CN114687769A - 一种基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法 - Google Patents

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CN114687769A CN202210463915.0A CN202210463915A CN114687769A CN 114687769 A CN114687769 A CN 114687769A CN 202210463915 A CN202210463915 A CN 202210463915A CN 114687769 A CN114687769 A CN 114687769A
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左建平
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丛宇
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Abstract

本发明公开了一种基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，它首先获取圆形巷道围岩力学参数及巷道尺寸；通过围岩力学参数及尺寸确定巷道围岩最小破坏区宽度；再基于轴变论理论计算巷道围岩最大破坏区宽度，根据最小破坏区宽度、最大破坏区宽度以及侧压力系数确定所需加固围岩范围；再根据所需加固围岩范围确定最小破坏区范围和最大破坏区范围；最后在最小破坏区范围和最大破坏区范围分别有针对性的加固，这样既不会发生最大破坏区围岩局部因应力过大而破坏，导致塑性区范围较大从而发生巷道失稳的情形，也避免了支护力过大导致支护强度过剩造成支护成本增加。

Description

一种基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法
技术领域
本发明涉及深部巷道支护方法，具体为一种深部圆形巷道支护方法。
背景技术
长期以来，煤炭都是我国最重要的一次能源以及重要的工业原材料，为我国经济发展以及国家能源的稳定安全供应提供了强有力的保障。在非化石能源等其它可再生绿色能源形成规模以前，煤炭资源在我国一次能源中的主体地位仍旧不会改变。
近些年来为了满足经济发展的需要，我国对煤炭资源需求的持续增加以及煤炭开采强度与速度的不断加大，煤炭资源的开采也已经进入了高产高效时期。煤炭需求的旺盛造成浅部资源日益减少，导致我国煤矿陆续进入深部采掘状态。我国煤炭资源的开采主要是地下开采方式为主，在井下采煤需开掘大量巷道，只有通过开掘一系列井筒和巷道进入地下才能开釆出煤炭资源。开采深度的不断增加，伴随着地应力升高，使巷道所处地质环境愈发复杂，导致深部巷道围岩在物理力学性质上表现出与浅部巷道围岩的不同，造成深部巷道围岩控制较浅部巷道难度加大。有统计表明，每年我国新掘进矿井巷道长度可达13000km，巷道开挖与维护的工程量巨大。由于受深部地应力环境、围岩体力学行为转变及工程条件的影响，超过 90％的深部巷道围岩会出现大变形、松动坍塌及支护失效等问题。
随着巷道支护技术与支护设备的迅速发展，尤其是以锚杆(索)为主的主动支护技术及以金属支架为主的被动支护技术的迅猛发展，使得煤矿巷道支护效果得到明显改善，但是由于煤矿复杂多变的地质条件，深部巷道支护控制效果仍然有待提高。对于软岩地质条件的深部开采，为了保证深部巷道结构的稳定性，一般采用圆形巷道进行开挖，目前煤矿圆形巷道的支护普遍通过主动或被动支护措施均匀地沿巷道断面施加相同规格的支护力。比如：
中国专利申请号201910483898.5公开了一种深部软岩圆形巷道支护方法，首先对采动围岩进行间隔注浆，然后开凿弧形凹槽，再趁浆液尚未凝固时，注浆孔兼作锚索孔，将锚索打入围岩中，并且在锚索托盘的下表面设计两个活动的半圆形环扣装置，最后将钢管混凝土支架支好，使得套管的连接处正对着托盘，再用半圆形环扣装置将钢管混凝土支架和锚索扣在一起，半圆形环扣装置使用螺栓将其固定。这种支护方法虽然很好地改善了巷道围岩的应力状态，使其从二向应力状态又恢复到三向应力状态，但存在以下缺陷，一是由于巷道断面不同位置处的围岩应力具有明显的不同，不按照围岩的受力特点进行有针对性的支护，只是在围岩中施加同种规格的支护力要么极易造成围岩局部因应力过大而破坏，导致塑性区范围较大从而发生巷道失稳，影响巷道的正常使用，要么出现提供的支护力过大导致支护强度过剩，支护成本增加。
为了能够有效解决深部圆形巷道结构性失稳的问题以及降低支护成本，中国专利申请号 20410291192.4公开了一种基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，它主要是将巷道围岩划分为弱承载区、关键承载区、强承载区三个区域；然后在弱承载区利用全长注浆锚杆注浆加固，在关键承载区利用端头注浆锚杆注浆加固，在强承载区利用短锚索加固，从而形成以圆形巷道断面为基础，从浅部到深部的梯次支护。不否认这种分区支护方法能使巷道周围的围岩结构失稳现象得到有效的限制，提高了巷道围岩结构的稳定性以及巷道的安全系数。但是从其图1可以看出，弱承载区、关键承载区、强承载区三个区域是以圆形巷道为同心圆逐渐往外展开，从其表一和表二试验数据也可以看出，弱承载区、关键承载区、强承载区三个区域都涉及巷道的顶板、帮部和底拱，包揽了巷道的全断面，这说明该技术实际上沿巷道断面施加的还是相同规格的支护力。作为圆形巷道，由于周围围岩的作用不同，断面有的部位受的压力很大，有的部位几乎不承受围岩压力，如果整个巷道断面都是相同规格的支护力，势必造成支护成本增加。尤其是它只是给了一个模糊的分区概念，用在具体工程中操作人员搞不清该如何界定弱承载区、关键承载区、强承载区，使得该技术缺乏操作性，如果根据经验去界定，势必会支护不足或者支护强度过剩。这也是为何尽管目前支护方法不少，但深部巷道围岩大变形、松动坍塌及支护失效等问题频频出现，就是缺乏可操作性的精准支护方法。
发明内容
为解决矿井圆形巷道支护普遍沿巷道断面均匀施加相同规格支护力而存在的支护不足或支护强度过剩的技术问题，本发明提出一种基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法。
为实现上述目的，该方法的具体步骤如下：
一种基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，其特征在于，它包括以下步骤：
第一步：在圆形巷道开挖掘进过程中，基于现场实测与实验室测试，对巷道所处地层进行地应力测量，获取圆形巷道围岩力学参数及巷道尺寸，具体包括：圆形巷道围岩粘聚力c、圆形巷道围岩内摩擦角
Figure BDA0003622834830000022
圆形巷道垂直地应力pV、圆形巷道水平地应力pH、圆形巷道半径R0；通过圆形巷道垂直地应力pV和圆形巷道水平地应力pH得到侧压力系数λ，
Figure BDA0003622834830000021
即pH＝λpV；
第二步：基于圆形巷道围岩力学参数、地应力参数及巷道尺寸，确定圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a；当围岩力学参数测试不方便或不具备测试条件时，可利用煤矿现场常用的钻孔窥视法、超声波法测量出最小破坏区宽度值a；
第三步：根据第一步、第二步获得的数据，基于轴变论理论获取圆形巷道应力轴比参数，根据应力轴比参数计算圆形巷道围岩最大破坏区宽度值b，根据圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a、最大破坏区宽度值b以及侧压力系数λ确定圆形巷道所需加固围岩范围，具体确定方法为：
当侧压力系数λ＝1时，此时最小破坏区宽度值a与最大破坏区宽度值b相等，所述圆形巷道所需加固的围岩范围是以圆形巷道为内环，以圆形巷道圆心为中心、以最小破坏区宽度值a或者最大破坏区宽度值b为半径的同心圆为外环围成的圆环区域；
当侧压力系数λ＜1时，所述圆形巷道所需加固的围岩范围是以圆形巷道为内环，以最小破坏区宽度值a为短轴半径、最大破坏区宽度值b为长轴半径的椭圆为外环围成的椭圆圆环区域，且椭圆的短轴为水平方向、长轴为垂直方向；
当侧压力系数λ＞1时，所述圆形巷道所需加固的围岩范围是以圆形巷道为内环，以圆形巷道圆心为中心、以最小破坏区宽度值a为短轴半径、最大破坏区宽度值b为长轴半径的椭圆为外环围成的椭圆圆环区域，且椭圆的短轴为垂直方向、长轴为水平方向；
第四步：圆形巷道开挖后，迅速在巷道全断面围岩表面初次喷射纤维混凝土喷层，封闭围岩形成光滑平整的巷道表面，防止巷道围岩软化，便于安装支护设备；
第五步：当所述圆形巷道所需加固的围岩范围为椭圆圆环时，以椭圆短轴所在的中线位置为起点，以围岩最小破坏区宽度值a为半径，将中线两侧偏45°的扇形范围内围岩作为最小破坏区围岩，利用注浆材料对最小破坏区围岩进行注浆加固，提高最小破坏区围岩的完整性；之后进入第六步；
当所述圆形巷道所需加固的围岩范围为圆环时，此时最小破坏区围岩范围与最大破坏区围岩范围相同，利用注浆材料对需要加固的围岩进行注浆加固，注浆材料凝固后在巷道全断面围岩中打预应力锚杆钻孔，锚杆长度L锚杆根据圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a确定；在巷道表面挂设金属网同时安装预应力锚杆与W型钢带，利用金属网、预应力锚杆与W型钢带对巷道围岩进行锚固，对巷道围岩进行预应力锚杆+金属网支护，然后对巷道全断面围岩二次喷射纤维混凝土喷层；之后直接转入第八步；
第六步：注浆材料凝固后在巷道全断面围岩中打预应力锚杆钻孔，锚杆长度L锚杆根据圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a确定；在巷道表面挂设金属网同时安装预应力锚杆与W型钢带，利用金属网、预应力锚杆与W型钢带对巷道围岩进行锚固，对巷道围岩进行预应力锚杆+ 金属网支护；
第七步：当所述圆形巷道所需加固的围岩范围为椭圆圆环时，以椭圆长轴所在的中线位置为起点，以围岩最大破坏区宽度值b为半径，将中线两侧偏45°的扇形范围内围岩作为最大破坏区围岩，在最大破坏区围岩内安设预应力锚索，锚索长度L锚索根据圆形巷道围岩最大破坏区宽度值b确定，然后对巷道全断面围岩二次喷射纤维混凝土喷层；
第八步：二次纤维混凝土喷层凝固后在巷道全断面安装与圆形巷道断面相匹配的钢管混凝土支架，其中钢管混凝土支架与喷层之间采用柔性垫层填充，用以预留围岩变形空间，完成支护。
进一步的：第二步中，最小破坏区宽度值a和最大破坏区宽度值b计算公式分别为：
Figure BDA0003622834830000041
当侧压力系数λ≥1时，最大破坏区宽度值b＝λa；
当侧压力系数λ＜1时，最大破坏区宽度值
Figure BDA0003622834830000042
进一步的，所述第四步中纤维混凝土喷层厚度为40mm-50mm。
进一步的，所述第五步中注浆材料为微纳米无机注浆材料。
进一步的，所述预应力锚杆长度L锚杆由圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a确定，L锚杆＝l锚杆1+(a-R0)+l锚杆2，公式中：l锚杆1为预应力锚杆外露长度，为0.1m-0.2m；l锚杆2为预应力锚杆锚固长度，为0.4m-0.6m；所述预应力锚杆的预应力为80kN-120kN，预应力锚杆间排距选用600mm×600mm-1200mm×1200mm，预应力锚杆直径优先选用20mm、22mm、24mm；锚杆托盘选用拱形高强度托盘，尺寸为150mm×150mm×12mm；金属网由直径4mm铁丝编织的菱形金属网，网孔尺寸为40mm×40mm，相邻金属网间采用W型钢带进行搭接，搭接距离不小于 120mm；W型钢带宽度为200mm，厚度为5mm。
进一步的，所述第七步中预应力锚索长度L锚索由圆形巷道围岩最大破坏区宽度值b确定， L锚索＝l锚索1+(b-R0)+l锚索2，公式中：l锚索1为预应力锚索外露长度，为0.3m；l锚索2为预应力锚索锚固长度，为1.5m-2.0m；预应力锚索直径选用3.80mm和21.6mm，预应力锚索间排距选用 600mm×2000mm-1000mm×2000mm，预应力锚索的预应力为40kN-220kN；锚索托板选用高强度可调心托板，尺寸为250mm×250mm×14mm。
进一步的，所述二次纤维混凝土喷层厚度为80mm-90mm。
进一步的，所述第八步中所述钢管混凝土支架选择结构用无缝钢管，由四节90°圆弧拱钢管制成，内部充填混凝土；钢管混凝土支架圆弧拱由套管连接，钢管混凝土支架间距500mm-2000mm；钢管混凝土支架之间有连杆连接。
本发明与现有支护技术相比，其优点在于获取圆形巷道各参数后明确了巷道围岩易破坏区域及相应支护范围，圆形巷道开挖后，迅速在巷道全断面围岩表面初次喷射纤维混凝土喷层，对围岩进行封闭；在围岩最小破坏区注浆加固，使裂隙发育及破碎的巷道围岩重新固结成整体，发挥围岩的自我承载能力；通过围岩最小破坏区半径确定预应力锚杆长度并对巷道全断面围岩进行预应力锚杆支护，依据轴变论获得围岩最大破坏区范围，确定预应力锚索长度并对最大破坏区进行预应力锚索支护，预应力锚杆、预应力锚索安装完毕后，二次喷射纤维混凝土喷层后再进行钢管混凝土支架的安装，完成支护工作。
本发明根据圆形巷道断面不同位置处的围岩应力不同原则，利用围岩力学参数得到圆形巷道最小破坏区范围和最大破坏区范围，然后在最小破坏区范围和最大破坏区范围分别有针对性的加固，这样既不会发生最大破坏区围岩局部因应力过大而破坏，导致塑性区范围较大从而发生巷道失稳的情形，也避免了支护力过大导致支护强度过剩造成支护成本增加。
本发明根据具体巷道的围岩力学参数，通过给出的计算公式，简单、有效、准确的确定巷道最大、最小破坏区域，再依据不同破坏区域有针对性的确定支护手段，可操作性强，且最大、最小破坏区域由于是通过计算结果划分的区域，精度高，不但实现了精准支护，而且加快了施工速度，提高了支护效果，节省了支护费用。
本发明通过围岩注浆、预应力锚杆与预应力锚索为主形成主动支护系统，以钢管混凝土支架为主形成被动支护系统，能够很好的改善圆形巷道围岩应力状态，属于刚柔结合的支护方法，能够有效提高支护强度，减少巷道返修次数。本发明具有支护参数合理，支护效果好等优点，具有广泛的推广及应用价值。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所使用的附图作简单介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例原理图，对于本领域普通技术人员来讲，还可根据这些附图获得其他类似的附图。
图1为本发明的方法流程框图
图2为侧压力系数λ＜1时本发明确定的圆形巷道所需加固围岩范围示意图；
图3为侧压力系数λ＞1时本发明确定的圆形巷道所需加固围岩范围示意图；
图4为侧压力系数λ＜1时本发明确定的圆形巷道支护示意图；
图5为侧压力系数λ＞1时本发明确定的圆形巷道支护示意图；
图6为有锚索支护范围内的预应力锚杆+金属网支护示意图；
图7为无锚索支护范围内的预应力锚杆+金属网支护示意图；
图8为钢管混凝土支架间连接示意图；
图9a-9c为本发明所涉及的圆形巷道力学模型简化图，其中图9a示出了圆形巷道的实际受力状况，图9b示出了圆形巷道双向等压的力学状态，图9c示出了圆形巷道水平受拉垂直受压的力学状态，图9b和图9c是图9a的分解图。
图10为椭圆形巷道周边应力计算示意图；
图11为侧压力系数λ＝1时的巷道所需加固的围岩范围的示意图；
图12为侧压力系数λ＜1时巷道所需加固的围岩范围的示意图；
图13为侧压力系数λ＞1时巷道所需加固的围岩范围的示意图。
图中：1.围岩；2.圆形巷道；3.拱形高强度托盘；4.高强度可调心托板；5.圆形巷道所需加固的围岩范围；6.初次喷射纤维混凝土喷层；7.注浆加固范围；8.预应力锚杆；9.预应力锚索；10.二次喷射纤维混凝土喷层；11.钢管混凝土支架；12.柔性垫层；13.套管；14.连杆；15.金属网；16.W型钢带。
具体实施方式
本发明提供了一种深部圆形巷道支护方法，为使本发明实施例的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。具体实施方式如图1所示如下：
第一步：根据实际地质情况对当前施工段圆形巷道2进行开挖，圆形巷道2开挖掘进过程中，基于现场实测与实验室测试，对圆形巷道2所处地层进行地应力测量，获取圆形巷道 2围岩力学参数及圆形巷道2尺寸；其中，本步骤中现场实测与实验室测试包含圆形巷道2 围岩试样采集步骤及测试步骤、地应力测量步骤、圆形巷道2尺寸测量步骤，获取圆形巷道 2围岩力学参数及圆形巷道2尺寸；所述圆形巷道2围岩力学参数及圆形巷道2尺寸包括：圆形巷道2围岩粘聚力c、圆形巷道2围岩内摩擦角
Figure BDA0003622834830000061
圆形巷道2垂直地应力pV、圆形巷道2水平地应力pH和圆形巷道2半径R0；根据圆形巷道2垂直地应力pV和圆形巷道2水平地应力pH得到侧压力系数
Figure BDA0003622834830000071
第二步：基于圆形巷道2围岩力学参数、地应力参数及圆形巷道2尺寸，通过理论计算或者通过现场实测确定圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a；其中，理论计算圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a用下式：
Figure BDA0003622834830000072
当现场实测圆形巷道2 围岩最小破坏区宽度值a时采用钻孔窥视法或超声波法测量；
第三步：根据第一步、第二步获得的数据，基于轴变论理论获取圆形巷道2应力轴比，根据应力轴比计算圆形巷道2围岩最大破坏区宽度值b，确定圆形巷道2所需加固的围岩范围5，最大破坏区宽度值b具体确定方法在后面叙述；
圆形巷道2所需加固的围岩范围5，是以圆形巷道2为内环，以圆形巷道2圆心为中心、短轴长为2a长轴为2b的椭圆为外环围成的椭圆环区域；或者是以圆形巷道2为内环，以圆形巷道2圆心为中心、以a或b为半径的同心圆为外环围成的圆环区域；
进一步：根据侧压力系数λ大小具体可以分为以下三种情况：
当侧压力系数λ＜1时，圆形巷道2所需加固围岩范围5为短轴为水平方向、长轴为垂直方向的椭圆环形围岩区域(如图2和图12所示)；
当侧压力系数λ＞1时，圆形巷道2所需加固围岩范围5为短轴为垂直方向、长轴为水平方向的椭圆环形围岩区域(如图3和图13所示)；
当侧压力系数λ＝1时，此时最小破坏区宽度值a与最大破坏区宽度值b相等，所述圆形巷道2所需加固的围岩范围5是以圆形巷道2圆心为中心，以最小破坏区宽度值a或者最大破坏区宽度值b为半径围成的同心圆环区域(如图11所示)；
第四步：圆形巷道2开挖后，迅速在巷道全断面围岩表面喷射厚度为40mm-50mm的初次纤维混凝土喷层6，封闭围岩形成光滑平整的巷道表面，防止巷道围岩软化，便于安装支护设备；
第五步：参照图4-5，当圆形巷道2所需加固的围岩范围5为椭圆环形时，以椭圆短轴所在的中线位置为起点，以围岩最小破坏区宽度值a为半径，将中线两侧偏45°内的扇环范围内围岩作为最小破坏区围岩，利用注浆材料对最小破坏区围岩进行注浆加固，形成如图所示的注浆加固区7，提高最小破坏区围岩的完整性，图4扇环部位为侧压力系数λ＜1时的最小破坏区围岩，图5扇环部位为侧压力系数λ＞1时的最小破坏区围岩；之后进行第六步；
当所述圆形巷道2所需加固的围岩范围5为圆环时，此时最小破坏区围岩范围与最大破坏区围岩范围相同，利用注浆材料对需要加固的围岩进行注浆加固，注浆材料凝固后在巷道全断面围岩中打预应力锚杆钻孔，锚杆长度L锚杆根据圆形巷道2围岩最小破坏区宽度值a确定；在巷道表面挂设金属网15同时安装预应力锚杆8与W型钢带16，利用金属网15、预应力锚杆8与W型钢带16对巷道围岩1进行锚固，对巷道围岩1进行预应力锚杆8+金属网15支护，然后在巷道全断面围岩二次喷射纤维混凝土喷层10；之后直接进入第八步；
第六步：注浆材料凝固后在围岩1中打锚杆钻孔，在圆形巷道2表面挂设金属网15同时安装预应力锚杆8与W型钢带16，利用金属网15、预应力锚杆8与W型钢带16对巷道围岩1进行锚固，对巷道围岩1进行预应力锚杆8+金属网15支护；在本步骤中的预应力锚杆8长度L锚杆根据圆形巷道2围岩最小破坏区宽度值a确定，L锚杆＝l锚杆1+(a-R0)+l锚杆2，公式中： l锚杆1为预应力锚杆8外露长度，为0.1m-0.2m；l锚杆2为预应力锚杆8锚固长度，为0.4m-0.6m；预应力锚杆8的预应力为80kN-120kN，预应力锚杆8间排距选用600mm×600mm-1200mm× 1200mm，预应力锚杆8直径优先选用20mm、22mm、24mm；锚杆托盘选用拱形高强度托盘3，尺寸为150mm×150mm×12mm；金属网15由直径4mm铁丝编织的菱形金属网，网孔尺寸为40mm ×40mm，相邻金属网15间采用W型钢带16进行搭接，搭接距离不小于120mm；W型钢带16 宽度为200mm，厚度为5mm；支护结果见图6；
第七步：当圆形巷道2所需加固的围岩范围5为椭圆环形时，以椭圆长轴所在的中线位置为起点，以巷道围岩最大破坏区宽度值b为半径，将在中线两侧偏45°内的扇形范围内的围岩作为最大破坏区围岩，在最大破坏区围岩安设预应力锚索9，然后二次喷射厚度为80mm-90mm的纤维混凝土喷层10；在本步骤中的预应力锚索9长度L锚索根据圆形巷道2围岩最大破坏区宽度值b确定，L锚索＝l锚索1+(b-R0)+l锚索2，公式中：l锚索1为预应力锚索9外露长度，为0.3m；l锚索2为预应力锚索9锚固长度，为1.5m-2.0m；预应力锚索9直径选用3.80mm 和21.6mm，预应力锚索9间排距选用600mm×2000mm-1000mm×2000mm，预应力锚索9的预应力为40kN-220kN；锚索托板选用高强度可调心托板4，尺寸为250mm×250mm×14mm；支护结果见图7；
第八步：二次纤维混凝土喷层10凝固后安装与圆形巷道2断面相匹配的如图8所示的钢管混凝土支架11，其中钢管混凝土支架11与二次纤维混凝土喷层10之间采用柔性垫层12 填充，用以预留围岩变形空间，完成支护；在本步骤中的钢管混凝土支架11选择结构用无缝钢管，由四节90°圆弧拱钢管制成，内部充填混凝土；钢管混凝土支架11圆弧拱由套管13 连接，钢管混凝土支架11间距500mm-2000mm；钢管混凝土支架11之间有连杆14连接。
下面结合图9a-9c以及图10详细说明本发明圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a，以及圆形巷道围岩最大破坏区宽度值b的确定方法。
一、计算最小破坏区宽度值a
如图9a所示为圆形巷道开挖后力学模型，由于结构对称，荷载不对称，因此圆形巷道在双向不等压应力场下的应力场下的应力解可以通过基尔斯解答视为：图9b所示的均匀压应力场和图9c所示的左右受压、上下受拉应力场的叠加。
1.参照图9b说明均匀压应力场下的巷道围岩应力
由弹性力学可知，均匀应力场中巷道围岩在弹性阶段受外压
Figure BDA0003622834830000091
作用，由拉梅解答得巷道围岩应力公式为：
Figure BDA0003622834830000092
Figure BDA0003622834830000093
式中，σar、σaθ分别为均匀应力场中任一点的径向压力、环向压力，MPa；λ为侧压力系数；pV为巷道所处位置的垂直应力，MPa；R0为圆形巷道半径，m；r为围岩任一点与巷道中心的距离，m。
(2)参照图9c说明左右受压、上下受拉应力场的巷道围岩应力
左右受压、上下受拉应力场的应力解明显与r、θ有关。因此取应力函数：
Figure BDA0003622834830000094
将应力函数带入双调和方程：
Figure BDA0003622834830000095
化简得：
Figure BDA0003622834830000096
则式(4)的通解为：
f(r)＝Ar4+Br2+C+Dr-2 (5)
将式(5)带入应力函数得：
Figure BDA0003622834830000097
由式(6)带入应力分量计算公式得：
Figure BDA0003622834830000101
整理得：
Figure BDA0003622834830000102
由边界条件得极坐标下左右受拉、上下受压应力场巷道围岩的应力解公式为：
Figure BDA0003622834830000103
Figure BDA0003622834830000104
Figure BDA0003622834830000105
式中，σbr、σbθ、τbrθ分别为左右受拉、上下受压应力场中任一点径向压力、环向压力、切应力，MPa；θ为围岩任一点到巷道中心的连线与水平方向的夹角，rad；其余符号意义同上。
由以上解答可知，总的塑性区半径可看作是(1)均匀压应力场塑性区半径及(2)左右受压、上下受拉应力场塑性区半径之和。
2.计算总的塑性区半径Rp
(1)计算均匀压应力场塑性区半径Rap
围岩出现塑性区后，塑性区内的应力既满足平衡微分方程又满足塑性条件。采用莫尔- 库伦强度准则作为巷道围岩从弹性状态进入塑性状态的起塑条件。
平面应变条件下，极坐标下的平衡微分方程为：
Figure BDA0003622834830000106
平面应变条件下，极坐标表示的各应力分量与主应力的关系：
Figure BDA0003622834830000107
Figure BDA0003622834830000111
式中，σ1、σ3分别为最大主应力、最小主应力，MPa；其余符号意义同上。
当巷道围岩达到弹性极限进入塑性状态时，通常采用莫尔-库伦强度准则作为判别准则，以σ1和σ3表示的莫尔-库伦强度准则如下式：
Figure BDA0003622834830000112
式中，
Figure BDA0003622834830000113
为围岩的内摩擦角，°；c为围岩的内聚力，MPa。
由边界条件知：
在弹性区：外边界：r→∞，
Figure BDA0003622834830000114
内边界(弹塑性交界面)：r＝Rap(Rap为条件(1)的塑性区半径)，
Figure BDA0003622834830000115
其中上标“e”表示弹性区的物理量。
在塑性区：外边界(弹塑性交界面)：r＝Rap，
Figure BDA0003622834830000116
内边界：r＝R0，
Figure BDA0003622834830000117
其中上标“p”表示塑性区的物理量。
由式(12)、(15)联解。并用塑性区的内边界条件，得：
Figure BDA0003622834830000118
将式(16)带入式(13)-(15)，整理化简得：
Figure BDA0003622834830000119
由弹性区内边界、塑性区外边及受力条件，整理得弹性区应力：
Figure BDA00036228348300001110
由式(17)、式(18)和弹塑性边界关于径向应力相等，得塑性区半径为：
Figure BDA00036228348300001111
式(19)为(1)均匀压应力场塑性区半径计算公式。
(2)计算左右受压、上下受拉应力场塑性区半径Rbp
按照(1)均匀压应力场塑性区半径计算公式推导过程，同理获得(2)左右受压、上下受拉应力场塑性区半径计算公式，得：
Figure BDA0003622834830000121
式(20)为(2)左右受压、上下受拉应力场塑性区半径计算公式。
(3)计算总的塑性区半径Rp
式(19)与式(20)相加得总塑性区半径：
Rp＝Rap+Rbp (21)
化简得：
Figure BDA0003622834830000122
3.计算最小破坏区宽度值a
由于塑性区是已经发生破坏的区域，根据轴变论理论与塑性区半径Rp计算公式得到最小破坏区宽度值a，基于此原理，计算不同侧压力系数情形下的最小破坏区宽度值a
(1)当侧压力系数λ＜1时，最小破坏区宽度值a在水平方向，此时θ＝0°，则最小破坏区宽度值a的计算方法为：
Figure BDA0003622834830000123
(2)当侧压力系数λ大于1时，最小破坏区宽度值a在垂直方向，此时θ＝90°，则最小破坏区宽度值a的计算方法为：
Figure BDA0003622834830000124
(3)当侧压力系数λ＝1时，最小破坏区宽度值a计算方法：
Figure BDA0003622834830000125
二.计算最大破坏区宽度值b
计算过程是：基于轴变论理论获取圆形巷道应力轴比，通过应力轴比计算圆形巷道围岩最大破坏区宽度值b。
椭圆形状是各种形状巷道破坏后的最终状态，由此得出巷道工程设计中采用应力轴比的巷道断面是最稳定断面，此时巷道周边的应力分布是均匀的，见图10。
式(23)和式(24)确定的都是a，而a分两种情况，第一种情况a在水平方向，第二种情况a在垂直方向。
(1)当侧压力系数λ＜1时，最小破坏区宽度值a在水平方向，在原岩应力状态下，椭圆巷道周边任一点的应力利用复变函数求解得：
Figure BDA0003622834830000131
式中，b为椭圆y轴上的半轴长度(也就是最大破坏区宽度值)，a为椭圆x轴上的半轴长度(也就是最小破坏区宽度值)，θ为计算点C和椭圆中心的连线与垂直轴的夹角。
当巷道周边应力均匀分布时，此时巷道最稳定，由此得：
Figure BDA0003622834830000132
此时的应力轴比
Figure BDA0003622834830000133
(2)当侧压力系数λ大于1时，最小破坏区宽度值a在垂直方向，在原岩应力状态下，椭圆巷道周边任一点的应力利用复变函数求解得：
Figure BDA0003622834830000134
式中，a为椭圆y轴上的半轴长度(也就是最小破坏区宽度)，b为椭圆x轴上的半轴长度(也就是最大破坏区宽度)，θ为计算点C和椭圆中心的连线与垂直轴的夹角。
当巷道周边应力均匀分布时，此时巷道最稳定，由式(27)同理得到此时的应力轴比
Figure BDA0003622834830000135
(3)当侧压力系数λ＝1时，说明巷道围岩垂直压力和水平压力相等，此时b＝a。
以上，仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，其特征在于，它包括以下步骤：
第一步：在圆形巷道开挖掘进过程中，基于现场实测与实验室测试，对巷道所处地层进行地应力测量，获取圆形巷道围岩力学参数及巷道尺寸，具体包括：圆形巷道围岩粘聚力c、圆形巷道围岩内摩擦角
Figure FDA0003622834820000012
圆形巷道垂直地应力pV、圆形巷道水平地应力pH、圆形巷道半径R0；通过圆形巷道垂直地应力pV和圆形巷道水平地应力pH得到侧压力系数λ，
Figure FDA0003622834820000011
第二步：基于圆形巷道围岩力学参数、地应力参数及巷道尺寸，确定圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a；当围岩力学参数测试不方便或不具备测试条件时，需要现场采用钻孔窥视法和超声波法测量出最小破坏区宽度值a；
第三步：根据第一步、第二步获得的数据，基于轴变论理论获取圆形巷道应力轴比参数，根据应力轴比参数计算圆形巷道围岩最大破坏区宽度值b，根据圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a、最大破坏区宽度值b以及侧压力系数λ确定圆形巷道所需加固围岩范围，具体确定方法为：
当侧压力系数λ＝1时，此时最小破坏区宽度值a与最大破坏区宽度值b相等，所述圆形巷道所需加固的围岩范围是以圆形巷道为内环，以圆形巷道圆心为中心、以最小破坏区宽度值a或者最大破坏区宽度值b为半径的同心圆为外环围成的圆环区域；
当侧压力系数λ＜1时，所述圆形巷道所需加固的围岩范围是以圆形巷道为内环，以最小破坏区宽度值a为短轴半径、最大破坏区宽度值b为长轴半径的椭圆为外环围成的椭圆圆环区域，且椭圆的短轴为水平方向、长轴为垂直方向；
当侧压力系数λ＞1时，所述圆形巷道所需加固的围岩范围是以圆形巷道为内环，以圆形巷道圆心为中心、以最小破坏区宽度值a为短轴半径、最大破坏区宽度值b为长轴半径的椭圆为外环围成的椭圆圆环区域，且椭圆的短轴为垂直方向、长轴为水平方向；
第四步：圆形巷道开挖后，迅速在巷道全断面围岩表面初次喷射纤维混凝土喷层，封闭围岩形成光滑平整的巷道表面，防止巷道围岩软化，便于安装支护设备；
第五步：当所述圆形巷道所需加固的围岩范围为椭圆圆环时，以椭圆短轴所在的中线位置为起点，以围岩最小破坏区宽度值a为半径，将中线两侧偏45°的扇形范围内围岩作为最小破坏区围岩，利用注浆材料对最小破坏区围岩进行注浆加固，提高最小破坏区围岩的完整性；之后进入第六步；
当所述圆形巷道所需加固的围岩范围为圆环时，此时最小破坏区围岩范围与最大破坏区围岩范围相同，利用注浆材料对需要加固的围岩进行注浆加固，注浆材料凝固后在巷道全断面围岩中打预应力锚杆钻孔，锚杆长度L锚杆根据圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a确定；在巷道表面挂设金属网同时安装预应力锚杆与W型钢带，利用金属网、预应力锚杆与W型钢带对巷道围岩进行锚固，对巷道围岩进行预应力锚杆+金属网支护，然后对巷道全断面围岩二次喷射纤维混凝土喷层；之后直接转入第八步；
第六步：注浆材料凝固后在巷道全断面围岩中打预应力锚杆钻孔，锚杆长度L锚杆根据圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a确定；在巷道表面挂设金属网同时安装预应力锚杆与W型钢带，利用金属网、预应力锚杆与W型钢带对巷道围岩进行锚固，对巷道围岩进行预应力锚杆+金属网支护；
第七步：当所述圆形巷道所需加固的围岩范围为椭圆圆环时，以椭圆长轴所在的中线位置为起点，以围岩最大破坏区宽度值b为半径，将中线两侧偏45°的扇形范围内围岩作为最大破坏区围岩，在最大破坏区围岩内安设预应力锚索，锚索长度L锚索根据圆形巷道围岩最大破坏区宽度值b确定，然后对巷道全断面围岩二次喷射纤维混凝土喷层；
第八步：二次纤维混凝土喷层凝固后在巷道全断面安装与圆形巷道断面相匹配的钢管混凝土支架，其中钢管混凝土支架与喷层之间采用柔性垫层填充，用以预留围岩变形空间，完成支护。
2.如权利要求1所述的基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，其特征在于，第二步中，最小破坏区宽度值a和最大破坏区宽度值b计算公式分别为：
Figure FDA0003622834820000021
当侧压力系数λ≥1时，最大破坏区宽度值b＝λa；
当侧压力系数λ＜1时，最大破坏区宽度值
Figure FDA0003622834820000022
3.如权利要求1所述的基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，其特征在于，所述第四步中纤维混凝土喷层厚度为40mm-50mm。
4.如权利要求1所述的基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，其特征在于，所述第五步中注浆材料为微纳米无机注浆材料。
5.如权利要求1所述的基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，其特征在于，
所述的第六步中的预应力锚杆长度L锚杆由圆形巷道围岩最小破坏区宽度值a确定，L锚杆＝l锚杆1+(a-R0)+l锚杆2，公式中：l锚杆1为预应力锚杆外露长度，为0.1m-0.2m；l锚杆2为预应力锚杆锚固长度，为0.4m-0.6m；预应力锚杆的预应力为80kN-120kN，预应力锚杆间排距选用600mm×600mm-1200mm×1200mm，预应力锚杆直径选用20mm、22mm或24mm；锚杆托盘选用拱形高强度托盘，尺寸为150mm×150mm×12mm；
所述的第六步中的金属网由直径4mm铁丝编织的菱形金属网，网孔尺寸为40mm×40mm，相邻金属网间采用W型钢带进行搭接，搭接距离不小于120mm；W型钢带宽度为200mm，厚度为5mm。
6.如权利要求1所述的基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，其特征在于，所述的第七步中预应力锚索长度L锚索由圆形巷道围岩最大破坏区宽度值b确定，L锚索＝l锚索1+(b-R0)+l锚索2，公式中：l锚索1为预应力锚索外露长度，为0.3m；l锚索2为预应力锚索锚固长度，为1.5m-2.0m；预应力锚索直径选用3.80mm或21.6mm，预应力锚索间排距选用600mm×2000mm-1000mm×2000mm，预应力锚索的预应力为40kN-220kN；锚索托板选用高强度可调心托板，尺寸为250mm×250mm×14mm。
7.如权利要求1所述的基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，其特征在于，所述第七步中二次喷射纤维混凝土喷层厚度为80mm-90mm。
8.如权利要求1所述的基于围岩分区的深部圆形巷道精准支护方法，其特征在于，所述的第八步中钢管混凝土支架选择结构用无缝钢管，由四节90°圆弧拱钢管制成，内部充填混凝土；钢管混凝土支架圆弧拱由套管连接，钢管混凝土支架间距500mm-2000mm；钢管混凝土支架之间有连杆连接。
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