土木工程的发展

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土木工程的发展/2020年/文章
特殊的问题

很深的岩石工程环境中的行为

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2020年 |文章的ID 8827490 | https://doi.org/10.1155/2020/8827490

建丰崔Weijun王,曹国伟元,李明曹郭yun, Lei粉丝, 研究变形机制和支持对策松散的复合屋顶和弱煤炭公路”,土木工程的发展, 卷。2020年, 文章的ID8827490, 13 页面, 2020年 https://doi.org/10.1155/2020/8827490

研究变形机制和支持对策松散的复合屋顶和弱煤炭公路

学术编辑器:Fengqiang龚
收到了 06年7月2020年
修改后的 2020年8月26日
接受 2020年10月26日
发表 2020年11月12日

文摘

本文认为333年的返回气道Gaokeng煤矿分析围岩的变形特征和破坏机理的复合顶板煤巷围岩松散和弱。大变形的原因是探索和预应力桁架的优越性和锚索相比普通锚电缆从力学的角度提出有针对性的煤巷道支架的方法。煤矿巷道复合顶板的下沉是伴随着围岩应力的释放和转移。复合顶板的压力转移到道路两侧和加剧的断裂过程煤的身体。因此,支持复合顶板的能力是削弱,这进一步弯曲下沉,形成一个恶性循环,重复。因此,在煤矿巷道复合顶板的支持应该考虑屋顶,道路两侧,和地板作为一个单元来实现目标,加强道路两侧和屋顶的支持。基于上述分析,综合控制技术提出了桁架和锚索为主体和金属锚杆+锚索+网络作为辅助。这种技术可以改善复合顶板的整体承载能力,加强巷道端结构,加强巷道和屋顶。数值模拟和现场应用结果表明,该支持方案可以有效地实现安全控制的复合顶板煤道路。

1。介绍

浅地区煤炭资源的枯竭,煤炭开采逐步扩展更深,矿业环境变得日益复杂,道路仍然很高的维护成本1]。煤矿复合顶板的由不同岩性的岩石。之间有一个分离的脸岩石断裂和屈服(软弱岩石薄煤层煤炭条纹或容易产生沉降位移)(2,3]。围岩控制的复合松散的屋顶和煤巷薄弱已成为一个突出问题,影响深煤矿的安全、高效开采。研究者在这个问题上提供了深入的讨论和研究[4- - - - - -7]。锣等人研究了围岩的变形和破坏特征的深层高压道路(8- - - - - -11]。研究复合顶板的大型沉降现象和失败的支持,玉等人总结了不同围岩条件下的失效形式,分析了巷道复合顶板的失稳机理(12]。刘等人研究的影响因素,包括顶板围岩的岩性特征、巷道断面尺寸,岩石压力、分层厚度、和软弱夹层复合顶板的变形和不稳定。他们发现,地面压力,矩形巷道截面的大小,每一层复合顶板的厚度控制其变形和不稳定的三个主要因素(13]。Chang的变形和破坏特征,分析了采矿巷道的围岩大截面在深井复合顶板。他们相信每一层的屋顶容易分离是由于高地应力和动态开采压力,双方的巷道的变形影响顶板稳定性(14]。左等人研究了锚固体的失效模式通过使用拉拔力试验和数值模拟的结合15,16]。朱等人利用数值模拟来研究大跨度巷道的顶板破坏机理,发现锚定的失败部分是屋顶的变形和破坏的主要原因17]。陈等人研究了顶板围岩的变形和支撑结构的软弱岩石巷道的压力很大18]。他们相信anchoring-combined支持技术可以改善顶板围岩的强度和承载能力的支持结构。杨等人使用模拟仿真软件分析了巷道围岩的破坏过程。他们认为支持强度低的主要原因是大变形围岩的巷道。出于这个原因,他们提出了一个“bolt-cable-mesh-shotcrete +壳”支持方法(19]。王等人提出了一个巷道围岩支持系统组成的填充墙,喷射混凝土,灌浆电缆、预应力锚索和u形钢基于巷道围岩的不连续的特点失败(20.]。赵等人研究了故障特征深度软弱破碎围岩的巷道,复合支持的方法“喷射混凝土+注浆锚栓+地脚螺栓+注浆锚索+锚索”提出的是全剖面layer-double拱协同强化技术(21]。彭等人为了解决困难问题的围岩破碎的断面支护巷道的断面巷道平顶山煤矿为例,通过各种支护方案的比较分析,提出了“u形钢+反向拱+浇注混凝土+后墙灌浆”支持方法22]。田和高分析了围岩的应力和位移特征的松散和弱深井动压巷道和建立了一个宽松的和弱深井动压巷道支架模型与“multitruss锚电缆”为主体(23]。燕等人建造了一个厚煤层巷道力学模型,提出了巷道支架方法“桁架锚索”为核心,和辅助螺栓和电缆,和模拟的支持和不支持的条件(24]。Yu和刘研究开挖扰动的影响围岩的巷道,提出有针对性的支持巷道的围岩与“螺栓、金属网、注浆锚索和大直径锚索”方法(25]。

上面的研究关注于围岩的变形机制和支持方法在深松软煤道路描述的困难,同时也支持这样的道路。然而,由于每个煤矿巷道的现有条件和影响因素的复杂性和不确定性,巷道的变形和破坏机理,采用围岩支持技术是截然不同的。因此,本文以333年的返回气道Gaokeng煤矿为研究对象,分析了围岩的变形特征的复合顶板煤巷围岩松散和弱,描述了大变形的原因,并研究预应力桁架锚索的优越性与普通锚索。此外,预应力桁架锚索的综合控制技术为主体,提出了锚杆+锚索+金属网作为辅助,以确保安全使用的333返回气道Gaokeng煤矿。

2。围岩的变形特征

2.1。结构和机械特性

Gaokeng煤矿位于萍乡城市,江西省中国,如图1。江西省333年返回气道Gaokeng煤矿沿煤层底板安排的总长度90米,设计梯形截面形状(底面积是5.63米2),如图2。该巷道采用锚杆+锚索+的联合支持方法工字钢梯形棚的支持,而屋顶是由五个螺栓,三个锚,梯子和工字钢棚。螺栓规格Ф22毫米×2400,和螺栓之间的行距是600毫米×800毫米在锚索规范Ф17.8毫米×5.0 m,和螺栓之间的行距是900毫米×800毫米。双方支持五个螺栓和工字钢梯子了。Ф22毫米×2400毫米螺栓规格,以及它们之间的行间距为600 mm×800 mm,如图3。调查和分析333年返回气道Gaokeng煤矿已经确定围岩的岩性特征的煤炭屋顶和地板,表中给出1


屋顶和地板类型 岩石类型 厚度(m) 岩性特征

Pseudotop 页岩、煤 0 - 1.0 Gray-black、薄层、煤线
直接顶 页岩 1.5 黑色浓密的页岩
主要的屋顶 粉砂岩 10.0 黑色薄泥岩薄层粉砂岩
主层 细砂岩 8.0 暗灰色细砂岩、泥岩薄层的黑碳表面光滑

通过分析煤层条件的屋顶和地板,发现复合顶板岩层具有以下结构特征:(1)333年返回气道煤层复合顶板厚,有一个相对较小的机械强度。煤层的厚度是5米的平均和复合顶板岩层的厚度煤层上方高达4.5米,主要由粉砂岩组成,页岩、泥岩、煤和其他低威力摇滚的身体。(2)有很多层和0 - 100 mm复合顶板煤线。小层的存在削弱了其承载力和导致减少岩层之间的附着力,屋顶不均匀变形和下沉。(3)复合顶板岩层厚,结构薄弱和松散,有许多小层。因此,锚索的有效长度不能插入到稳定的岩层和轴承强度高,不能充分发挥其暂停功能,只作为一个复合梁。

2.2。变形特性
2.2.1。巷道围岩的大变形,和屋顶整体下沉严重

复合屋顶有一个大的和许多小层厚度,结构松散,和承载能力差,再加上采矿和其他压力的影响。屋顶的下部组合不能承受来自上部岩层的压力,加剧其破坏过程。这将导致不均匀沉降和分层在每个岩层,甚至可以引起局部塌顶事故。

锚索的主要功能是暂停摘要素复合岩层稳定岩层中。大多数承载力的支持系统需要支持的锚索;然而,锚索的强度太高了。当锚索达到一定长度(超过10米),施工要求太严格。从现场Gaokeng煤矿建设,支持复合顶板锚索后,屋顶的应变率会降低。然而,屋顶仍然下沉,锚索下沉的屋顶,道路两侧向外凸出。

2.2.2。长变形持续时间

复合松和疲软的屋顶在Gaokeng煤矿不仅有大量的下沉和变形速度快但也有变形持续时间长,可以持续两年或更长时间。自从333年的挖掘返回气道,巷道的围岩一直处于不稳定的状态。因此,有必要不断维护巷道的正常使用部分通过扩大道路。

3所示。复合顶板围岩的变形机制

Gaokeng煤矿包含多个的断层,比如F3所示。结构应力异常强烈,导致巷道围岩的大变形。整个屋顶下沉的意义重大,煤岩体本身的强度较低,结构松散,它是伴随着地质灾害如剥落和裂纹:(1)复合顶板煤巷围岩松散和弱的有一个更大的厚度,更糟糕的承载能力,和较低的机械强度。即使支持密度增加,顶板下沉的问题还没有得到解决。这主要是因为复合屋顶太厚,包含几个小层。的有效锚固长度包含在复合顶板锚索,和锚固端无法穿透的稳定岩层强大的承载能力。巷道支架系统失去平衡导致失败的支持。这时,锚索失败暂停和拉伸复合屋顶和只连接几种图层复合顶板内岩石的身体提高抗弯强度在锚固区。如图4的垂直变形锚(点结束一个)和头部(点B)是同步的。即锚索与顶板下沉同步,和锚索不能发挥预期作用。一些拉伸,上覆地层的压力承担几乎全部的屋顶。(2)一方面,两个煤机构的机械强度在333年返回气道低,结构薄弱和松散,巷道一再扩大。因此,断裂区范围继续扩大,螺栓的锚固力继续削弱。另一方面,压力在屋顶沉没不断转移到双方的巷道,加剧破坏过程的两个煤炭身体两侧和断裂带的范围增加,从而增加双方的内部位移。这些方面的影响导致破裂区两个煤炭的身体远远超过身体螺栓的长度。因此,松散的锚固段完全破裂区煤的身体,和支持完全失败。同样,锚的水平变形(点结束C)和头部(点D同步)的螺栓,螺栓不施加适当的拉伸效果。(3)地板是最弱的巷道围岩控制的一部分。作为地板上没有有效的支持措施,道路两侧的压力传播给地板的围岩,由水平地应力,挤压构造应力,降低岩层的上行压力。因此增强应力集中,从而导致起伏底部的地板上。

建立一个积极支持系统,实现更大范围的控制煤巷道的围岩可以提供高度可靠的锚固点。这有效地提高了围岩的应力状态,提高其整体承载能力,并确保其稳定性。这是解决现有支持的关键问题和情况。

4所示。复合顶板支护原理和理论分析桁架锚索

4.1。支持原则

复合煤顶板的沉没是伴随着围岩应力的释放和转移。具体来说,屋顶压力转移到煤的尸体两道路,导致应力集中,加剧了煤体破裂过程。同时,煤炭的广泛断裂的身体和连续向内运动到巷道空间导致巷道国的支持能力迅速减弱,导致屋顶进一步弯曲和水槽。这个循环不断重复和的主要原因之一是围岩的大变形的复合顶板煤巷围岩松散和弱。因此,支持复合顶板围岩的不应该忽视的影响两个煤机构的支持。屋顶、道路两侧和地板应当被视为一个单一的实体实现坚实的支持效应和强大的屋顶。

防止下沉和分层的复合顶板煤巷道和实现其正常使用要求,必须首先提高屋顶支持力量。为此,应考虑以下三个方面。(1)直接支持屋顶改善围岩的应力状态,提高围岩的强度和完整性,并提高其承载力。(2)巷道屋顶上发挥重要作用,这需要加强提高围岩的完整性的煤,减少破裂带的范围,加强煤巷道的双方。支持能力有助于避免地质灾害的发生,如肋剥落和裂纹。(3)锚索的锚固段必须深入岩石层发现一个强大的承载能力,防止锚定部分逃离周围的岩石和失败。

上述分析表明预应力桁架锚索的综合控制方法为核心的有利于复合顶板的变形机制和特点,围绕着宽松的和弱煤巷道,如图5。(1)预应力桁架锚索可以扩展到四向,深,三向压缩岩体稳定的锚点和基础承重结构。锚点不应轻易分离的影响,岩体的变形,以确保支撑结构完全发挥。这满足支持目标的坚定支持和强大的屋顶。(2)常见的锚索是点接触,巷道围岩的自由表面,容易引起应力集中的浅层围岩破裂。桁架电缆在接触巷道的围岩表面形成一个连续的压应力区,从而降低应力集中的程度。(3)预应力桁架锚索是一个活跃的支撑结构,同时提供了水平和垂直压应力在屋顶或周围的岩石。这克服了普通锚索的缺陷无法提供水平支持力量,这提高了锚固区。围岩的应力状态和中性轴的位置锚区向外移动,这加强了在锚区岩体的力学性能,提高其抗变形。这提高了巷道周围岩石的完整性。

4.2。桁架锚索应力分析

预应力桁架锚索的优越性主要体现在改善围岩应力状态和有效的支持范围。复合顶板在支持可以被视为一个复合梁26),如图6。围岩的压力在锚索主要相关因素如原位应力、构造应力、采矿、煤炭和岩体力学特性,岩层厚度。假设 是均匀分布的, 是线性分布的, =k1γh锚索的锚固部分, (l因为一个)=k2γh在锚头的位置,l是有效锚固长度。当预应力桁架锚索力平衡,垂直和水平方向的合力为零,和预应力F0锚索的预应力F1桁架的获得以下两个平衡方程: 在哪里h是巷道埋深(米);b巷道的宽度(米);γ是道路屋面覆盖层重量(kN / m3);f1之间摩擦力的倾斜部分桁架锚索和岩体(kN / m);f2之间摩擦力的水平部分桁架锚索和岩体(kN / m);一个的倾角锚索钻孔(°);l的长度是桁架(m);λ横向压缩系数;和k1,k2斜率。

通过分析上述力学模型,普通锚电缆只应用预应力通过盘岩体的内部,而压应力影响范围有限,只适用于加强围岩的局部区域的支持。桁架和锚索预应力连接器,这很容易形成一个锁结构。因此,支护结构不容易失败,阻碍了整个屋顶沉没和塌顶事故的发生。

中性轴理论在材料力学的中性轴复合梁桁架和锚索锚定后,见方程(2)。中性轴的计算力学模型的锚固区如图7

根据方程(2), 在哪里一个锚索的横截面积(米2);z岩石的惯性矩层复合梁(m·s·公斤2);和z是复合梁中弯矩岩石的层(N·m)。

集成复合梁弯曲理论方程(2),拉应力在围岩的面积给出了桁架锚索 在哪里 根据弯矩计算模型的定义,

从方程的比较(4)和(5),我们发现 在哪里h是支持的弯矩当桁架锚索(N·m);沪元是形成的弯矩的预应力桁架锚索(N·m);hx是垂直距离的计算点横坐标(m);是弯矩当使用一个普通锚索支持(N·m);y的惯性矩是内部岩层在使用支持桁架锚索(m·s·公斤2);和y是内部的弯矩岩层在使用的桁架锚索扭矩(N·m)的支持。

从这个分析,采用预应力桁架锚索为核心技术的支持,和围岩的中性轴用普通锚锚固面积低于电缆 同时,中性轴的围岩锚固区域相关的预应力桁架锚索。更大的预应力使中性轴接近周围的围岩表面,哪个更有利于提高围岩的应力状态。

5。工程试验

5.1。支持计划

根据围岩的变形和破坏特征的333返回气道和复合顶板支护的分析,预应力桁架锚索作为主体,和综合控制技术与锚杆+锚索+金属网是辅助。数值模拟和现场测试以及特定的支持方案如图8

螺栓和金属网格的初始支持结构卸载巷道的围岩时,它允许一定的变形。二级支持是预应力桁架和锚索锚电缆,主要用来支持巷道围岩的蠕变期间,提高破碎围岩的整体实力,并达到永久巷道的稳定性(28,29日]。

333的参数返回气道螺栓和金属网支持如下:(1)巷道的屋顶是由4个左撇子,螺纹,螺栓没有纵向钢筋2.4梯梁和金属网。的规范Ф22毫米×2400毫米螺栓,螺栓之间的间距为750毫米×800毫米,和锚力不小于70 kN。角落里主持人应该安装在一个斜向外15°角。另一锚排列方向垂直于屋顶使用一个细长的锚定方法。每个锚连接Z2550中速树脂药卷两部分,如图9。金属网是Ф6网格毫米和100毫米×100毫米。(2)支持的道路边是4左撇子,螺纹,钢螺栓没有纵向肋骨2.5梯梁和金属网。螺栓的规格是Ф22毫米×2400毫米,和锚固力不小于70 kN。底部角螺栓应该安装在9°,向下,向下的肩角螺栓应该安装在31°。两个部分的Z2550中速树脂墨盒是延长和锚定。金属网是Ф6网格毫米和100毫米×100毫米。必须提供螺栓的碎秸金属网接近岩石表面,而网格之间的残梗的长度不应小于100毫米。

围岩锚索支持采用两种不同类型的群锚(普通锚索和全剖面顶部桁架和锚索)基于333年的变形和破坏特征返回气道和开采的地质条件和程度。

5.1.1。顶板锚索

巷道顶板的中间是支持一个锚链Ф17.8毫米×7.0 m和连续800毫米的距离,这是安排两行之间的螺栓。锚索采用五卷Z2840树脂药卷,和锚固力不小于100 kN。锚索托盘采用可压缩方形垫片设备,规范的350毫米×350毫米×10毫米。

5.1.2中。桁架和锚索

(1)屋顶。桁架锚索体系安排每两行螺栓在屋顶上,和钢铁股的规范(九股)Ф17.8毫米×7.0毫米。群锚之间的间隔是2000毫米×1600毫米,而锚固力不小于140 kN,预加载不小于70 kN。

(2)道路两侧。桁架锚索体系安排每两行道路两边的螺栓。钢铁股的规格(九股)Ф17.8毫米×6.0毫米,和群锚之间的间距为2000毫米×1600毫米。锚固力不小于140 kN,预加载不小于70 kN。

锚索安装的角度的设计为基础。每两个锚电缆在上部连接作为一个群体,2.0桁架组成一个单元进一步降低松散围岩的变形,如图10

5.2。数值模拟

应用FLAC3D数值模拟软件被用来分析333返回气道使用原始支持计划和预应力桁架锚索为主体,以及锚杆+锚索+金属网作为辅助计划的全面支持。计算模型如图11。的高度长度××厚度计算模型是50 m×50 m×50 m。位移约束是对左和右边界,前后边界和下边界。垂直压力是来自于体重的压力,和20 MPa的等效负荷应用于上边界。计算模型采用莫尔-库仑屈服准则和计算初始地应力场平衡σzz= 20 MPa,σxx= 24 MPa,σyy= 21 MPa,然后计算出巷道开挖后的平衡。计算力学参数如表所示2


岩层的名字 体积密度(g.cm−3) 单轴抗压强度(MPa) 单轴抗拉强度(MPa) 凝聚力(MPa) 内摩擦角(°) 弹性模量(GPa) 泊松比

细砂岩 2650年 37 3.15 6.5 30. 32 0.29
粉砂岩 2500年 32 2.81 3所示。7 36 28 0.30
煤炭 1400年 12 1.43 1.5 18 21 0.38
页岩 1900年 18 1.86 2.1 33 26 0.42

周围的岩石塑性区分布的原始方案(新)支持下的巷道图所示12(图13)。在最初的支持计划,巷道塑性区深度的墙和屋顶围岩相对大大约2.0米,和地板的塑性区相对较小的1.0米。采用新的援助计划后,深度对巷道围岩的塑性区明显改善。巷道断面的深度和顶板塑性区大约是0.5米,比原来的1.5少2.0的支持方案。这表明新的支持方案可以有效地控制塑性区深度。螺栓的锚固基础(电缆)坐落在塑性区之外,这有利于巷道的围岩稳定控制。

云映射下的巷道围岩位移的原始和新的援助计划所示数据1415。根据最初的支持计划,屋顶的变形与沉降较大高达0.65米和变形达到0.5米。采用新的支持方案后,显著提高位移云图,屋顶塌陷是减少到0.049米,道路两边是减少到0.04米,表明新的支持方案可以有效地控制巷道围岩的变形。

5.3。工程效应检验

支持计划监控的影响长达90天,333返回气道和变形图所示16。监控后,总煤顶底板巷道的收敛后使用新的援助计划是363毫米,和总趋同的道路两边是253毫米。因此,巷道的围岩变形的有效控制,螺栓的失败和屋顶坍塌巷道服务期间不满足使用要求。

6。讨论

煤矿复合顶板的容易分离的层,与体积和下沉与双方的破裂范围增加。因此,合并后的支持技术的优点预应力桁架锚索和螺栓煤矿复合顶板的如下。(1)及时的支持和高预应力控制分离的复合顶板保持其完整性和增强其自营能力,把复合顶板从载体负载的身体,和均匀转移巷道上覆地层的的负载,从而减少应力集中。(2)高预应力支持改善双方的承载力,减少巷道破裂范围,并提高其稳定性,它提供了强有力的支持来维持复合顶板的稳定性。(3)形成的压应力区桁架锚索和锚杆相互结合形成一个空间预应力网络。这形成了一个连续的整体压应力区域锚索预应力的角色骨骼支持和螺栓提供了补充连续轴承。空间压力的形成网络有效地保证顶板岩石锚定的稳定区域。

的控制影响预应力桁架锚索和螺栓的围岩巷道的影响因素如支承结构和密度、材料、锚固剂,行距离。与此同时,它也受围岩影响其力学性能和结构特性等因素,包括其硬度系数、水文条件,和结构。有效控制巷道的围岩可以更好地实现只有通过科学和全面考虑各种因素和恢复实际的项目状态。

7所示。结论

(1)煤炭身体破裂加剧的压力复合煤屋顶转移到两边的道路,导致迅速减弱的支持能力。这导致屋顶进一步弯曲和下沉,形成一个恶性循环。为了更好地支持煤巷道复合顶板,屋顶,巷道的双方,地板应当被视为一个单元来实现的支持效果有坚实的道路两侧和强大的屋顶。(2)桁架和锚索应力模型的建立,以及预应力桁架锚索的优越性与普通锚索进行了研究。的锚定部分truss-anchor电缆位于稳定深岩层巷道的四个尖角,这提高了围岩的应力状态在锚固区和抵抗煤岩体的变形和破坏。(3)提出了预应力桁架和锚索为主体,而锚杆+锚索+金属网提出了为辅助的综合控制技术。现场支持测试和数值模拟表明,虽然这技术提高了复合顶板的整体承载能力,也强化了巷道一侧的结构和起着支持作用加强道路两侧和屋顶满足巷道服务期间的服务需求。研究可以扩展到类似的松散,虚弱,和大变形巷道使用预应力桁架锚索为主要支撑技术。这提高了围岩的应力状态在锚固区,提高了围岩的完整性,并确定一个合理的支持计划。

数据可用性

所有的数据生成或在研究过程中都包含在这篇文章出版;没有其他数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号。51804109,51874130,51874130,51774133);湖南省教育部门的科学研究基金(批准号18 c0333);科学研究基金会为湖南科技大学博士(批准号E51851);和湖南的研究生研究和创新项目(批准号CX20190794)。作者感谢这次金融支持。

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