围岩松动圈理论对光爆锚喷支护的指导.doc

围岩松动圈理论对锚喷支护参数的指导北煤矿业集团九道岭煤业有限公司 李芳光爆锚喷支护在矿山、国防、交通等领域发展迅速，也是应用十分广泛的支护形式，是支护上的重大改革，它由传统的被动承载支护变为发挥围岩的自身承载能力，它具有施工速度快，技术可靠、经济合理，节省材料、降低成本、安全可靠、抗灾变能力强，便于机械化施工，同时也能减轻劳动强度等显著优点，是一个不断发展、不断完善的具有广阔前景的支护工艺。在理论上还在不断完善、不断探讨之中，而围岩松动圈理论，就是在原来的组合拱的理论上发展起来的比较先进的支护理论。巷道支护的难易程度不仅决定于围岩的抗压强度，而且也决定于地压的大小，也就是决定于围岩应力与围岩强度的相对关系。围岩松动圈理论就是巷道开掘后，巷道围岩的应力与围岩强度大小变化的关系与应用锚喷支护手段来加强围岩强度，抵抗围岩应力的理论。围岩松动圈的理论由于综合了岩石的物理力学强度和围岩的静压与动压等应力因素，是一个综合参数，使我们在现场施工中，只要测出了围岩松动圈的大小，就可以选择出合理的支护参数，由于它简单实用，使我们能方便的掌握它和应用它来指导井下巷道的支护设计工作，避免了不必要的浪费和支护上被动与失败。由于围岩松动圈越大支护越困难，结合锚喷支护我们把围岩按松动圈的大小可以分为三大类型。即，当围岩松动圈为0400mm时，为稳定地层，一般锚杆是不起作用的，不用打锚杆，只喷一层混凝土就可以防止围岩风化，是小松动圈；当松动圈为4001000mm时，为中等稳定地层，应以锚杆为主进行支护，用悬吊理论进行设计，可以得到合理的支护参数，是中松动圈；当松动圈大于1000mm时，为不稳定地层（即软岩）要用组合拱理论指导我们的支护设计，要选取锚杆和喷射混凝土的最佳参数，它属于是大松动圈。在大松动圈的围岩中，支护是较为困难的，一般要用锚杆加密、挂金属网及喷射混凝土联合支护的方式来支护围岩。几种松动圈围岩支护参数的确定；1、 在小松动圈围岩中，由于喷射混凝土的粘结强度大，能够和围岩紧密地粘结在一起共同作用，同时喷层较薄，具有一定的柔性，可以和围岩共同变形产生一定量的径向位移，在围岩中形成一定范围的非弹性变形区，使围岩的自支承能力得以充分发挥，而且混凝土喷层在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生愈来愈大的支护反力，能够抑制围岩产生过大的变形，防止围岩发生松动破坏。另外混凝土喷层封闭了围岩，防止了因水和风化作用造成围岩的破坏与剥落。例如，在全岩巷道中，净宽2.4m，净高2.7m的半圆拱形巷道中，取消锚杆支护，只喷70mm混凝土支护，经验算是可行的。如下图一，按冲切破坏验算：考虑不利条件，即轴线方向一米围岩从拱基线A、B两点开始按700倾角方向（拱基线与裂缝交角）交于C为危岩，来计算冲切破坏危岩的重量W： W（ABC棱交柱体AB半圆柱体）岩石容重 （b2/4tg200b2/8）R容 （2.542/4tg2003.142.542/8）2.5103 4750（） 式中：b巷道掘进宽度 R容岩石容重，2.5103/米3 危岩的周长：n2r+200 23.14127+200 1000（）危岩坠落时，混凝土喷土层可能发生冲切破坏或因粘结强度不足而引起的破坏，所以喷层厚度应根据这两方面的强度要求进行计算：1）、按冲切破坏计算为了保证喷层不被危岩冲切破坏，应满足以下关系式： W/ndRLdW/nRLd4750/（10006）0.79（）式中 W危岩的重量 n危岩的周长 RL喷射混凝土的计算抗拉强度，取6/22）、由粘结强度控制的喷层厚度喷层受危岩冲切作用的同时，它同危岩周围的岩石之间将产生粘结应力，当最大粘结应力大于喷射混凝土的计算粘结强度时，喷层就会在该结合面处被拉裂。由于喷层厚度比危岩周长小得多，所以可近似地把喷层看作支承于弹性地基（围岩）上的梁，然后按一端受集中力作用的弹性地基梁，可计算出满足粘结强度要求的喷层厚度：d3.65（W/nRLu）4/3(K/E)1/33.65（4750/（10003）4/3（0.6104/1.8105）1/32.17（）式中 W危岩的重量 n危岩的周长 RLu喷层与岩面间的计算粘结强度，取3/2 K岩层弹性拉伸系数，取0.6104/2 E喷射混凝土的弹性模量，取1.8105/2 以上式计算得出的冲切破坏所需喷层厚度为7.9；粘结破坏所需喷层厚度为21.7，所以设计喷层厚度为70是可行的。2、在中松动圈中，设松动圈为800时，用悬吊理论设计锚杆长度（如图二）：1）、LH+L1+L2 0.8+0.3+0.1 1.2（m）式中 L锚杆总长度，单位m L1锚杆锚入稳固岩层的长度 L2锚杆外露长度图二为中松动圈0.8m2）、锚杆间距的确定选0.8 m矩形布置，间排距相等，根据锚杆的锚固力应大于或等于被悬吊的松动岩石重量的原则确定，即：Q算HD2R 0.80.822.5 1.28（t）Q算1.28吨Q实测57吨式中 Q算理论计算一根锚杆悬吊岩石重量 Q实测现场实测一根锚杆的锚固力 H围岩松动圈厚度，这里取0.8米 D锚杆的间排距，这里取0.8米 R围岩的容重，这里取2.5吨/米3经验算锚杆的锚固力大于锚杆悬吊岩石的重量，故锚杆的间排距选取0.8米是合适的。3）、喷层厚度的确定混凝土喷层厚度确定为70，其作用是防止围岩风化及脱落。验算如下：危岩重W按最不利的轴线70度冒落：W（b2/4tg200b2/8）R容 （3.942/4tg2003.143.942/8）2.58 11790（）危岩周边长n2r+200 23.141.97+200 1437式中的符号意义同前。喷层厚度按冲切计算W/ndRLdW/nRLd11790/(61437)13.7按粘结破坏计算d3.65（W/nRLu）4/3(K/E)1/3d3.65（11790/(14373)）4/3（0.6104/1.8105）1/3 44.7()式中符号意义同前以上计算冲切破坏喷层厚度需要13.7，粘结破坏喷层厚度需要44.7，所以设计70是可行的。3、在大松动圈围岩中，松动圈大于1.5m时，要采取组合拱理论，设计支护参数。按组合拱理论，在锚杆起作用的长度内形成一个对岩层抗压带，在抗压带内的岩石都受锚杆的制约，这些锚杆与岩石共同作用的拱形带，我们称它为组合拱。在宽度3.2米时，用如下支护参数组组合拱厚bLa b（Ltgaa）/tga La式中a锚杆的间距L锚杆的有效长a锚固传递角，这里取4501)、锚杆间距选用：a0.50.5m2）、组合拱厚度选用：b1.5m0.5m1.0（m）3)、锚杆长度：Lb+a+0.11.0+0.5+0.11.6（m）4）、喷射混凝土支护，还要配合挂金属网，金属网的规格选用直径为8的铁丝，网格选用100100，且采用二次喷厚的办法，终厚为120（我们九道岭矿700m南运输巷在掘进时就是采取这种支护方式的）。5）、施工顺序就是尽可能地利用围岩的自身承载能力并及时喷射混凝土封闭围岩，防止围岩风化、变形，从而达到稳定围岩并支撑围岩的目的。具体施工顺序是这样的：在巷道开掘后，立即喷射30厚的混凝土，作为临时支护，喷层同时也封闭了围岩，防止了围岩风化，并具有了一定的支撑能力，在初喷后打锚杆及挂金属网后复喷50厚的混凝土作为第一次支护，再等半个月左右进行终喷，终喷前要先清理破坏的喷层，然后冲洗受喷面，最后喷上40的混凝土，总喷厚度为120。按组合拱锚杆参数公式计算：LN（1.1+B/10） 1.1（1.1+3.2/10） 1.56（m）式中N围岩稳定性影响系数，这里取1.1，是按稳定性较差来进行计算的 B巷道或硐室跨度，单位mL锚杆长度，单位m通过计算选取锚杆长度为1.6米的锚杆是合理的。组合拱承载力的验算：P单A/2(1R2/(B+R)2) 13.73/2(11.62/(1+1.6)2) 4.3（Mpa）式中A破裂锚固体强度，取13.73 MpR巷道净半径，mb组合拱的厚度，b1m巷道轴向长0.5 m组合拱的承载能力P组2R P单t23.141.64.30.521.6（Mpa）式中t轴向锚杆0.5 m一排通过以上的计算，其支撑强度大于一般钢性支架的，一般钢性支