CN107832499B - 一种锚杆-混凝土反拱控制底鼓结构的稳定性预判方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锚杆‑混凝土反拱控制底鼓结构的稳定性预判方法。通过基本条件假设，建立锚杆‑混凝土反拱耦合控制底鼓结构力学模型，通过力学解析建立锚杆‑混凝土反拱耦合控制底鼓结构稳定性判别方程，从现场资料和算例分析结论中获取模型基本参数的数值，依次计算水平应力分量、垂直应力分量、力学系数，最后将力学系数和模型参数代入稳定性力学判定方程，得到实际矿井采用锚杆—混凝土反拱耦合控制底鼓结构后是否具有稳定性的预判结论。本发明对结构稳定性的预判准确、全面，对底鼓治理技术提供了可靠的力学理论依据，对于保障我国深部资源安全开采，提高开采作业人员安全有着重大的理论意义和实际工程应用价值。

Description

一种锚杆-混凝土反拱控制底鼓结构的稳定性预判方法
技术领域
本发明涉及矿山支护技术与岩石力学领域，特别涉及一种锚杆-混凝土反拱控制底鼓结构的稳定性预判方法。
背景技术
底鼓是煤矿井巷中经常发生的一种动力现象，由于巷道受到采掘扰动，造成围岩应力状态发生变化，使顶底板及两帮围岩向巷道内移动，表现为底板向上隆起。大量数据表明，巷道变形大约有2/3体现为底鼓。发生底鼓后巷道内运输、通风、排水、行人都会受到不同程度的影响，巷道底鼓严重时甚至造成整个巷道报废，对矿山安全生产造成严重影响。近年来，许多专家学者投入到巷道底鼓机理与控制方面的研究中，取得了丰硕的研究成果，但由于巷道围岩的性质、应力环境及地质结构等的复杂性，使得巷道底鼓机理及相应的底鼓治理研究一直是一个难点。
国内外许多专家学者在治理底鼓方面做了大量的研究和试验工作，提出了许多底鼓防治技术，概括起来主要有：采用巷道的合理布置、加固法、卸压法、联合支护法和巷道中水的控制等。由于高应力作用下巷道底板围岩性质、破坏机理、应力状态及地质环境等的复杂性，使得控制底鼓的力学机理与方法变的复杂化。在高应力或底板较软的情况下，只注重底板的加固而忽略巷道两帮的加固，尤其是底帮破坏时，加固底板的构件在两帮失去了着力点，导致底板在高应力的作用下台升或破坏；现浇混凝土反拱、反拱掘底等措施均可以加固巷道的底板与底角，可抑制巷道底板的鼓起，若不打底板锚杆，其稳定性仍较差，从而不能理想地达到控制巷道底鼓的目的，国内外专家学者对锚杆—混凝土反拱耦合控制底鼓技术均注重结构与参数的设计，而对锚杆—混凝土反拱耦合控制底鼓结构的稳定性力学机理研究甚少。
发明内容
本发明目的是提供一种锚杆—混凝土反拱耦合控制底鼓结构的稳定性力学预判方法。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种锚杆-混凝土反拱控制底鼓结构的稳定性预判方法，其特征在于，步骤如下：
1)对采用锚杆—混凝土反拱耦合控制底鼓结构的矿井进行基本条件假设，将底板锚杆锚固区域内的浅部围岩与混凝土反拱结构视为复合底板水平梁且是弹性状态的连续梁，底部承受均匀应力载荷，锚杆等间距布置，底板锚杆锚固支护阻力集中于混凝土反拱上边界，建立锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构力学模型；
2)对力学模型进行力学解析，建立锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构的稳定性力学判别方程；
n为单数时，
Figure BDA0001439538720000021
n为偶数时，
Figure BDA0001439538720000022
3)从现场底鼓矿井巷道围岩资料和算例分析结论中获取模型基本参数的数值：所述基本参数包括锚杆根数n、矩形巷道底板宽H、底板跨度L、底板浅部围岩层弹性模量Es、底板浅部围岩层锚固深度Ds、混凝土反拱层弹性模量Ec、混凝土反拱层抗拉强度设计值[σt]C、混凝土反拱层抗压强度设计值[σc]C、混凝土反拱层内摩擦角
Figure BDA0001439538720000031
混凝土反拱层平均厚度Dc、拱脚高度Db、混凝土反拱层与底板浅部围岩层锚固总厚度D、混凝土反拱层惯性矩Jc、混凝土底板浅部围岩层的惯性矩Js；
4)由现场底鼓矿井原岩应力通过三向应力分量变换方程得到巷道底板围岩原岩应力，借助力学解析推导出的巷道底板破坏边界三向围岩应力分量峰值方程组求得塑性区边界径向应力峰值
Figure BDA0001439538720000032
和切向应力峰值
Figure BDA0001439538720000033
最后通过极坐标系与直角坐标系的应力转换关系，得出左右边界的水平应力分量Ph、底板浅部破坏下边界的垂直应力分量PV；
5)根据步骤3)中的模型参数值计算力学系数，计算公式如下：
n为单数时，
Figure BDA0001439538720000034
n为偶数时，
Figure BDA0001439538720000035
所述的h由h2＝PhD/(EJ)计算得到；
6)将力学系数数值和模型参数数值代入稳定性力学判定方程，计算方程两边的值并进行判定，得到实际矿井采用锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构后是否具有稳定性的预判结论。
作为本发明的一种优选，步骤3)中所述的算例分析结论包括：实际施工中在混凝土材料本身的技术和经济限制范围内选择较高弹性模量的混凝土介质。
作为本发明的另一种优选，步骤3)中所述的算例分析结论包括：混凝土厚度范围是0.3m至0.4m。
作为本发明的再一种优选，步骤3)中所述的算例分析结论包括：拱脚高度范围是0.10m至0.15m。
本发明具有如下有益效果：本发明针对锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓技术，通过对其力学机理的研究，建立了稳定性判定方程，通过预判方程能够精确、全面地判定锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构的稳定性，本发明的方法对底鼓治理技术提供了可靠的力学理论依据，对于保障我国深部资源安全开采，提高开采作业人员安全有着重大的理论意义和实际工程应用价值。
附图说明
图1为锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构力学模型。
图2为设计支护方案断面图
具体实施方式
下面结合附图及实施方式和实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。
具体实施方式一：本实施方式是一种锚杆-混凝土反拱控制底鼓结构的稳定性预判方法，步骤如下：
1)对采用锚杆—混凝土反拱耦合控制底鼓结构的矿井进行基本条件假设，将底板锚杆锚固区域内的浅部围岩与混凝土反拱结构视为复合底板水平梁且是弹性状态的连续梁，底部承受均匀应力载荷，锚杆等间距布置，底板锚杆锚固支护阻力集中于混凝土反拱上边界，建立锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构力学模型；如图1所示，1表示底板跨度L、2和3分别表示端部支撑力FA和FB、4表示锚杆锚固阻力Fm、5表示左右边界的水平应力分量Ph、6表示底板浅部破坏下边界的垂直应力分量PV、7表示混凝土反拱层厚度Dc、8表示底板浅部围岩层厚度Ds、9表示拱角高度Db；
2)对力学模型进行力学解析，建立锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构的稳定性力学判别方程；
n为单数时，
Figure BDA0001439538720000051
n为偶数时，
Figure BDA0001439538720000052
3)从现场底鼓矿井巷道围岩资料和算例分析结论中获取模型基本参数的数值；所述基本参数包括锚杆根数n、矩形巷道底板宽H、底板跨度L、底板浅部围岩层弹性模量Es、底板浅部围岩层锚固深度Ds、混凝土反拱层弹性模量Ec、混凝土反拱层抗拉强度设计值[σt]C、混凝土反拱层抗压强度设计值[σc]C、混凝土反拱层内摩擦角
Figure BDA0001439538720000053
混凝土反拱层平均厚度Dc、拱脚高度Db、混凝土反拱层与底板浅部围岩层锚固总厚度D、混凝土反拱层惯性矩Jc、混凝土底板浅部围岩层的惯性矩Js；
4)由现场底鼓矿井原岩应力通过三向应力分量变换方程得到巷道底板围岩原岩应力，借助力学解析推导出的巷道底板破坏边界三向围岩应力分量峰值方程组求得塑性区边界径向应力峰值
Figure BDA0001439538720000061
和切向应力峰值
Figure BDA0001439538720000062
最后通过极坐标系与直角坐标系的应力转换关系，得出左右边界的水平应力分量Ph、底板浅部破坏下边界的垂直应力分量PV；
5)根据步骤3)中的模型参数值计算力学系数，计算公式如下：
n为单数时，
Figure BDA0001439538720000063
n为偶数时，
Figure BDA0001439538720000064
所述的h由h2＝PhD/(EJ)计算得到；
6)将力学系数数值和模型参数数值代入稳定性力学判定方程，计算方程两边的值并进行判定，得到实际矿井采用锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构后是否具有稳定性的预判结论。
在实施方式一的步骤1)建立的力学模型的基础上，运用材料力学、岩石力学与弹性力学理论进行力学解析，基于力学解析结论，运用算例分析锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构力学模型的稳定性，即得到混凝土反拱参数对其稳定性的影响的结论，分析结论分为三个方面：a.通过提高混凝土介质的弹性模量对控制底鼓的效果是明显的，且在底板围岩内部不会引起过高围岩应力集中的能量聚集，但在实际施工中受到材料本身的技术和经济限制而不能过于强求材料本身的性能；b.随着混凝土厚度的增加也能够达到较好地控制巷道底鼓的效果，且底板围岩的横向应力和剪应力都随着混凝土厚度的增加而减小，这有利于维护底板围岩，但不利于混凝土反拱结构的稳定，因此，应当在保证混凝土反拱结构稳定的前提下，合理设计混凝土厚度，确保结构稳定有效，同时要保障巷道的正常掘进速度和底鼓治理技术经济的最优化，根据当前假设条件认为，混凝土厚度范围是0.3m～0.4m；c.从复合底板水平梁力学分析的角度认为，拱脚高度的增加既不能够缓解底鼓的挠曲度，也没有对锚杆-混凝土反拱结构内部受力状态的改善起到明显效果，从拱的整体围岩受力分析的角度认为，拱脚高度的增加能够用以抵抗和维持底板底角的应力状态，阻挡底板两帮边界位置发生错动，但是过度的增加可能造成拱脚受力过载而发生结构破坏，进而引起巷道的底板鼓起或者巷道围岩失稳，根据当前假设条件认为，拱脚高度范围最好在0.10m～0.15m，锚杆较好的与巷道围岩耦合连接，有利于支护结构-围岩的共同受力变形。由这三个结论得到如下三个实施方式：
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一的一种限定，其中步骤3)中所述的算例分析结论包括：
实际施工中在混凝土材料本身的技术和经济限制范围内选择较高弹性模量的混凝土介质。
具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一的另一种限定，其中步骤3)中所述的算例分析结论包括：混凝土厚度范围是0.3m至0.4m。
具体实施方式四：本实施方式是对实施方式一的又一种限定，其中步骤3)中所述的算例分析结论包括：拱脚高度范围是0.10m至0.15m。
下面通过具体实施例，对本发明做进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图2为某矿回风上山设计支护方案断面图，采用锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓，其中，10表示顶板锚索(直径16.8mm，长6300mm，间排距1800mm×1840mm)、11表示顶板锚杆(直径22mm，长2400mm，间排距920mm×920mm)、12表示帮部锚杆(直径22mm，长2400mm，间排距1000mm×920mm)、13表示底板锚杆(直径22mm，长3300mm，间排距2200mm×920mm)、14表示混凝土反拱结构、15表示金属网(规格为1000mm×2500)、16表示顶角处锚杆与垂直方向的夹角(20°)、17表示帮顶角处锚杆与水平方向的夹角(20°)、18表示帮底角处锚杆与水平方向的夹角(20°)、19表示拱角高度(120mm)、20表示拱角厚度(300mm)、21表示巷道掘进宽度(5000mm)、22表示巷道净宽度(4800mm)、23表示巷道掘进高度(3500)、24表示巷道净高度(3300mm)。
由实际矿井巷道地质资料，并结合算例分析结论，取底板浅部围岩的弹性模量Es＝0.55GPa，底板浅部围岩层锚固深度Ds＝3m；矩形巷道底板宽H＝5m，考虑到两帮锚固围岩破坏体结构的跨度，故视底板跨度L＝9m；考虑到帮角连接部位不便于施工，同时为了便于理论计算，因此，混凝土反拱层弹性模量取Ec＝10GPa，混凝土反拱层抗拉强度与抗压强度设计值分别为1.1MPa、9.6MPa，混凝土反拱层内摩擦角45°，混凝土反拱层平均厚度Dc＝0.3m，拱脚高度Db＝0.12m；3根3.3m锚杆支护巷道底板，锚杆屈服强度为300MPa，施加预锚固力Fm＝100kN，混凝土反拱层与底板浅部围岩层锚固深度总厚度D＝3m。
通过极坐标系与直角坐标系的应力转换关系可得左右边界的水平应力分量为Ph＝6.13MPa，底板浅部破坏下边界的垂直应力分量为Pv＝7.67MPa。
带入稳定性力学判定方程，计算方程两边的值并进行判定，得：
Figure BDA0001439538720000081
由于底板混凝土反拱结构的中部上边界为拉应力，因此其值为-5.12MPa，由底板混凝土反拱结构的中部上边界拉应力最大，计算得：[σt]C＝1.1MPa，-5.1MP＜1.1MP，说明载荷强度处于设计抗拉极限范围之内，计算认为不会发生拉力破坏。
Figure BDA0001439538720000082
Figure BDA0001439538720000091
底板混凝土反拱结构的两端中性面位置剪应力最大，计算得：
0.14MPa＜14.76MPa，混凝土剪应力载荷很小，加之水平应力的作用，使其远小于极限抗剪载荷，从而认为不会发生抗剪破坏。
根据以上锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构的力学稳定性判别，认为其结构稳定，且同数值模拟、工业试验反馈信息及实际相符。
最后应说明的是：以上实施方式和实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式和实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式和实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种锚杆-混凝土反拱控制底鼓结构的稳定性预判方法，其特征在于，步骤如下：
1)对采用锚杆—混凝土反拱耦合控制底鼓结构的矿井进行基本条件假设，将底板锚杆锚固区域内的浅部围岩与混凝土反拱结构视为复合底板水平梁且是弹性状态的连续梁，底部承受均匀应力载荷，锚杆等间距布置，底板锚杆锚固支护阻力集中于混凝土反拱上边界，建立锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构力学模型；
2)对力学模型进行力学解析，建立锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构的稳定性力学判别方程；
n为单数时，
Figure FDA0002786241840000011
n为偶数时，
Figure FDA0002786241840000012
3)从现场底鼓矿井巷道围岩资料和算例分析结论中获取模型基本参数的数值,所述基本参数包括锚杆根数n、矩形巷道底板宽H、底板跨度L、底板浅部围岩层弹性模量Es、底板浅部围岩层锚固深度Ds、混凝土反拱层弹性模量Ec、混凝土反拱层抗拉强度设计值[σt]C、混凝土反拱层抗压强度设计值[σc]C、混凝土反拱层内摩擦角
Figure FDA0002786241840000013
混凝土反拱层平均厚度Dc、拱脚高度Db、混凝土反拱层与底板浅部围岩层锚固总厚度D、混凝土反拱层惯性矩Jc、混凝土底板浅部围岩层的惯性矩Js；
4)由现场底鼓矿井原岩应力通过三向应力分量变换方程得到巷道底板围岩原岩应力，借助力学解析推导出的巷道底板破坏边界三向围岩应力分量峰值方程组求得塑性区边界径向应力峰值
Figure FDA0002786241840000021
和切向应力峰值
Figure FDA0002786241840000022
最后通过极坐标系与直角坐标系的应力转换关系，得出左右边界的水平应力分量Ph、底板浅部破坏下边界的垂直应力分量PV；
5)根据步骤3)中的模型参数值计算力学系数，计算公式如下：
n为单数时，
Figure FDA0002786241840000023
n为偶数时，
Figure FDA0002786241840000024
所述的h由h2＝PhD/(EJ)计算得到；
6)将力学系数数值和模型参数数值代入稳定性力学判定方程，计算方程两边的值并进行判定，得到实际矿井采用锚杆-混凝土反拱耦合控制底鼓结构后是否具有稳定性的预判结论；
其中，步骤3)中所述的算例分析结论包括：拱脚高度最佳范围是0.10m至0.15m。
2.根据权利要求1所述的一种锚杆-混凝土反拱控制底鼓结构的稳定性预判方法，其特征在于，步骤3)中所述的算例分析结论包括：
实际施工中在混凝土材料本身的技术和经济限制范围内选择较高弹性模量的混凝土介质。
3.根据权利要求1所述的一种锚杆-混凝土反拱控制底鼓结构的稳定性预判方法，其特征在于，步骤3)中所述的算例分析结论包括：混凝土厚度范围是0.3m至0.4m。
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