【doc】巷道支护时机与围岩级别关系的研究

【doc】巷道支护时机与围岩级别关系的研究 巷道支护时机与围岩级别关系的研究 文章编号:1003—5923(2003)04—00011—03 巷道支护时机与围岩级别关系的研究 荣耀 (重庆交通学院.重庆400074) 摘要:巷道围岩支护时机与初始地应力,开挖方式,开挖进度,围岩级别等密切相关, 本文从围岩级别与 巷道围岩支护时机关系进行初步探讨,可为巷道围岩支护提供参考. 关键词:巷道支护时机;围岩级别 中图分类号:TD353文献标识码:A 自六十年代奥地利专家提出新奥法以来,锚喷 支护得到了广泛的应用,在巷道设计和施工过程 中,如何确定比较安全合理的支护参数从而保证围 岩的稳定,并适时的构筑支护结构是其中的关键问 .目前随着支护技术的发展,逐步把临时支护与 永久支护合并考虑,临时支护亦作为永久支护的一 个重要部分.喷锚支护,钢纤维喷混凝土支护就是 实例.应该指出,巷道支护过程实质上就是控制巷 道岩体内的应力一应变的变化过程,因此分阶段 地,有预计地进行支护作业是很重要的,故支护时 机是很值得研究的. 1支护时机 支护过晚会使围岩产生过度的位移而接近破 坏(极限平衡),因此,支护结构应在巷道围岩达到 极限平衡之前开始发挥作用.巷道开挖后要及时 地,尽快地支护,其目的在于控制围岩的初始位移. 这一点在硐室埋深小,围岩力学性能,稳定性差的 情况下,尤其重要.因为在这种场合,几厘米的径向 位移就会造成围岩有害的松弛.在支护结构和围岩 共同工作与共同变形的过程中所表现出来巷帮位 移,矿压,支护时间,支护结构种类之间的关系,可 通过图1表现出来. 图中压力P表示围岩作用于支护上的压应 力,也是支护给围岩的径向约束压应力的反作用 力,讨论围岩变形稳定问题时是以讨论支护给围岩 的径向约束压力与围岩相对位移的关系为中心,而 在讨论支护结构设计时,则是以讨论作用于支护结 构上的压力为中心.图1中的P值既表示矿山压 力又表示径向约束压应力,即支护反力.图中曲线 1表示巷道开挖后在不同时机进行支护或是采用 不同刚度进行支护的,在围岩变形稳定时,约束压 应力与巷道变形量的关系曲线.图中纵坐标表示约 束压应力,亦表示围岩压力,横坐标表示巷道变形 量.曲线1上的最低约束压应力P…值表示围岩 出现松动区的最大约束压应力,支护结构提供的约 束压应力低于此值时,围岩就开始出现松动区.假 如较早地提出大于P…的径向约束压应力,围岩 就不会产生松动.曲线1上P…点的左侧部分的 曲线上的各点表示变形稳定时围岩内只有弹性区 和强度下降区,而右侧部分的曲线上的各点表示变 形稳定时围岩内除有弹性区和强度下降区外,还有 松动区.曲线2是表示巷道开挖后围岩已经产生了 一 定变位后才用某一定刚度的支护结构进行支护, 在支护结构与围岩共同变形中,支护的约束力和围 岩压力之间相互作用的压力增长曲线.曲线1和2 的交点A所对应的纵坐标表示围岩变形稳定时, 支护结构作用在围岩上的径向约束力,横坐标表示 围岩位移量.将曲线1上的约束力用只来表示, 则当围岩条件一定时,P值与支护结构的刚度有 关,也与支护时机有关.假如在同一位置,同一时间 换成刚度更大的支护结构进行支护时,则由于支护 结构的刚度加大,使得围岩位移量减小,而支护提 供的径向约束力则增大,图中以曲线3表示,此时, 它与曲线1的交点B应在A点的左侧.在变形稳 定时B处的约束压应力为PP.值大于P值. 假如开挖巷道后不及时进行支护,围岩变形受不到 约束,在岩石强度较低,原始地应力较高,围岩变形 收稿日期:2003—02—20 作者简介:荣耀(1979一).江西萍乡人,硕士研究生,研究方向为岩土与结构物的相 互作用. 矿山压力与顶板管理 厦 度按表1分为坚硬岩,较硬岩,较软岩,软岩和极软 岩: 岩体的完整程度按表2划分为完整,较完整, 较破碎,破碎和极破碎: 《公路隧道设计》的隧道围岩分类见表3. 变形量/U壅量互坚矍堡堕坌耋 类别坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩 ——一———— >6.6.?{>3.3.?^>1515?^>5^?5 ^ ?/MP 图l径向应力,时I司与变形图 就会出现有害的松动状态.此时欲阻止松动状态的 发展,则要求支护结构不仅要承受深部围岩压力, 还要承受松动了的围岩作用给支护的松动压力,如 图中曲线4所示.曲线4与曲线1的交点c的坐标 则表示此时的约束力和围岩变形量.此时,声. 值大于…,并位于点的右侧,围岩处于上述状 态下是一种不稳定的平衡状态,一旦支护结构破 坏,围岩的松动区则要继续发展,直到破坏. 曲线5表示巷道开挖后,在围岩发生应力再分 配过程中进行支护作业时,围岩变形随时间变化的 关系曲线,此曲线具有四个特征的时期,这些时期 表示对应支护结构构筑的各个阶段围岩变形的变 化规律. 同样刚度的支护结构,支设的时间不同,最后 达成平衡的状态也不同.如曲线2中较曲线3中所 要求的支护阻力小,但这不等于说,支护参与工作 的时间愈迟愈好,因为初始变形不加控制会导致围 岩的迅速松弛,崩塌.因此,原则上要对初始变形的 增长效应加以限制,即避免有害的松弛.例如,当初 始位移达到U时再支设初次支护,就为时过晚.反 过来说,但也不是都要求愈早愈好.例如,在埋深大 的塑性岩体中,位移即使达到20,30cm,岩体还 是处在应力释放过程中,此时只要求能逐步控制这 个变形的速度就可以了.过早地控制它的发展反而 有害. 从巷道的弹塑性分析可看出[2],支护时间的选 择对其稳定有很大的影响,在确定巷道的支护时间 时,宜在围岩即将发生塑性变形时进行.而选择适 宜的支护时间将使支护所承受的应变能既不能很 大但也不能最小,围岩的应变能则保持相对稳定, 达到了保证支护稳定,降低工程造价的效果. 2围岩分级 根据《建筑地基基础设计规范》岩石的坚硬程 ?12?2003.N9-4矿山压力与顶板管理 壅量签塞墼堡鏖坌堑 擎完整较完整较破碎破碎极破碎 >一o-ssso.ss..ss<叭s 根据以上的分类可将开挖后的围岩分为稳定 性好,稳定性较好,稳定性一般,稳定性差,稳定性 极差六级,开挖后稳定性好的围岩,自稳时间比较 长,也即达到图1中最小应力的时间比较长. 3支护时机与围岩级别关系分析 岩体是整个地质体的一部分,由于构造作用, 风化,变质等原因,岩体内部形成许多结构面,它把 岩体分成各种形状和大小的岩块,岩块间有的有充 填物,整个岩体在某个初始应力状态(自重及残余 构造应力状态等)下处于一定的平衡状态,整个体 系也即是一个能量体系,处于一种能量平衡中,当 开挖后,围岩中的能量就要释放,当能量不能通过 其它方式释放时,就只能通过变形来消能,围岩变 形过程就是一种能量的释放过程.在开掘隧道时, 好的围岩的应变能的释放,释放大部分应变能,拱 顶一般为7d,侧墙的释放时间超过7d,较好的围 岩应变能的释放,拱顶释放大部分能量约1d,侧墙 约为7d,一般的围岩,拱顶为2,3h,侧墙为1d, 差的围岩释放应变能的时间为1,2h,极差的围 岩一般释放得非常快.对于高地应力地区,应采取 相应的预防,避免较大的应力释放,引发岩爆 等有害情况. 根据以上分析及围岩分级提出支护时间的建 议值,支护一般是从拱顶开始的,好的围岩拱顶一 般为3d,侧墙可超过3d,对围岩非常好的,可不做 一 次衬砌;较好的围岩拱顶约为12h,侧墙可稍微 长一些,一般的围岩,拱顶为2,3h,然后做侧墙 的支护,差的围岩一般为1,2h,极差的围岩应当 做超前支护,以确保围岩开挖后的稳定性. 表3隧道围岩分类 4结论 (1)巷道围岩支护时机对于整个工程有很重 要的作用,不同时间的支护,产生的支护效果有很 大的差别,且所需要的支护结构也是不同的. (2)根据隧道围岩级别确定大致的支护时机, 好的围岩拱顶一般为3d,侧墙可以超过3d,对于非 常好的,可不做一次衬砌;较好的围岩拱顶约为 12h,侧墙可稍长一些,一般的围岩,拱顶为2,3h, 然后做侧墙的支护,差的围岩一般为1,2h,极差 的围岩应做超前支护,以确保围岩开挖后稳定性. 参考文献: [1]铁道部人事司.隧道与地下工程EM3.成都:西南交通出版 社,2000. E23林勇.隧道支护与围岩自承问题的讨论[J].公路隧道,2000, (3):7—12. E33中国国家标准.建筑地基基础设计规范(GB50007—2002) ES3.北京:中国建筑工业出版社,2002. [4]中国行业标准.公路隧道设计规范(JTJo26,90)ES3.北京: 人民交通出版社,1990. (上接第10页) 5结语 张双楼煤矿一500水平东二大巷采用拱形可 缩性金属支架支护后,经过一年多的观察,支架控 制了围岩的变形,达到了设计要求,满足了矿井正 常生产运输和通风的要求. 在巷道支护方式的选取上,要仔细分析地质特 征,准确观测岩性的变化,以及时确定合适有效的 支护方式. 参考文献: E13侯朝炯.巷道金属支架EM3.北京;煤炭工业出版社,1989. [2]袁和生.煤矿巷道锚杆支护技术EM3.北京:煤炭工业出版 社,1997.45—46. 矿山压力与顶板管理2003.N94?13?