基于圍巖松動(dòng)圈的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

基于圍巖松動(dòng)圈的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

圍巖分類(lèi)的目的是充分評(píng)估道路圍巖在環(huán)境條件下的維護(hù)難度，更好地選擇維護(hù)方法，確定維護(hù)參數(shù)。18世紀(jì)，隨著采井和地下工程的發(fā)展，人們對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)有了深刻的了解。國(guó)內(nèi)外的巖石穩(wěn)定分類(lèi)方法也迅速發(fā)展。到目前為止，至少提出了50.60種影響的圍巖穩(wěn)定分類(lèi)方法，并在各種地下工程中廣泛傳播。1985年，董方廷等人提出了松動(dòng)圈圍巖分類(lèi)及其相應(yīng)的保護(hù)理論。松樹(shù)圈厚度值是一個(gè)多因素的綜合指標(biāo)的體現(xiàn)。因此，該值用于緩慢圈的巖石分類(lèi)，有效克服了許多影響巖石穩(wěn)定性的因素，如原始巖石強(qiáng)度、圍巖強(qiáng)度、采礦活動(dòng)影響、地下水等。因此，在采礦和公路橋梁保護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用了松樹(shù)圈圍巖分類(lèi)及其相應(yīng)的保護(hù)理論。1超聲波波速與介質(zhì)彈性參數(shù)的關(guān)系原理目前圍巖松動(dòng)圈測(cè)試方法有多種,包括聲波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、地質(zhì)雷達(dá)法、地震波法、電阻率法和滲透法等,在上述測(cè)試方法中,由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的超聲波無(wú)損檢測(cè)分析儀是最常用的測(cè)試儀器.用超聲波無(wú)損檢測(cè)分析儀進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)試,實(shí)質(zhì)上是應(yīng)用超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同,來(lái)預(yù)測(cè)圍巖的破壞情況.超聲波是由聲波儀振蕩器產(chǎn)生的高壓電脈沖信號(hào)加在發(fā)射換能器,發(fā)射換能器受到激發(fā)產(chǎn)生瞬態(tài)的振動(dòng)信號(hào),該振動(dòng)信號(hào)經(jīng)發(fā)射換能器與煤體之間的耦合后在巖體介質(zhì)中傳播,從而攜帶煤體內(nèi)部信息到達(dá)接收換能器,接收換能器把接收到的振動(dòng)信號(hào)再轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳給聲波儀,經(jīng)聲波儀放大處理后,顯示出超聲波穿過(guò)煤體的聲時(shí)、波速等參數(shù).根據(jù)彈性理論,由彈性波的波動(dòng)方程通過(guò)彈性力學(xué)空間問(wèn)題的靜力方程推導(dǎo),可得出超聲波縱波波速與介質(zhì)的彈性參數(shù)之間的關(guān)系.式中:νp:煤體的縱波速度;νs:煤體的橫波速度;E:煤體的彈性模量;μ:煤體的泊松比;ρ:煤體的密度.從式(1)和式(2)可以看出,超聲波在煤體中的傳播速度與煤體的彈性模量、泊松比以及密度有關(guān),而煤體的彈性模量、泊松比和密度與煤塊自身抗壓強(qiáng)度、密實(shí)程度直接相關(guān),因此煤體的波速就可以間接反映煤塊抗壓強(qiáng)度以及內(nèi)部破壞情況,通過(guò)回采巷道兩幫不同深度處聲時(shí)和波速的變化規(guī)律,可以確定巷道圍巖的松動(dòng)圈大小.2工程應(yīng)用2.1煤巖粉測(cè)孔安裝及測(cè)試為了了解某礦回采巷道的圍巖破壞情況,定于在該礦51103工作面運(yùn)輸順槽和輔運(yùn)順槽進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試,并根據(jù)測(cè)試結(jié)果給出相應(yīng)的支護(hù)參數(shù).本次松動(dòng)圈測(cè)試共布置6個(gè)測(cè)站,每一個(gè)測(cè)站布置2個(gè)測(cè)孔(上、下幫各一個(gè)),分別在巷道的兩幫腰線(xiàn)位置,共計(jì)12個(gè)測(cè)孔.由于煤幫相對(duì)巖巷比較軟,測(cè)量鉆孔采用煤電鉆打孔.鉆孔方位基本與巷道垂直,鉆頭直徑42mm,孔深在4m左右.測(cè)站位置見(jiàn)圖1,測(cè)孔的具體情況及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.圍巖松動(dòng)圈測(cè)試采用單孔測(cè)試法.測(cè)孔鉆成后及時(shí)進(jìn)行了測(cè)試,沒(méi)有出現(xiàn)測(cè)孔變形或坍塌現(xiàn)象,測(cè)試前用壓力水沖洗每個(gè)測(cè)孔,把測(cè)孔中的煤巖粉沖洗干凈;耦合方式采用水耦合.聲波無(wú)損檢測(cè)分析儀連接探頭通電預(yù)熱后,用推桿將探頭送入孔底,然后拉動(dòng)推桿將探頭向外每移動(dòng)10cm讀一次聲時(shí),直到孔口為止.2.2巷道支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)以上12個(gè)測(cè)孔的測(cè)試結(jié)果分析,確定運(yùn)輸巷割煤幫松動(dòng)范圍為0.6m.運(yùn)輸巷與輔助運(yùn)輸巷之間煤柱松動(dòng)范圍為:靠工作面幫松動(dòng)范圍為0.4m;另外一側(cè)松動(dòng)范圍為0.8m.輔助運(yùn)輸巷距工作面較遠(yuǎn)的煤幫松動(dòng)范圍為0.7m.其松動(dòng)范圍大小關(guān)系為:煤柱的靠工作面幫松動(dòng)范圍(0.4m)<運(yùn)輸巷割煤幫(0.6m)<輔助運(yùn)輸巷距工作面較遠(yuǎn)的煤幫松動(dòng)范圍(0.7m)<煤柱另外一幫的松動(dòng)范圍(0.8m).根據(jù)松動(dòng)圈圍巖分類(lèi)法,兩條巷道圍巖松動(dòng)范圍均在40~150cm之間,屬于Ⅱ,Ⅲ類(lèi)圍巖,其相應(yīng)的支護(hù)理論可采用懸吊理論設(shè)計(jì)巷道的支護(hù)參數(shù).具體錨桿支護(hù)參數(shù)為:輔助運(yùn)輸巷:正幫采用Φ16×1800mm的A3鋼錨桿,間距750mm,負(fù)幫采用Φ16×1600mm玻璃鋼錨桿間距為750mm進(jìn)行支護(hù).頂板采用Φ20×1800mm螺紋鋼錨桿,每排布置2根Φ15.24×6500mm的錨索,錨桿間排距分別為:1100×1200mm、3400×2400mm.采用配套的鐵托盤(pán),并配合使用規(guī)格為500×200×50mm的木托盤(pán)和規(guī)格為1400×5600mm的塑料網(wǎng).具體錨桿支護(hù)參數(shù)如圖2所示.運(yùn)輸巷:正幫采用Φ16×1600mm的A3鋼錨桿,間距750mm,負(fù)幫采用Φ16×1600mm玻璃鋼錨桿間距為750mm,兩幫錨桿排距均為1200mm.頂板采用Φ16×1800mmA3鋼錨桿,每排布置4根錨桿,錨桿間排距為:1100×1200mm.采用配套的鐵托盤(pán),并配合使用規(guī)格為500×200×50mm的木托盤(pán)和規(guī)格為1800×2000mm的塑料網(wǎng).具體錨桿支護(hù)參數(shù)如2.3巷道圍巖位移情況為了檢驗(yàn)上述支護(hù)方案的支護(hù)效果,為了不影響對(duì)生產(chǎn)造成影響,在兩條巷道超前工作面10m處均設(shè)置表面位移觀測(cè)站,如圖4所示.觀測(cè)結(jié)果如圖5所示.由圖5可以看出,采用上述兩種支護(hù)設(shè)計(jì)方案有效地控制了輔運(yùn)巷和運(yùn)輸巷圍巖的變形,經(jīng)過(guò)1個(gè)多月的觀測(cè),兩幫移近量最大為182mm,最小為152mm;圍巖頂?shù)装逡平孔畲鬄?92mm,最小為180mm,回采過(guò)程中杜絕了冒頂和片幫事故,且頂?shù)装逡平炕旧嫌傻纂斐?底臌量占80%~85%,頂板下沉量占15%~20%,分析原因是由于巷道底板為砂頁(yè)巖、泥巖,比較松軟,易于膨脹;巷道壓力大造成兩幫下沉,擠壓底板引起底臌.在設(shè)計(jì)中考慮到回采巷道服務(wù)時(shí)間較短,采用常規(guī)臥底方式就可以保證滿(mǎn)足回采中對(duì)所需斷面的要求.3實(shí)測(cè)結(jié)果與分析由于松動(dòng)圈厚度值是一個(gè)多因素綜合指標(biāo)的體現(xiàn),并且該值是由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)而得沒(méi)有作任何假設(shè),所以用松動(dòng)圈厚度值為依據(jù)進(jìn)行圍巖分類(lèi)能夠克服影響地下巷道圍巖