[发明专利]基于围岩塑性区大小的巷道支护定量设计方法

权利要求书

1.基于围岩塑性区大小的巷道支护定量设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，计算确定巷道围岩塑性区半径R的大小；

步骤2，根据计算结果对巷道围岩进行分类；

步骤3，根据巷道围岩分类结果，对不同类型的围岩进行针对性的支护参数设计；

步骤4，根据现场监测反馈信息修改和调整支护参数；

所述步骤1巷道围岩塑性区半径R的大小的计算方法如下：对于圆形巷道根据下述公式(12)和公式(13)代入相关参数直接计算出塑性区半径R的大小，对于巷道断面形状为矩形、拱形或其它形状时，利用FLAC3D、UDEC计算机数值模拟方法得到塑性区半径R；

关于圆形巷道在双向不等压应力场下的围岩应力解根据下式得到；

式中σ_r—任一点的径向应力；σ_θ—任一点的环向应力；τ_rθ—任一点的剪应力；γ—岩石容重；H—巷道埋深；λ—侧压系数；a—圆形巷道的半径；(r,θ)—任一点的极坐标；

为了得到圆形巷道围岩中某一点的主应力，需利用下式将极坐标系下的应力公式变换为直角坐标系下的应力公式：

弹性力学中的主应力计算公式为：

将公式(1)代入公式(2)再代入公式(3)后可以得用极坐标表示的圆形巷道围岩中任意一点的主应力为：

一点的应力状态必然存在三个主方向，当一点应力状态以主应力表示时，则应力可表示为：

σ_i＝σ_m+s_i (5)

式中：S_i为主偏应力；σ_m为平均应力；

在进行巷道围岩应力研究时，将其简化为平面问题，因此根据公式(5)和公式(6)得到主偏应力的计算公式：

将公式(4)代入公式(7)得：

根据任意一点的极限主应力并结合莫尔-库仑强度准则便得出以极限主应力σ₁和σ₃来表示的库仑—莫尔强度准则，即极限平衡条件：

式中C—弹塑性介质的内聚力；φ—弹塑性介质的内摩擦角；将公式(10)变换后得：

进一步将上式变换后得：

因此，通过公式(11)得到：

公式(12)为当侧压系数λ不等于1时的圆形巷道围岩的最小塑性区半径解；

当侧压系数λ＝1时，公式(11)变为：

将公式(9)代入上式，得

公式(13)当侧压系数等于1时的圆形巷道围岩塑性区半径的解，R：半径a是圆形巷道的半径，(r，θ)是圆形巷道围岩某一点的极坐标，

所述步骤2，对巷道围岩进行分类的方法如下：

在得到围岩塑性区半径R以后，利用下式计算出巷道顶板岩层最大冒顶隐患深度：

式中，θ为围岩最大塑性区半径与水平方向的夹角；a为巷道中心位置与顶板表面的垂直距离；

在得到顶板最大冒顶隐患深度H后，根据H的大小将顶板分为四类，H表示巷道顶板岩层最大冒顶隐患深度；

I类稳定顶板H＜1.5m，此类顶板岩层塑性区范围最小，且顶板最大冒顶隐患高度不超过1.5m，支护设计主要的控制对象为已经破碎的危险岩块；

II类中等稳定顶板1.5m＜H＜3.5m，此类顶板岩层塑性区范围较大，且顶板最大冒顶隐患高度不超过3.5m，顶板会产生一定量的变形，且顶板岩层的破坏形式主要为梁式跨落，因此支护设计主要的控制对象为顶板发生梁式跨落的不稳定岩层；

III类不稳定顶板3.5m＜H＜5.5m，此类顶板岩层塑性区范围大，且顶板最大冒顶隐患高度不超过5.5m，顶板通常会发生大变形，导致顶板会发生一定的冒落，因此支护设计的主要对象为极易发生冒落的破裂岩石；

IV类极不稳定顶板H＞5.5m，此类顶板岩层塑性区范围最大，且顶板最大冒顶隐患高度超过5.5m，主要是由于围岩产生非线性大变形，导致顶板极易发生拱形冒落，因此支护设计的主要控制对象为拱顶下的破碎岩石；

同样的根据下式得到巷道围岩帮部的最大塑性区半径：

式中：w－巷道半宽；

在得到帮部塑性区最大半径W后，结合现有技术围岩松动圈支护理论，将巷道帮部围岩分为四类：

I类稳定围岩W＜0.4m，围岩产生了很小的碎胀变形，此类围岩一般无需锚杆支护，采用裸体或钢筋网辅助支护材料进行支护；

II类中等稳定围岩0.4m＜H＜1.5m，此类围岩破碎变形量较大，导致巷道两帮稳定性较差，因此使用常规锚杆进行支护；

III类不稳定顶板1.5m＜H＜3m，此类围岩破碎范围广，破碎深度大，围岩产生大变形，导致帮部鼓出现象明显，两帮稳定性差，需使用锚网喷进行支护；

IV类极不稳定顶板H＞3m，此类围岩极为破碎，岩石碎胀变形量极大，常常表现为两帮的强烈鼓出现象，导致两帮稳定性极差，从而影响顶板稳定性，因此使用以锚喷网为基础的联合支护进行帮部支护；

所述步骤3，根据巷道围岩分类结果对不同类型的围岩进行针对性的支护参数设计的具体内容如下：

(1)I类稳定顶板支护参数设计；

I类稳定顶板塑性区范围小，最大冒顶隐患深度不超过1.5m，在现有锚杆支护高度范围内，因此使用普通锚杆进行支护，具体支护参数设计基于悬吊理论进行设计；

a)I类顶板锚杆长度设计

锚杆长度参照下式计算：

式中：l₁－锚杆外露长度，取决于锚杆托盘厚度、螺母厚度；

l₂－锚杆有效长度，应大于顶板最大冒顶隐患高度，保证锚杆锚固端位于塑性区外；

l₃－锚杆锚固长度，取0.5～1.0m，应由拉拔试验确定；

b)I类稳定顶板锚杆间排距设计

锚杆间排距参照下式计算：

式中：G－锚杆悬吊的岩石载荷，考虑到支护安全性，取悬吊载荷为顶板最大冒顶隐患高度内岩层的总重量；

γ－悬吊岩层的容重；

a－锚杆间距

b－锚杆排距

(2)II类中等稳定顶板、III类不稳定顶板、IV类极不稳定顶板支护参数设计；II类中等稳定顶板、III类不稳定顶板、IV类极不稳定顶板岩层均会出现较大范围的塑性区，导致顶板极易出现拱式冒落，且顶板冒顶隐患高度均超过了1.5m，单独使用锚杆支护不能达到控制塑性区恶性扩展的目的，因此必须使用锚杆索联合支护，具体支护参数基于冒落拱理论进行设计；

a)II类、III类、IV类顶板锚杆支护长度设计锚杆长度参照下式进行设计：

式中：l₁－锚杆外露长度，取决于锚杆托盘厚度、螺母厚度；h－顶板最小冒顶隐患高度；l₂－锚杆有效长度，取最小冒顶隐患高度和1.5m两者中的最大值，以保证锚杆锚固端部分位于塑性区外；l₃－锚杆锚固长度，取0.5～1.0m，应由拉拔试验确定；

b)II类、III类、IV类顶板锚索支护长度设计

锚索长度参照下式进行设计：

式中：l₁－锚索外露长度，取决于锚索托盘厚度、螺母厚度；l₂－锚索有效长度，应大于顶板最大冒顶隐患高度，保证锚索锚固段端位于塑性区外，发挥锚索的悬吊作用；l₃—锚索锚固长度，取0.5～1.0m，应由拉拔试验确定；

c)II类、III类、IV类顶板锚杆或索间排距设计

式中：

n－每排锚杆/索根数；P－锚杆/索选调的载荷；k－安全系数；c－锚杆/索排距；R_t－锚杆/索破断载荷；a－顶板的半宽；b－巷道顶板和两边帮部交界处围岩的塑性区半径最大值；

关于帮部支护参数的设计根据松动圈支护理论进行具体的支护参数设计；

所述步骤4，根据现场监测反馈信息修改和调整支护参数具体内容如下：

支护监测内容主要包括以下三个方面：

(1)顶板岩层变形，主要使用各种顶板岩层位移量监测仪器对顶板锚固区内和锚固区外的岩层位移量进行监测；

(2)锚杆索支护体的受力状况，利用锚杆索测力计仪器监测支护体的受力状况，以判断支护体的支护状态；

(3)巷道表面位移观测，运用十字交叉法常规测量方法监测巷道顶底板移近量和两帮移近量；

以上三个监测内容，在现场实际应用时，对每个监测内容设定一个具体的阈值，具体阈值的确定根据相关行业规定或根据现场实际情况而定，同时在现场实际监测中，根据需要选择一个或几个内容进行监测，在得到监测数据后，将监测数据与具体阈值进行比较，确定支护的合理性，以便及时进行修改和调整。