基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法

2023-05-30 22:13:21 3

基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，包括步驟：一、巷道開挖；二、圍巖基本力學參數確定；三、巷道支護方案確定：對巷道幫部支護體系和底板支護體系的支護結構進行確定時，過程如下：巷幫極限平衡區寬度確定、巷道底板最大破壞深度及巷道底板最大破壞深度處至相鄰巷道幫壁的水平距離確定和巷道幫部支護體系與底板支護體系確定；四、巷道圍巖支護施工；五、下一節段開挖及巷道圍巖支護施工；六、多次重複步驟五，直至完成矩形巷道的全部開挖及巷道圍巖支護施工過程。本發明方法步驟簡單、實現方便且投入成本低、使用效果好，能有效解決矩形巷道的擠壓流動性底臌問題，避免了巷道返修工作，且施工成本低。
【專利說明】基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於礦用矩形巷道底板支護【技術領域】，具體涉及一種基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法。
【背景技術】
[0002]隨著開採規模和開採深度的不斷加大，礦山回採巷道由於圍巖條件、應力狀況最為複雜，加上較軟弱的底板巖層及工作面超前支承壓力的影響，底臌現象十分普遍，對底臌的有效控制成為急待解決的技術難題。為此，大量的專家學者和現場工程技術人員對巷道底臌災害進行了深入研究。康紅普經過分析認為底臌的原因在於失穩的底板巖層向巷道內壓曲、偏應力作用下的擴容、巖石自身的遇水膨脹等；姜耀東根據巷道所處的地質條件、底板圍巖性質和應力狀態的差異、底板巖層臌入巷道的方式將底臌分為擠壓流動性底臌、撓曲褶皺性底臌、遇水膨脹性底臌及剪切錯動性底臌；賀永年等通過對茂名礦區軟巖巷道變形的實測和研究認為底臌變形全過程是由兩幫巖柱傳遞頂板壓力開始，兩幫圍巖在擠壓底板的同時一起下沉，底板在嚴重擠壓變形的情況下發生斷裂，然後底板隆起；侯朝炯等通過對回採巷道底板的受力變形分析，認為回採巷道底板位移分為兩個階段；潘一山等藉助有限單元法和相似材料模擬實驗研究了巷道底臌的時間效應及軟巖遇水膨脹引起的底臌；王衛軍等基於現場試驗和理論分析，提出回採巷道底臌的主要影響因素是工作面超前支承壓力，在提高巷道圍巖整體穩定性的同時，加固幫、角可較好地控制回採巷道的底臌。這些研究成果對底臌災害的有效控制發揮了積極的指導作用，但由於煤礦巷道應力狀況和圍巖性質的複雜性，對底臌機理至今尚沒有統一的認識，進而導致現場底臌控制措施的確定大多採用工程類比法和施工人員的經驗法，具有相當大的盲目性和對經驗的依賴性，底臌治理效果並不理想。工程實際中，巷道開挖後，對底板而言，兩幫巖體起著傳遞應力的作用，底臌的發生及發展與兩幫支承壓力的分布是密切相關的。
[0003]根據巷道底鼓形成的力學作用機理，巷道底鼓主要分為以下5種類型，第一、擠壓流動性底鼓:該類型巷道底鼓主要發生在巷道底板為軟弱破碎巖體的巖層內，在垂直地應力作用下，以巷道底板為沿空自由面，底板軟弱破碎巖體受水平應力擠壓流動到巷道內，形成巷道底鼓，其力學模型詳見圖6。當巷道整體處於軟弱破碎為巖體時，由於開採造成應力重新分布和構造應力的不斷釋放，使破碎底板巖體變形逐漸增大，產生擠壓流變底鼓隨時間不斷發展的時間效應。第二、擠壓撓曲型底鼓:該類型底鼓發生在層狀巖體，並且對於中硬巖體的巷道工程也會造成底鼓的出現。由於水平壓力作用，層狀巖體產生撓曲變形，沿巷道底板臨空方向凸起，造成巷道底鼓。研究表明，巖層分層越薄，巷道跨度越大，巖體越軟弱，底鼓也越嚴重。第三、剪切型底鼓:巷道破碎圍巖體作用於巷道底板，使底板巖體受到剪切作用，底板軟弱巖體沿剪切弱面形成滑移體，剪切滑移巖塊在外力作用下發生剪切錯動，並向巷道內凸出。第四、膨脹型底鼓。巖石是一種多組分材料，在不同環境條件下表現出不同的物理力學性質，巖石浸水後，不僅巖石強度弱化，對於含有蒙託石、泥質巖等的巖層，會發生巖體膨脹，出現巖體擴容現象。同時巖體膨脹產生膨脹應力，加劇巖體變形造成巷道底鼓。第五、複合型底鼓。對於處在複雜條件下的巷道工程，巷道圍巖受多因素的影響和制約，如水平構造應力、剪切應力、膨脹應力等，形成多因素共同作用的複合型巷道底鼓。
[0004]其中，擠壓流動性底臌是一種最為常見的巷道底臌類型，其發生及發展過程與巷道兩幫巖體及底板巖體的受力密切相關。當回採巷道開挖後，圍巖應力發生重新分布，煤幫在支承壓力的作用下形成極限平衡區和彈性區。其中，巷幫極限平衡區寬度對於煤幫及底板支護參數的確定至關重要。其中，極限平衡區範圍內的巖體一方面自身產生塑性變形甚至破碎；另一方面，變形後的巖體將頂板的支承壓力傳遞給巷道底板，導致底板巖體產生剪切流動，最終形成擠壓流動性底臌，底板隆起後又進一步加劇了頂板的下沉和兩幫的變形，巷道斷面出現「頸縮」現象，從而嚴重影響巷道的正常使用。但迄今為止，關於巷幫極限平衡區寬度的研究並不多見，並且在對極限平衡區巖體進行受力分析時，僅考慮了其上部支承壓力的作用，忽略了彈性區上方支承壓力對極限平衡區內巖體變形的影響，而工程實際中，極限平衡區的形成既是其上方支承壓力作用的結果，與此同時，彈性區上方支承壓力對極限平衡區內巖體的變形破壞也具有一定的影響。綜上，在擠壓流動性底臌的發生及發展過程中，由於現有的理論分析與回採巷道底板變形破壞的實際過程不盡相符，使得相關支護設計參數的選取並不合理，加之底板施工困難，因而回採巷道底臌控制效果並不理想，返修工作量大，維護費用高，嚴重製約了煤礦的正常生產。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其方法步驟簡單、實現方便且投入成本低、使用效果好，能有效解決矩形巷道的擠壓流動性底臌問題，避免了巷道返修工作，且施工成本低。
[0006]為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:一種基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:沿巷道縱向延伸方向由前至後分多個節段對需進行底臌災害防治的巷道進行開挖及巷道圍巖支護施工，需進行底臌災害防治的巷道為橫斷面為矩形的矩形巷道，多個所述節段的開挖及巷道圍巖支護施工方法均相同；對於任一節段進行開挖及巷道圍巖支護施工時，包括以下步驟:
[0007]步驟一、巷道開挖:對當前所施工節段進行開挖；
[0008]步驟二、圍巖基本力學參數確定:通過對現場所取巖樣進行室內試驗，對步驟一中開挖後當前所施工節段的圍巖基本力學參數進行測試，並對測試結果進行同步記錄；
[0009]步驟三、巷道支護方案確定:所採用的巷道支護方案為沿巷道延伸方向由前至後布設在矩形巷道內的多個巷道支護單元，多個所述巷道支護單元的結構均相同；
[0010]所述巷道支護單元包括布設在矩形巷道頂板上的頂板支護體系、布設在矩形巷道底板上的底板支護體系和布設在矩形巷道左右兩側巷道幫上的巷道幫部支護體系，所述頂板支護體系、所述底板支護體系和所述巷道幫部支護體系均布設在同一巷道斷面上；對所述巷道支護方案進行確定時，需對所述頂板支護體系、所述底板支護體系和所述巷道幫部支護體系的支護結構分別進行確定，且確定過程如下:
[0011]對所述頂板支護體系所採用的支護結構進行確定時，根據步驟二中所確定的圍巖基本力學參數，確定當前所施工節段的頂板支護體系所採用的支護結構；[0012]對所述巷道幫部支護體系和所述底板支護體系的支護結構進行確定時，其確定過程如下:
[0013]步驟301、巷幫極限平衡區寬度確定:根據公式
【權利要求】
1.一種基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:沿巷道縱向延伸方向由前至後分多個節段對需進行底臌災害防治的巷道進行開挖及巷道圍巖支護施工，需進行底臌災害防治的巷道為橫斷面為矩形的矩形巷道(I)，多個所述節段的開挖及巷道圍巖支護施工方法均相同；對於任一節段進行開挖及巷道圍巖支護施工時，包括以下步驟: 步驟一、巷道開挖:對當前所施工節段進行開挖； 步驟二、圍巖基本力學參數確定:通過對現場所取巖樣進行室內試驗，對步驟一中開挖後當前所施工節段的圍巖基本力學參數進行測試，並對測試結果進行同步記錄； 步驟三、巷道支護方案確定:所採用的巷道支護方案為沿巷道延伸方向由前至後布設在矩形巷道(I)內的多個巷道支護單元，多個所述巷道支護單元的結構均相同； 所述巷道支護單元包括布設在矩形巷道(I)頂板上的頂板支護體系、布設在矩形巷道(I)底板上的底板支護體系和布設在矩形巷道(I)左右兩側巷道幫上的巷道幫部支護體系，所述頂板支護體系、所述底板支護體系和所述巷道幫部支護體系均布設在同一巷道斷面上；對所述巷道支護方案進行確定時，需對所述頂板支護體系、所述底板支護體系和所述巷道幫部支護體系的支護結構分別進行確定，且確定過程如下: 對所述頂板支護體系所採用的支護結構進行確定時，根據步驟二中所確定的圍巖基本力學參數，確定當前所施工節段的頂板支護體系所採用的支護結構； 對所述巷道幫部支護體系和所述底板支護體系的支護結構進行確定時，其確定過程如下: 步驟301、巷幫極限平衡區寬度確定:根據公式
2.按照權利要求1所述的基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:步驟301中對巷幫極限平衡區寬度Xtl進行確定之前，需先基於彈性地基梁理論建立當前所施工節段的巷道兩幫巖體界面應力計算模型，且所建立的巷道兩幫巖體界面應力計算模型為在無支護情況下的力學模型，所建立的力學模型中由矩形巷道(I)的幫壁向內依次形成破裂區、塑性區、彈性區和原巖應力區，其中破裂區和塑性區的巖體處於應力極限平衡狀態，所述破裂區和塑性區組成極限平衡區。
3.按照權利要求1或2所述的基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:步驟303中所 述巷道幫部支護體系和所述底板支護體系所採用的支護結構均為預應力錨杆支護結構；步驟四中對當前所施工節段進行支護施工時，先對所述頂板支護體系和巷道幫部支護體系所採用的支護結構進行施工，之後再對所述底板支護體系所採用的支護結構進行施工。
4.按照權利要求3所述的基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:步驟303中對當前所施工節段的底板支護體系所採用的支護結構進行確定時，根據當前所施工節段的巷道寬度進行確定:噹噹前所施工節段的巷道寬度小於3m時，所述底板支護體系包括左右兩根底板錨杆，兩根所述底板錨杆均呈豎直向布設，兩根所述底板錨杆分別為左側底板錨杆一和右側底板錨杆一，所述左側底板錨杆一與當前所施工節段左側巷幫之間的間距以及所述右側底板錨杆一與當前所施工節段右側巷幫之間的間距均為I ;噹噹前所施工節段的巷道寬度不小於3m時，所述底板支護體系包括四根底板錨杆，四根所述底板錨杆均呈豎直向布設，四根所述底板錨杆包括兩根左側底板錨杆二和兩根右側底板錨杆二，兩根所述左側底板錨杆二之間的中心位置與當前所施工節段左側巷幫之間的水平距離為1，兩根所述右側底板錨杆二之間的中心位置與當前所施工節段右側巷幫之間的水平距離為I ;所述左側底板錨杆一、所述右側底板錨杆一、兩根所述左側底板錨杆二和兩根所述右側底板錨杆二的長度均不小於hmax。
5.按照權利要求4所述的基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:所述底板支護體系所採用的支護結構還包括兩個分別對稱布設在矩形巷道(I)底板左右兩端的幫角錨杆(1-4);所述左側底板錨杆一、所述右側底板錨杆一、兩根所述左側底板錨杆二和兩根所述右側底板錨杆二的長度均等於h+K.hmax+l2，其中hmax為步驟302中所確定的巷道底板巖體最大破壞深度；兩個所述幫角錨杆(1-4)的長度均等於
6.按照權利要求3所述的基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:所述巷道幫部支護體系所採用的支護結構包括兩個分別對稱布設在矩形巷道(I)左右兩側巷道幫上的幫部支護結構，兩個所述幫部支護結構的結構相同； 所述幫部支護結構包括布設在矩形巷道(I)的巷道幫上且呈水平向布設的巷道幫部錨杆(1-1);所述巷道幫部錨杆(1-1)的長度等於IAxdl2，其中I1 = 0.1m~0.2m，X。為步驟301中所確定的巷幫極限平衡區寬度，I2 = 0.3m~0.5m。
7.按照權利要求6所述的基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:所述巷道幫部錨杆(1-1)的數量為一個或多個；且當巷道幫部錨杆(1-1)的數量為一個時，該巷道幫部錨杆(1-1)布設在所述需防治回採巷道的巷道幫中部；當所述巷道幫部錨杆(1-1)的數量為多個，多個所述巷道幫部錨杆(1-1)呈均勻布設且相鄰兩個所述巷道幫部錨杆(1-1)之間的間距為0.Sm~lm。
8.按照權利要求1或2所述的基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:多個所述節段的縱向長度均為1m~50m。
9.按照權利要求1或2所述的基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:步驟一中巷道開挖完成後，從已開挖完成的當前所施工節段中選取一個節段作為試驗段；步驟二中進行圍巖基本力學參數確定時，從所述試驗段取巖樣進行室內試驗，且所獲得的試驗結果為開挖後當前所施工節段的圍巖基本力學參數；步驟301中進行巷幫極限平衡區寬度確定時，b為所述試驗段的縱向長度且b = lm。
10.按照權利要求1或2所述的基於彈性地基梁的矩形巷道擠壓流動性底臌防治方法，其特徵在於:步驟三中對所述頂板支護體系所採用的支護結構進行確定時，按照常規巷道頂板支護方案的確定方法進行確定；所述頂板支護體系所採用的支護結構為預應力錨杆支護結構或錨索與錨杆聯合支護結構。
【文檔編號】E21D11/00GK104018847SQ201410279819
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月21日 優先權日:2014年6月21日
【發明者】於遠祥 申請人:西安科技大學