基于修正普氏拱的巷道锚杆支护技术

为了对受到较大水平应力的巷道进行有效的支护,本文在考虑水平构造应力作用情况下,假设巷道周边的岩体为松散破碎岩体,分析了巷道周边自稳结构的形状,得到开挖巷道周边最终形成的修正普氏拱的方程.在此基础上,推导出巷道顶部和两帮的破碎范围与松动压力计算公式,为巷道的加固范围和支护强度计算提供了理论依据。在神火矿区新庄矿现场地应力测量值基础上,采用以上理论,进行巷道的锚杆支护设计,得到了很好的支护效果.并采用YZT-Ⅱ型岩层钻孔探测仪观测巷道周边的破碎状况,测量结果与采用修正普氏拱理论计算结果接近.

普氏压力拱理论的局限性

普氏压力拱理论一直是我国隧道与地下工程设计的力学基础,但学界和工程界对此也有一定质疑,文章试图对此做些探索,以便澄清概念。通过应用有限元极限分析中的强度折减法和模型试验方法,分析了普氏压力拱的真实含意和形成条件,研究了洞跨、围岩强度与压力拱自稳的关系,研究了不同埋深条件下隧洞的破坏机理。结果表明:压力拱理论只在矩形和拱顶平缓以及围岩稳定且埋深不大的隧洞中才能成立;拱形隧洞不会形成压力拱;围岩强度太低,隧洞跨度太大,不会形成自稳的压力拱;围岩稳定性好,隧洞不会破坏,也不会形成压力拱;隧洞埋深较大时,两侧首先发生破坏,压力拱理论不起作用。

普氏卸荷拱理论在治理隧道塌方中的应用

通过对普氏卸荷拱理论的介绍及其在治理某隧道塌方中的成功应用,认为在治理塌方事故时,应同时对塌穴下方侧墙和拱顶围岩进行有效支护,这样才能获得良好的治理效果。

深埋隧道穿越二元地层普氏围岩压力研究

当前隧道建设过程常面临穿越多元地层的情况,其中处于二元地层中隧道围岩压力的计算方法存在争议:当两种地层地质参数相差较大时,常用的均值法不再适用。在二元地层中,通过研究普氏理论围岩压力计算方法的使用条件,以地层的物理性质为基础,设立计算宽度标量W并基于物理计算模型分析,提出二元地层情况下普氏自然拱的建模方法及改进计算方法,称为修正参数法。通过对实际工程中的案例分析,使用修正参数法和常用取均值法分别与工程实测数据进行对比。结果表明,随着二元地层地质特性差异变大,常见均值法结果与实测值相差越大,数值结果最大相差为15.8%,均值法不适用。提出的修正参数法由于计算参数综合考虑了二元地层特性,适用于各种差异程度的二元地层情况,可为隧道穿越二元地层的围岩压力计算提供参考。

基于改进普氏平衡拱理论的层状顶板安全厚度研究

针对露天矿区对前井工开采矿留下采空区的处理是一个重要的安全问题,依托元宝山露天煤矿隐蔽致灾地质因素综合勘探治理研究项目和平朔东露天矿采空区(空洞)综合勘察与治理项目进行深入研究,结合东露天矿的现场实际条件进行理论分析,并以井工矿采空区顶板安全厚度为切入点,采用理论分析、模型构建、现场实测等方法,分析在垂直地应力和水平构造应力共同作用下平衡拱的形态演化规律和特征,对传统普氏平衡拱理论进行研究与改进,得到改正普氏平衡拱拱高计算方法,并在工程实践中得以验证。结果表明:层状顶板在垮落过程中须考虑水平应力的影响,平衡拱拱高随侧压系数的增大而减小,顶板的安全厚度也会相应减小;经现场对采空区顶板裂缝产状及发育情况观测,以改进普氏平衡拱计算所得的顶板稳定性要大于传统普氏平衡拱的结论,改进普氏平衡拱的计算结论与实际吻合较好。为保障露天矿工作面中的大型设备安全作业,进而为确定下伏井工矿采空区顶板安全厚度提供理论参考依据,同时为露天矿井采采空区稳定性的研究提供了基础。

考虑土拱效应抗滑桩桩间挡土板土压力计算

从抗滑桩桩间土体的土拱效应出发,利用普氏卸荷拱理论推导出抗滑桩桩间土体成拱卸荷后抗滑桩桩间挡土板土压力的计算方法,并通过工程实例验证其方法的科学合理性,有较大的工程应用价值。

唐山矿托煤顶巷道支护参数设计与优化

为研究深部托煤顶巷道围岩变形特征,以唐山矿0293工作面为背景,基于普氏拱理论分析了巷道围岩顶板及两帮的破坏深度,根据工作面赋存条件,采用FLAC3D软件模拟架棚和锚杆两种支护方式并进行对比,得到最佳的支护形式为“锚杆+锚索”。设定7种不同参数的锚杆支护方案,进一步进行模拟比较得到最优方案。研究结果表明:理论上0293工作面巷道顶板破坏深度在3.03 m,巷道两帮破坏深度在2.81 m;唐山矿托煤顶巷道围岩的煤体较软,具有较大的变形量,锚杆(索)对于巷道围岩变形的控制明显优于架棚支护。确定最优的托煤顶巷道支护方案为:顶锚杆间排距700 mm×700 mm,顶锚索间排距1400 mm×1400 mm,3根锚索,帮锚杆700 mm×700 mm,帮锚索4500 mm,每排2根时,对巷道围岩变形的控制效果最好。

基于普氏理论的圆形隧道竖向土压力计算方法

基于经典普氏压力拱理论,对隧道竖向土压力进行了分析论证,在此基础上,结合圆形隧道开挖后土体滑裂面的实际情况,对经典普氏压力拱理论进行了合理的改进,推导了圆形隧道平衡拱半跨度B和平衡拱高度h的解析表达式,由此建立了圆形隧道竖向土压力计算公式。通过一个具体的算例,对比分析了圆形隧道条件下直接采用经典普氏压力拱理论以及采用文中改进方法所得隧道竖向土压力之间的差异,初步验证了文中所提出改进方法的合理性。

破碎覆岩回采巷道临界宽度研究

为有效控制破碎覆岩回采巷道变形,根据其赋存特征采用"工"字钢架棚支护技术,分析破碎覆岩普氏拱结构的形成原理和研究回采巷道临界宽度。针对破碎覆岩回采巷道围岩松碎、强度低和不具有可锚性等特点,采用普氏拱理论,计算回采巷道围岩压力;当棚梁"工"字钢最大正应力等于"工"字钢屈服极限时推导出破碎覆岩条件下回采巷道临界宽度计算公式。以106煤矿为工程实例进行分析,结果表明:破碎覆岩回采巷道的合理临界宽度为4.4 m;增大支护强度和减小巷道高度可有效提高破碎覆岩回采巷道临界宽度;如果需要更大的巷道宽度,可通过降低棚间距或增大型钢型号方法实现。

复杂充填体下残矿回采方案优化研究

以湖北三鑫公司-370 m中段残留顶柱的安全经济回采为例,采用普氏拱理论对现有顶板稳定性进行分析。并结合开采现状,在现场测试的基础上,采用数值模拟的方法对4种回采方案的计算结果进行对比分析。最后得到不同方案下顶柱回采过程中采场周围的位移、应力、塑性区的分布规律,并据此得出最优回采方案。结果表明:在10 m厚的顶柱中,第一层矿房尺寸采用4 m×4 m,第二层矿房尺寸采用4 m×5 m,顶部预留1 m矿体,并且均采用"隔二采一"的回采顺序能够有效地避免间柱中出现塑性区贯通。顶部的拉伸破坏区和塑性区限制在留设的1 m矿体中,上部充填体受到的影响较小。从而既保证了采场的安全稳定性,也最大限度地回采了顶柱资源。

首云Ⅲ矿带采空区顶板稳定性分析

北京首云铁矿前期Ⅲ矿带采用分段空场法进行回采，分段高度20m，未来随着矿石回采也将成为空区。为防止下部回采过程中采空区破坏带来的巨大威胁，必须对空区顶板稳定性做出准确分析，为处理方案提供理论支持。空区顶板的稳定性是通过它的厚度是否大于最小安全厚度来判定的，最小安全厚度多采用类比法，本次方案设计用结构力学法、荷栽传递线交汇法、厚跨比法、普氏拱法、长宽比梁板法五种方法对Ⅲ矿带4采场、3采场和5采场产生的空场的顶板的最小安全厚度进行计算。

崩落法转充填法隔离层安全厚度的确定

以广东信宜银岩锡矿崩落法转充填法为例,采用厚跨比法、简化梁法和普氏压力拱法,对隔离层最小安全厚度进行了理论研究,并通过数值模拟手段,对所选的最小隔离厚度进行了验证,研究结果对于确保矿山井下安全生产具有重要意义。

下向进路充填采矿法人工假顶强度及配筋参数研究

构筑人工假顶是下向进路充填安全高效采矿的关键和前提,人工假顶充填体强度与配筋参数相互关联,直接决定着回采作业的安全性与经济性。通过建立顶板多层充填体普氏平衡拱模型,优化下向进路充填假顶所受荷载的计算方法;应用薄板理论及弹性力学理论并结合下向进路充填采矿工艺,解析充填体假顶强度要求;将钢筋混凝土结构设计方法应用于下向进路充填假顶配筋率计算,形成下向充填采矿人工假顶强度及配筋率的整体方案。以某金银矿山大结构参数(5 m×5 m)回采进路为例,提出假顶厚2 m,充填体强度不小于5 MPa,Φ12 mm钢筋(HRB335)网度300 mm×300 mm,配筋率0.106%的技术要求,对合理构筑人工假顶和安全高效应用下向进路充填采矿法具有指导意义。

露天转地下开采境界顶柱合理厚度留取研究

针对露天转地下开采中境界顶柱的合理厚度留取的问题,依据王峪矿区实际情况和地质资料,通过力学模型的建立和力学参数的研究,结合材料力学法、普氏拱法和结构力学梁理论法,从而确定露天坑底开采境界顶柱留取的合理厚度,为露天转地下安全开采提供科学依据。

厚松散层综采工作面支架工作阻力的确定

厚松散层移动特点为静压大、动压小,地表移动破坏特征为移动快、变形大。从理论分析的角度解释了出现该情况的原因,并在此基础上,依据普氏压力拱理论,计算出砂岩垮落步距与成拱跨度相耦合时的支架工作阻力。

尾矿库排水系统上覆尾矿土压力计算方法探讨

尾矿库排水构筑物是排泄雨洪水并回水的构筑物,该构筑物一旦遭到破坏,将造成严重危害。排水构筑物一般埋设在尾矿坝底部,其上覆盖尾砂最高可达100.0m以上,如何确定其上覆尾矿压力是结构设计过程中的关键问题,介绍了几种尾矿库排水构筑物上覆土压力常用计算方法,通过某算例分析,说明了其计算结果差异很大,最终给出了选择建议。

地下工程破坏机理认知对工程建设风险的影响

随着岩土力学与地下工程施工技术的发展,尤其是近年有限元极限分析法引入到地下工程稳定分析中,隧洞的破坏机理日益清晰。该文研究了地下工程的破坏机理,采用模型试验和有限元分析法模拟,提出了深埋隧洞围岩破坏与围岩压力主要来自隧洞两侧的观点,以及随埋深而变的隧洞破坏机理,分析了普氏压力拱存在的问题。该文指出当前隧洞建设中事故高于其它土木工程的原因,主要是由于地下工程客观地质环境复杂,以及人们对破坏机理认知不足,对客观条件的掌控能力有限。同时,该文还对隧洞建设中的各种坍塌事故与风险进行了分析,通过实例阐明了隧洞破坏机理认知对隧洞建设风险的影响。

砂土条件下加固隧道掌子面稳定性研究

针对玉磨铁路的太达村隧道工程,结合普氏压力拱理论并参照三维旋转破坏机制,提出考虑土供效应条件下改进的三维旋转破坏模型对砂土条件下隧道掌子面稳定性进行研究。所提出的破坏模型可分为2部分:1)位于交叉层的旋转破坏部分;2)位于覆盖层的拱形破坏部分。基于本文所提出的改进破坏模型,采用岩土-锚杆模型对加固隧道掌子面稳定性进行研究。结果表明:1)通过与现有研究结果对比可知,本文所提出模型是可靠的,且更适合砂土隧道掌子面稳定性分析;2)通过结合具体的工程,可知本文所提出方法能够有效指导实际隧道工程砂土段隧道掌子面加固设计和施工。

小净距隧道围岩稳定性及加固措施研究

为研究软弱围岩浅埋偏压小净距隧道开挖过程稳定性问题,文中依托新疆上新光隧道工程,基于普氏平衡拱理论,建立三维数值模型,分析浅埋偏压隧道在CD法施工下围岩的力学特性,并提出采用注浆锚杆的中夹岩注浆加固技术。结果表明在隧道施工过程中,采用CD法施工,围岩形变较小,拱腰处形变相对较大;中夹岩出现水平位移,左右线隧道在拱腰处水平位移较小,平均值为4.63 mm;对小净距隧道中夹岩柱采用9 m长锚杆和4 m长小导管注浆加固,有效提高围岩整体稳定性。

岩质隧道深浅埋划分方法及判别标准探讨

传统的深埋与浅埋隧道划分方法以普氏压力拱理论为基础,由于普氏理论的局限性,这种划分方法不尽合理。鉴于此,文章将有限元极限分析法应用于隧道深浅埋划分中,提出了隧道深浅埋划分的三条原则。对于Ⅳ级、Ⅴ级围岩的岩质隧道,根据隧道的破坏模式划分深埋与浅埋,破裂面贯通至地表即为浅埋隧道,破裂面没有贯通至地表即为深埋隧道,并利用有限元强度折减法求出浅埋隧道压力拱高度,以此作为深浅埋分界线;对于围岩等级高的岩质隧道,以无衬砌隧道稳定安全系数来划分深浅埋,安全系数大于等于1.5时为深埋隧道,安全系数小于1.5时还要根据破坏模式进行深浅埋判断。此外,深浅埋隧道划分还应考虑环境、施工、地质构造、不稳定块体等因素的影响,由此可能造成围岩整体塌落,形成松散压力。最后,文章建议对于深埋隧道可按弹塑性数值分析计算,而对浅埋隧道除按弹塑性数值分析外,还需按浅埋松散荷载依据荷载-结构模式分析,以确保安全。