A070101深部松软煤层巷道围岩超前预加固优化技术研究Word文档格式.docx
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这一倒拱梁在形成过程中伴随着上部破碎块体的调整(移动、转动),上部岩块在调整中形成新的承载体,达到新的拱平衡,如图1(b)所示。
此外在巷道横断面内,沿周边的超前锚杆也组成类似倒拱梁形式的边界补充条件,如图1(c)所示。
这种类似倒拱梁上部碎裂块体经必要的移动和转动,达到新的平衡,也形成新的平衡承载拱。
因此,超前锚杆预支护机理可解释为:
超前锚杆与破碎岩块组成一个中间部位刚度低的梁,而沿巷道周边的这种梁在变形过程中调整上部碎裂块体(移动或转动),使其形成三维的拱壳结构,从而充分发挥围岩自承能力,形成人为拱效应,并随时在外部的扰动下进行微小的新调整,达到超前预支护加固围岩的目的。
倒拱梁横断面上碎裂块体组成的多级承载拱
超前锚杆与破碎岩块组成的倒拱梁横断面
(a)(b)(c)
图1超前锚杆与围岩组成联结体的结构示意图
2数值计算模型
在对围岩结构超前预加固优化机理理论初步研究的基础上,为进一步确认和分析超前锚杆对巷道围岩结构的预加固优化作用的内在机理,本次研究采用有限元程序对其进行了模拟分析研究,以期获得对围岩结构的预加固优化机理的更全面、更科学的解释。
2.1计算方法
超前锚杆预加固作用与巷道掘进施工为一动态过程,揭示在这一动态过程中超前锚杆的受力变化、巷道围岩的应力分布的动态演化规律来反映超前锚杆与围岩的相互作用,据此研究超前锚杆的内在作用机理。
弹塑性空间有限元程序2D作为一个结构应力分析系统能方便地对锚杆、壳、梁等支护体进行设定,并能对工程动态问题中的支护体受力状态、围岩应力变化规律以及塑性破坏区发育形态等情况进行很好的模拟。
本研究采用该程序进行巷道开挖过程中超前锚杆的预加固作用机理研究。
2.2数值计算模型的建立
(1)本构方程
本研究中将数值计算研究对象作为平面应变问题处理,物理模型定为弹塑性模型,塑性屈服准则选用Mohr-Coulomb准则。
(2)几何模型及参数
计算中为消除边界效应,以开挖巷道跨度的10倍作为各模型的计算边界,并将研究巷道布置于几何模型的中心。
采用阶段分析方法,先通过重力平衡计算模拟原应力状态,然后进行巷道开挖、支护以及布设超前锚杆,随后进行巷道动态开挖、支护模拟。
在超前锚杆群预支护的模拟中,巷道动态开挖过程中按一定间距布设锚杆,按照“掘巷-布设超前锚杆-运算-掘巷”的步骤进行循环模拟运算。
(3)边界约束条件
模型左、右边界设为水平位移约束边界(ux=0),下边界设为全约束边界(ux=0,uy=0),上边界为零约束边界。
(4)应力施加方案
模型上边界自由边界,上部荷载直接作用于其上,大小等于覆岩自重。
模拟中假设研究对象处于静水应力状态,即所施加的水平应力大小与竖直应力(自重应力)相等。
2.3计算方案
本次研究采用以下三种方案。
方案一:
锚杆直径为42mm、锚杆布设角α为80;
方案二:
锚杆直径为42mm、锚杆布设角α为70;
方案三:
锚杆直径为20mm、锚杆布设角α为70。
三种方案中锚杆长度L均为2000mm,锚固形式均为全长锚固。
通过直径变化模拟不同刚度情况。
然后基于单根锚杆超前支护模拟的初步优化结果,进行锚杆群超前支护模拟。
3数值模拟结果与分析
3.1单根超前锚杆作用机理分析
对单根超前锚杆在深部软岩巷道开挖过程中不同阶段的应力分布大小和范围,以及锚杆受力状态的研究是超前锚杆作用机理的研究基础。
因此,分析不同直径、不同布设角度的超前锚杆锚杆的受力状况,同时也是确定超前锚杆最佳工作状态及参数的首要条件。
3.1.1模拟方案对比
(1)模拟方案一
图2~6和图7~10分别为方案一模拟所得单根超前锚杆作用时锚杆与相邻围岩的X方向应力x和Y方向应力y分布图。
图2打入超前锚杆后x应力图
(=42mm,=80)
图3开挖1m后x应力图
(=42mm,=80)
图4开挖2m后x应力图
图5开挖3m后x应力图
图6开挖4m后x应力图
图7打入超前锚杆后y应力图
图8开挖1m后y应力图
图9开挖3m后y应力图
图10开挖4m后y应力图
从图中可以看出:
在超前锚杆布设初期,位于巷道围岩内部的超前锚杆的杆体部分产生压应力集中,而在锚杆尾部存在拉应力集中,如图2和图7所示。
造成这一现象的原因可从两个方面进行分析:
一方面由于锚杆安装预紧力以及巷道围岩对锚杆的挤压等共同作用造成围岩内部杆体产生压应力集中;
另一方面,巷道开挖后围岩向巷道空间扩容,导致锚杆尾部产生拉应力集中现象。
随着掘进迎头向前推进(开挖1~3m),锚杆杆体上的拉应力集中区逐步扩大,且逐渐由锚杆的尾部向端部转移;
相应地压应力集中区逐渐减小,由锚杆的端部向尾部转移(图3~5、图8、图9)。
当巷道进尺超过单根超前锚杆在水平方向上的投影长度时,拉应力集中区主要集中在锚杆的端部,而在锚杆尾部产生压应力集中。
分析其原因,主要是由于锚杆尾部与巷道其它支护体共同作用产生承载能力,阻止巷道围岩下沉,从而产生压应力集中;
随着巷道的往前掘进,巷道顶部围岩产生松动、下移,由此锚杆与孔壁围岩间的相互作用力逐步向深部(锚杆端部)转移。
当迎头远离超前锚杆端部时,相对而言处于巷道顶板深处的锚杆端部与孔壁围岩间仍存在一定的锚固力。
此时的超前锚杆与围岩间的作用体现在两个方面:
一方面,在铅垂投影方向上,超前锚杆可以近似地看作为一根长度为Lcos的端头锚固锚杆,承担着对下部松散岩体的悬吊作用;
另一方面,在水平投影方向上则可以看作是一根长度为Lsin的简支梁,梁的两端分别被固定在深部锚固端和尾部与其它支护体共同作用点,因为顶板围岩的下沉及错动,产生下拽力作用,结果导致锚杆端部产生拉应力集中。
随着掘进迎头继续推进(开挖4m),锚杆端部围岩拉应力集中的范围逐渐扩大,而整个杆体则出现压应力集中(图6、图10)。
此时超前锚杆主要是承受阻止巷道围岩下沉错动而产生的挤压力。
当巷道掘进迎头推进到超过超前锚杆长度2.5倍以上时,应力集中程度及范围基本不再扩展,即该范围为超前锚杆作用的临界范围。
由此可见,超前锚杆不仅对其前方岩体起到加固作用,而且随着迎头继续推进到甚至越过杆体时,锚杆仍能起到加固围岩的作用。
(2)模拟方案二
在模拟方案一的基础上,改变锚杆布设角,以探讨锚杆布设角与超前支护间的定性关系。
图11~14分别为方案二中巷道处于不同开挖阶段时模拟所得单根超前锚杆杆体及其作用区域围岩在Y方向上的应力分布图。
图11打入超前锚杆后y应力图
(=42mm,=70)
图12开挖1m后y应力图
图13开挖2m后y应力图
图14开挖3m后y应力图
从图中可以看出,在“锚杆的初始安装—巷道迎头不断向前推进—迎头超过锚杆安设点2倍以上长度”的整个过程中,锚杆杆体的受力及其周边围岩的应力变化规律与方案一基本一致。
比较方案二与方案一中Y方向应力分布情况时可以看出,方案二中超前锚杆杆体上及其周边围岩的应力叠加程度和作用范围比方案一大,即减小锚杆布设角有利于更好地发挥超前锚杆的预支护加固作用和对掘进面前方破碎岩体稳定性的控制。
(3)模拟方案三
在方案一和方案二模拟结果的基础上,选用相对利于前方岩体控制的锚杆布设角(=70),改变锚杆直径(20mm),其它参数不变,以探讨锚杆直径与超前支护间的定性关系。
图15~18分别为方案三中巷道在不同开挖阶段时模拟所得单根锚杆超前预支护作用区及锚杆杆体在竖直方向上的应力分布图。
图15打入超前锚杆后的y应力图
(=20mm,=70)
图16开挖1m后的y应力图
图17开挖2m后的y应力图
图18开挖4m后的y应力图
从图中可以看出,在超前锚杆在整个巷道向前推进的动态过程中,锚杆杆体及其周边围岩的应力变化规律与方案一、二基本一致。
比较方案三与方案二可以看出,锚杆刚度(直径)减小后,超前锚杆预支护作用的影响范围以及锚杆周边围岩的应力叠加程度都相应减小,不利于对前方岩体的超前预加固作用。
由此可见,巷道掘进超前支护中,增加锚杆的刚度可以提高锚杆预支护加固效果。
这主要是因为在超前锚杆与围岩的共同作用中,杆体不仅具有拉伸和压缩的力学作用,而且具有抗弯、抗剪作用。
因此,在超前锚杆预支护设计时,不仅要考虑锚杆的强度,而且要考虑它的刚度。
3.1.2结果分析
从结果对比分析可以看出,单根超前锚杆的作用范围是有限的,锚杆的超前控制效果与其长度、刚度以及布设角度均有一定的关系,如在一定范围内增加锚杆的刚度、减小布设角均能提高超前锚杆的预支护加固效果。
一般情况下,对于强度较低、碎裂程度较大的岩体,应选择长度较长、刚度较大的超前锚杆,同时布设角度也应相对较小,这样才能充分调动碎裂围岩自身的承载能力,实现锚杆与围岩的共同耦合承载,形成较强的支承合力,达到超前预支护的目的。
3.2超前锚杆群作用机理分析
基于上述研究成果,选用直径42mm、长2000mm的全长锚固锚杆,以70布设置角进行超前锚杆群作用机理模拟研究。
图19~23分别为巷道掘进迎头推进不同进尺过程中,超前锚杆群支护作用下锚杆及其相邻作用区域围岩垂直方向上的应力分布图。
图19打入超前锚杆后y应力图
图20开挖1m后y应力图
图21开挖2m后y应力图
图22开挖3m后y应力图
图23开挖4m后y应力图
掘进迎头推进前(循环进尺为0m),在迎头前上方布设第一根超前锚杆的初期,锚杆及围岩的应力分布特征与单根锚杆超前支护作用时相同,即围岩内部超前锚杆杆体产生压应力集中,而在锚杆尾部产生局部拉应力集中,如图19所示。
随着掘进迎头向前推进,在第二根锚杆布设后,第一根锚杆的应力集中范围有所转移,其集中程度有所降低,但作用范围增大。
高应力集中区主要在锚杆的尾端,应力变化仍然遵循拉应力集中区逐步向锚杆的端部(深部)转移,而压应力集中区由端部向尾部转移并逐渐减小的规律,如图20所示。
同时,第二根锚杆的应力变化情况类似于第一根锚杆的布设初期,但应力集中程度要低得多,此时第一根锚杆对前上方围岩起主要控制作用。
随掘进迎头继续向前推进,在第三根锚杆安设后(此时迎头推进尺寸超过第一根锚杆在水平方向上的投影长度),在第一根锚杆的端部出现局部拉应力集中,而在锚杆尾部产生压应力集中,但集中程度较低,且第一根锚杆端部的应力集中范围向第二根锚杆方向扩展,如图21所示。
与此同时,第二根锚杆的应力集中区与第三根锚杆尾部的应力集中区产生部分叠加。
第三根锚杆的应力分布特征与第二根锚杆布设初期的情况基本相同。
随着迎头的推进及相应锚杆的安设,随后布设的锚杆的应力分布将重复先前布设的锚杆的应力变化规律,但各锚杆的应力集中均随着迎头推进由后向前渐次增加。
通过以上超前锚杆群预支护作用过程的动态分步模拟分析可以看出:
沿着迎头推进方向,由于先后布设的各锚杆之间的相互作用,锚杆的应力集中程度比单根锚杆超前预支护时有所降低;
由于各锚杆之间的作用范围局部相互叠加,在推进方向上形成动态支承拱,随着迎头的推进而推进,该支承拱与后续安设的锚、网+锚索支护共同作用,从而使超前锚杆群形成一个支护整体,增强了整个超前锚杆群对巷道围岩的支承能力。
通过改变支护参数进行的系统对比研究可以看出,支护参数的改变对超前支护加固作用有很大影响,如当超前锚杆的布设角度过大时,不仅超前锚杆群形成的支承拱影响范围较小,而且也不利于支承拱的形成。
此外,合理的锚杆刚度也是提高锚杆群超前预加固作用效果的保证。
4结论
①超前预支护锚杆与巷道围岩相互作用,通过挤压加固拱和横梁作用,调整锚杆超前加固作用影响范围内破裂岩体力学特性、优化巷道围岩结构、充分调动破裂岩块的自承载能力,可有效实现对掘进迎头前上方岩体运移的控制作用,达到超前预支护加固的目的。
②超前锚杆的控制效果与其长度、刚度以及布设角度均有一定的关系,在一定范围内增大锚杆的直径、减小布设角均能提高超前锚杆的预支护加固效果。
③单根超前锚杆的作用范围有限,而超前锚杆群中各锚杆之间的作用范围局部相互叠加,在推进方向上形成动态支承拱,随巷道迎头的推进而随之推进,该支承拱与巷道后续安设的锚网索支护共同作用,从而使超前锚杆群形成一个支护整体,增强了整个超前锚杆群对巷道围岩的支承能力。
④由于深部软岩巷道工程的工程地质条件千变万化,因此超前锚杆的长度、直径以及布设角度等参数必须针对具体情况来确定。
一般而言,对于强度较低、碎裂程度较大的岩体,应选择长度较长、直径较大的超前锚杆,同时布设角度也应相对较小,这样才能充分调动碎裂围岩自身的承载能力,实现锚杆与围岩的共同耦合承载,形成较强的支承合力,达到超前预支护的目的。
参考文献
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第一作者简介:
孙晓明男,1970年出生。
1992年毕业于山东矿业学院,2002年获得中国矿业大学(北京校区)岩土工程专业博士学位。
现在中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院岩土工程研究所工作,副教授。
主要从事软岩工程力学、软岩巷道工程支护理论与技术等方面的研究。
作为项目负责人承担国家自然科学基金面上项目1项(50544009),目前作为主要研究人员承担国家自然科学基金重大项目(50490270)和教育部科学技术研究重大项目(10405)各1项。
完成国家、省部级和现场企业科研项目10余项。
研究成果获国家科技进步二等奖1项、部级科技进步一等奖2项和三等奖1项。
发表论文22篇,出版专著2部。
获国家实用新型专利2项。
(收稿日期:
2006-08-10;
责任编辑:
周正行)
在软弱、松散、富水地层中修建地下工程,一般多采用超前预加固辅助工法。
目前超前预加固方法主要有超前小导管、超前小导管预注浆、大管棚、深孔注浆、水平旋喷桩、水平搅拌桩和水平冻结等,应根据地质条件及周边环境进行安全、技术、经济对比和适用、成熟可靠性分析合理选用。
为了保证掌子面在开挖过程中土体不会塌方或产生流沙,开挖前需对前方土体采取超前支护、注浆加固等辅助措施。
小导管注浆加固地层技术,是通过沿隧道开挖轮廓线外纵向向前倾斜安设注浆管,并注入浆液,达到超前加固围岩和止水的目的,同时小导管还可起到超前管棚预支护作用。
特点:
①小导管注浆施工工艺简单,易于操作,施工安全,土层加固见效快,浆液损失少,成本低,是隧道施工中最常用的加固土层的方法之一。
②小导管注浆仅作为地下工程施工防坍塌和沉陷的辅助手段。
③小导管超前注浆设计应根据地质条件、隧道断面大小及支护结构型式选用不同的设计参数。
适用范围:
小导管适用于处于无粘结、自稳能力差的砂层及砂砾(卵)石层;
小导管施工只是对开挖掌子面局部土层进行加固,开挖土层不宜长时间暴露,应坚持先支撑后开挖的原则;
同时小导管注浆也可用于各种临时性的地层加固。
管棚超前支护法是近年发展起来的一种在软弱围岩中进行隧道掘进的新技术。
管棚法最早是作为隧道施工的一种辅助方法,在软岩隧道施工中穿越破碎带、松散带、软弱地层,涌水、涌砂层发挥了重要作用。
由于预埋超前管棚做顶板及侧壁支撑.为后续的隧道开挖奠定了坚实的基础,且施工快、安全性高、工期短.被认为是隧道施工中解决冒项的最有效最合理的施工方法。
超前管棚预支护法是在工作面前方的岩体内打入成圈的导管,通过导管向不稳定岩层中注入可凝胶的浆液,充塞裂隙、固结围岩,使导管与围岩形成具有一定强度和抗渗能力的固结体,提高围岩的稳定性,再通过短掘进、强支护,实现特殊地段掘进的施工方法。
本文拟以郭家地煤矿副斜井过流沙层的施工实践为例,对这种施工方法作一介绍。
北京地铁五号线4个暗挖标段超前支护及注浆加固实施情况:
从管棚施工情况分析,对于受力情况复杂部位,通过重要建构筑物时,对沉降要求较高的地方,超前长大管棚是一种十分有效的支护手段。
(1)进一步研究改进长大管棚的注浆工艺,改善浆液的扩散效果,提高长大管棚对不同地层的适应性;
(2)推广应用新的先进的管棚施工工艺,提高管棚施工精度;
3对车站等大断面施工由于其沉降较难控制,可推广采用长管棚的支护方式;
4有条件时管棚宜一次性贯通拱部,避免施工过程中多次挑高;
5从经济角度考虑,150mm以上的大管棚应慎用,150mm以下的管棚,其成本较为适中,可广泛采用。
(3)超前导管。
各标施作小导管情况基本相同,小导管各项指标建议如下:
1小导管宜采用Ф32×
3.25mm钢管;
2拱部小导管布置间距通常为环向0.3m,纵向搭接1~1.5m;
3钢管前端制作成锥形(长10cm),尾部焊箍,钢管从尾部0.8m开始钻Ф6~8的梅花型孔,孔眼间距0.15m;
4注浆前宜先喷5cm厚喷射混凝土封闭掌子面,并在管口设止浆塞;
5超前导管在砂层中宜压注化学浆液;
6注浆压力宜控制在0.2~0.5MPa之间;
7粘土层中可不施作注浆小导管,或改为施作钢钎;
8对于北京的地质情况,采用煤电钻和吹管施作小导管是合适的选择。
(4)拱背回填注浆。
拱背回填注浆是十分必要的,各项指标建议如下:
1拱背回填注浆管宜采用Ф32×
3.25mm钢管,钢管可不钻孔;
2回填注浆管不宜深入初期支护背后土体,仅深入土体0.05~0.1m即可;
3回填注浆浆液首选水泥砂浆,当有渗水的情况下,可考虑采用水泥水玻璃双液浆;
4回填注浆压力不应太大,应控制在0.2~0.3MPa左右;
5拱背回填注浆应及时,当初期支护成环3~5m时,就应进行第一次拱背回填注浆,同时应结合监测资料确定二次注浆时间;
6拱背回填注浆应反复进行,二次注浆必须重新打设注浆管;
7回填注浆管的布设可考虑纵向间距3m左右,梅花形布置。
东莞东深供水应急工程新城路段隧洞进洞口采用大管棚和超前小导管的方法穿过复杂地层,解决了隧洞进洞穿越残坡积和人工填土地质的施工难题,避免了原公路改线施工方案。
郭家地煤矿副斜井过流沙层的施工根据超前管棚预支护方法的支护原理,采用管棚支护设计、施工工艺以及二次支护的形式等。
本次研究(深部松软煤层巷道围岩超前预加固优化技术研究)在众多学者的模拟实验、现场实践分析及力学模型研究等研究成果的基础上,通过对超前锚杆预支护机理的理论分析,采用大型有限元数值模拟程序,建立针对深部软岩巷道开挖过程中超前锚杆预支护作用的力学计算模型,对掘进工作面动态施工过程中超前锚杆与围岩的相互作用过程进行动态演化模拟分析,并设计不同的超前锚杆支护方案,对超前预支护参数进行初步优化,具有重要的理论价值和实践意义。
结论
①超前预支护锚杆与巷道围岩相互作用,通过
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