一种矩形巷道围岩变形破坏控制方法

摘要

本发明公开了一种矩形巷道围岩变形破坏控制方法，包括步骤：一、巷道开挖；二、围岩基本力学参数确定；三、巷道支护方案确定，过程如下：巷道帮部失稳判断；巷道帮部处于稳定状态下冒落拱矢高确定；巷道帮部处于不稳定状态下巷道帮部滑动岩体的宽度、冒落拱矢高、巷帮极限平衡区宽度、巷道底板最大破坏深度及最大破坏深度处至相邻巷道帮壁的水平距离确定；巷道支护单元结构确定；四、巷道围岩支护施工；五、下一节段开挖及巷道围岩支护施工；六、多次重复步骤五，直至完成矩形巷道的全部开挖及巷道围岩支护施工过程。本发明方法步骤简单、实现方便且使用效果好，能对矩形巷道顶板冒落和底臌问题进行有效防治，并能有效控制巷道围岩变形破坏。

主权项

一种矩形巷道围岩变形破坏控制方法，其特征在于：沿巷道纵向延伸方向由前至后分多个节段对矩形巷道(1)进行开挖及巷道围岩支护施工，矩形巷道(1)的横断面为矩形，多个所述节段的开挖及巷道围岩支护施工方法均相同；对于任一节段进行开挖及巷道围岩支护施工时，包括以下步骤：步骤一、巷道开挖：对当前所施工节段进行开挖；步骤二、围岩基本力学参数确定：通过对现场所取岩样进行室内试验，对步骤一中开挖后当前所施工节段的围岩基本力学参数进行测试，并对测试结果进行同步记录；步骤三、巷道支护方案确定：所采用的巷道支护方案为沿巷道延伸方向由前至后布设在矩形巷道(1)内的多个巷道支护单元，多个所述巷道支护单元的结构均相同；所述巷道支护单元为巷道支护单元一或巷道支护单元二；所述巷道支护单元一包括布设在矩形巷道(1)顶板上的顶板支护体系一；所述巷道支护单元二包括布设在矩形巷道(1)顶板上的顶板支护体系二、布设在矩形巷道(1)左右两侧巷道帮上的巷道帮部支护体系和布设在矩形巷道(1)底板上的底板支护体系，所述顶板支护体系二、所述巷道帮部支护体系和所述底板支护体系均布设在同一巷道断面上；对所述巷道支护方案进行确定时，需对所述顶板支护体系一或所述顶板支护体系二、所述巷道帮部支护体系和所述底板支护体系的支护结构分别进行确定，且确定过程如下：步骤301、巷道帮部失稳判断：首先，结合步骤二中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出巷道帮部失稳时的临界高度h_cr；之后，对计算得出的巷道帮部失稳时的临界高度h_cr与矩形巷道(1)的开挖高度h₀进行比较：当h₀≤h_cr时，矩形巷道(1)的巷道帮部处于稳定状态，之后进入步骤302；反之，矩形巷道(1)的巷道帮部处于不稳定状态，之后进入步骤303；式(1)中，c₁和分别为矩形巷道(1)的巷道两帮岩体剪切滑动面上的粘结力和摩擦角，c₁的单位为N，γ₁为矩形巷道(1)的巷道两帮岩体的平均容重且其单位为N/m³，γ为矩形巷道(1)的上覆岩层的平均容重且其单位为N/m³，H为矩形巷道(1)的埋深且其单位为m，h₀的单位为m；步骤302、巷道帮部处于稳定状态下冒落拱矢高确定：结合步骤二中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出巷道帮部处于稳定状态时所形成自然冒落拱(5‑1)的矢高h₁，式(2)中B为矩形巷道(1)的宽度且其单位为m，f为当前所施工节段顶板岩层的坚固性系数；步骤303、巷道帮部处于不稳定状态下巷道帮部滑动岩体的宽度、冒落拱矢高、巷帮极限平衡区宽度、巷道底板最大破坏深度及巷道底板最大破坏深度处至相邻巷道帮壁的水平距离确定：对巷道帮部滑动岩体的宽度及冒落拱矢高进行确定时，先结合步骤二中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出巷道帮部处于不稳定状态下巷道帮部滑动岩体的宽度b₀，式(3)中为矩形巷道(1)的巷道两帮岩体剪切滑动面上的摩擦角；结合步骤二中所确定的围岩基本力学参数，且根据公式计算得出巷道帮部发生有拉裂面滑动的巷帮单斜面剪切破坏时所形成极限冒落拱一(5‑2)的矢高h₂；根据公式计算得出巷道帮部发生无拉裂面滑动的巷帮单斜面剪切破坏时所形成极限冒落拱二(5‑3)的矢高h₃；所述极限冒落拱一(5‑2)和极限冒落拱二(5‑3)均为处于极限平衡状态时的冒落拱；对巷帮极限平衡区宽度进行确定时，根据公式$\begin{array}{c}-b·\frac{k_1\gamma H}{2x_0}\left\{x_0\right[\frac{e^{-{\mathrm{\lambda x}}_0}}{2\lambda }({\mathrm{sin\lambda x}}_0-{\mathrm{cos\lambda x}}_0)+\frac{1}{2\lambda }]-\frac{x_0}{2\lambda }{e}^{-{\mathrm{\lambda x}}_0}·({\mathrm{sin\lambda x}}_0-{\mathrm{cos\lambda x}}_0)-\frac{1}{2{\lambda }^2}{\mathrm{sin\lambda x}}_0·e^{-{\mathrm{\lambda x}}_0}\}-b·\frac{\gamma H}{4\lambda }[\frac{1}{2\lambda }-\\ \frac{e^{-\lambda h}}{2\lambda }(\cos \lambda h-\sin \lambda h)]-b·\frac{(k_1-1)\gamma H}{2}·\frac{e^{-\lambda h}}{2\lambda }(sin\lambda h-\cos \lambda h+\frac{1}{2\lambda })+b·\frac{(k_1-1)\gamma H}{4\lambda }·e^{-\lambda h}(\sin \lambda h-cos\lambda h+\frac{1}{2{\lambda }^2}\end{array}.$$sin\lambda h·e^{-\lambda h})-b·h·\tau =0---\left(6\right),$计算得出巷帮极限平衡区宽度x₀且其单位为m；式(6)中，H为当前所施工节段的埋深且其单位为m，k₁为当前所施工节段两帮岩体弹塑性界面上的应力集中系数，γ为当前所施工节段上覆岩层的平均容重且其单位为N/m³，h为当前所施工节段两帮岩体弹性区的宽度且h＝h₀±Δh，h₀为矩形巷道(1)的净高且其单位为m，Δh＝0.2m～0.3m，λ为当前所施工节段中弹性地基梁的弹性特征值，所述弹性地基梁为当前所施工节段的两帮岩体，b为所述弹性地基梁的纵向长度且其单位为m；巷帮极限平衡区宽度x₀确定后，结合步骤二中所确定的围岩基本力学参数，根据公式计算得出当前所施工节段的巷道底板岩体最大破坏深度h_max且其单位为m；同时，根据公式计算得出当前所施工节段底部左右两侧的巷道底板岩体最大破坏深度处距相邻巷道帮壁的水平距离l且其单位为m；式(7)和(8)中，为当前所施工节段巷道底板岩体的内摩擦角且其单位为度；步骤304、巷道支护单元结构确定：当巷道帮部处于稳定状态时，根据步骤302中所确定的自然冒落拱(5‑1)的矢高h₁，对所述顶板支护体系一所采用的支护结构进行确定；当巷道帮部处于不稳定状态时，根据步骤303中所确定的巷道帮部滑动岩体的宽度b₀和巷帮极限平衡区宽度x₀，对当前所施工节段的所述巷道帮部支护体系所采用的支护结构进行确定；并且，根据所确定的极限冒落拱一(5‑2)的矢高h₂和极限冒落拱二(5‑3)的矢高h₃，对当前所施工节段的所述顶板支护体系二所采用的支护结构进行确定；同时，根据步骤303中所确定的巷道底板最大破坏深度h_max和巷道底板最大破坏深度处至巷道帮壁的水平距离l，确定当前所施工节段的底板支护体系所采用的支护结构；步骤四、巷道围岩支护施工：根据步骤三中所确定的巷道支护方案，对当前所施工节段进行支护施工；步骤五、下一节段开挖及巷道围岩支护施工：重复步骤一至步骤四，对下一节段进行开挖及巷道围岩支护施工；步骤六、多次重复步骤五，直至完成矩形巷道(1)的全部开挖及巷道围岩支护施工过程。