大变形软岩巷道锚网支护失效机理研究

2011-01-17徐基根田素川许兴亮

山西焦煤科技 2011年9期

徐基根，田素川，孙康，许兴亮

(1．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116;2．淮北矿业集团朱仙庄煤矿，安徽淮北 234111)

由于巷道开掘在煤层或软弱岩层中，一段时间后，巷道处于岩石的峰后软化阶段，强度低、物理性质差、流变问题较严重。软岩巷道锚网支护，提高了围岩的抗压强度及抗剪强度，约束围岩位移，改善围岩物理性质，使巷道得到有效维护。但是，对于锚网支护机理的研究，集中在锚网与巷道围岩的整体作用及单方面提高支护阻力上，未将两者作用具体化，致使一些软岩巷道局部部位支护不耦合，锚网支护失效。本文以中国矿业大学何满潮教授提出的软岩巷道弹塑性状态圈状模型［1］为基础，进行了分析。

1 锚网支护巷道力学分析

巷道的开挖破坏了原岩应力场中的三向应力状态，原有平衡被打破，巷道围岩逐渐变为平面应力状态。围岩表面单元切向应力达到最大值，径向应力为零。围岩内部，径向应力慢慢增大，围岩总是处在第三向应力较弱的三向应力状态。随着时间的推移，调整后的围岩中部分岩体在大于其强度的载荷作用下发生破坏，并且靠近巷道表面的岩体最先破坏，最大主应力集中区向围岩内部移动。在此过程中，巷道围岩将出现4个力学性质有差异的区域：弹性区，塑性硬化区，塑性软化区，塑性流动区(由内到外)。各区对应全应力—应变曲线见图1，软岩巷道围岩分区见图2。

2 巷道围岩力学行为分析

2．1 弹性区

弹性区与未受工程扰动的岩体相接，岩体处于弹性状态，结构面和结构体的性质共同起作用，抗压强度较大。其基本方程：

2．2 塑性硬化区

应力应变曲线对应于图2中塑性阶段AB，在弹塑性交界处围岩开始屈服，岩体结构面发生剪切滑移变形，扩容现象明显。在塑性硬化区中，由摩尔—库伦强度准则，可得：

在弹塑性区边界r=Rs处，有σr+σθ=2P0，可得：

由上式和平衡方程可求得应力：

2．3 塑性软化区

塑性软化区与塑性硬化区交界处岩体所表现出的载荷应力为极限抗压强度σc。该区域中，岩体中裂隙扩展，并产生新的裂隙。大部分裂隙贯通，岩体中产生内部空洞。内摩擦角及结构面黏结力变化与径向位移成线性关系，即：

其中：

式中：

φ，φ*—岩体原状态下内摩擦角及完全破坏后的残余内摩擦角;

C，C*—岩体原状态下内聚力及残余内聚力。

在塑性软化区内，由摩尔—库伦准则的另一种形式：

假设在圆形巷道开挖时，在支护力Pi作用下，围岩没有出现塑性软化区，则有边界条件r=a，σr=Pi，由此可得塑性软化区半径：

2．4 塑性流动区

围岩流动区岩体的C，φ分别为其残余值C*，φ*，则由摩尔—库伦准则推得岩体起塑条件：σr=Kσθ+σc，在塑性流动区有 σ*=K*σθ*+σc

*，K*=，结合平衡方程：

式中：

q0—巷道表面的支护力。

3 锚网支护软岩巷道失效机理

锚网支护多应用于服务年限较长的巷道。锚杆形成的锚固层组合拱是支护的主要承载结构，金属网的作用是维护该组合拱的存在，防止它因岩块冒落而失效。软岩巷道的锚网支护失效机理可从以下几方面说明。

3．1 锚杆支护失效

3．1．1 支护时机

软岩巷道中，伴随着围岩应力的调整，锚杆锚入岩体后受到围岩变形应力的作用而承受力。软岩巷道支护系统设计需要留出富余的变形空间，以释放围岩积聚的能量。若支护过早，长时间的围岩松动变形将远超过杆体所能承受的变形能量，会将锚杆“拔出”或引起锚固失效;若支护过晚，围岩塑性流动区半径过大，锚杆锚固作用岩体强度将大大降低，不能承受围岩后续变形对锚杆施加的拔拉力，致使锚杆失效。

3．1．2 锚杆直径对围岩变形的影响

模拟方案采用锚杆长度为2 000 mm，间排距为800 mm×800 mm。支护参数见图3，模拟结果见图4。

由图4可知，锚杆直径的大小对围岩变形产生了实际影响［2］。实际研究结果表明，随着直径数值的增加，巷道顶板和两帮位移量都有小幅度减小，顶底板相对移近量在局部阶段有小幅度增加;同时，直径过小会引起锚杆杆体抗剪能力的减弱，在塑性区中，当τ杆＜τ岩时，则围岩剪切应力将锚杆剪断，锚杆整体作用不能发挥，锚杆失效。