工程类比法是应用非常广泛的方法。它是根据已经支护的类似工程的经验,通过工程类比,提出锚杆支护参数。
一、根据已有工程直接提出支护设计
这种方法是将已开掘的、成功应用锚杆支护巷道的地质与生产条件与待开掘的巷道进行比较,在各种条件基本相同的情况下,参照已掘巷道的支护形式与参数,由设计人员根据自己的经验提出待掘巷道的支护设计。因此,已掘巷道与待掘巷道条件的比较与设计人员的设计经验是直接工程类比法应用成败的关键。
没有两条巷道的地质与生产条件完全相同,甚至一条巷道不同地段的条件也存在着差异,但是,直接工程类比法使用的基础是两条巷道的条件基本类似,不能有较大的差异。进行工程类比时,要求比较的内容全面、细致、可靠,不仅要抓住关键因素,而且不能忽略细节。在充分、详细比较的基础上,根据已掘巷道的支护设计,进行适当调整,确定待掘巷道的支护形式与参数。直接类比的内容主要有以下方面:
1.围岩物理力学性质
围岩物理力学性质包括巷道顶底板、煤层赋存状态,物理力学参数。巷道顶底板应取一定范围的岩层(如2倍巷道宽度)进行比较。物理性质包括岩性、矿物成分、密度、孔隙率、水理性质等内容。对于煤矿巷道中常见的泥岩、粉砂岩及页岩等岩石,受风化影响程度,遇水软化与膨胀特性都应给予足够重视;力学性质包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、凝聚力、内摩擦角等诸多参数。其中,煤岩体的单轴抗压强度是最常用的力学指标。
2.围岩结构特征
围岩结构特征指煤岩体内节理、层理、裂隙等不连续面的空间分布特征及力学参数。结构面的几何特征参数包括:结构组数、密度;结构面走向、倾角、延展长度与张开度;结构面充填物、粗糙度及起伏度等。结构面力学参数包括:法向刚度、切向刚度;凝聚力与内摩擦角等。结构面对裂隙岩体的强度、变形和破坏特征的影响非常明显,甚至是最关键的因素。因此,进行围岩结构特征比较时,应尽量全面、详细。当然,完全了解结构面的各种参数是十分困难的,但不能忽略主要参数。
3.地质构造影响
地质构造包括断层、褶曲、陷落柱等,大型地质构造对煤岩体的强度、结构、应力状态,对煤岩体的完整性和稳定性都有明显的影响,对巷道支护形式与参数的选取起关键性作用。在进行工程类比时,必须弄清巷道附近有无较大的地质构造,地质构造的特点,以及构造对巷道的影响程度。
4.地应力
地应力与围岩强度、围岩结构一样是影响巷道变形与破坏的关键因素。地应力一般分为垂直应力与水平应力。实测数据表明,垂直应力与巷道埋藏深度有较强的相关关系,而水平应力则影响因素复杂,可靠的方法是通过井下实测得到地应力的大小与方向。地应力参数包括:垂直主应力的大小与方向,最大水平主应力的大小与方向,最小水平主应力的大小与方向,以及最大水平主应力与巷道轴线的夹角。
5.巷道特征与使用条件
巷道特征包括巷道断面形状(拱形、矩形、梯形、倒梯形等),巷道断面尺寸(宽度、高度等),巷道轴线方向、倾角;巷道使用条件包括:巷道类型(大巷、采区集中巷、回采顺槽、开切眼等),巷道服务年限。
6.采动影响情况
采动影响状况包括:采动空间关系,与邻近巷道的位置关系,与采掘工作面、采空区的空间位置关系,层间距大小及煤柱尺寸;采动时间关系,巷道在采动影响前掘进、采动影响过程中掘进,还是采动影响稳定后掘进;采动次数,一次采动影响、二次或多次采动影响。采动对采准巷道围岩变形与破坏影响很大,类比时应作为一个重要因素考虑。
7.巷道施工技术
对于松软破碎围岩巷道,施工工艺及施工设备等对围岩的稳定性也有明显影响,例如掘进机掘进优于爆破掘进,光面爆破优于普通爆破。此外,不同的开挖顺序也可能影响巷道围岩的稳定性。
二、根据经验公式进行支护设计
经验公式是在大量支护设计经验的基础上,得出的指导支护设计的简单公式。目前,国内外有多种锚杆支护设计的经验公式,以下列举数例。
1.锚杆长度选取
(1)Hoek与Brown等提出确定锚杆长度的一般经验准则:最小锚杆长度=max[锚杆间距的两倍,三倍不连续面平均间距确定的不稳定岩块宽度,巷道跨度之半]。
(2)Lang与Bischoff认为,锚杆长度与锚杆间排距之比应为1.2~1.5,锚杆长度可作为巷道宽度的函数确定,如:L=B2/3,其中L为锚杆长度,B为巷道宽度。
(3)Schach等人提出确定锚杆长度的经验公式为:
L=1.4+0.184B (非预应力锚杆)
L=1.6+(1+0.012B2)1/2 (预应力锚杆)
(4)日本的经验表明,锚杆长度为巷道宽度或高度的0.6倍。如果再加长锚杆,支护效果将不会明显变化。
(5)新奥法对锚杆长度的选择也提出一些准则。基于锚杆支护的作用是在围岩中形成自承拱的原理,锚杆长度主要与巷道围岩条件及跨度有关:对于比较完整的硬岩,锚杆长度取1.0~1.2m;对于完整性较差的中硬岩石,锚杆长度取巷道宽度的1/4~1/3,一般为2~3m;对于松软破碎的岩体,锚杆长度取巷道宽度的1/2~2/3,一般为4~6m。
(6)其它经验公式,如:
公式1:
顶板锚杆长度 L=2+0.15B/K
帮锚杆长度 L=2+0.15H/K
其中:B—巷道宽度,m;
H—巷道高度,m;
K—与围岩性质等有关的系数,一般取3~5。
公式2:
锚杆长度 L=k(1.5+B/10)
其中:k—围岩影响系数,一般取0.9-1.2,围岩稳定性差时取大值。
2.锚杆间排距选取
(1)Hoek与Brown等提出,最大锚杆间距=min[锚杆长度之半,1.5倍不连续间距确定的不稳定岩块宽度]。
(2)Lang与Bischoff认为,锚杆间排距与锚杆长度之比为2/3~5/6比较合理。
(3)Schach等从拱形巷道顶部能够形成有效的压力拱出发,认为锚杆长度与锚杆间距的比值应接近2。
(4)新奥法对锚杆间距的选择提出一些准则:硬岩,锚杆间距取1.5~2.0m;中硬岩石,锚杆间距取1.5m;松软破碎的岩体,锚杆间距取0.8~1.0m。
经验公式最大的特点是使用简单、方便,但存在两方面的弊端:一是经验公式只能提供锚杆支护的主要参数(锚杆长度、间排距等),而其它参数,如锚杆杆体结构、预应力、锚固长度、托板结构与尺寸、组合构件形式与尺寸等,很难在经验公式中全面反映,但是,这些参数在锚杆支护中同样起着十分重要的作用;二是经验公式中考虑影响锚杆支护效果的因素很少,如上述的经验公式中,只考虑了巷道宽度、高度,岩石软硬程度,结构面分布,而影响巷道围岩变形与破坏的因素还有很多。因此,经验公式提供的支护参数只能作为参考,不能不顾巷道的具体条件而照搬套用。
三、以围岩分类为基础的支护设计
1.围岩分类方法
直接工程类比法与支护设计者的实践经验关系很大,是决定支护设计成败的关键因素。然而,要求每一个设计人员都具有丰富的实践经验是不切实际的。为了将待定岩体条件下的设计与个别工程相应条件下的实践经验联系起来进行工程类比,做出比较合理的设计方案,进行围岩分类是非常必要的。在围岩分类的基础上,根据不同类别的围岩提出支护形式和参数设计的建议,这种方法已经在国内外得到广泛应用。
国外比较典型的岩石分类法有普氏坚固性系数分级法、岩芯质量指标RQD分级法(Deere,1967)、以岩体中弹性波传播速度为指标的分类方法(池田和彦,1973),以及岩体质量Q分级法(Barton,1974)和RMR岩体分级法(Bieniawski,1979)等,有些分类方法提出了相应的锚杆支护建议。
我国学者在岩体分类方面也做了大量工作。如制订了《工程岩体分级标准》,根据岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数对岩体进行基本质量分级,然后根据结构面产状、应力状态及地下水等修正岩体基本质量指标;提出锚喷支护围岩分类(GBJ86-85),综合考虑了岩石强度、岩体完整性指标、岩体结构和分布、地应力及围岩自稳时间等,比较全面、合理;提出以围岩变形量大小为指标的分类方法,将围岩变形量这个众多影响因素作用的综合指标作为分类的基础;提出以围岩松动圈为指标的分类方法,围岩松动圈是与围岩强度、结构、应力及巷道断面形状和尺寸等多种因素有关的综合指标;制订了《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》,采用模糊聚类分析方法,用模糊综合评判预测巷道围岩稳定性类别,预测巷道围岩移近量。下面简单介绍以回采巷道围岩稳定性分类和围岩松动圈分类为基础的支护设计建议。
2.回采巷道围岩稳定性分类及支护设计建议
煤炭系统1988年颁布试用《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》后,经过多年的应用和不断的完善,发展成为包括缓倾斜、倾斜、急倾斜煤层及不同煤层厚度的回采巷道,煤层上、下山及其它煤巷,岩石巷道在内的全部采准巷道围岩稳定性分类。煤巷围岩的稳定性分为5个类别:Ⅰ类非常稳定,Ⅱ类稳定,Ⅲ类中等稳定,Ⅳ类不稳定,Ⅴ类极不稳定。在围岩稳定性分类的基础上,结合已有的支护设计与实践经验,提出了巷道锚杆支护基本形式与主要参数选择的建议,如表1。
3.巷道围岩松动圈分类及支护设计建议
根据巷道围岩松动圈支护理论,现场围岩松动圈测试,松动圈大小与巷道支护难易程度的关系,结合锚喷支护机理,将围岩分为小松动圈稳定围岩(厚度小于400mm),中松动圈一般稳定围岩(厚度在400-1500mm之间),及大松动圈不稳定围岩(厚度大于1500mm)三大类,然后提出围岩分类及相应的支护机理与方法,如表3。围岩松动圈大小可通过现场实测获得。测试方法有超声波测井探测法、地质雷达探测法、渗流法、地震声学法等,其中超声波测井探测法比较常用。
表1 巷道顶板锚杆基本支护形式与主要支护参数选择
注:1. 巷帮锚杆支护形式与主要参数视地应力大小、巷帮煤岩体强度、节理状况、护巷煤柱尺寸、巷道断面与是否切割等,参照顶板锚杆确定;
2. 对于复合顶板、破碎围岩、易风化、潮解、遇水膨胀围岩,可考虑在基本支护形式基础上增加锚索加固或注浆加固、封闭围岩等措施;
3. 锚杆各构件强度应与相应锚固力匹配;
4. “顶板较完整”指节理、层理分级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级;“顶板较破碎”指Ⅳ、Ⅴ级,如表2。
表2 岩层节理、层理发育程度分级
表3 巷道围岩松动圈分类及支护建议
转化果平台咨询电话:4001817969