文摘

针对困难期间的支持高压破碎软岩在深矿井巷道,bolt-net-cable-grout耦合围岩综合管理方法提出了支持和耦合支护与围岩之间的相互作用机制,分析了数值模拟。耦合支持的有效性证明应用程序在东翼回风巷道Qingdong淮北矿业集团煤矿。结果表明,围岩塑性区侧壁和地板附近的高压破碎软岩公路大于巷道附近的屋顶,及其分布范围可以减少使用耦合的支持。耦合支持可以改善巷道支架的可靠性和围岩的稳定性,减少螺栓的轴向应力,应力集中引起的围岩锚定螺栓,巷道表面位移、围岩深部位移。

1。介绍

大约有73.2%的中国煤炭储量埋在低于600米。随着能源需求的增加和浅层煤炭资源的减少,采矿业已经逐渐进入深能源开发的阶段1]。然而,煤矿开采深度的增加带来了频繁的工程灾害,如岩爆、瓦斯爆炸、大变形、地面温度高,和其他人,严重威胁到安全、高效开采深部煤炭资源。因此,岩石力学和深部资源开采的支持一直是业内的一个研究热点(2- - - - - -4]。高地应力的影响下,深部岩体在高压缩变形或破坏极限状态及其力学性能明显不同于浅层岩体。在深地层,开挖引起的围岩扰动和故障导致巷道大变形和支持困难和严重威胁着煤矿的安全生产5- - - - - -10]。

断层破裂带是一种常见的不良地质现象在巷道开挖,及其分布地区是围岩的不稳定的部分之一。断层破裂带中普遍存在的问题,包括高应力集中,裂缝性围岩能差,围岩和容易崩溃,经常导致屋顶坍塌等地质灾害,在开挖巷道突水。

高压软岩石巷道破裂了威胁高地应力和断层破裂带上面所提到的,及其支持技术需要提出和改进。事实上,为了有效地控制高压破碎软岩大变形巷道在深矿井,研究人员和技术人员进行了一些研究,提出一些控制技术。通过分析深高压软岩石巷道的变形原因,杨et al。11)提出了一种结合支持技术来协调围岩的不均匀变形,控制底鼓发生挤压流动,并加强围岩的承载结构。陈等人。12)提出了一个创新的底鼓发生“relief-retaining”控制技术,这是一个全面的测量,由切槽在地板上,开采卸压巷道一侧,设置围护桩巷道交界处,地板上。在数值模拟基础上,郑et al。13)改进的轴承结构和提出了一种高强度的总和支持系统完整性和承载力较高,这是由电缆螺栓、纤维增强喷射混凝土,钢网,将集,树脂螺栓,水泥灌浆。王等人。14)提出了一种双层灌浆技术与低压灌浆和高压灌浆改善周围煤岩体的整体力学性能,防止大的巷道变形和破坏。孟et al。15)采用了有限差分程序FLAC3D软件分析螺栓支承压力的分布特征及锚索在不同条件下的预紧力和行间距离。江et al。16]分析了岩石大变形和螺栓组件故障的特点在不同的方法支持和锚杆支护技术提出了一个支持,协同收益率u形钢拱和充填,提供软岩石巷道的有效措施控制深部煤矿1000或更多。他等。17)提出了支持bolt-mesh-anchor耦合技术深层煤巷道的底鼓,有效控制大变形和深层煤巷道底鼓。通过分析应力环境和围岩的破坏机理,徐和魏18]提出的综合控制技术“预应力灌浆锚索+注浆锚栓+灌浆墙后面+楼重建”来控制巷道底鼓的发生。

结合数值模拟和现场试验,研究高压破碎软岩的变形机制巷道提出bolt-net-cable-grout耦合的联合强化计划的支持。

2。项目概述

东翼回风巷道位于第七矿区附近BF2 Qingdong煤矿断层的淮北矿业集团,其东部的东翼运输巷道和西方854年的工作面。−之间的巷道有海拔630−629,经过八号煤层,7号煤层,5号煤层,粉砂岩,铝土泥岩和泥岩。煤和岩石的倾斜方向缝范围从30°48°倾角是大约12°。东翼回风巷道在BF2断层的影响区域。之间的BF2断层是一个正常的边界断层5^th矿区和7^th矿区,NE罢工,55°- 70°倾角,和高度从70米至170米不等。BF2断层有着悠久的扩展和遭受明显的构造应力。根据现场应力测试结果,在原地应力场巷道主要是构造应力和水平主应力分布。南北方向的水平应力分量很大,15.9 MPa。above-given信息表明,巷道是一个典型的高压破碎软岩公路。

3所示。Bolt-Net-Cable-Grout耦合参数的支持

传统的巷道支架通常由bolt-mesh,钢带不能满足的支持需要高压破碎软岩公路。东翼回风巷道的开挖证明了上述观点,因为BF2断层和高地应力巷道造成的一系列问题与传统的支持,如屋顶裂缝和分离、网袋和顶板的下沉,大变形巷道,地板上起伏。很明显,需要一种新型的支持提出了解决高压破碎软岩问题的道路。

为了有效地控制高压破碎软岩的变形和破坏道路,提出了一种新的两步耦合支护技术,这是由“螺栓+网络+钢带+喷射混凝土+有线电视+灌浆。“两步可以被描述为初级和二级支持。首先用于新的耦合支持东翼回风巷道,如图1,努力解决存在的问题。

3.1。主要支持

的主要采用耦合支持“污点+网络+喷射混凝土+有线电视+屋顶和侧灌浆”用以下参数。

3.1.1。地脚螺栓

高强度螺纹钢筋螺栓(Φ22×2600毫米)采用800×800毫米的间距,在每一行13螺栓。使用一个地脚螺栓JSMZ20-22新的支护设备。新的支护设备的间距为1600×1600毫米与5设备在每一行。每个螺栓固定2卷Z2550树脂锚固剂。螺栓托盘的大小为200×200×10毫米。

3.1.2。锚索

空心注浆锚索(Φ21.6×7000毫米)使用1600×3200毫米的间距和3电缆在每一行。所有的电缆都是随着JSMZ20-22新的支护设备使用。锚索托盘是一种特殊的托盘的大小为300×300×16毫米。每个锚索锚定了3卷Z2550类型树脂锚固剂。

3.1.3。净

钢筋网(Φ6×2500×900毫米)是使用一个网格的100×100毫米和搭接长度100毫米。钢筋网铺设在全剖面和连接或与双链不少于14 #铁丝在200毫米的间距。

3.1.4。喷射混凝土

P。O 42.5水泥、砂粒径大于0.35毫米,石头与粒子大小10毫米和5毫米之间,和选择J85加速剂混合材料。质量比的水泥、砂、石、促进剂是1:2:2:0.04。甜准备喷射混凝土的强度和50毫米的厚度。

3.2。二次支持

二级支持采用耦合支持“螺栓+网络+喷射混凝土+钢带+地板灌浆。”

3.2.1之上。地脚螺栓

高强度螺纹钢筋螺栓(Φ22×2800毫米),采用800×800毫米的间距,在每一行14个螺栓。每个螺栓固定2卷Z2550树脂锚固剂。一个特殊的托盘M-mode钢带的使用。

3.2.2。钢带

M-mode钢带长度4200毫米和150毫米的宽度沿道路方向排列。

3.2.3。净

钢筋网二级支持是一样的,主要的支持。

3.2.4。喷射混凝土

二级支持相同的混合比例的喷射混凝土作为主要支撑。但喷射混凝土的厚度是70毫米的辅助支持。

3.2.5。地板地脚螺栓

高强度螺纹钢筋螺栓(Φ22×2600毫米)采用1600×2400毫米的间距和4螺栓在每一行。使用一个地脚螺栓JSMZ20-22新的支护设备。每个螺栓固定2卷Z2550树脂锚固剂。螺栓托盘的大小为200×200×10毫米。

3.2.6。地板锚索

空心注浆锚索(Φ21.6×4000毫米)使用1600×2400毫米的间距和3电缆在每一行。每个锚索锚定了3卷Z2550类型树脂锚固剂。锚索托盘是一种特殊的托盘的大小为300×300×16毫米。

4所示。耦合的数值模拟的支持

4.1。数值模拟

根据岩层和支持参数的回风巷道、罚款2 d数值模型的大小30×30 m有限元软件ABAQUS建立了。从上到下,岩层倾角的10°模型由沙泥岩(7.5米),泥岩(15米),和细砂岩(7.5米)。水平位移和垂直位移约束应用于边界和下边界的数值模型。16.33 MPa的垂直应力根据埋深计算模型的顶部设置模型的边界。水平侧压力系数是0.8。网格图的初始应力状态下的数值模型如图2。岩层的力学参数如表所示1。

针对摩尔-库仑本构模型(经典的19)如图3采用失效准则的泥岩、粉砂岩、细砂岩。

莫尔-库仑本构模型可以表示如下: 在哪里σ_年代和σ_米偏斜应力和平均主应力,并且他们可以表示如下: 在哪里σ₁和σ₃最大主应力和最小主应力,分别。

4.2。地脚螺栓的数值实现

喷射混凝土锚支持往往是参与隧道等地下工程,包括锚定支持和衬里的支持(20.,21]。地脚螺栓的支持系统是受到围岩处于紧张状态,所以它可以模拟杆元素或梁单元有限元分析。提供的“嵌入式”命令可以使用大型有限元软件ABAQUS模拟之间的交互nonprestressed地脚螺栓和围岩,地脚螺栓是否元素节点伴随着围岩节点。通过使用这个命令,地脚螺栓元素可以嵌入岩石元素参与有限元迭代计算。嵌入式教学是将指定的组件或一组组件嵌入的主要组件,可以用来模拟钢筋。

嵌入元素的分布主要部件图的阴影部分所示4。

一般来说,有几个类型的嵌入元素:2 d模型,轴对称模型,和3 d模型。本文中的梁单元模型的2 d模型用于实现锚元素的嵌入,螺栓之间的交互和围岩地层可以模拟没有考虑是否嵌入位置结构是空的。

嵌入约束被用来定义地脚螺栓和围岩之间的交互质量。嵌入式技术元素采用模拟地脚螺栓,包括嵌入式约束。嵌入式技术元素可以用来模拟钢筋加固。有限元分析搜索的节点之间的几何关系嵌入元素(岩石螺栓)和主机元素(围岩质量)。如果一个节点嵌入式元素位于主机,平动自由度在节点被淘汰和节点成为一个“嵌入式节点。“嵌入式节点的平移自由度约束插值数据的相应自由度的元素。内嵌元素允许有旋转自由度,但这些旋转不受制于嵌入。因此,周围岩体的变形和应力转移到技术嵌入岩石螺栓的元素,这是类似于锚螺栓和围岩质量之间的交互。

4.3。数值模拟结果的分析

根据耦合的组成的支持,3例设置如下分析支持响应和围岩响应在不同工作条件下:案例1:全断面开挖没有支持案例2:全断面开挖主要支持案例3:全断面开挖与初级和二级支持

主要开挖响应因素,包括巷道表面位移,锚固力、围岩深部位移、围岩的塑性区,分析了在三种不同的情况。

4.3.1。围岩塑性区分布

围岩的塑性区可以反映巷道的稳定性和安全性。图5显示了围岩的等效塑性应变云图下三种不同的情况下,,PEEQ代表等效塑性应变的值以反映累积塑性应变的结果在整个变形过程。

图5表明,围岩塑性区主要分布在巷道表面附近,和例1的围岩塑性区范围更大比例2和例3。也就是说,应用程序的支持可以有效降低围岩塑性区分布范围。在任何情况下,巷道附近的围岩塑性区侧壁和地板是大于巷道附近的屋顶。

如图5(一个)道路不支持时,附近的围岩塑性区大小的巷道侧壁是大约30%的巷道,巷道附近和地板和屋顶约56%和27%的巷道高度。图5 (b)的图,围岩塑性区靠近主要道路的支持,显示的大小巷道附近的围岩塑性区侧壁和屋顶是显著降低与例1相比,这是大约25%的巷道跨度和17%的巷道高度,分别。然而,围岩塑性区大小的巷道附近的地板上案例1中是一样的。如图5 (c),围岩塑性区范围的进一步减少二次应用的支持后,围岩塑性区大小的巷道侧壁附近的地板,和屋顶都减少了大约19%的巷道,巷道高度的44%和10%。显然,二级支持起着关键作用降低了围岩塑性区。

总之,应用程序的支持有助于减少围岩塑性区范围和提高围岩的稳定性,和耦合比的主要支持。

当然,图5也反映了围岩PEEQ的最大值增加从0.02633以防1到0.02902 2,由于应力集中引起的围岩锚栓的作用。显然,提高围岩的应力集中,当耦合支持采用相对密集的螺栓,围岩和PEEQ的最大值降低到0.02442例3。

4.3.2。地脚螺栓和有线压力

螺栓的轴向应力和电缆在不同条件下如图6。

图6显示在所有工作条件,螺栓的轴向应力和电缆总是随埋深的增加而减小,轴向应力达到最大值附近的巷道表面。显然,这一现象符合保税螺栓的力学特性。在岩层倾角的影响下,螺栓的轴向应力和电缆安排在不同的方向在同一埋深不同。

在例2中,最大轴向应力螺栓和电缆大约2.252的绩点,附近的道路侧壁。然而,在案例3中,螺栓的最大轴向应力和电缆减少到1.612的绩点,出现巷道附近的地板,而螺栓的最大轴向应力巷道附近的侧壁只有1.28的绩点。显然,辅助支持的应用大大降低了螺栓系统的最大轴向应力和改变螺栓的行动模式系统。大型螺栓轴向应力和电缆巷道附近的地板上表明,螺栓和电缆有效地限制底鼓的趋势和地板上失败的发生。

因此,二级支持可以改变围岩的力学状态和减少螺栓的轴向应力和电缆通过增加螺栓的分布密度和进一步提高巷道支架的可靠性和围岩的稳定性。支持可以解决的耦合强度不足的问题支持高压破碎软岩的巷道。

4.3.3。巷道表面位移

巷道表面位移能反映围岩的稳定性和支持。因此,如图7四种典型的测量点设置在胎侧巷道,地板和屋顶进行巷道表面位移的比较在不同形式的支持。

三种情况下的巷道表面位移如表所示2。

表2显示不支持巷道时,四个计量点的位移值相对较近,巷道的最大值出现在地板上。主要支持的应用程序后,测定点的位移,C和D巷道顶板和侧壁迅速降低了47.3%,28.9%,和45.6%,分别测量B点的位移在巷道层仅减少4.5%。二级支持进一步的应用减少了巷道表面位移,但测量分显著位移减少仍位于巷道屋顶和侧壁。位移测量分,C和D下降了65.1%,54.5%,和58.2%,分别与例1相比,但是测量点D仍有一个微小的位移变化。

因此,应用程序的支持可以减少巷道表面位移,尤其是在巷道顶板位移和侧壁。然而,巷道支架的作用抑制巷道的位移地板上并不明显,这基本上是一致的抑制效应的分析结果对围岩塑性区巷道支架。总的来说,支持具有更强的抑制位移的耦合能力和更好的支持效果比单一主要支持高压软岩石巷道破裂了。

4.3.4。围岩深部位移

围岩深部位移是一个重要的参数,以反映放松反应和开挖引起的围岩变形的规律。围岩深部位移,巷道顶板上方三个计量点模型的选择在纵轴上,编号为1、2和3的序列和测量分和巷道顶板之间的距离是2.0米,5.0米,8.0米,如图8。

表3显示了三个计量点的位移在围岩巷道上方的屋顶在不同情况下。

从表可以看出3无论如何支持方法,围岩深部位移减少按照非线性法律之间的距离测量分和巷道表面增加。3,所有计量点的位移小于2,和三个计量点的位移减少33.2%,17.2%,和15.1%,分别。也就是说,支持力量的增加引起的辅助支持的应用有效地控制围岩深部位移,降低围岩的松动范围。

结合表中描述的巷道顶板位移2测量的最大相对位移点之间出现测量点1和点2,所以它可以被认为是主要的围岩松动范围不超过测点2。

因此,应用程序的支持不仅可以减少巷道表面位移也围岩深部位移。高压破碎软岩的巷道,耦合支持能力较强,抑制围岩深部位移比单身主要支持。巷道支架下,围岩松动主要发生在5米的巷道表面。

5。支持效果监测分析

支持轴承特性分析的基础上通过数值模拟,耦合支护技术提出了应用在东翼回风巷道Qingdong淮北矿业集团煤矿。的适用性和可靠性支持在高压力的耦合破碎软岩公路由现场监测验证。

巷道表面位移的测量分安排利用交叉点方法,位置如图7。计量点的间距沿轴的巷道约30米∼40米。12点测量3部分设置在监控过程中。巷道表面位移的两个观测部分如图9。

根据图9耦合支护完成后,所有计量点的位移大于数值模拟的结果。这种现象主要是由于众所周知的时间效应(22,23围岩变形,大时差支持应用程序和巷道开挖引起大的初始变形。显然,时间效应的影响是很难预测的数值模拟。此外,巷道地板的测量位移小于巷道侧墙和屋顶,这是对数值模拟的结果。这表明围岩巷道附近的地板的变形不受时间的影响比附近的围岩巷道侧墙和屋顶。它是有益的和必要的控制围岩的大变形巷道开挖后及时的支持。

从图可以看出9所有计量点的变形随时间逐渐增加,并最终趋于稳定状态,和巷道的位移地板总是小于巷道的侧壁和屋顶。测量5个月后,顶板下沉的最大值,底鼓,和侧壁巷道的收敛最终达到160毫米,100毫米和150毫米。这些变形值似乎很大,但事实上,他们都在可控范围内。的位移的监测、巷道支架不再显著增加,这表明围岩的变形达到稳定状态,和巷道开挖引起的围岩变形已有效地耦合控制的支持。耦合支护的巷道是图所示10。

6。结论

bolt-net-cable-grout耦合支持提出了解决问题的支持高压破碎软岩公路。耦合支护与围岩相互作用的机理是通过数值模拟分析,支持和围岩的开挖响应耦合,应力和位移等进行了研究。数值模拟结果的指导下,耦合支持是应用于一个实际的道路,和测量结果表明,耦合是有效的支持。研究的主要结论如下:(1)巷道附近的围岩塑性区侧壁和地板大于巷道附近的屋顶,和耦合支持更有效的降低了围岩塑性区分布范围比主支持。此外,耦合支持可以降低围岩的应力集中造成的地脚螺栓。(2)耦合支持可以改变围岩的力学状态和减少螺栓的轴向应力和电缆通过增加螺栓的分布密度和进一步提高巷道支架的可靠性和围岩的稳定性。(3)支持有抑制位移能力更强的耦合比单身主要支持高压破碎软岩公路,尤其是对巷道的位移屋顶和侧壁。(4)耦合的支持不仅可以减少巷道表面位移也深围岩位移和塑性区大小。高压破碎软岩的巷道,耦合支持能力较强,抑制围岩深部位移比单一的支持。(5)现场监测数据表明,bolt-net-cable-grout耦合支持改变高压破碎软岩的结构巷道底鼓发生和抑制的发生,这证明了围岩的综合治疗是有效的。

数据可用性

生成的数据集和分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(52074005)。