注浆支护深度对非等压圆形巷道围岩塑性区半径的影响.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月矿业工程研究 :注浆支护深度对非等压圆形巷道围岩塑性区半径的影响王攀,王卫军,袁超,范磊(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 ;湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室,湖南 湘潭 )摘要:随着煤矿开采水平的不断提高,我国许多矿区陆续进入深部开采阶段,深部围岩大多处于高应力状态,并且强度低、易破碎,因此注浆支护已成为一种常用、有效的支护手段,研究注浆支护对于巷道周边围岩的稳定性有着重要意义塑性区发育始终伴随巷道围岩的破坏,为研究注浆支护深度对塑性区半径的影响,基于 强度准则,推导出巷道围岩塑性区半径关于注浆支护深度的函数,并对巷道进行注
2、浆支护数值模拟和塑性区半径理论计算 结果表明:数值模拟得到的塑性区半径与理论计算得到的塑性区半径极为接近;同时,在注浆范围与塑性区范围理论值趋于相近时,塑性区范围无论是模拟值还是理论值,都已趋于稳定,此时的注浆支护范围也是最佳注浆支护范围关键词:注浆深度;塑性区半径;数值模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:;收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(;);湖南省自然科学基金资助项目()通信作者,:矿业工程研究 年第 卷随着煤矿开采水平的不断提高,我国许多矿区陆续进入深部开采阶段 在高应力下,巷道围岩强度低、易破碎,塑性区范围大、发育快、恶性拓展剧烈等问题对巷道围岩的
3、支护与控制造成巨大的困难,使得巷道的支护问题成为矿山工程领域的一大难题针对这一难题,许多学者进行了大量的试验研究,发现注浆支护对于解决这一难题有着重要的作用王卫军等 研究围岩岩性对塑性区的影响,发现其对塑性区的发育深度起着决定作用,而注浆支护可以有效地改善围岩力学性质,将破碎的围岩体重新构筑成一个整体,充分利用巷道围岩自身承载能力,遏制塑性区的恶性发育拓展;孟庆彬等 提出“锚注加固体等效层概念”,研究锚注加固的内聚力、内摩擦角对巷道围岩位移及塑性区的影响规律;潘锐等 研究注浆前后锚固体界面力学特性,对锚注支护主要参数进行现场比选和应用;李树清等 研究底板注浆加固后深部软岩巷道两帮围岩变形量、塑
4、性区范围变化;李文洲等 研究注浆支护参数对围岩控制效果的影响,并针对实际现场改良注浆支护参数;孟庆彬等 研究注浆支护的时机,并提出以应力释放率阈值作为判定注浆时机的指标;王琦等 系统地研究锚注支护参数和部位等因素对围岩变形控制效果的影响机制;袁超等 研究巷道围岩的侧压系数、内聚力及内摩擦角对塑性区分布形态和范围的影响;王琦等 研究锚注浆液的扩散及加固规律;周波等 模拟浆液在弱结构体内的扩散规律,确定合理的注浆钻孔参数以上诸多学者从注浆支护的时机、参数、支护的部位和注浆支护力学机理等方面出发,揭示了注浆支护对巷道支护的作用和巷道围岩塑性区大小、形状以及发育拓展等方面的影响,形成了较为系统的注浆支
5、护理论,但是针对注浆支护范围的大小对巷道支护效果的影响以及支护的经济效益等方面的研究较为缺乏 因此,本文基于各位学者的研究,利用数值模拟和理论分析计算这 种分析手段,对比验证,研究注浆支护范围大小对巷道围岩控制以及塑性区范围的影响 注浆影响下的围岩塑性区边界方程 基本假设)巷道为圆形深埋平巷,巷道无限长)巷道围岩为连续、均匀、各向同性的理想弹塑性材料,且满足 强度准则)注浆对巷道围岩的影响限定为仅改变巷道的粘聚力()与内摩擦角()巷道力学模型 巷道围岩分区划分依据董方庭等 的松动圈理论,可以将巷道周边围岩划分为 个区,即破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区 本文应用注浆支护手段,探究注浆深度对巷
6、道围岩位移以及塑性区范围的影响,把注浆后的围岩划分为 个区,分别为注浆区、塑性区和弹性区,如图 所示,分别为竖向压力与侧向压力,为塑性区半径,为注浆半径,为巷道半径 同时,简化模型,将实际中的半圆拱形巷道简化为圆形巷道,以下计算都基于圆形巷道进行,但在进行数值模拟验算过程中,仍应用实际的半圆拱形巷道进行模拟图 巷道力学模型第 期王攀,等:注浆支护深度对非等压圆形巷道围岩塑性区半径影响 注浆深度对于围岩塑性区大小影响分析依据王宏伟等 文中巷道围岩应力计算公式以及蔡美峰等 的弹塑性理论,由岩体平衡微分方程与 强度准则:;()()可得 ();()()()式中:与 分别为围岩径向应力与围岩环向应力;为
7、巷道围岩某点到巷道中心点的距离;为注浆深度与围岩塑性区半径相关系数,未注浆时 未注浆时:;();()()()当注浆后,在注浆区有,;式中:为注浆后的粘聚力;为注浆后的内摩擦角)注浆深度对塑性区大小影响方程求解依据弹塑性理论 ,在弹性区有()();()()()()因此,在弹性区内边界代入边界条件 有()()()式中:为弹性区内边界径向应力;为原岩应力同理,在塑性区的外边界上,由式()代入边界条件 有 ()()式中:为塑性区外边界径向应力由边界条件与巷道力学模型图(图 )可知,围岩的弹性区内边界与塑性区外边界相邻,处于同一个界面,因此,二者在此处的径向应力相等,即 由此联立式()与式()可得 的隐
8、函数:矿业工程研究 年第 卷 ()()()()相关系数 求解由于注浆区分布在塑性区内,因此,注浆后,在注浆区有 ()()代入注浆区边界条件 有 ()()式中:为注浆半径;为注浆区边界径向应力,并且,该位置也处于塑性区中,因此有 ()()同时,当巷道没有支护反力,时,由此联立式()与式()可得相关系数 关于 的函数关系式:()()()将式()代入式()即可得出巷道围岩塑性区半径 与注浆半径 的函数关系:()()()()()()()注浆影响下的巷道周边围岩位移计算依据弹塑性理论 ,将注浆后的力学参数代入位移求解公式得()()()式中:为巷道注浆区位移;为巷道切向位移;为围岩泊松比;为围岩弹性模量;
9、为注浆后的巷道周边围岩径向应力;为注浆后的巷道周边围岩环向应力 数值模拟验算以云南湾田集团兴路煤业一采区南翼轨道巷注浆支护工程为工程背景,该巷道埋深 根据理论计算中的数学模型,建立长 ,宽 ,厚 的 数值模型,采用 强度准则作为围岩的破坏准则,模拟注浆支护对于巷道塑性区半径和巷道周边应力分布的影响,模拟初始参数如表 所示表 初始参数力学参数密度 ()弹性模量 泊松比 粘聚力 内摩擦角 ()侧压系数 数值 模拟注浆方案模拟注浆方式为先以原定参数开挖运行 步,待塑性区初步发育形成,再以改变粘聚力和内摩擦角的方式模拟注浆加固,最终对比分析注浆后塑性区的发育改善情况在模拟中,当塑性区初步发育形成后,以
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