陳四樓礦2.4Mta新井設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,陳四樓礦,mta,設(shè)計,cad,圖紙,文檔 深部礦井巷道支護技術(shù) 摘要：隨著對能源需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進入深部資源開采狀態(tài)。我國煤礦開采深度以每年8～12 m的速度增加，未來10a我國煤礦深部開采的問題將越來越突出。安徽、山東、河南等煤田將建設(shè)一大批新礦井，這些礦井穿越的不穩(wěn)定表土層厚達400～700 m，巷道位于地下650～1000 m。深部巖體由于受到高地應(yīng)力、特別是側(cè)向高應(yīng)力的作用，.使其具有不同于淺部巖石的特征。深部高應(yīng)力巖巷的巖石強度明顯增加，巖體處于高壓縮變形或破壞極限狀態(tài)，爆破對圍巖產(chǎn)生的破壞和擾動范圍加大，甚至?xí)饚r爆災(zāi)害。本文討論了埋深大于800m的深部礦井巷道及其支護技術(shù)存在的主要問題，并對影響巷道穩(wěn)定的主要因素進行了分析，提出了深部礦井巷道的支護技術(shù)，并結(jié)合一些礦井的現(xiàn)場實踐結(jié)果，對巷道支護技術(shù)進行了總結(jié)，對于類似地質(zhì)條件下巷道支護具有一定的借鑒價值。、 關(guān)鍵詞：深井巷道支護；穩(wěn)定因素；錨桿支護技術(shù)；監(jiān)測 1引言 由于今年來煤炭需求的不斷增加，各個礦業(yè)集團都在一定程度上加大了礦井的生產(chǎn)能力，加之中東部主要產(chǎn)煤大省，例如山東、安徽、河北、江蘇徐州等的煤炭儲量正急劇減少，在這樣的形勢下，中東部礦井逐步加深了開采深度，埋深大于800m的礦井也已越來越多。在此背景下，隨著采深的不斷加大，深井所帶來的巷道支護問題的特殊性也越來越受到重視。目前深井巷道存在的主要問題是支護穩(wěn)定性差、高應(yīng)力、支護困難，這與礦井深部的巖性和埋深息息相關(guān)。有的礦井埋藏雖然不大，但由于巖性松軟破碎或者膨脹性較為突出，巷道的穩(wěn)定性同樣較差，破壞嚴重。在同樣巖層條件下，巷道埋深越大巷道越難以穩(wěn)定，支護也就越來越困難，破壞也就越嚴重。如何解決深井巷道支護的難題，提出一些實際可行的支護方式對于礦井的建設(shè)和安全生產(chǎn)具有重要又迫切的意義。 2深井巷道的礦壓規(guī)律與特點 2.1深井巷道概念 目前國內(nèi)井工開采的煤炭70﹪的產(chǎn)量來自埋深400m以下的地層中，而巷道的穩(wěn)定性由礦井埋深和巖性兩個主要因素決定。一般認為開采深度大于800m的礦井為深井。隨著開采深度的增加，巷道礦山壓力也在增加，基本趨勢如圖1所示 深井巷道存在的主要問題包括以下幾點： ⑴ 原巖應(yīng)力大 原巖應(yīng)力與開采深度呈線性關(guān)系，深度越深，原巖應(yīng)力越大。同時，圍巖移近率隨采深的加大也和應(yīng)增大。 ⑵ 構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)加劇 構(gòu)造應(yīng)力是由于地殼構(gòu)造運動在巖體中引起的應(yīng)力.對于深部巷道，構(gòu)造水平應(yīng)力一般均大于自重應(yīng)力。在構(gòu)造應(yīng)力集中帶，由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，薄層頁巖頂板一般沿層面滑移，厚層砂巖頂板則以小角度或小斷層產(chǎn)生剪切，從而失穩(wěn)冒落；在高水平應(yīng)力作用下，巷道首先從支護弱面即直接底板破壞，導(dǎo)致底鼓；而兩幫產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致兩幫破裂、鼓出和塌落，兩幫比頂板破壞深度更大，從而引起頂板巖層破壞進一步發(fā)展。 水平應(yīng)力大小及方向變化很大，較難預(yù)側(cè)和理論計算，所以實測地應(yīng)力對深部巷道支護設(shè)計有著重要價值。 ⑶ 巖體強度降低 隨著礦井開采深度的加大，巖體強度明顯降低。由于采深增加，巷道周邊的集中應(yīng)力超過了圍巖的自身強度，致使圍巖移近率相對增加，巷道周邊塑性區(qū)范圍擴大。在塑性區(qū)范圍內(nèi)，巖石內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角迅速下降，致使巖體狀態(tài)惡化。 ⑷ 變形呈軟巖特性 由于深部巷道圍巖應(yīng)力大，圍巖強度降低，圍巖孔隙率增大，加上地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的影響，導(dǎo)致巷道變形呈軟巖特性。 ⑸ 頂板離層嚴重 層理、節(jié)理或裂隙發(fā)育的頂板，在強自重應(yīng)力作用下，特別是下軟上硬頂板，深部比淺部離層更為嚴重，且遇水呈片狀破碎。 ⑹ 沖擊地壓發(fā)生頻率及強度增大 礦井采深越大，自重應(yīng)力越大。在堅硬頂板條件下。巷道圍巖或煤體積聚的彈性能也增大，特別在構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，當支架-圍巖作用平衡體受到諸如放炮等因素誘發(fā)而失穩(wěn)時，更易發(fā)生沖擊地壓。例如徐州礦區(qū)自1991年7月10日在權(quán)臺煤礦發(fā)生首例沖擊地壓以來，已先后在三河尖、張集、旗山、張小樓等礦(井)發(fā)生20多次沖擊地壓。 2.2 深井礦壓規(guī)律 1）地應(yīng)力概念 豎向垂直壓力主要來自于上覆巖層自重壓力P。即： P=kγH 式中： P——上覆巖層壓力，t/m2； γ——巖層容重，t/m3； H——深度，m； k——與巖層性質(zhì)有關(guān)系數(shù)。 從上式可以看出，在同類圍巖條件下，巷道埋深越大，地應(yīng)力相對越大。 2 ）主應(yīng)力方向?qū)ο锏婪€(wěn)定的影響 原巖地層中的任一點的盈利處于平衡狀態(tài)，巷道開挖后，由于褶曲、斷層、火成巖侵入等地質(zhì)作用，圍巖盈利重新分布，巷道周圍應(yīng)力不均等，造成巷道不同形式的破壞。應(yīng)力方向分為垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，因此主應(yīng)力方向與巷道方向的關(guān)系影響其穩(wěn)定性。見圖2。 (1)當巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向平行時，受水平應(yīng)力影響最小，對巷道的穩(wěn)定最為有利。 (2)當巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向垂直時，受水平應(yīng)力影響最犬，對巷道的穩(wěn)定最為不利。 (3)最大水平主應(yīng)力方向與斜交的巷道，巷道一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中而另一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力釋放，因而巷道的變形破壞會偏向某一側(cè)。 ⑷水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，容易產(chǎn)生底臌，巷道不穩(wěn)定。 3開采深度與巷道圍巖的變形關(guān)系 3.1中國的研究 開采深度對巷道圍巖的影響十分復(fù)雜，除與巷道的圍巖性質(zhì)密切相關(guān)外，如受采動影響的巷道，則與護巷方式和周圍采動狀況等也有密切關(guān)系。根據(jù)我國的研究成果，可得開采深度與巷道維護之間的一般關(guān)系如下: (1)巖體的原巖應(yīng)力即上覆巖層重量，是在巖體內(nèi)掘巷時巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中和周邊位移的基本原因。因此，隨開采深度增加，必然會引起巷道圍巖變形和維護費的顯著增長。 (2)巷道的圍巖變形量或維護費用隨采深的增加近似的呈線性關(guān)系增長。 (3)巷道圍巖變形和維護費用隨開采深度的增長的幅度，與巷道圍巖性質(zhì)有密切關(guān)系，圍巖愈松軟，巷道變形隨采深增長愈快，反之，圍巖愈穩(wěn)定，巷道變形隨采深增長愈慢。 (4)巷道圍巖變形和維護費用的增長率還與巷道所處位置及護巷方式有關(guān)，開采深度對卸壓內(nèi)的巷道影響最小，對位于煤體內(nèi)巷道及位于煤體-煤柱內(nèi)巷道的影響次之，對兩側(cè)均已采空的巷道影響最大。 3.2前蘇聯(lián)的研究 前蘇聯(lián)對礦井開采深度與巷道穩(wěn)定性的關(guān)系進行過大量研究，認為深部巷道礦壓顯現(xiàn)的一個主要特點是在巷道掘進時就呈現(xiàn)圍巖強烈變形，且在掘進后圍巖長期流變，使巷道支架承受很大壓力。淺部開采時表現(xiàn)不明顯的掘巷引起的圍巖變形，在深部開采時顯現(xiàn)十分強烈。根據(jù)在頓巴斯礦區(qū)進行的大量巷道礦壓觀測，提出了深部巷道掘進初期圍巖移近量的計算公式為: 式中: 、——頂板、兩幫在掘進后t時間內(nèi)的位移量，cm； t——時間，d; 、—頂板,兩幫作用在支架上的壓力，kN/㎡ ； γ——巖石容重，kN/m'； H——巷道所處的深度，m； R—巖石單軸抗壓強度，kPa； Ro—尋求常數(shù)時引人的單軸抗壓強度，3000kPa； b—巷道所處的深度，cm； h—巷道高度，cm； 由此可以看出隨著開采深度的增加，維護時間的增長，巷道變形將逐漸增加，維護也越困難。 4 影響巷道穩(wěn)定的因素 4.1 穩(wěn)定性系數(shù) 影響巷道穩(wěn)定的因素有很多，研究認為，埋深600～1200m的巷道圍巖穩(wěn)定性指數(shù)表示，圍巖自穩(wěn)指數(shù)小于1，指數(shù)越小巷道越穩(wěn)定。 S=γh/R S——圍巖穩(wěn)定性系數(shù)； R——巖石單項抗壓強度； 4.2 影響因素分析 1） 巖石力學(xué)性質(zhì) 包括強度、孔隙度、吸水率、膨脹性、崩解性等，但主要的是堅固性系數(shù)f，即R值。 2） 圍巖結(jié)構(gòu) 巷道周圍巖體稱為圍巖，圍巖結(jié)構(gòu)是非均質(zhì)性的，圍巖的層理、節(jié)理、裂隙密度、膠結(jié)程度等均影響巷道穩(wěn)定。 3） 圍巖物相 指巖體中的礦物組成，如含蒙脫石、伊利石、高嶺石等，粘土礦物成分，含量過高，遇到水會發(fā)生膨脹、蠕變、流變。 4） 地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力 重點是位于向斜、背斜軸部、與斷層走向一致或過斷層的巷道。 5） 地下水與水溫 地下水使層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育的巖體滑動、松散，動壓水增加了壓力；膨脹性巖石遇水加固巷道變形。 低溫過高使巖石軟化，工作環(huán)境差，對巷道穩(wěn)定不利。 6） 巷道布置與開挖順序 兩條巷道平行，其間隔巖柱太小，巷道難穩(wěn)定;特別當巖柱小于巷道開挖寬度的3倍時，產(chǎn)生應(yīng)力疊加嚴重，先開挖巷道受后開挖巷道再次應(yīng)力分配達到峰值時，更易使巷道變形破壞。 7）巷道斷面尺寸和形狀 巷道開挖表面積與巷道穩(wěn)定程度成反比，其形狀越接近圓形越有利于穩(wěn)定。 8）支護材料與結(jié)構(gòu)形式 主要是支護材料的強度、剛度和彈塑性。結(jié)構(gòu)形式主要指改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)的方式，如錨桿、錨索起懸吊、擠壓、加固作用，網(wǎng)噴起表面封閉和調(diào)節(jié)應(yīng)力集中作用;注漿則將松散破碎巖體粘結(jié)成整體，起固結(jié)強化并改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)等主動支護作用。 9）支護參數(shù) 支護參數(shù)主要指材料的強度、規(guī)格、型號，結(jié)構(gòu)原理、方式，支護結(jié)構(gòu)在圍巖中的布置密度、形式等。如錨桿材料、錨固形式，直徑、長度、錨固力、預(yù)緊力。錨桿布置方式、間排距等。重點是支護強度大于外力臨界值。 10）施工工藝與質(zhì)量 開挖方式對圍巖擾動程度和范圍不同，所以光面爆破，降低裝藥量是保護圍巖的有效方法;支護順序和時間;支護設(shè)備及工藝過程;施工操作執(zhí)行力;檢驗評價方法;質(zhì)量管理及控制體系等。前五條是客觀因素，后五條是主觀因素。 5深部巷道圍巖變形規(guī)律及其支護對策 認識深部巷道圍巖變形特征是分析圍巖變形破壞機理和確定支護對策的前提條件。 5.1深部巷道圍巖具有軟巖的力學(xué)特征 深部巷道圍巖常受到原巖應(yīng)力和巷道工程力的影響，在深部高應(yīng)力環(huán)境中，當圍壓較高時，巖體尚具有較高的強度和模量(彈性模量或變形模量)，當圍壓較低時，工程巖體則表現(xiàn)出“軟巖”特征;因此巷道圍巖具有軟巖相對性的實質(zhì)。當巷道工程力一定時，不同的巖體，強度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為硬巖的力學(xué)特性，強度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學(xué)特性;而對同種巖石，在較低工程力的作用下，則表現(xiàn)為硬巖的小變形特性，在較高工程力的作用下則可能表現(xiàn)為軟巖的大變形特性。 5.2 巷道圍巖穩(wěn)定性分類 5.2.1按圍巖松動圈的分類方法 圍巖松動圈是指巷道掘進后，用國產(chǎn)聲波儀測定圍巖聲波降低范圍的平均值。中國礦業(yè)大學(xué)建工學(xué)院測定的圍巖松動圈的范圍，進行圍巖穩(wěn)定性分類，見表5-2-1. 表5-2-1 巷道圍巖穩(wěn)定性（松動圈）分類 圍巖類別 分類名稱 圍巖松動圈/mm 小松動圈 Ⅰ 穩(wěn)定圍巖 0~40 中松動圈 Ⅱ 較穩(wěn)定圍巖 40~100 Ⅲ 一般圍巖 100~150 大松動圈 Ⅳ 一般不穩(wěn)定圍巖（軟巖） 150~200 Ⅴ 不穩(wěn)定圍巖（較軟圍巖） 200~300 Ⅵ 極不穩(wěn)定圍巖（極軟圍巖） >300 5.2.2按圍巖變形量的分類方法 圍巖表形量是巷道開挖后受多種因素影響的綜合結(jié)果，是圍巖穩(wěn)定性分類的多因素單一定量指標，煤炭科學(xué)研究總院北京建井所據(jù)此指定的巷道圍巖分類見表5-2-2。 表5-2-2 按圍巖變形量制定的圍巖分類 圍巖類別 開挖后圍巖變形量/mm Ⅰ <5 Ⅱ 6~10 Ⅲ 11~50 Ⅳ 50~200 Ⅴ >200 深部巷道原巖應(yīng)力大，圍巖具有軟巖的大變形特征，決定了巷道收斂具有變形量大的特點。據(jù)測量數(shù)據(jù)，研究區(qū)各巷道收斂變形量均很大，一般為數(shù)十毫米到數(shù)百毫米，最大可達1.0m以上，嚴重的可封堵整個巷道。如唐山礦業(yè)分公司T2154(5煤層)運輸巷道其巷道累計水平變形量184.3 mm，垂直變形量62.6mm，底鼓變形量85.9 mm(圖4)。巷道變形以水平收斂為主，其表現(xiàn)形式有側(cè)幫內(nèi)移，頂板垮落和底鼓。在未封底和未設(shè)置抑拱的某些巷道，因兩幫和拱頂進行了支護，阻礙了相應(yīng)部位圍巖的繼續(xù)變形和圍巖的進一步調(diào)整，底板就成為最薄弱環(huán)節(jié)，于是應(yīng)力釋放和巖體擴容變形就在底板發(fā)生，從而普遍產(chǎn)生底鼓。 深部巷道圍巖變形的另一個特征是明顯的時效性。在地下巷道和采場工程中表現(xiàn)出來的力學(xué)現(xiàn)象，包括地壓、變形、破壞等幾乎都與時間有關(guān)。嚴格地講，以往應(yīng)用彈性力學(xué)和彈塑性力學(xué)求得的巷道變形和應(yīng)力都是瞬時發(fā)生的，既量測不到也無法阻止。圍巖變形可分為劇烈變形、緩慢變形和穩(wěn)定變形3個階段。圍巖收斂變形是否穩(wěn)定還取決于支護結(jié)構(gòu)的剛度和強度。據(jù)破碎銅室的監(jiān)測資料，開挖6個月變形速度無明顯降低，一般維持在0.45～2.15 mm/d，且大部分地段變形有所加快。而且由于這種流變產(chǎn)生圍巖的變形壓力一旦使支護失效，圍巖再次惡化并強烈變形,如此反復(fù)，這就是某些硐室出現(xiàn)返修而未能有效阻止圍巖變形和破壞的根本原因。 5. 3深部圍巖巷道載荷特征 現(xiàn)代支護理論認為，巷道圍巖支護應(yīng)充分發(fā)揮圍巖的自承作用。圍巖本身既是載荷的來源又是支護結(jié)構(gòu)的主體。圍巖的自承力是由巷道的斷面形態(tài)和圍巖本身的物理力學(xué)性質(zhì)決定的。根據(jù)松動圈支護理論(圖5)，圍巖的狀態(tài)特征決定著支護能夠起的作用，彈塑性狀態(tài)特征的圍巖能夠自穩(wěn)，多數(shù)不需要支護;只有當圍巖進人到破碎狀態(tài)之后才產(chǎn)生了支護問題。凡裸體巷道，圍巖松動圈都接近于零，此時的彈塑性變形依然存在，但它不需要支護；松動圈越大收斂變形越大，支護越困難；巷道收斂與松動圈形成在時間上是一致的。因此，圍巖松動圈所產(chǎn)生的碎脹變形是支護控制的主要對象(未考慮水等的因素)，同時應(yīng)該在松動圈形成時，及時采取支護措施，獲得最佳支護效果，這就是深部巷道圍巖對控制時間的要求。 6深井巷道支護技術(shù) 6. 1深井巷道變形規(guī)律 圖3為魯西南地區(qū)埋深800～1100m巷道圍巖一般變形規(guī)律。巷道支護后變形量一般在30～70mm時出現(xiàn)開裂、爆皮現(xiàn)象，但還未冒落時要進行二次加固;要及時進行位移觀測。 6. 2深井巷道支護 6.2.1深井巷道支護原理 根據(jù)上述規(guī)律，深井巷道支護應(yīng)是卸固原理:“支、卸、固”方式，即擴大斷面待卸壓后及時二次加固。 支:第一次用錨、網(wǎng)、噴、支護后； 卸:巷道雖有變形、開裂、剝皮卸壓現(xiàn)象，但尚未造成圍巖脫離原巖體、片幫、冒頂； 固:隨后進行錨注加固。 6.2.2支護結(jié)構(gòu)形式 適應(yīng)深井高應(yīng)力巷道的支護形式有:“支、卸、固法”、“支修法”、“強抗法”、“超前加固法”、“應(yīng)力轉(zhuǎn)移法”等，但較為經(jīng)濟、實用、有效的方法是“支、卸、固法”。其它方法工序復(fù)雜，成本較高。合理支護結(jié)構(gòu)形式的核心是對適應(yīng)地壓規(guī)律和圍巖的性質(zhì)。 6.2.3 支護方法及對策 ⑴ 正確選擇巷道層位、位置巷道的布置應(yīng)避開煤柱集中應(yīng)力、構(gòu)造集中應(yīng)力、采動應(yīng)力的影響，選擇在巖性較為穩(wěn)定的巖石中。深部采區(qū)主要準備巷道應(yīng)以巖巷為主或至少布置一條巖巷。隨著深度的增加，回采工作面推進后煤體塑性區(qū)增加，致使區(qū)段煤柱留設(shè)寬度隨之增加，為保證采區(qū)回收率，減少巷道維護，工作面回風(運輸)平巷宜采用無煤柱護巷的形式。 ⑵ 合理選擇巷道施工方位在遇到以壓應(yīng)力為主的褶曲、逆斷層時，巷道方向盡量與摺曲軸或斷層走向垂直或斜交，在遇到以拉應(yīng)力為主的正斷層時，巷道方向則與斷層走向一致或斜交，從而達到減小礦壓顯現(xiàn)的目的。 回采巷道布置的方位應(yīng)使工作面離開斷層推進，使采區(qū)一翼內(nèi)工作面同向推進。避免巷道相向掘進和巷道近距離平行布置，減少相交巷道(或避開銳 角)，從而減小應(yīng)力集中，減少發(fā)生沖擊地壓的危險性。 ⑶ 改革巷道支護形式，達到最佳支護效果 針對深部巷道礦壓顯現(xiàn)特點。要求巷道支護必項滿足既能加固圍巖又能提供較大的支護力、具有較大的可縮性和一定的初撐力等要求，根據(jù)圍巖狀況和巷道條件，采用不同的支護形式。 ① 樹脂錨桿+梁+網(wǎng)組合支護 樹脂錨桿采用樹脂藥卷作為錨固劑，分端錨、全錨和加長錨固3種形式，圓鋼或螺紋鋼為桿體，再配以金屬網(wǎng)、梁。使用此種錨桿能有效地提高圍巖的自承能力。此種支護在綜放大斷面煤巷或切眼中經(jīng)常使用。 ② 錨梁網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護深部 巷道以錨桿支護配以錨索支護，可使層狀頂板形成一個整體的組合梁，同時也起到懸吊作用，可防止圍巖受拉破壞，并能提高圍巖的整體抗彎強度。此種錨桿常在圍巖不穩(wěn)定、層理發(fā)育、跨度較大的巷道中使用。 ③ 全封閉錨梁網(wǎng)+底梁聯(lián)合支護 由于深部巷道的變形呈軟巖特性、巷道圍巖破碎圈增大等特點，例如徐州礦務(wù)局龐莊煤礦張小樓并-1025m大巷原采用常規(guī)錨梁網(wǎng)支護形式，致使巷道尚未投人使用就產(chǎn)生如前所述的較大變形，后采用樹脂錨桿(端錨)+梁、網(wǎng)+U型鋼底梁的全封閉支護形式二次施工，其中錨桿長度由原來1.8m加長至2.2m，錨桿直徑由,18mm加大到20 mm，使錨桿錨固力達6t以上，7d內(nèi)巷道變形速度僅3mm/d，取得了較好的支護效果。 ④ 圍巖注漿加固+U 型支架聯(lián)合支護 在深部極破碎頂板條件下，除采用加長樹脂錨桿再配以錨索支護外，張集煤礦-700 m水平西大巷延長段施工中還采用了圍巖注漿加固技術(shù)。通過向巷道圍巖中注漿，漿液中摻入ZKD高水速凝材料，將松散的圍巖膠結(jié)成整體，降低圍巖的孔隙率，提高了巷道圍巖的整體性和自身承載能力。進而保證了巷道輪廓線按設(shè)計成形，使圍巖與支架充分接觸，支架均勻承載，發(fā)揮U型支架高承載能力的性能，有效地控制了圍巖變形.實測兩幫移近量由注漿前800～1×1000mm減少到注漿后100～200mm，提高了支護效果。 結(jié)合實際礦井應(yīng)用，針對有代表性且應(yīng)用越來越廣泛的錨桿支護技術(shù)做詳細的介紹。 7深井錨桿支護技術(shù) 7.1 錨桿支護理論 目前國內(nèi)礦井對于深井巷道支護多采用錨桿支護技術(shù)。關(guān)于錨桿支護理論，有以下幾種主流的理論。 ⑴ 懸吊理論 對于回采巷道經(jīng)常遇到的層狀巖體，當巷道開挖后，直接頂因彎曲、變形與老頂分離，如果錨桿及時將直接頂擠壓并懸吊在老頂上，就能減少和限制直接頂?shù)南鲁梁碗x層，以達到支護的目的。如圖3-1所示。 巷道淺部圍巖松軟破碎，或者開挖巷道后應(yīng)力重新分布，頂板出現(xiàn)破裂區(qū)，這時錨桿的懸吊作用就將這部分易冒落巖體懸吊在深部未松動巖層上。這是懸吊理論的進一步發(fā)展，如圖3-2所示。 圖3-1錨桿的懸吊作用 圖3-2頂板錨桿懸吊松動破裂巖層 ⑵ 組合梁理論 組合梁理論認為：在層狀巖體中開挖巷道，當頂板在一定范圍內(nèi)不存在堅硬穩(wěn)定的巖層時，錨桿的懸吊作用居次要地位。 如果頂板巖層中存在若干分層，頂板錨桿的作用，一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯動，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁）。這種組合厚巖層在上覆巖層載荷的作用下，其最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減少，組合梁的撓度亦減少，梁內(nèi)的最大應(yīng)力、應(yīng)變和梁的撓度也就減少。如圖3-3所示。 圖3-3頂板錨桿組合梁作用 （a）未打錨桿(b)布置頂板錨桿 組合梁理論，是對錨桿將頂板巖層鎖緊成較厚巖層的解釋。在分析中，將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開，與實際圍巖的條件的變化，在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞，組合梁就不存在了。 組合梁理論只適合與層狀頂板錨桿支護設(shè)計，對于巷道的幫、底不適用。 ⑶ 組合拱理論 組合拱理論認為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間足夠小，各錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向載荷。在承壓內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強度得到提高，支撐能力頁相應(yīng)加大，如圖3-4所示。因此，錨桿支護的關(guān)鍵在于獲取較達的承壓拱厚度和較高的強度。其厚度越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定和支承能力的提高。 組合拱理論在一定程度上揭示了錨桿支護的作用原理，但在分析過程中沒有深入考慮圍巖—支護的相互作用，只是將各支護結(jié)構(gòu)的最大支護力簡單相加，從 圖3-4錨桿的組合拱原理 而得到復(fù)合支護結(jié)構(gòu)總的最大支護力，缺乏對被加固巖體本身力學(xué)行為的進一步分析探討，計算也與實際情況存在一定差距，一般不能作為準確的定量設(shè)計，但可作為錨桿加固設(shè)計和施工的重要參考。 ⑷ 最大水平應(yīng)力理論 自從八十年代以來, 水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響已經(jīng)引起了人們的普遍關(guān)注。澳大利亞W.Gale博士(1987)通過數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場觀測，得到了水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的最 圖3-5應(yīng)力場效應(yīng) 基本的認識：礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1.5～2.5倍。巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響：巷道軸向與最大主應(yīng)力方向平行時， 巷道受水平應(yīng)力的影響最??；二者垂直時，巷道受水平應(yīng)力的影響最大；二者呈一定夾角時，巷道其中一側(cè)會出現(xiàn)水平應(yīng)力集中而另一側(cè)應(yīng)力較低，因而頂?shù)装宓淖冃螘蛳锏赖哪骋粋?cè)。如圖3-5所示。并提出在最大水平地應(yīng)力的作用下, 頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)錯動與松動而造成圍巖變形，錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動，因此要求錨桿必須具有強度大、剛度大、抗剪切阻力大的特點才能起到約束圍巖變形的作用。所以，澳大利亞錨桿支護特別強調(diào)錨桿高強及全長膠結(jié)。 ⑸ 圍巖松動圈支護理論 圍巖松動圈理論認為：(1)地應(yīng)力與圍巖相互作用會產(chǎn)生圍巖松動圈；(2)松動圈形成過程中產(chǎn)生的碎脹力及其所造成的有害變形是巷道支護的主要對象，松動圈尺寸越大，巷道收斂變形也越大，支護越困難。(3)依據(jù)松動圈的大小采用不同的原理設(shè)計錨桿支護。小松動圈(0～40 cm)采用噴射混凝土支護即可；中松動圈(40～150 cm)采用懸吊理論設(shè)計錨桿支護；大松動圈(> 150 cm )采用組合拱原理設(shè)計錨桿支護參數(shù)。 由于圍巖松動圈是隨著時間、巷道支護形式及支護強度的變化而變化，并且在同一斷面上由于巖性的差異，圍巖松動圈的大小也是不一樣的。所以，在復(fù)雜條件下圍巖松動圈理論(如煤巷、軟巖巷道)并沒有得到應(yīng)用。松動圈支護理論對于錨桿支護的指導(dǎo)作用主要在于確定普通錨桿(如普通圓鋼錨桿、水泥藥卷錨桿等等)的適用條件和范圍。 ⑹ 減跨理論 在懸吊理論和組合梁理論的基礎(chǔ)上，提出了減跨理論。該理論認為：錨桿末端固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，穿過薄層狀頂板，每根錨桿相當于一個鉸支點，將巷道頂板劃分成小跨，從而使頂板撓度降低。如圖3-6減跨作用原理。 在巷道頂板上安裝錨桿以后，將巷道頂板劃分成多個小跨，成為多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其冒落拱高度及頂板下沉量均有大幅度的降低，從而使巷道圍巖更加穩(wěn)定。 圖3-6減跨作用原理 ⑺ 圍巖強度強化理論 巷道圍巖強度強化理論揭示了錨桿的作用原理和加固巷道圍巖的實質(zhì)，并為 合理確定錨桿支護參數(shù)提供了理論依據(jù)。該理論要點：(1)巷道錨桿支護實質(zhì)使錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用而組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；（2）巷道錨桿支護可以提高錨固提力學(xué)參數(shù)，包括錨固體破壞前和破壞后的力學(xué)參數(shù)（E、C、ф），改善被錨固巖體的力學(xué)性能；（3）巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)巖體的峰值強度、殘余強度均能得到強化；（4）巷道錨桿支護可以改變威嚴的應(yīng)力狀態(tài)、增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力、改善巷道的支護狀態(tài)；（5）巷道圍巖錨固體強度提高后，可減少巷道周圍破碎區(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。 7.2采用大直徑、高強度、大延伸量錨桿 錨桿的強度直接影響其錨固范圍內(nèi)圍巖強度的強化和錨桿對巷道圍巖的支護阻力，從而影響錨桿群作用范圍內(nèi)圍巖的承載能力和錨桿的支護效果。 (1)增加錨桿的桿體直徑和采用高強度鋼筋。我國以往錨桿的普通圓鋼錨桿的桿體直徑一般為14 mm,16 mm,18 mm，材質(zhì)為，其屈服強度為240 MPa，破斷力均在100kN以下。國外使用的錨桿桿體屈服強度為400～600MPa，甚至更高，破斷力一般為200～300kN，甚至更大。如美國高強度螺紋鋼桿體的屈服強度為414～689MPa，拉斷強度為621～862MPa；英國高強度螺紋鋼桿體的屈服強度為640～720MPa。為了達到和超過國外錨桿桿體材料水平，滿足我國深井巷道支護的要求，開發(fā)出錨桿專用鋼材配方，其中BHRB500, BHRB600型號的鋼材可用于生產(chǎn)強力錨桿。這2種鋼材的公稱直徑均為22～25mm，屈服強度分別為500，600MPa,抗拉強度分別為670,800MPa，伸長率均18%。對于中Ф22mm的BHRB600型鋼筋，屈服力達228.1kN，破斷力達304.1kN。分別是同直徑建筑螺紋鋼的1.79和1.63倍；是同直徑圓鋼的2.50和2.11倍。 (2)錨桿尾部螺紋熱處理或桿體整體調(diào)質(zhì)處理是一種提高錨桿桿體強度而成本較低的方法。 (3)增加錨桿的延伸量。為了改變普通圓鋼錨桿延伸量較小、不能適應(yīng)巷道圍巖較大變形的缺點，為達到提高錨桿錨尾的拉斷力和充分發(fā)揮桿體材料 的強度性能的目的，中國礦業(yè)大學(xué)研制了結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的桿體可延伸增強錨桿。該錨桿的材料為含碳、磷、硫較低、延伸率較大的圓鋼，通過對錨桿的錨尾進行強化熱處理而制成。桿體可延伸錨桿與同直徑、同材質(zhì)的普通圓鋼錨桿相比，其對巷道圍巖的支護阻力可提高34%～40%，適應(yīng)圍巖的變形量可增大500%以上。 阻止深部巷道圍巖發(fā)生較大變形既不經(jīng)濟也不合理。高強度錨桿支護可提供較大的支護阻力，控制圍巖塑性區(qū)及破碎區(qū)發(fā)展、降低塑性區(qū)流變速度， 提高支護阻力可以大大減小圍巖變形；大延伸量錨桿支護允許圍巖有一定變形，降低圍巖應(yīng)力、減少錨桿載荷防止錨桿破斷，改善巷道維護狀況。因此，必需研制大直徑、高強度、具有較高延伸率的錨桿來解決深部巷道支護問題，以滿足生產(chǎn)的要求。 7.3增大錨桿預(yù)緊力 錨桿的作用是加固圍巖，改變巖體內(nèi)摩擦角和粘聚力等力學(xué)參數(shù)，提高圍巖的整體強度，阻止圍巖水平和垂直位移，所以，錨桿在安裝時給予巖體足夠的正壓力是相當重要的。 錨桿的初錨力是由預(yù)緊力矩產(chǎn)生的，它們之間存在以下簡單的關(guān)系: （3） 式中: ——錨桿軸向拉力，N； T——螺母所受扭矩，N·m； d——錨桿直徑，m； K——與錨桿螺紋形式、接觸面、材料、導(dǎo)程等有關(guān)系數(shù)，一般情況下:K=0.35～0.42。 由式(3)可知，錨桿的軸向拉力與錨桿的預(yù)緊力呈線性關(guān)系，錨桿的預(yù)緊力越大，軸向拉力也越大。 7.4提高錨桿錨固力 錨桿的錨固形式為端部錨固，此時，錨桿除兩端與巖體固緊外，其余部分基本上可視為與巖體呈脫離狀態(tài)。錨桿的錨固形式為全長錨固，此時，錨桿全長均與巖體發(fā)生作用，即錨桿有效長度均對錨孔孔壁施加摩擦力并具有剪切強度，它不僅提供了支護反力，而且還提高了錨固范圍內(nèi)巖體的C,Ф值。 由于全長錨固錨桿實現(xiàn)了全長錨固，當圍巖發(fā)生微小不協(xié)調(diào)變形時，錨桿即可達到工作錨固力，及時提供約束力，限制圍巖的進一步變形破壞。與此相反，端部錨固和加長錨固錨桿就必須是在圍巖不協(xié)調(diào)變形發(fā)展到一定程度后，才能達到工作錨固力，在時間上要落后于全長錨固錨桿，特別是端部錨固錨桿在圍巖不協(xié)調(diào)變形量很大的情況下才能達到工作錨固力，而此時圍巖的整體性已遭到了破壞，不能很好地發(fā)揮圍巖的自承能力，沒有達到加固圍巖、提高其自承能力、實現(xiàn)圍巖自穩(wěn)、控制變形的目的。 此外，端頭錨固時錨桿的工作阻力只作用在兩端，錨桿托盤的受力較大，極易引起孔口破裂、巖層被“壓酥”而破壞，產(chǎn)生卸載，使錨桿的支護阻力進一步降低，因而失去或減小錨桿對圍巖的控制能力；而全長錨固錨桿的工作阻力在錨桿中部最大，孔口較小，因而對孔附近頂板的穩(wěn)定有利，如圖1所示。 理論分析和實踐都說明，如果一次支護有足夠的初撐力和支護阻力，有良好的讓壓性能和適當?shù)淖寜合薅?，最好一次及時完成全部支護，全長樹脂錨固錨桿錨固力大，并且錨固及時，深部巷道高應(yīng)力、破壞速度快，應(yīng)大力使用全長樹脂錨固錨桿。 7.5改善錨索性能 現(xiàn)用的小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索材料主要包括索體、錨具和托板，索體材料一般采用鋼絞線。小孔徑樹脂錨固錨索應(yīng)用初期，由于沒有煤礦專用錨索鋼絞線，只能選用建筑行業(yè)已有的鋼絞線規(guī)格。較為廣泛采用的鋼紋線由7根鋼絲組成，如圖2中(a)，為Ф15.2,Ф17.8mm，拉斷載荷分別為260, 353kN，伸長率分別為3.5%,4.0%。在井下使用過程中，發(fā)現(xiàn)1×7結(jié)構(gòu)錨索有以下弊端:(1)索體直徑偏小，與鉆孔直徑不匹配，孔徑差過大，明顯影響樹脂錨固力；(2)索體破斷力小，在深井巷道中經(jīng)常出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象；(3)索體延伸率低，不能適應(yīng)圍巖的大變形;(4)索體強度低，施加的預(yù)應(yīng)力水平低，導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力作用范圍小，控制圍巖離層、滑動的作用差，當錨索比較長時尤為如此。 煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所聯(lián)合有關(guān)單位，開發(fā)出大直徑、高噸位的強力錨索。一方面加大了錨索索體直徑，從增加Ф5. 2增加到Ф18， Ф20, Ф22。改變了索體結(jié)構(gòu)，采用新型的19根鋼絲代替了原來的7根鋼絲，如圖2中(b)，索體結(jié)構(gòu)更加合理，而且增加了索體的柔性和延伸率。實驗室試驗數(shù)據(jù)表明:1×19結(jié)構(gòu)的公稱直徑分別為18，20，22mm，拉斷載荷分別為408,510,607kN，伸長率均為7.0%、Ф22mm的高強度、低松弛鋼絞線的破斷力超過600kN，是Ф15. 2mm的鋼絞線破斷力的2. 3倍；索體延伸率比Ф15.2mm的鋼絞線提高一倍。 通過應(yīng)用新材質(zhì)、增大錨索直徑，提高錨索的延伸量和破斷載荷，使錨索適應(yīng)深部巷道圍巖大變形。 7.6加固幫、角關(guān)鍵部位 目前，我國巷道支護重視頂板、忽視兩幫和底板，頂板錨桿支護強度較大、兩幫支護強度較小、底板一般不支護，造成深部巷道兩幫及底角破碎區(qū)、塑性區(qū)很大，大范圍的破碎區(qū)圍巖發(fā)生碎漲變形，兩幫變形和底鼓十分嚴重。通過對兩幫及底角加強支護、注漿加固，提高兩幫及底角破碎區(qū)圍巖的殘余強度和錨桿錨固力，可有效阻止破碎區(qū)圍巖的碎漲變形，對深部圍巖起到支護作用，而且兩幫有效支撐頂板，阻止頂板下沉，保持圍巖穩(wěn)定，因此，控制兩幫下沉和底角破壞是深部巷道支護的關(guān)鍵。 7.7完善錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng) 錨桿支護是一種隱蔽性很強的工程，只有完善錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng)才能確保錨桿支護巷道的安全可靠性。有必要在深部巷道應(yīng)用非接觸、無損質(zhì)量的檢測儀器，儀器要具有快速、準確、大面積測量的性能，以保證深部巷道的支護效果。 8 深井軟巖巷道支護 在實際的地質(zhì)條件中，有些礦井在深部的巖石為軟巖，這樣的情況下用錨桿支護就會缺少錨桿的著力基礎(chǔ)，可錨性差，支護效果不理想。一般在深井為軟巖的條件下采用錨桿注漿支護方式。 通過注漿將破碎圍巖膠結(jié)成整體，改善圍巖的結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)，既提高圍巖自身的承載能力，又為錨桿提供了可靠的著力基礎(chǔ)，使錨桿對松散圍巖的錨固作用得以發(fā)揮。采用注漿錨桿注漿，可以利用漿液封堵圍巖裂隙，隔絕空氣，防止圍巖風化，且能防止圍巖被水浸濕而降低圍巖的本身強度，提高圍巖的穩(wěn)定性。利用注漿錨桿注漿充填圍巖裂隙，配合錨網(wǎng)噴支護，可以形成一個多層有效組合拱，即噴網(wǎng)組合拱，錨桿壓縮組合拱及漿液擴散加固拱，從而擴大了支護結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高了支護結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，從而有效地控制深部軟巖巷道的大變形。 與錨桿支護相比，錨注支護既加固了圍巖，又給錨桿提供了可靠的著力基礎(chǔ)，使圍巖強度和承載能力得到顯著提高，巷道變形量明顯降低，錨注支護可以較好地解決深部軟巖巷道的支護問題。采用錨注支護技術(shù)，將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體的強度，使巷道保持穩(wěn)定而不易破壞。利用注漿充填圍巖裂隙，配合錨網(wǎng)噴支護，可以形成一個多層有效組合拱，極大地提高了支護結(jié)構(gòu)的整體性和圍巖的自身承載能力。錨注支護技術(shù)的應(yīng)用解決了高應(yīng)力軟巖巷道的支護問題。 9結(jié)論 深井巷道所處的圍巖環(huán)境復(fù)雜多變，影響巷道穩(wěn)定的主觀因素與客觀因素之間又相互影響，它們之間與巷道穩(wěn)定的關(guān)系很難用統(tǒng)一的理論公式進行歸納總結(jié)，因此對于深井巷道支護要取得良好的支護效果，就必須加強地應(yīng)力測試與現(xiàn)場礦壓觀測，靈活采用支護加固方式，并及時調(diào)整支護加固參數(shù)，必要時對高應(yīng)力區(qū)先卸壓后支護加固，這樣更有利于巷道穩(wěn)定。 參考文獻: [1] 陸士良，等.錨桿錨固力與錨固技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1998； [2] 李國富，等.極軟巖巷道錨注支護技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002,(4)； [3] 李明遠,等.軟巖巷道錨注理論與實踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2001； [4] 何滿潮，等.中國煤礦軟巖巷道工程支護設(shè)計與施工指南[M].北京:科學(xué)出版社.2004； [5] 陳炎光，陸士良，中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994； [6] 柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006,35(2),145-148； [7] 康紅普，王金華，林健.高預(yù)應(yīng)力強力支護系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用 [J].2007,32(12);1233-1238； [8] 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