考虑渗流作用的深部巷道围岩让压——锚注耦合控制规律研究.pdf
《考虑渗流作用的深部巷道围岩让压——锚注耦合控制规律研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《考虑渗流作用的深部巷道围岩让压——锚注耦合控制规律研究.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Series No.569November 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第569 期2023 年第 11 期收稿日期 2022-07-08基金项目 内蒙古自治区教育厅项目(NJSY18332)。作者简介 顾明丽(1979),女,副教授,注册建造师。考虑渗流作用的深部巷道围岩让压锚注耦合控制规律研究顾明丽1 党钧陶2(1.内蒙古交通职业技术学院道路与桥梁工程系,内蒙古 赤峰 024005;2.华北水利水电大学土木与交通学院,河南 郑州 450045)摘 要 地下水的存在给巷道围岩稳定带来了较大威胁,为了研究地下水渗流作用对深部巷道支护的影响,基于渗流对岩体体积力等效理论和让
2、压锚注锚杆的等效强度准则,应用弹塑性理论,推导了渗流作用下巷道围岩塑性应力场与塑性区分布的理论解,并利用等效圆方法给出了考虑现场渗流作用下的让压锚注锚杆支护方案参数确定方法。以鲁西南地区某矿为例,给出了矿井回风大巷的锚杆长度、间排距、预紧力等参数,通过 FLAC3D数值模拟对支护参数取值合理性进行了验证。研究表明:考虑渗流作用后,巷道围岩塑性区增大,稳定性系数减小,通过减小间排距能够有效减少塑性区分布;通过理论计算确定现场参数,利用数值模拟验证结果表明:现场支护方案能够显著提高巷道稳定性,有效减少塑性区的范围,控制围岩变形。关键词 地下开采 渗流 锚杆支护 弹塑性理论 稳定性分析 FLAC3D
3、 中图分类号TD325 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-11-161-06DOI 10.19614/ki.jsks.202311019Study on the Coupling Control Law of Yield Pressure-Anchor Grouting of Surrounding Rock in Deep Roadway Considering SeepageGU Mingli1 DANG Juntao2(1.Department of Road and Bridge Engineering,Inner Mongolia Vocational and T
4、echnical College of Communications,Chifeng 024005,China;2.School of Civil Engineering and Communication,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045,China)Abstract The existence of groundwater poses a great threat to the stability of roadway surrounding rock.In order
5、 to study the influence of groundwater seepage on the support of deep roadway,based on the equivalent theory of seepage on rock mass volume force and the equivalent strength criterion of cavity-anchoring bolt,the theoretical solution of plastic stress field and plastic zone distribution of roadway s
6、urrounding rock under seepage action is derived by applying the elastic-plastic theory.The method of determining the parameters of the bolting scheme considering the field seepage is given by using the equivalent circle method.Taking a mine in southwest Shandong Province as an example,the parameters
7、 of bolt length,interrow distance and pre-load force of the main roadway of the mine return air are given,and the rationality of the supporting parameters is verified by FLAC3D numerical simulation.The results show that:Considering the seepage effect,the plastic zone increases and the sta-bility coe
8、fficient decreases,and the distribution of plastic zone can be effectively reduced by reducing the spacing between rows.The field parameters were determined by theoretical calculation,and the numerical simulation verification results showed that the field support scheme significantly improved the st
9、ability of the roadway,effectively reduced the range of plastic zone,and controlled the deformation of surrounding rock.Keywords underground mining,seepage,bolt support,elastic-plastic theory,stability analysis,FLAC3D 随着矿井地下开采强度逐渐提升,地下水对矿井生产的影响引起了业内专家学者越来越多的关注1-2。岩体中地下水对围岩稳定性带来了巨大威胁,一方面地下水所产生的渗流体积力改
10、变了原岩应力状态;另一方面地下水改变了岩石力学性质,降低了岩体的强度指标。因此,在围岩稳定性分析过程161中,地下水是重要影响因素3。近年来,随着锚杆支护的发展,让压锚杆支护在矿井中的应用越来越广泛,成为保障井下巷道稳定的主要支护手段4。因此,渗流作用下锚杆支护巷道的稳定性分析成为研究热点和难点。让压支护主要是利用自身能够发生变形的能力将围岩不可控的一部分变形能量进行吸收和释放,充分有效地发挥巷道围岩的自承能力,同时确保整个支护体系的完整性和稳定性5。例如德国、前苏联相关学者研发的蒂森型和杆体弯曲波浪型的让压锚杆6。国内学者也进行了相应研究7,何满潮等8提出恒阻大变形锚杆,当巷道围岩发生大变形
11、时,可以通过恒阻装置保持恒定的工作阻力自动延伸,在深部工程中得到应用。王琦9对深部厚顶煤巷道的变形破坏及围岩控制机理进行研究,研发了适用于巷道支护的让压型锚索箱梁支护系统。沈攀等10设计了一种煤矿新型让压锚杆,主要运用钢套管内部约束热固性聚氨酯弹性材料来达到大变形让压的目的。张飞等11、张朔等12用 FISH 语言对 FLAC3D内置 Ca-ble 单元进行二次开发,建立了让压管锚杆数值模型。目前,关于让压锚杆的相关研究较为成熟,并且在大量工程中得到了较为广泛应用。但对复杂的工况环境,特别是渗流作用下锚杆支护研究仍处于探索阶段13。李宗利等14以渗透体积力方式作用于应力场,根据 Mohr-Co
12、ulomb 屈服准则得到了塑性应力和塑性半径的解析表达式。张铜宽等15针对煤与瓦斯突出、底板破坏等实际工程问题获得了静水压力渗流作用下的深部巷道非欧模型应力分布解,为渗流作用下的深部围岩分区破坏分析提供了理论依据。谷拴成等16应用弹塑性理论,推导出了巷道围岩应力分布,并提出了围岩稳定性评价方法。本研究通过理论分析推导了考虑渗流作用下巷道围岩应力分布,基于 Mohr-Coulomb 强度准则给出了塑性区与应力场理论解,据此设计了现场支护参数确定方案,以鲁西北地区某矿为例,设计了支护方案,并通过 FLAC3D数值模拟分析对支护方案进行验证。分析结果可为渗流作用下巷道支护方案设计与施工提供参考。1
13、巷道围岩弹塑性分析1.1 基本假设本研究对渗流作用下的锚杆支护巷道围岩变形进行如下假定:(1)巷道为圆形,尽管实际情况下矿井中极少采用圆形巷道,但三心拱巷道、半圆巷道和矩形巷道均可等效为圆形巷道。(2)巷道围岩为均匀、连续、各向同性的理想弹塑性体,并且符合 Mohr-Coulomb 强度准则,当应力达到屈服后,发生塑性变形。(3)锚杆处于弹性状态,仅受到长度方向的拉力,忽略承受剪切力。(4)水平地应力 Px与垂直地应力 Py之比等于1,均等于围岩应力 P0,即侧压系数=1。(5)岩体渗流满足达西定律,岩体内的渗透系数相同,渗流方向以径向为主,忽略流体产生的浮力和自身的重力。若 Pw(r)表示孔
14、隙水压力,则根据达西定律可知渗透微分方程为16dPwr()dr2+1rdPwr()dr=0,(1)式中,r 为与巷道中心位置的距离,m;Pw(r)为 r 位置处的孔隙压力,MPa。式(1)中的边界条件为:在 r=R0处,即在巷道边缘孔隙水压力为 0;在 r=R 处,远场孔隙水压力为常数 Pm:Pwr=R0=0,Pwr=R=Pm,(2)式中,R0为巷道半径,m;R 为远场距离,通常取(1215)R0,m。由式(2)和式(2)可得孔隙水压力公式为Pw(r)=PmlnR0-lnrlnR0-lnR.(3)1.2 塑性区应力建立力学模型,并根据上述假设,围岩巷道受到原岩应力 P0和孔隙水压力 Pw,同时
15、假设锚杆长度 L超过巷道的塑性区域,直至达到巷道的弹性区,模型如图 1 所示。图 1 力学模型Fig.1 Mechanical model原始岩体中围岩黏聚力和摩擦角分别用 c 和 表示,经过让压锚注锚杆加固后围岩的黏聚力和摩擦角变为 cs和 s。研究表明,让压锚注锚杆支护对摩擦角的影响较小17-18,所以锚杆加固后的摩擦角为 s=。而让压锚注锚杆加固后的黏聚力 cs261总第 569 期 金 属 矿 山 2023 年第 11 期为cs=c+FcostanSrS1Lln 1+LR0(),(4)式中,F 为锚杆预紧力,kN;Sr和 S1分别为锚杆间距和排距,m;为主破裂面与最大主应力的夹角,()
16、;c 为岩体初始黏聚力,MPa,为岩体初始摩擦角,();L 为锚杆长度,m。当考虑渗流作用时,锚固区域的应力分量应满足Mohr-Coulomb 准则:P+Pw=1+sins1-sins Pr+Pw()+2cscoss1-sins,(5)式中,P为极坐标条件下的巷道围岩切向力,MPa;Pr为径向力,MPa;P 为塑性区内围岩应力,MPa;cs锚杆加固后的围岩黏聚力,MPa;s分别为锚杆加固后的围岩摩擦角,()。极坐标条件下的受力平衡微分方程为dPrdr+Pr-Pr=0.(6)联立式(3)、式(5)和式(6)得到塑性区应力公式为Pr=1A CeA lnr-B+APw(),(7)P=DPr+APw+
17、B,(8)式中,系数 A、B、D 可分别进行如下计算:A=1+sins1-sins-1B=2cscoss1-sinsD=1+sins1-sins,(9)对于为待定参数 C,根据边界条件,当 r=R0时,Pr=0,此时有:C=B-APwR0eA.(10)1.3 塑性区半径根据弹塑性理论,在弹塑性交界面上,既满足塑性应力条件又满足弹性应力条件。当 r=RP时(RP为弹塑性交界面与巷道中心点的距离),有:P=ePr=er,(11)式中,e和 er分别为弹性切向和径向应力,MPa。根据弹性理论可知,远场圆孔切向和径向应力满足如下条件:e+er=2P0,(12)式中,P0为原岩应力,MPa。利用式(11
18、)至式(12)能够求解得到塑性区半径RP,公式为1+ADA CeA lnr-B+APw()+APw+B=2P0.(13)将孔隙水压力 Pw公式(式(3)代入上式后,可以看出,塑性区半径 RP无法给出解析解,具体实际工况将根据现场参数给出具体的数值解。2 锚固参数确定2.1 工程概况鲁西南地区某矿回风大巷位于北翼采区水平大巷,巷道埋深约 720 m,宽为 5 044 mm,高为 4 320 mm,长为 1 285 m,巷道为半圆拱形,如图 2 所示,根据等效圆方法19计算得到等效半径为2 940 mm。根据几何关系可知,巷道边缘距离等效圆的最大距离为Dmax=824 mm。图 2 巷道尺寸与等效
19、圆方法Fig.2 Roadway size and equivalent circle method顶底板围岩多为中砂岩,伴随有少量的泥岩、粉砂岩。对巷道围压取芯测量得到岩体弹性模量 E=2.2 GPa,泊松比=0.27,黏聚力 c=1.20,摩擦角=31。根据海姆定律,确定原岩应力 P0=18 MPa。矿井常用的锚杆规格为 22 mm2 600 mm,配以 200 mm200 mm12 mm 蝶形托盘。钻孔直径为 28 mm,锚固长度为800 mm,每根锚杆预紧力不小于100 kN。为了直观地评价锚杆对巷道的支护效果,引入稳定性系数 k,表示在锚杆支护范围内弹性区占锚杆长度的比值,即:k=L
20、-RP()/L,(14)式中,L-RP表示弹性区在径向方向的长度,m。弹性区越大,稳定性系数 k 越趋近于 1,说明越稳定。若弹性区为 0,整个锚杆在塑性区内,此时支护效果不够理想。2.2 渗流作用对塑性区的影响为了探究渗流压力对塑性区尺寸的影响,设定锚361 顾明丽等:考虑渗流作用的深部巷道围岩让压锚注耦合控制规律研究 2023 年第 11 期杆间排距为 1.2 m1.2 m。取不同远场孔隙压力数据计算不同压力条件下的塑性区分布情况,如图 3 所示。由图 3 可知:随着渗流压力增长,塑性区尺寸增大,鉴于锚杆在选型过程中锚杆长度应大于塑性区尺寸,因此渗流压力越大,锚杆就需要更长。图 3 不同远
21、场渗流压力情况下塑性区半径Fig.3 Plastic zone radius under different far-field seepage pressure根据现场测量得到的远场渗流压力 Pm=0.85 MPa,确定塑性区半径为3.98 m。按照锚杆长度应不小于塑性区长度进行计算,得到的锚杆最小长度为Lmin=RP-R0+Dmax=3.98-2.94+0.824=1.864 m 2.2 m,(15)式中,Dmax为巷道边缘与等效圆的最大距离,根据等效圆方法取 824 mm。显然现场选择的锚杆能够满足最低长度要求,故而确定选用 2.2 m 长锚杆。2.3 不同锚杆间排距对稳定系数的影响基于
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 考虑 渗流 作用 巷道 围岩 耦合 控制 规律 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。