文摘

弱了巷道开挖后邻室,如顶板沉降变形特点,道路挤压,底鼓发生和出现,显示出围岩大变形的特点,变形持续时间长,严重损害,这都是不利于保证安全开采。基于岩石力学性能测试的技术手段,矿物成分分析,原位应力测试,和围岩变形监测Hongqingliang煤矿2 #煤巷道的数值模拟研究围岩压力的影响在邻室组织进行。弱胶结的岩石的物理力学性质被获得,2 #煤巷道的应力分布规律掌握,围岩变形特性的弱胶结的道路了,和弱胶结巷道的变形和破坏机理邻室了。钱伯斯的区域应力增量之间的关系和故障范围的围岩巷道透露,建立力学模型的容许变形+应力释放+控制与u形钢的主要结构形式。巷道支架的对策有,应用于工程实践。

1。介绍

随着浅层煤炭资源在中国的中部和东部地区往往是筋疲力尽,矿山的开采逐渐延伸至深的部分,发展到西部矿业内蒙古等地区丰富的煤炭资源。弱了软岩广泛分布在矿区西部侏罗纪和白垩纪地层。弱胶结软岩胶结差,强度低,容易风化,蜕变的胶结和属于一种特殊的软岩(1- - - - - -3]。弱胶结巷道挖掘后,围岩变形和严重受损,很难有效地维护巷道的围岩稳定和安全的联合支持常规螺栓和螺钉和螺栓孔的方法和喷射混凝土的支持(4]。主要表现是积极支持结构的锚固锚棒和锚等电缆差,和锚杆锚电缆容易失去锚固力。应用预加载很小,和支持的效果很差。被动支持结构,如混凝土喷层围岩承受很大的压力,和结构变形和损坏是由于局部变形(5]。

屋顶塌陷,底鼓,双方收缩的弱胶结巷道围岩大变形的结果。的基础上,对软岩大变形机制分析,他(6)建造了一个机械分析和设计系统的软岩大变形工程。周et al。7]分析了复合破坏机理的分子扩张+岩体结构面位错+开挖扰动软岩的围岩非线性大变形巷道依照故障现象中生代复合Shajihai矿区软岩,和商等。8]分析了围岩的变形和破坏特征和类型的软岩石巷道,讨论了软岩围岩的变形和破坏机理。陈等人。9)利用围岩松弛带的厚度来定量确定软岩工程中围岩的特点并分析了其非线性变形和破坏机理。丹尼尔et al。10)考虑巷道断面形状的影响,围岩强度特征、巷道群干扰和揭示了破碎软岩的巷道大变形机制。的基础上,分析了软岩石巷道的变形和破坏特征,孟et al。11]进行研究进化法,监测分析,支持优化设计巷道的围岩弱胶结地层和揭示了围岩的变形和破坏机理的软岩石巷道。Zhang et al。12]讨论了故障特征和变形破坏机理的侏罗纪白垩系泥质弱胶结巷道,提出围岩软化水,可扩展性强,和不合理的支持形式是导致其变形和破坏的主要因素。陈等人。13]argillized弱胶结的变形和破坏过程分析软岩矩形巷道,将仿真结果与现场监测结果,并给建议的选择道路部分,形状,和支持。

室附近围岩强化控制技术的关键是确保弱胶结巷道的安全利用,已成为工程领域的一个研究热点。康等。14)获得对策改善围岩的稳定性的洞穴群根据围岩的应力分布特征的洞穴群在软岩条件下。王等人。15)提出一个新概念的破解抑制稳定优化软岩条件下的大洞穴。太阳et al。16)发现了纬向断裂现象,裂缝分布特征的弱胶结围岩通过现场监测、强化和支持提供依据。杨et al。17)获得围岩的破坏特征和控制措施的洞穴组通过现场试验和数值模拟方法。他等。18)提出了“弱结构”的不对称控制技术来解决软岩洞穴的不对称变形问题,奠定了基础为探索洞穴的控制理论和技术。

尽管一些学者研究了软岩的变形和破坏特征和机制巷道,弱胶结的变形和破坏特性软岩石巷道邻室组不同于普通软岩的巷道,仍处于探索阶段。基于获得的裂缝发育特征通过钻孔televiwering,发现一个需要加强,和一个支持方案“螺栓电缆+螺栓+支架板+金属网”,提出了巷道的(19,20.]。差异化的支持计划的核心“升级支持水平和优化大变形区”的支持,提出了控制大变形巷道地区通过加强围岩自身的承载能力(21,22]。在这项研究中,弱胶结在Hongqingliang煤矿软岩作为研究对象。基于围岩变形和支持结构应力监测分析和数值模拟技术研究,弱胶结的变形和破坏特性软岩公路毗邻室进行了分析,及其变形和破坏机理研究,奠定了基础的控制理论和技术研究泥质弱胶结软岩石巷道。

2。地面压力弱胶结巷道的行为特征

Hongqingliang矿位于内蒙古,设计产能为6吨/和垂直轴的发展。其中,2 #煤巷道的截面形状是一个直墙半圆拱,和巷道的埋深约420米。合并后的支持模式”螺栓网喷+锚杆+锚索”了。2 #煤巷道的围岩主要是弱胶结等软岩地层泥岩、砂质泥岩,完整性较差,承载力低。有8个道路和15组室3-coal在30 m以下2 #煤道路。上述不利因素导致螺栓容易折断,和周围岩石和支撑结构有严重的变形和损伤。结果表明,巷道顶板沉降很大,双方萎缩严重,地板剧烈膨胀,强化网暴露,混凝土裂缝。

2.1。地应力测试

为了获得地应力的分布规律的巷道弱胶结地层,YH3B-3环氧树脂三轴应变仪是用于2 #煤巷道Hongqingliang矿山进行地面压力测试根据减压方法,测量和2点安排。表中列出的测试结果1。

表1
巷道压力测试的结果。

表1表明,2 #煤巷道Hongqingliang煤矿是一个构造应力场以水平应力为主。1.45∼1.56倍最大水平主应力的垂直压力。最大水平应力的比值最小水平应力是1.93∼2.06。两个水平应力有很大的不同,有明显的方向性。高水平应力的主要原因之一是围岩的变形和破坏的道路,特别是双方的内部挤压和膨胀的地板上。

2.2。围岩表面位移监测

为了获得的变形特点弱胶结巷道的围岩控制效果的现有支持方案围岩,围岩的变形监测。

巷道表面位移显示故障趋势更大的失败率在早期阶段和后期的较小的失败率。虽然后期的变形速率降低,变形持续增加(如图1)。在0∼15 d,巷道的变形速率相对较高;变形速率减慢在15∼35天。最大巷道的顶板沉降是640毫米,底鼓是400毫米,变形是140毫米,左边和右边变形是200毫米。上述监测数据表明,屋顶被损坏在很大程度上,底鼓发生紧随其后,并有一定程度的两边不对称变形。


图1
巷道表面位移监测曲线。

根据图中的数据1,可以发现,巷道的围岩变形大,变形速度快,和围岩变形和破坏严重。上面显示的支持模式“锚杆+锚索联合支护”+“螺栓网喷射混凝土”不能有效控制弱胶结巷道的变形。

2.3。压力监测的支持结构

为了获得的应力特征的支持结构,测功器是用于监控地脚螺栓和锚索的压力。支撑结构的压力之间的关系曲线和时间如图2。


图2
应力监测曲线的支持结构。

的初始预紧力锚索是140 kN,地脚螺栓的预紧力在屋顶上安装60 kN,和地脚螺栓的预紧力安装巷道一侧是40 kN。螺栓的应力值,在巷道锚索随时间逐渐减少。下降速度很大的早期阶段和小末阶段,如图2。在0∼15 d,力减少的速度大。力减少的速度减慢在15∼35天。锚索的巷道的应力值降低到75 kN,螺栓安装在屋顶上的应力值减少到21 kN,安装螺栓的应力值降低到20 kN,左边的应力值螺栓安装在右侧是减少到18 kN。巷道的开挖后,屋顶,地板起伏,和双方的变形大,导致增加压力的地脚螺栓和锚索。地脚螺栓的应力值和增加锚索不断在早期阶段。当达到极限承载力时,地脚螺栓的支持和锚索失败,和压力值继续减少。

2.4。巷道的变形和破坏特征

道路下沉的屋顶,地板凸起,,双方挤压强烈,和失败的模式有一定的不对称,一边的失败主要是集中在下部。一些道路封闭由于过度变形、围岩变形的道路并不能阻止多次改造后,导致道路无法正常使用,如图3。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
原理图的弱胶结巷道的破坏。(一)巷道失败图和(b)巷道损伤的草图。

3所示。洞室群项目的影响的分析

后围岩的应力释放后的开挖洞室群,3 #煤垂直应力2 #煤巷道围岩的调整,主要受美国商会组织模型组成的辅助运输巷道、皮带运输巷道通风巷道,紧急道路、水泵房、配电箱3 #煤。如图4的影响,在分析开挖后的应力释放3 #煤室组2 #煤巷道的应力分布,以2 #煤巷道口为原点,让x设在开挖和在相反的方向y设在十字路口道路开挖的方向建立坐标系,并将3 #煤室影响2 #煤巷道的应力分布在上面的坐标系统。模型,辅助运输巷道的影响部分的长度是230米,水泵房的影响长度和配电箱是55米。


图4
原理图的位置关系3 #煤箱和2 #煤巷道。

根据理论模型计算图52 #煤巷道的垂直应力分布如图6。可以发现的垂直应力增量范围在2 #煤巷道巷道层2.1∼4.0 MPa, 21%∼40%高于初始应力由于开挖的洞穴群在3 #煤室。当2 #煤岩层巷道位于正上方3 #煤室,其垂直应力出现最多,有5个最大在149米长的故障点区2 #煤巷道,分别对应于辅助运输巷道、皮带运输巷道通风巷道,配电箱,紧急道路3 #煤室。其中,2 #煤岩层巷道通风巷道和紧急道路并非完全对应最大点的垂直应力,这是由于垂直应力叠加的影响3 #煤室。


图5
3 #煤室开挖应力释放模型。
(一)
(一)
(b)
(b)
图6
垂直应力计算结果调整2 #煤巷道。(一)垂直应力云图2 #煤巷道和(b) 2 #煤巷道垂直应力分布曲线。

3 #煤之间的垂直距离室组和2 #煤巷的巷道岩层是27日∼45米,相当于7∼11次室的高度。这表明垂直开挖后的应力释放3 #洞室群作用于煤岩层的位置2 #煤巷道,和垂直应力释放的影响范围可以达到7∼室高度的11倍。此外,垂直皮带运输巷道的应力增量3 #煤的垂直距离27米的巷道2 #煤是4.0 MPa,通风巷道的垂直应力和垂直距离37米的巷道的2 #煤是2.9 MPa,这表明垂直距离和室的大小也影响垂直应力分布的因素2 #煤巷道的洞穴群时,3 #煤是挖掘。

4所示。巷道围岩稳定性控制技术

4.1。力学模型和参数计算的支持

结合煤矿巷道的围岩应力状态2,考虑到支持地脚螺栓和锚索的影响,应考虑围岩的加固拱结构进行应力分析,和围岩的力学模型支持结构如图7。


图7
围岩力学模型支持结构。

在上面的围岩力学模型支持结构,一个行间距螺栓,米;b复合拱的厚度,m;问加强拱上的平均负荷,kN / m2;B道路的宽度,m;问地脚螺栓的锚固力,kN;σt1是最终打破单一的锚索,kN;l一个1锚索的锚固长度,m;l一个2暂停不稳定岩层的厚度,m。

根据2 #煤巷道的地质条件Hongqingliang,上覆岩层的平均单位重量γ是2650 kN / m3;不稳定岩层的厚度l一个2作用于巷道顶板是5米;剩余系数k1是1.2;的安全系数K是1.8;锚固力问地脚螺栓的70 kN;的抗拉强度σt是3.8 MPa;直径d20毫米;最终的破坏力量σt1锚索的355 kN;净宽度B巷道是5米。

以下4.4.1。行间距螺栓

行间距计算螺栓使用钢筋拱理论。螺栓的长度l2 #煤巷道中使用2.4米。行间距螺栓计算公式(1)[23]。相比单一的锚杆支护理论或u形钢棚支持方法,研究[23)结合了上述两种方法的优点,能充分发挥围岩自身的承载能力,同时提高被动支持尽可能多的能力。

在公式(1),l地脚螺栓长度,m;l1地脚螺栓的接触长度,m;b复合拱的厚度,m;α是岩体控制角螺栓断裂,°;一个行间距螺栓,m。根据现场测量数据,l是2.4米,l1是0.1米,b是1.5米,α45°,行间距螺栓吗一个≤0.8米。

4.1.2。锚杆直径

根据锚承载力的强度原则和锚固力,锚直径可以由公式(2)[23]。

在公式(2),d锚杆直径,mm;k1是过剩系数;问锚杆的锚固力,kN;σt地脚螺栓的抗拉强度,MPa。根据现场实测数据,k1是1.2,问是70 kN,σt为3.8 MPa。把上面的参数代入公式(2)来计算d≥18.4毫米和确定锚杆直径20毫米。

4.1.3。锚索的长度

锚索已暂停岩层的功能,和锚索的长度计算公式(3)[23]。

在公式(3),l一个锚索的长度,米;l一个1锚索的锚固长度,m;l一个2暂停不稳定岩层的厚度,米;l一个3支承板的厚度和锚固,米;l一个4锚索的接触长度,m。

在公式(4)[23),φ1增粘剂的直径,mm;φ2钻孔直径,mm;φ3锚索的直径,mm;c增粘剂的长度,m。根据现场测量数据,l一个1是1.6米,l一个25米,l一个3是0.15米,l一个4是0.25米。考虑到屋顶厚度的不均匀性,安全系数是1.4,l一个由公式(≥6.8米计算3),所以锚链的长度是7300毫米。

4.1.4。行间距固定电缆

确定锚索间距根据岩石重量由锚索锚栓的失败,是由公式(5)[23]。

在公式(5),年代行间距固定电缆,米;B道路的宽度,m;γ上覆地层的平均单位重量,kN / m3;K安全系数;σt1是最终打破单一的锚索,kN。根据现场实测数据,B5米,γ是2650 kN / m3,K是1.8,σt1是355 kN。年代由公式(2.2米计算5)。

4.2。支持模拟研究

为了充分比较的影响参数对围岩控制效果的支持,不同的关系支持参数和巷道位移场、应力场研究通过数值模拟来确定巷道的合理支持参数。采用FlAC3D软件建立数值计算模型,以及模型大小x×y×z= 80 m×50米×53.5米。为了保证计算的精度和效率,强化道路附近的网格,莫尔-库仑模型选为模型的本构关系,和表面接触库仑模型选为节理本构模型。边界模型的顶部是一个免费的边界。左边和右边和底部边界模型的位移边界条件。数值计算模型和网格划分如图8,岩层的物理力学参数表中列出2。


图8
数值计算模型和啮合。
表2
岩层物理力学参数表。

集u形钢棚间距为0.5米(方案1),1米(方案2)和1.5(方案3),分别对模拟。地脚螺栓的预紧力是60 kN,和锚索预紧力是140 kN。三个模拟方案研究巷道围岩的维修和支持效应两个方面,包括位移场和应力场。

4.2.1。准备位移场分析

数据显示9- - - - - -11屋顶,在方案1中,最大沉降的道路是110毫米,底鼓是56毫米,位移是82毫米,左边右边位移是81毫米,u形钢流轴向力的分布长度> 170 kN是2.03米。在方案2中,屋顶的最大沉降的道路是123毫米,底鼓是66毫米,左边位移是85毫米,右边位移是86毫米,u形钢流轴向力的分布长度> 170 kN是2.74米。在方案3中,屋顶的最大沉降的道路是158毫米,底鼓是120毫米,位移是98毫米,左边右边位移是101毫米,u形钢流轴向力的分布长度> 170 kN是4.19米。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图9
垂直位移。(一)方案1。(b)方案2。(c)方案3。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图10
水平位移。(一)方案1。(b)方案2。(c)方案3。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图11
在不同的职位巷道变形。(a)不同位置的屋顶,(b)不同位置的地板上,左侧(c)不同位置,(d)不同位置的右边。
4.2.2。应力场的分析

围岩垂直应力分布基本上是一致的范围内0∼4米的巷道,和垂直应力的方案1是略低于计划2。与围岩表面的距离的增加,方案1和方案2更能调动深稳定岩体的承载能力比方案3,和深度围岩垂直应力也就相应地提高。0∼1米的范围内道路表面,顶板围岩垂直应力的方案1约为0.3 MPa和2 MPa高于方案2和方案3,分别不同的围岩垂直应力方案1和方案2是非常小的(数字11- - - - - -13)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图12
垂直压力。(一)方案1。(b)方案2。(c)方案3。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图13
压力在巷道的不同位置。(a)不同位置的屋顶,(b)不同位置的地板上,左侧(c)不同位置,(d)不同位置的右边。

从巷道的围岩变形和应力分布,结果表明,方案1和方案2可以更有效地控制围岩变形综合分析后比方案3。修复之间的差异和支持方案1和方案2的影响很小,但方案2可以节省巨大的经济成本与之相比方案1。因此,确保条件下巷道修复的可靠性和支持,考虑到经济成本因素,方案2是采用巷道维修和支持。

5。结论

(1)开挖后的商会组织,相邻的弱胶结巷道的围岩应力调整。垂直方向的垂直压力主要是扩大和增加扩展距离与隧道的数量的增加,从而影响岩层的位置7 - 12乘以室的高度。水平应力主要是水平方向扩展,和扩展距离增加而隧道的数量的增加,从而影响岩层的位置室宽度的3 - 6倍。弱胶结岩石地层的应力集中主要受垂直压力室发布的集团。(2)根据支持的概念”容许变形+应力释放+控制形式,“u形钢的巷道支架技术+流腿螺栓+钢网层控制形式,“柔性材料填充墙与“许用变形+压力释放”。u形钢支架后填充墙后面,加强关键部件,支持强度围岩变形曲线显示了一个初期缓慢增加的变化规律,近似线性增加中间阶段,后期下降缓慢。(3)巩固了软岩石巷道表面位移的没有改变,这确保了巷道的围岩变形与破坏的一个合理的范围内,并实现巷道的安全与正常使用。

数据可用性

所有的数据、模型和代码生成或使用在研究出现在提交文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突与任何个人/组织目前的工作。

确认

本研究中所描述的研究是财政支持的重点项目的联合基金(没有区域创新和发展。U21A20110),中国国家自然科学基金(没有。52204093),山东省自然科学基金(ZR2022ME060号和ZR2022ME165),国家重点实验室开放基金(没有。SKLMRDPC20KF01),聊城大学的博士科研基金(318052263)。