi)巖石壓縮試驗(yàn)結(jié)果,巖石在進(jìn)入塑性軟化后,常伴隨有體積擴(kuò) 容形式的塑性體積,同時(shí),還可發(fā)現(xiàn)一定的軟化狀態(tài)對(duì)應(yīng)著一定的塑性體積應(yīng)變,據(jù)此,給出了一個(gè) 通過(guò)巖塑性體積變化量占:來(lái)表達(dá)的巖石穩(wěn)定判據(jù)

5、“,其表達(dá)式為5:掣占;式中5巖石穩(wěn)定性系數(shù);(占。P卜巖石達(dá)到殘余破壞強(qiáng)度時(shí)的永久性塑性體積應(yīng)變;占;各種應(yīng)力狀態(tài)下的巖石塑性體積應(yīng)變。巖石工程破壞是一種與它的某種使能改變或消失對(duì)應(yīng)的工程狀態(tài)。工程系統(tǒng)失穩(wěn)的直接原因是由 于巖石材料的破壞,但材料破壞不等于工程系統(tǒng)就一定會(huì)失穩(wěn),因此應(yīng)建立巖石工程系統(tǒng)的破壞 判據(jù)【引。2.2.1計(jì)算硐室圍巖塑性區(qū)半徑31尺脅【擊揣】?jī)煞?式中r原巖應(yīng)力,取11.25MPa;pi巷道周邊處的支護(hù)阻力,取60kN;R單向抗壓強(qiáng)度,取37MPa;口巷道半徑,取4.6m;k=擺取3.255,妒為巖體內(nèi)摩擦角。硐室圍巖塑性區(qū)半徑R計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果(R=2.5基本上

6、一致。(1按圍巖松動(dòng)圈理論計(jì)算硐室圍巖穩(wěn)定性系數(shù)H】/V:,.。i號(hào)兩“14b式中k錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度,取2.4m;c一錨桿間排距,取0.4m;6組合拱厚度,b=hc,h為松動(dòng)圈厚度,實(shí)測(cè)值為2.0m。(2按組合拱理論錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)141:.肚訂;而“11式中肛一硐室跨度。取10.6m。按上述兩種理論計(jì)算得到硐室圍巖穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.1,說(shuō)明錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)初始設(shè)計(jì)參數(shù) 符合硐室圍巖安全穩(wěn)定的要求。3穩(wěn)定性數(shù)值分析數(shù)值模擬軟件采用美國(guó)Itasca公司FLAC4.0,根據(jù)工程實(shí)際情況和考慮邊界效應(yīng)的影響,將模型 尺寸劃分為寬×高=60m x60m,網(wǎng)格為126×126

7、,巷道為矩形,寬4.6m,高3.35m,模型采用應(yīng)力 邊界條件,模型上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力,按巷道上覆巖體的自重考慮,模型兩側(cè)面施加隨深度 一199 對(duì)巷道封閉,難以解決頂板破碎造成的各種問(wèn)題;砌碹支護(hù),該支護(hù)方式成本高。勞動(dòng)強(qiáng)度大,施 工復(fù)雜,效率低,破壞后難以維修,而且不能利用巖石自身強(qiáng)度對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù);錨噴支護(hù),支護(hù) 形式能提高圍巖自身強(qiáng)度和改善圍巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài),但對(duì)于破碎的軟巖,由于錨桿沒(méi)有著力點(diǎn)(或著力 點(diǎn)受的拉力很小,錨桿能承受的懸吊力很小,因而也難以適應(yīng)軟巖大斷面巷道支護(hù)的要求;錨注 聯(lián)合支護(hù),該支護(hù)實(shí)質(zhì)是在嗣巖松散的巷道中,利用錨桿兼作注漿管,外錨內(nèi)注,實(shí)現(xiàn)“錨注一體 化”,這

8、樣不但可以充分發(fā)揮錨桿對(duì)圍巖的錨固作用,而且可以提高圍巖的強(qiáng)度和完整性。根據(jù)巷道支護(hù)形式和支護(hù)效果的資料,以及相應(yīng)地點(diǎn)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,根據(jù)圍巖力學(xué)性質(zhì)、運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)和支架受力特征,在綜合各種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及各種支護(hù)形式原理、優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了利用注漿 錨桿加固較大斷面巷道、硐室的方法。通過(guò)工程類比法和數(shù)值模擬計(jì)算,支護(hù)參數(shù)確定為:初噴混凝土50ram;錨桿直徑為20ram,長(zhǎng) 2100ram,材質(zhì)為螺紋鋼,間排距為700mm×700ram,樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固,錨固劑采用Z2335兩支, 錨同長(zhǎng)度0.8m。錨索采用直徑為5mm的鋼絲7根組合而成。直徑為15mm,長(zhǎng)度6.5m,間排距1500x

9、 1500,單根錨固力為>,2000kN,錨索托盤(pán)規(guī)格為300mm X 300ram X 10mm和150mm X 150ram X 10ram 雙層疊加,另還需一套鎖具。單孔樹(shù)脂用藥量:￥2360型樹(shù)脂錨固劑藥卷4個(gè),樹(shù)脂錨固劑規(guī)格為直 徑23mm,長(zhǎng)度600mm。注漿材料采用水泥水玻璃漿液。水泥漿水灰比為0.8:l。水泥漿液與水玻璃 體積比為1:0.03,具體可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要作適當(dāng)調(diào)整。注漿孔長(zhǎng)度3.5m,直徑42mm;注漿管為普通 鐵管,外徑20mm,長(zhǎng)1.5m。采用速凝水泥封孔,封孔長(zhǎng)度0.5m。5安全穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析該煤倉(cāng)硐室于2007年5月完工,各項(xiàng)安全質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求

10、,正式投人使用。經(jīng)過(guò)將近 兩個(gè)月的后期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),硐室無(wú)大范圍脫皮掉殼、頂板開(kāi)裂、片幫現(xiàn)象發(fā)生,錨桿受力均勻,無(wú)失效 錨桿,硐室成形仍然保持規(guī)整完好,圍巖總體穩(wěn)定,這充分證明了錨注聯(lián)合支護(hù)特大斷面硐室是可行 的,能夠保證煤倉(cāng)硐室的正常使用。6結(jié)論(1運(yùn)用突變理論和有限差分軟件計(jì)算分析了硐室圍巖安全穩(wěn)定性,說(shuō)明錨注聯(lián)合支護(hù)大斷面 硐室的初始設(shè)計(jì)方案是合理可行的。(2工程類比法和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合是大斷面硐室支護(hù)初始設(shè)計(jì)的有效工具之一。(3運(yùn)用突變理論研究了圍巖體的失穩(wěn)判據(jù)問(wèn)題,據(jù)此理論給出了巖體的塑性體積判據(jù)。參考文獻(xiàn)1于學(xué)馥.非確定性科學(xué)決策方法M.北京:科學(xué)出版社,2000.2蔡美峰,孔廣亞,

11、賈立宏.巖體工程系統(tǒng)失穩(wěn)的能量突變判斷準(zhǔn)則及其應(yīng)用J.北京科技大學(xué) 學(xué)報(bào),1997,19(4:325328.3李樹(shù)清,潘長(zhǎng)良,王衛(wèi)軍.錨注聯(lián)合支護(hù)煤巷兩幫塑性區(qū)分析J.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007, 22(2:58.4張永平,張瑞杰,閆吉平.煤倉(cāng)錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用J.礦山壓力與頂板管理.2003 (1.5劉黎明,楊磊.松散破碎軟巖巷道底鼓控制的試驗(yàn)研究J.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007.22(2: 58.202.鄭厚發(fā)，王家臣，朱紅杰錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)大斷面硐室圍巖穩(wěn)定性分析煤炭科學(xué)技術(shù)， （） 李樹(shù)清，王衛(wèi)軍，潘長(zhǎng)良，等加固底板對(duì)深部軟巖巷道兩幫穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析煤炭 學(xué)報(bào)，（） 徐宏民“錨

12、網(wǎng)噴混凝土”在煤倉(cāng)施工中的應(yīng)用煤炭技術(shù)，（） 賈劍青，王宏圖，李曉紅，等大跨度地下空間支護(hù)體系應(yīng)力監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定性分析巖石力學(xué) 與工程學(xué)報(bào)， 徐栓強(qiáng)，俞茂宏，胡小榮基于雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論的地下圓形洞室穩(wěn)定性的研究煤炭學(xué) 報(bào)，（） 作者簡(jiǎn)介 張華偉男，年生，湖南省洞口縣人，本科畢業(yè)，采礦工程師，現(xiàn)任湖南省煤業(yè)集團(tuán)金竹 山礦業(yè)有限公司執(zhí)行董事、總經(jīng)理。年月畢業(yè)于湖南煤炭工業(yè)學(xué)校。同年分配到金竹山礦業(yè) 有限公司（原金竹山煤礦）工作，先后擔(dān)任采礦技術(shù)員、采區(qū)區(qū)長(zhǎng)、安全、生產(chǎn)副礦長(zhǎng)、總工程師、 礦長(zhǎng)、公司副總經(jīng)理等職務(wù)，一直工作在煤礦生產(chǎn)一線，解決礦井安全技術(shù)問(wèn)題和承擔(dān)礦井科技攻關(guān) 等工作，取得了較好的安全經(jīng)濟(jì)效益。 錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)大斷面煤倉(cāng)硐室圍巖穩(wěn)定性研究 作者： 作者單位： 張華偉， 彭文慶 張華偉(湖南省湘煤集團(tuán)金竹山礦業(yè)公司， 彭文慶(湖南科技大學(xué) 相似文獻(xiàn)(1條 1.期刊論文 張華偉.彭文慶.ZHANG Hua-wei.PENG Wen-qing 錨桿注漿聯(lián)合支護(hù)大斷面煤倉(cāng)硐室圍巖穩(wěn)定性研究 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2008,23(3 以土朱礦井煤倉(cāng)硐室為例,運(yùn)用松動(dòng)圈理論和組合拱理論分別計(jì)算了硐室圍巖穩(wěn)定性系數(shù),2種理論計(jì)算得到硐室圍巖穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.1,證明了錨 桿注漿聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)符合硐室圍巖安全穩(wěn)定的要求.運(yùn)用FLAc4.0數(shù)值模擬軟件計(jì)算分析了大斷面