永城礦區(qū)陳四樓礦1.5Mta新井設(shè)計含5張CAD圖-采礦工程.zip,永城,礦區(qū),陳四樓礦,1.5,Mta,設(shè)計,CAD,采礦工程 深部軟巖巷道變形機(jī)理及支護(hù)技術(shù) 摘要：隨著煤礦開采深度的加大，越來越多巷道圍巖呈現(xiàn)軟巖變形特性，變形破壞非常嚴(yán)重。針對深部高應(yīng)力復(fù)雜軟巖巷道圍巖破壞特點,從地質(zhì)賦存條件、水對巖石的軟化影響和支護(hù)結(jié)構(gòu)方面分析,闡述了深井軟巖巷道圍巖的破壞機(jī)理，由于深部軟巖巷道圍巖本身比較松散，地應(yīng)力大，破裂帶內(nèi)裂隙極其發(fā)育，這些方向各異的眾多裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)生開裂、滑移等， 進(jìn)而引發(fā)破碎帶向巷道深部轉(zhuǎn)移、逐步推進(jìn)，直至達(dá)到新的圍巖應(yīng)力平衡，這是產(chǎn)生巷道變形的主要原因。深井軟巖巷道圍巖變形特征可概括為： 變形速度快、變形強(qiáng)烈、持續(xù)時間長，多數(shù)巷道變形具有沖擊傾向性。根據(jù)深部軟巖巷道變形機(jī)理探索出錨網(wǎng)索錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)這種可有效治理這種災(zāi)害的支護(hù)方法，并闡述了其治理機(jī)理。 關(guān)鍵詞：深部巷道；軟巖巷道；巷道變形；錨桿支護(hù) 0.引言：我國的煤炭資源埋深在1000 m以下的為2195萬億t，占煤炭資源總量的53%。國有大中型煤礦開采深度每年約以8~12 m的速度向深部增加。而我國煤礦賦存在松軟圍巖的煤層占可采煤層總數(shù)的三分之一，隨著煤田的開發(fā)和礦井開采深度的加大，屬于這類條件的煤層比例，還會逐年增加。在采礦過程中，由于某些原因，巷道不得不布置在松軟圍巖中，松軟圍巖具有強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、膨脹性和流變形嚴(yán)重的特點，由于開采深度的加大，巖體應(yīng)力急劇增加，地溫升高，巷道圍巖破碎嚴(yán)重，塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍很大，蠕變嚴(yán)重，巷道周圍巖體的變形較大，出現(xiàn)巷道冒頂、底鼓和側(cè)脹等現(xiàn)象都是圍巖大變形的結(jié)果，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。。隨著采深的增加地應(yīng)力增大，與淺部開采相比，深部開采將出現(xiàn)更多的軟巖巷道， 巷道支護(hù)將更加困難， 有關(guān)專家、學(xué)者對深部軟巖巷道如何進(jìn)行合理有效支護(hù)做了大量的研究工作。而國內(nèi)外錨桿支護(hù)正朝著提高錨固力、擴(kuò)大應(yīng)用范圍、提高支護(hù)效率方向發(fā)展。 1開采深度與巷道圍巖的變形關(guān)系 1.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 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(hù)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(hù)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?H，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(hù)費(fèi)的顯著增長。 2）巷道的圍巖變形量或維護(hù)費(fèi)用隨采深的增加近似的呈線性關(guān)系關(guān)系增長。 3）巷道圍巖變形和維護(hù)費(fèi)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(hù)費(fèi)用的增長率還與巷道所處位置及護(hù)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。 1.2國外的研究現(xiàn)狀 1）德國的研究 （1）德國提出掘巷引起的圍巖移近量與開采深度和巷道底板巖層強(qiáng)度之間的K=-46+13.3P/Rf （1.1） 式中： K——掘巷引起的圍巖變形量占巷道原始高度的百分率，%； P——巖層壓力，MPa； Rf——地板巖層的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。 利用該式計算結(jié)果如圖1.1所示，由此可見，掘巷引起的圍巖變形隨開采深度的增加而增長，其增長率與巷道圍巖性質(zhì)有關(guān)。開采深度每增加100 m，在煤層（Rf =14MPa）中掘進(jìn)，圍巖移近量增加8.9%；在軟巖（Rf =28 MPa）中增加6.3%；在頁巖（Rf =45 MPa）中增加5%；在砂巖（Rf =97 MPa）增加3.4%。同時取K=0，可以知道在掘巷過程中引起圍巖明顯變形的臨界深度，在煤層中為512 m，軟巖中為732 m，頁巖中為930 m，砂巖中為1360 m。 （2）德國埃森采礦中心還對100條前進(jìn)式開采的采準(zhǔn)巷道進(jìn)行了系統(tǒng)觀測，得出巷道圍巖移近量占巷道原始的高度的百分率與開采深度關(guān)系式為： K=6.6H/100 （1.2） 既開采深度每增加100 m，回采巷道圍巖移近量占原始高度的百分率增加6.6%，與上述統(tǒng)計值相似。礦井開采深度由300 m增加到800 m時，移近量要增加1000余mm，巷道從較易維護(hù)變?yōu)殡y以維護(hù)，可見開采深度對巷道礦壓顯現(xiàn)的影響之大。 圖1.1 巷道圍巖移近量與巖石壓力p（深度H）和底板巖層強(qiáng)度的關(guān)系 1.砂巖（Rf=97MPa）；2.頁巖（45MPa）；3.軟巖（28MPa）；4.煤（14MPa） 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(jìn)行過大量研究，認(rèn)為深部巷道礦壓顯現(xiàn)的一個主要特點是在巷道掘進(jìn)時就呈現(xiàn)圍巖強(qiáng)烈變形，且在掘進(jìn)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(qiáng)烈。根據(jù)在頓巴斯礦區(qū)進(jìn)行的大量巷道礦壓觀測，提出了深部巷道掘進(jìn)初期圍巖移近量的計算公式為： Udt=0.01t[eγH-10（RR0）2qdR -1] （1.3） Uct=0.0056t[e0.85γH-15（RR0）2qcR -1] （1.4） 式中： Udt、Uct——頂板、兩幫在掘進(jìn)后t時間內(nèi)的位移量，cm； t——時間，d； qd、qc——頂板、兩幫作用在支架上的壓力，kN/m2； γ——巖石容重，kN/m3； H——巷道所處的深度，m； R——巖石單軸抗壓強(qiáng)度，kPa； R0——尋求常數(shù)時引入的單軸抗壓強(qiáng)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(hù)時間的增長，巷道變形將逐漸增加，維護(hù)也將越來越困難。前蘇聯(lián)學(xué)者舍斯勒夫斯基認(rèn)為，當(dāng)γH/R<0.3時，既開采深度相對比較小或圍巖強(qiáng)度相對比較大時，開采深度對巷道圍巖變形影響較小，反之，圍巖穩(wěn)定性系數(shù)愈大，開采深度對巷道圍巖變形的影響就也愈大。 2深部軟巖巷道變形破壞機(jī)理 2.1軟巖的特點 2.1.1巷道圍巖自穩(wěn)時間短， 來壓快， 變形速度大，持續(xù)時間長 軟巖地層一旦掘出巷道，地壓顯現(xiàn)明顯，頂?shù)准皟蓭图闯霈F(xiàn)階段性變形，變形過程可分為速變期、緩變期、劇變期三個階段。 2.1.2圍巖具有強(qiáng)膨脹性及擾動性 掘進(jìn)暴露圍巖吸水或水浸后迅速膨脹，并隨時間的延長膨脹越來越大。巷道圍巖自身對炮震非常敏感，震動能改變圍巖結(jié)構(gòu)，加大加密裂隙，削弱圍巖強(qiáng)度，促使膨脹量增加，并對相臨巷道具有一定的擾動性。減少對圍巖的破壞，要盡可能采用光面爆破。 2.1.3圍巖的崩解性和流變性 巷道圍巖暴露后，水與圍巖作用引起的膨脹并不是均質(zhì)的，膨脹與不膨脹便產(chǎn)生了壓力差，于是巖體便出現(xiàn)了崩解。因井下環(huán)境變化使圍巖變干燥時，圍巖也會產(chǎn)生崩解現(xiàn)象。圍巖吸水趨于飽合時，其強(qiáng)度越來越低，以致于完全喪失支撐力，便產(chǎn)生了流變；圍巖遇空氣風(fēng)化后，遇水流變現(xiàn)象也較普遍。 2.2軟巖巷道的變形破壞特點 （1）軟巖巷道的變形呈現(xiàn)蠕變變形三階段的規(guī)律，并且具有明顯的時間效應(yīng)。初期來壓快、變形量大，巷道自穩(wěn)能力很差，如果不加以控制很快就會發(fā)生巖塊冒落，直至造成巷道破壞。如果用鋼性支架強(qiáng)行支護(hù)而不適應(yīng)軟巖的大變形特性，則巷道也難以維護(hù)，造成支架被壓壞、巷道垮落。 （2）軟巖巷道多為環(huán)向受壓，且非對稱。巷道開挖后不僅頂板變形易于冒落，底板也將產(chǎn)生強(qiáng)烈的底鼓。如果對巷道底鼓不加以控制，則會出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓并導(dǎo)致兩幫破壞，頂板冒落。 （3）軟巖巷道變形一般隨礦井深度加大而增大。不同礦區(qū)、不同地質(zhì)條件下都存在一個軟化臨界深度，超過臨界深度，支護(hù)的難度明顯增大，且軟巖巷道變形在不同的應(yīng)力作用下，具有明顯的方向性。 （4）軟巖的失水和吸水均可造成軟巖發(fā)生膨脹變形破壞和泥化破壞。 2.3 軟巖工程變形力學(xué)機(jī)制 軟巖工程變形、破壞和失穩(wěn)的原因是多方面的，但其根本原因是其具有復(fù)雜的變形力學(xué)機(jī)制。 軟巖的變形力學(xué)機(jī)制大致可歸納為三大類： 即物化膨脹型、應(yīng)力擴(kuò)容型和結(jié)構(gòu)變形型。 物化膨脹型的軟巖變形機(jī)制與軟巖本身分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)特性有關(guān)，其又有三種類別：分子膨脹機(jī)制、膠體膨脹機(jī)制和毛細(xì)膨脹機(jī)制。 應(yīng)力擴(kuò)容型的軟巖變形力學(xué)機(jī)制與力源有關(guān)，其有四種類別：即構(gòu)造應(yīng)力機(jī)制、水的作用、自重應(yīng)力和工程偏應(yīng)力。 結(jié)構(gòu)變形型的軟巖變形機(jī)制則與硐室結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)構(gòu)面的組合特性有關(guān)。同一巖層的巷道，順層的巷道破壞甚為嚴(yán)重，穿層的巷道破壞比較輕微，原因是變形受結(jié)構(gòu)面的影響而呈現(xiàn)各向異性的特征。根據(jù)巖層層理或節(jié)理的形態(tài)不同，其變形力學(xué)機(jī)制又可分為斷層型、軟弱夾層型、層理型、優(yōu)勢節(jié)理型、隨機(jī)節(jié)理型等變形力學(xué)機(jī)制。 2.4深部軟巖巷道的變形破壞機(jī)理 巷道變形嚴(yán)重，維護(hù)困難是深井開采主要和共同的問題。深井軟巖巷道圍巖變形特征可概括為： 變形速度快、變形強(qiáng)烈、持續(xù)時間長，多數(shù)巷道變形具有沖擊傾向性。由于圍巖本身比較松散， 地應(yīng)力大， 巷道開挖后， 四周會產(chǎn)生較大范圍的破碎。破裂帶內(nèi)裂隙極其發(fā)育， 這些方向各異的眾多裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)生開裂、滑移等， 進(jìn)而引發(fā)破碎帶向巷道深部轉(zhuǎn)移、逐步推進(jìn)， 直至達(dá)到新的圍巖應(yīng)力平衡，這是產(chǎn)生巷道變形的主要原因。軟巖具有強(qiáng)烈的流變性和低強(qiáng)度， 巷道掘進(jìn)后圍巖的應(yīng)力重分布及巷道變形破壞持續(xù)時間很長， 具有明顯的時間效應(yīng)。巷道片幫比較嚴(yán)重， 同時巷道底臌表現(xiàn)十分強(qiáng)烈。嚴(yán)重底臌會導(dǎo)致巷道片幫加劇， 容易引發(fā)頂板冒落。巷道變形易受擾動影響， 圍巖變形對應(yīng)力變化非常敏感， 受硐室開挖、鄰近巷道掘進(jìn)或回采工作面采動影響， 圍巖變形明顯增加 。由于災(zāi)害主要發(fā)生在巷道， 關(guān)鍵的技術(shù)是巷道支護(hù)。 2.5軟巖巷道變形的影響因素 2.5.1圍巖的巖性 單軸抗壓強(qiáng)度低的巖石做為井巷圍巖，勢必出現(xiàn)冒頂、底鼓片幫現(xiàn)象，由于煤的抗壓強(qiáng)度稍高，以煤層作為井巷圍巖，穩(wěn)定性較好。 2.5.2地應(yīng)力的作用 軟巖巷道在未開挖之前，巖層處于三維應(yīng)力控制狀態(tài)，此時巖體具有一定的強(qiáng)度，并有較好的完整性和穩(wěn)定性，處于相對平衡狀態(tài)。巷道周邊應(yīng)力狀態(tài)改變時，隅角部位應(yīng)力將比其他部位更加集中，如巷道的曲線部分較平直周邊更容易受到破壞；片幫抽頂致使作用在支護(hù)體上的不均勻地應(yīng)力也會使巷道過早的出現(xiàn)局部變形而破壞。 2.5.3地下水的物化作用 煤礦中出現(xiàn)地下水及產(chǎn)生漏水是不可避免的， 軟巖遇水后，其物理化學(xué)性質(zhì)會有很大改變，特別在濕潤、干燥環(huán)境反復(fù)作用下，軟巖發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的物理化學(xué)變化， 使軟巖性質(zhì)更加惡化。在最細(xì)的裂隙中，毛細(xì)水的楔壓可達(dá)到150 MPa 。軟巖受強(qiáng)度較大的毛細(xì)水的楔壓作用發(fā)生強(qiáng)烈的吸水膨脹和崩解，產(chǎn)生變形應(yīng)力。在水的物化作用下，軟巖性質(zhì)將發(fā)生很大變化，即孔隙度明顯增加，抗壓強(qiáng)度明顯降低，粘結(jié)力幾乎完全喪失，殘余強(qiáng)度大大減少。所以在軟巖巷道一定要遵循治頂先治底、治底先治水的原則。 2.5.4巷道溫度的變化及空氣的風(fēng)化作用， 也會引起巷道變形 巷道溫度的變化對圍巖膨脹的強(qiáng)弱具有一定的影響作用。風(fēng)流對巷道圍巖會產(chǎn)生風(fēng)化作用，發(fā)生風(fēng)化裂隙，并進(jìn)一步破壞巖體的完整性。 2.5.5采動的影響 軟巖巷道受采動影響后，更易發(fā)生變形，這種情況多出現(xiàn)在回采工作面上下兩道超前支護(hù)地段及套修地段。 3深部巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵性理論 3.1圍巖穩(wěn)定理論 圍巖的穩(wěn)定性既取決于圍巖的完整性和巖體強(qiáng)度，又取決于其所處的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)巖石力學(xué)試驗結(jié)果，任何巖石在三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度高于二向應(yīng)力狀態(tài)或單向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度；當(dāng)圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)時，隨著側(cè)向壓力增大，其峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都會得到提高，并且峰值以后的應(yīng)力。應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化逐漸向應(yīng)變硬化過渡，巖石由脆性向延性轉(zhuǎn)化，如右圖所示（圖中顯示了大理巖強(qiáng)度及變形特性隨圍壓的變化，該圖引自Von Karmon，曲線上的數(shù)字是圍壓，單位為MPa）。因此，要維護(hù)巷道的穩(wěn)定，首先必須在巷道開挖后盡快恢復(fù)和改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，將巷道開挖后因二次應(yīng)力調(diào)整形成的二向應(yīng)力狀態(tài)恢復(fù)到三向應(yīng)力狀態(tài)。改善和恢復(fù)應(yīng)力狀態(tài)的措施越及時，圍巖破裂擴(kuò)展的程度越輕，圍巖的完整性保持得越好，圍巖越穩(wěn)定；巷道自由面上的壓應(yīng)力恢復(fù)得越高，圍巖強(qiáng)度越高，自我承載能力越高，圍巖越穩(wěn)定。這就要求巷道開挖后必須立即支護(hù)，而且支護(hù)力必須達(dá)到足夠的量值。 圖3.1大理巖強(qiáng)度及變形特性隨圍壓的變化 3.2深部圍巖巖爆理論 巖爆也叫沖擊地壓，是世界范圍內(nèi)煤礦及巖石工程遇到的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，是目前國際深部采礦工程和巖石工程中迫切需要解決的難題。其詳細(xì)的發(fā)生機(jī)理尚沒有完全清楚，但按煤巖體的失穩(wěn)類型，可分為壓縮沖擊地壓， 剪切沖擊地壓和拉伸沖擊地壓。它是一種瞬間發(fā)生的巖體脆性破壞，它必須滿足一定的應(yīng)力積累和一定范圍內(nèi)的能量積聚。在巷道周邊圍巖和礦柱存在高應(yīng)力區(qū)是巖爆發(fā)生的先決條件。 通過長期的探索，提出沖擊地壓的形成機(jī)理不下幾十種，較有代表性的有： （1）單純強(qiáng)度理論。早期南非的沖擊地壓研究者認(rèn)為沖擊地壓是局部應(yīng)力超過了煤巖強(qiáng)度而發(fā)生的。顯然，應(yīng)力超過強(qiáng)度只是其中因素之一。 （2）單純能量理論。由于單一強(qiáng)度理論不能完全反映其機(jī)理，在對金礦的沖擊地壓研究中發(fā)現(xiàn)，在采礦過程中， 能量的增加率超過能量的耗散能力時， 發(fā)生了沖擊地壓。因此就認(rèn)為單純的能量控制了沖擊地壓的發(fā)生，能量理論解釋了有關(guān)沖擊地壓現(xiàn)象，但把煤巖體看成純的彈性體，這與實際是有區(qū)別的。 （3）剛度理論。通過實驗和井下礦柱的對比，對井下單個礦柱的沖擊地壓研究發(fā)展了剛度理論，將其發(fā)展到研究多個礦柱沖擊地壓計算。該理論只適用于礦柱問題。 （4）傾向性理論。通過試驗和調(diào)查認(rèn)為，產(chǎn)生沖擊地壓是煤巖固有的性質(zhì)，并把這種固有的性質(zhì)稱為沖擊傾向性。提出了衡量這種傾向性強(qiáng)弱的兩個指標(biāo)： 彈性指數(shù)和沖擊能量指數(shù)。當(dāng)這兩個指標(biāo)大于某個值時，就會產(chǎn)生沖擊地壓。但在實踐中發(fā)現(xiàn)，沖擊傾向性大的煤巖出現(xiàn)沖擊地壓的次數(shù)并不比傾向性小的煤巖次數(shù)多。因此，這一理論存在明顯的不足。 3.3深部軟巖非線性大變形理論 在深部巷道圍巖受地壓作用下，除脆性巖體產(chǎn)生巖爆外，另一種表現(xiàn)是圍巖體軟化， 從而進(jìn)入大變形軟巖狀態(tài)。在我國地下煤礦中，隨著開采深度的加大，絕大部分煤礦都出現(xiàn)了軟巖災(zāi)害。深部軟巖災(zāi)害導(dǎo)致礦井停產(chǎn)、停建屢見不鮮；造成隧道、涵洞無法使用的情況， 在水電、鐵路等方面經(jīng)常見到。深部軟巖巷道圍巖的地壓表現(xiàn)特征是其在工程應(yīng)力的作用下產(chǎn)生顯著的塑性大變形。 當(dāng)工程力一定時，不同巖體，強(qiáng)度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為硬巖的力學(xué)特性，強(qiáng)度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為深部軟巖的力學(xué)特性：而對同種巖石，在較低工程力的作用下表現(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)為深部軟巖的大變形特性。根據(jù)工程深部軟巖的特性差異及產(chǎn)生顯著塑性變形的機(jī)理，深部軟巖可分為四大類，即膨脹性深部軟巖、高應(yīng)力深部軟巖、節(jié)理化深部軟巖和復(fù)合型深部軟巖。 根據(jù)理論分析和大量的工程實踐，初步將深部軟巖的變形力學(xué)機(jī)制歸納為3大類，即物化膨脹類（I）、應(yīng)力擴(kuò)容型類（II）和結(jié)構(gòu)變形類（III）。各類中又依據(jù)引起變形的嚴(yán)重程度分為A，B，C，D 四個等級，共l3亞類。顯然，I類機(jī)制與深部軟巖本身分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)特性有關(guān)，II類機(jī)制與力源有關(guān)，III類機(jī)制則與硐室結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)構(gòu)面的組合特性有關(guān)。這三類機(jī)制基本概括了深部軟巖膨脹變形的主要動因。深部軟巖巷道之所以具有大變形、大地壓、難支護(hù)的特點，是因為深部軟巖巷道圍巖并非具有單一的變形力學(xué)機(jī)制，而是同時具有多種變形力學(xué)機(jī)制的“并發(fā)癥”和“綜合癥”——復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制，復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制是深部軟巖變形和破壞的根本原因。 4.軟巖巷道圍巖控制原則 4.1“對癥下藥” 原則 軟巖多種多樣，即使宏觀地質(zhì)特點類似的軟巖，微觀上也千差萬別，構(gòu)成的軟巖復(fù)合型變形機(jī)理就亦多種多樣。針對不同的變形機(jī)理，軟巖工程的變形和破壞狀況不同，對應(yīng)的支護(hù)對策也不同。只有正確地確定軟巖的變形機(jī)理，找出造成軟巖工程變形破壞的“病因”，才能通過“對癥下藥”支護(hù)措施，達(dá)到軟巖工程支護(hù)的穩(wěn)定。 4.2塑性圈原則 軟巖巷道支護(hù)力求有控制地產(chǎn)生一個合理厚度的塑性圈，最大限度地釋放圍巖變形能。對于軟巖 巷道圍巖穩(wěn)定性控制來講，塑性圈的出現(xiàn)能大幅度降低變形能，減少切向應(yīng)力集中程度，改善圍巖的承載狀態(tài)。但是，必須控制塑性圈任意自由地出現(xiàn)，合理控制圍巖塑性圈，在圍巖變形趨于穩(wěn)定時及時加強(qiáng)支護(hù)。 4.3提高圍巖自穩(wěn)能力原則 重視改善圍巖力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖的自穩(wěn)能力，而不能采用被動支護(hù)，被動支護(hù)的強(qiáng)度越大， 越易造成巷道的失穩(wěn)破壞。軟巖巷道的控制只有通過采用封閉暴露面、安裝錨桿、二次注漿加固等措施，提高圍巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等巖石力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)而提高巖體自承能力，繼而達(dá)到治理巷道目的。 4.4聯(lián)合支護(hù)原則 軟巖巷道的變形機(jī)理通常是幾種變形機(jī)理的復(fù)合類型，不同復(fù)合型具有不同的支護(hù)技術(shù)對策要點，關(guān)鍵問題是有效地把復(fù)合型轉(zhuǎn)化為單一型的聯(lián)合支護(hù)形式。軟巖巷道支護(hù)是一個過程，要對軟巖巷道實行有效控制，必須有一個從“復(fù)合型” 向“單一型” 的轉(zhuǎn)化過程。這一過程是依靠一系列有針對性的單一支護(hù)型式的聯(lián)合支護(hù)實現(xiàn)的。 4.5大斷面及避開最大水平應(yīng)力原則 因軟巖巷道的大變形不可避免，在巷道斷面設(shè)計上應(yīng)預(yù)留變形空間，以防其尺寸在巷道變形后滿足不了使用要求。在地下巖體內(nèi)掘進(jìn)巷道后， 由于地應(yīng)力和二次應(yīng)力的作用，會使巷道或硐室發(fā)生變形和破壞。就巷道的穩(wěn)定性而言，為使巷道周邊的應(yīng)力集中程度減到最小，在選擇巷道的位置、方向以及斷面形狀時，巖石中的應(yīng)力狀態(tài)是一個決定因素。 5錨桿支護(hù)理論 5.1國內(nèi)外巷道錨桿支護(hù)理論 LouisA·Panek等提出的懸吊理論、Jacobi提出的組合梁理論、T A Lang、Pender提出的組合拱理論是巷道錨桿支護(hù)中最為經(jīng)典的三大理論。隨著錨桿支護(hù)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展， 國內(nèi)很多學(xué)者對錨桿作用機(jī)理做了深入研究， 針對不同條件下錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用提出了一系列新的理論。 5.2深部巷道錨桿支護(hù)理論基礎(chǔ) 傳統(tǒng)的懸吊、組合梁、組合拱等錨桿支護(hù)理論是根據(jù)處于彈性狀態(tài)的完整巖體提出的，而且只適用于特定的條件，對于圍巖處于峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的破裂巖體。上述理論不能解釋錨桿支護(hù)的作用機(jī)理。近期國內(nèi)外一些學(xué)者研究了錨桿支護(hù)對巖石力學(xué)性質(zhì)的改善，但僅限于巖石處于峰前彈性狀態(tài)下對內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角、彈性模量E的作用，未涉及巖石處于峰后的情況。圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論認(rèn)為： 1）巷道錨桿支護(hù)的實質(zhì)是錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用形成統(tǒng)一的承載機(jī)構(gòu)。 2）巷道錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)（）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)和彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)的巖體則處于破碎區(qū)或處于上述2~3個區(qū)域中，相應(yīng)錨固區(qū)的巖石強(qiáng)度處于峰后強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度。錨桿支護(hù)使巷道圍巖特別是處于峰后區(qū)圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化，提高峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。 4）煤巷錨桿支護(hù)可以改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力。 5）巷道圍巖錨固體強(qiáng)度提高以后，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。 運(yùn)用極限平衡理論，在各向等壓的情況下，圓形巷道的塑性區(qū)半徑和周邊位移的計算式為： （5.1） （5.2） 式中： u——巷道周邊位移； R——塑性區(qū)半徑； P——原巖應(yīng)力； Pi——支護(hù)阻力； a ——圓形巷道半徑； ——圍巖內(nèi)摩擦角； c——圍巖的粘聚力； G——剪切彈性模量。 由式5和式6可知，巷道的穩(wěn)定性和周邊位移主要取決于巖層的原巖應(yīng)力p，反映巖石強(qiáng)度性質(zhì)的內(nèi)摩擦角?和粘聚力c。再因在給定巷道條件下，原巖應(yīng)力p是定值，內(nèi)摩擦角和粘聚力愈小，也就是圍巖強(qiáng)度愈低，則周邊位移值顯著增大。 針對巷道圍巖中等穩(wěn)定的條件，根據(jù)理論研究、計算和相似材料模擬試驗，得到了以下認(rèn)識； 1）錨固體破壞前后的內(nèi)聚力C、C*、內(nèi)摩擦角α、α*、錨固體極限強(qiáng)度?1、殘余強(qiáng)度?*1隨錨桿支護(hù)強(qiáng)度?t增加而提高，破壞后的C*、?*較破壞前的C、?1提高更顯著，因此錨桿可以增強(qiáng)巷道圍巖的穩(wěn)定性，控制巷道的周邊位移。見表5.1、表5.2。 表5.1不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞前C、值 錨桿支護(hù)強(qiáng)度?t/Mpa 0 0.06 0.08 0.11 0.14 0.17 0.22 等效內(nèi)聚力C/Mpa 0.347 0.357 0.363 0.368 0.383 0.377 0.387 等效內(nèi)摩擦角/° 31.51 31.53 33.51 35.37 37.14 38.80 40.40 表5.2不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞后C*、值 錨桿支護(hù)強(qiáng)度?t/Mpa 0 0.06 0.08 0.11 0.14 0.17 0.22 等效內(nèi)聚力C/Mpa 0.0168 0.0182 0.0183 0.0184 0.0186 0.0194 0.021 等效內(nèi)摩擦角/° 31.51 31.53 33.51 35.37 37.24 40.40 40.40 2）破裂巖體中布置的錨桿強(qiáng)化了巖體的?1和?*1，?*1的強(qiáng)化大于?1的強(qiáng)化，?1與?*1的強(qiáng)化比值為1.06~1.13，這對破裂巖體的穩(wěn)定十分有利。 3）破裂巖體的和隨的增加而不斷強(qiáng)化，達(dá)到一定程度就能保持圍巖的穩(wěn)定，見圖2。這就是錨桿支護(hù)設(shè)計、支護(hù)參數(shù)研究的基本依據(jù)。 5.3錨桿支護(hù)作用機(jī)理 5.3.1錨桿錨固力 錨桿安設(shè)在巖體內(nèi)部，它的受力以及它作用于圍巖的力同框式支架相比要復(fù)雜得多。國標(biāo)GBJ86.85將錨固力定義為錨桿對于圍巖的約束力。在實際應(yīng)用中，大都以抗拔力為錨固力，這給檢驗錨桿安設(shè)質(zhì)量提供了簡便的抗拔試驗方法，但國內(nèi)外許多學(xué)者紛紛撰文指出了抗拔力與錨固力的區(qū)別，所以有必要進(jìn)一步分析和明確錨固力的定義。 圖5.1 錨固體應(yīng)力應(yīng)變曲線 注：曲線上數(shù)字為錨桿支護(hù)強(qiáng)度/Mpa 圖5.2 錨桿約束圍巖的力 根據(jù)錨桿對圍巖的穩(wěn)定作用劃分和定義錨固力。圖5.2表示錨桿作用于圍巖的兩個方向的力，徑向錨固力和切向錨固力，徑向錨固力含托錨力和粘錨力。 1）托錨力：托板阻止圍巖向巷道內(nèi)位移，對圍巖施加徑向支護(hù)力，使圍巖由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向應(yīng)力狀態(tài)，提高了圍巖的強(qiáng)度。這種來自托板使圍巖穩(wěn)定的力稱為托錨力。 2）粘錨力：粘結(jié)劑將圍巖與錨桿粘結(jié)成整體，由于圍巖深部與淺部變形的差異，錨桿便通過粘結(jié)劑對圍巖施加粘結(jié)力來抑制圍巖變形，這種力對穩(wěn)定圍巖起著重要作用，稱為粘錨力。由作用力和反作用力關(guān)系可知，粘錨力就是錨桿體內(nèi)的軸力，但軸力沿桿體不是均布的，為了粘錨力的定量化，可將桿體中性點處的軸力值作為粘錨力的大小。 3）切向錨固力：圍巖體的變形大多是從巖體中的弱面開始的，在圍壓的作用下，圍巖沿著弱面滑動或張開，最終導(dǎo)致巷道斷面的收縮。由于錨桿體貫穿弱面，它限制圍巖沿弱面的滑動和張開，這種限制力稱為切向錨固力。盡管桿體所能提供的切向錨固力同弱面的強(qiáng)度相比是較小的，但切向錨固力的存在可使弱面不致因某個薄弱環(huán)節(jié)的突然破壞而影響原有承載力的充分發(fā)展。 5.3.2徑向錨固力的作用機(jī)理 如圖5.2所示，圖中a為完全失去粘結(jié)力的巖體，僅以巖塊之間的擠壓形成拱的作用，維持原來的形狀而沒有冒落；d為保持原來的強(qiáng)度和彈性模量的巖體；b為巖石強(qiáng)度已顯著降低，處于圍巖峰后特性區(qū)域的巖體，c為介于b與d之間的巖體，其狀態(tài)可能發(fā)展為b，也可能保持為d。在巖層內(nèi)開掘巷道以后，圍巖會出現(xiàn)如圖5.3的強(qiáng)度分布，強(qiáng)度分布將隨時間而變化，如能及時支護(hù)，不僅能保持d的狀態(tài)，防止巷道表面掩飾剝落，還可做到b那樣良好的狀態(tài)，防止內(nèi)部圍巖強(qiáng)度的惡化。所以要發(fā)揮錨桿的作用，必須掌握圍巖強(qiáng)度惡化的發(fā)展，及正確選擇阻止強(qiáng)度惡化發(fā)展的支護(hù)方式和支護(hù)阻力。實踐表明，只要及時安裝錨桿，即使錨固力不大，也能大幅度降低圍巖強(qiáng)度的惡化。 如圖5.4，當(dāng)圍壓為零時，殘余強(qiáng)度接近于零，當(dāng)圍壓為1 Mpa時，殘余強(qiáng)度約為9 Mpa。隨著圍壓的增高，巖石的應(yīng)變軟化程度逐步降低，殘余強(qiáng)度逐步增大。尤其是當(dāng)圍壓在零到1 Mpa范圍內(nèi)變化時，殘余強(qiáng)度表現(xiàn)出對圍壓很強(qiáng)的敏感性，即圍壓稍微增大，殘余強(qiáng)度增長很快。低圍壓下，殘余強(qiáng)度所以對圍壓具有強(qiáng)敏感性，是由于巖石的破裂面較粗糙，破裂后巖石繼續(xù)承載時，巖石變形主要表現(xiàn)為沿破裂面滑動和將破裂面的凸起啃斷兩種形式，當(dāng)圍壓為零時，巖石變形完全表現(xiàn)為沿破裂面滑動，當(dāng)圍壓由零逐漸增長時，巖石變形形式由沿破裂面滑動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷⑵屏衙娴耐蛊鹂袛?，巖石的殘余強(qiáng)度迅速提高。圍巖峰后的這種特征對于研究巷道支護(hù)具有重要意義。 圖5.3 巷道圍巖破碎情況 圖5.4 殘余強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系 對于具有護(hù)表構(gòu)件的錨桿支護(hù)，徑向錨固力可以均布到錨固區(qū)域的單位面積巖體，若錨桿錨固力p為100 kN，則錨固巖體中單位面積巖體的圍壓增量為： （5.3） 式中：——錨桿布置間排距，取e=t=0.7 m。 則=0.2 Mpa，在低圍壓情況下0.2 Mpa的圍壓增量約可使圍巖的殘余強(qiáng)度提高1~4 Mpa。 5.3.3切向錨固力的作用機(jī)理 1）切向錨固力對單節(jié)理面的加固作用 錨桿對圍巖弱面抗剪強(qiáng)度的作用表現(xiàn)為：由于節(jié)理面兩壁的相對位移導(dǎo)致錨桿軸向拉力Tb增長，而軸向力相對節(jié)理面提供附加力；Tb的平行節(jié)理面分量，將作為節(jié)理面抗剪能力的組成部分；粘結(jié)式錨桿桿體本身的抗剪能力限制節(jié)理面的相對滑動。 圖5.5 粘結(jié)式錨桿應(yīng)力分布圖 a.巖石錨桿；b.桿體拉應(yīng)力；c.膠結(jié)面剪應(yīng)力；d.桿體剪應(yīng)力；e.膠結(jié)面法向應(yīng)力 穿過節(jié)理面的錨桿在節(jié)理面附近的巖體內(nèi)應(yīng)力分布如圖5.5所示。葛修潤提出加錨節(jié)理面抗剪剛度公式為： （5.4） 式中：——節(jié)理面本身的抗剪強(qiáng)度； ——由桿體的“銷釘”作用引起的換算抗剪剛度； ——由桿體軸向力相對節(jié)理面的法向分量引起的換算抗剪強(qiáng)度； ——由桿體軸向力相對節(jié)理面的切向分量引起的換算抗剪強(qiáng)度。 它們分別用下式求得： （5.5） （5.6） （5.7） （5.8） 式中： ——錨桿軸向應(yīng)力（以拉應(yīng)力為正）； ——錨桿橫截面上的平均剪應(yīng)力； ——節(jié)理面平均法向應(yīng)力； ——節(jié)理面粘結(jié)力； ——節(jié)理面摩擦角； ——錨桿安裝角，系節(jié)理面剪切位移方向與同一側(cè)錨桿的夾角； ——錨桿橫截面與單根錨桿穿過的節(jié)理面面積比。 由式9可知錨桿使節(jié)理面抗剪剛度提高量為： （5.9） 2）切向錨固力對圍巖的加固作用 圍巖體中存在大量不規(guī)則弱面，巖體強(qiáng)度往往取決于弱面的性質(zhì)。巷道開掘后，錨桿經(jīng)常滯后支設(shè)，在錨桿支設(shè)前，又會產(chǎn)生裂紋、裂隙等新生的弱面。因此，錨桿通常都穿過大量不規(guī)則的弱面。錨桿與弱面的夾角為0~，取其平均值，按式14求在的平均值 = （5.10） 按式15，可計算錨桿對節(jié)理抗剪強(qiáng)度的提高量，若錨桿破壞服從最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，取桿體抗拉強(qiáng)度為400 Mpa，為200 Mpa，為1/2000，為17°，則 =0.044+0.167=0.211 Mpa 即巷道圍巖錨桿加固以后，圍巖弱面的平均抗剪強(qiáng)度約可提高0.211 Mpa。 6錨網(wǎng)索錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù) 錨桿支護(hù)由于具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性， 已成為世界各國礦井淺部工程巷道以及其它地下工程支護(hù)的一種主要形式。但是， 由于淺部煤炭資源日益枯竭， 國內(nèi)大多數(shù)煤礦相繼進(jìn)入深部開采階段。隨著開采深度的逐步增加， 地應(yīng)力不斷加大， 軟巖巷道工程出現(xiàn)了大變形、大地壓、難支護(hù)的特點，使得錨噴支護(hù)形式受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國內(nèi)許多大型煤礦， 如徐州旗山礦、夾河礦、鶴崗興安礦、南山礦、龍口柳海、兗州南屯、興隆礦、鶴煤三礦、五礦、九礦采用錨噴支護(hù)形式， 淺部巷道較穩(wěn)定， 但隨著開采的加深， 深部巷道相繼出現(xiàn)不同程度的兩幫收縮、頂板下沉、噴層脫落、嚴(yán)重底鼓等非線性力學(xué)現(xiàn)象， 造成巷道嚴(yán)重破壞， 雖經(jīng)數(shù)次翻修， 甚至采用錨網(wǎng)噴+ U 型棚支護(hù)形式， 但巷道仍破壞嚴(yán)重， 生產(chǎn)經(jīng)營仍無法正常運(yùn)行。 由此可以看出， 對于深部巷道工程， 特別是在高水平應(yīng)力條件下， 沿用淺部的錨噴支護(hù)形式， 已無法滿足軟巖巷道支護(hù)的需要。因此， 在深部軟巖巷道工程問題研究過程中， 在錨桿支護(hù)理論的基礎(chǔ)上， 各種支護(hù)形式應(yīng)運(yùn)而生， 其中具有代表性的是錨網(wǎng)噴+ 錨索+ 底角錨桿聯(lián)合支護(hù)形式， 并取得令人滿意的支護(hù)效果。 6.1 錨網(wǎng)噴+ 錨索+ 底角錨桿耦合支護(hù)機(jī)理 錨網(wǎng)噴+ 錨索+ 底角錨桿聯(lián)合支護(hù)， 就是針對軟巖巷道圍巖由于塑性大變形而產(chǎn)生的變形不協(xié)調(diào)部位， 通過錨網(wǎng)??圍巖以及錨索??關(guān)鍵部位支護(hù)的耦合而使其變形協(xié)調(diào)， 從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷， 并通過底角錨桿來有效地控制底臌， 實現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化， 達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的。 6.2錨網(wǎng)圍巖耦合支護(hù)機(jī)理 錨網(wǎng)和圍巖的耦合作用十分重要， 過強(qiáng)或過弱的錨網(wǎng)支護(hù)， 都會引起局部應(yīng)力集中而造成巷道破壞。只有當(dāng)錨網(wǎng)和圍巖強(qiáng)度、剛度達(dá)到耦合時， 變形才能相互協(xié)調(diào)。達(dá)到耦合的標(biāo)志是， 圍巖應(yīng)力集中區(qū)在協(xié)調(diào)變形過程中， 向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，從而達(dá)到最佳支護(hù)效果。 圖6.1~ 圖6.2 為不耦合支護(hù)與錨網(wǎng)耦合支護(hù)時的應(yīng)力場變化情況對比， 模擬研究結(jié)果表明： 1）圍巖集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。在巷道掘進(jìn)初期，巷道圍巖頂部應(yīng)力迅速集中，是巷道垮落危險區(qū)域；在實施錨網(wǎng)耦合支護(hù)后， 頂部應(yīng)力集中區(qū)迅速下降， 而幫部低應(yīng)力區(qū)應(yīng)力狀態(tài)迅速提高，整個圍巖不同部位應(yīng)力狀態(tài)趨于均勻化。 2）圍巖應(yīng)力場和位移場的變化。隨著圍巖受力由集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化， 錨桿受力趨于均勻化， 圍巖的應(yīng)力場和應(yīng)變場趨于均勻。 圖6.1不耦合支護(hù)下應(yīng)力圖 圖6.2錨網(wǎng)耦合支護(hù)下的應(yīng)力圖 6.3底角錨桿控制底臌機(jī)理 底臌是巷道礦壓顯現(xiàn)的重要特征之一。大量的井下觀測表明，深部巷道的底臌通常具有流變性，底板巖體隨時間持續(xù)地向巷道內(nèi)鼓出。將底板圍巖簡化為彈塑性介質(zhì)，得出的擠壓流動性底臌的滑移線場和速度場如圖6.3。 圖6.3 巷道底板滑移線場和速度場 根據(jù)滑移線的速度場性質(zhì)可推導(dǎo)出: BEF、A DG 沿（ 4/π . ?/ 2） 的方向整體移動， 移動方向垂直AG、BF。扇形區(qū)AGC、BFC 分別繞A、B 兩點在徑向法線方向上作整體移動。如果在AG、BF 方向布置錨桿， 圍巖的移動方向則垂直于錨桿軸向。圍巖移動就必須克服錨桿的繞流阻力。如果繞流阻力足以平衡Ps. P，則底板處于極限平衡狀態(tài)，不會發(fā)生底臌。即使在A、B 兩點布置的錨桿失效，導(dǎo)致錨桿繞A、B 點轉(zhuǎn)動，圍巖向巷道空間的移動量也遠(yuǎn)小于底板中部的移動量。所以，在AG、BF 方向布置底角錨桿，可以有效控制擠壓流動性底臌。 圖6.4~圖6.5為鶴煤五礦無底角錨桿和有底角錨桿布置時，巷道的位移場圖。從圖6.4、圖6.5 中可以看出，在不采用底角錨桿進(jìn)行底板控制的情況下，巷道出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的底臌， 最大底臌量為62cm，最大水平移近量為35cm，表現(xiàn)出明顯的水平方向變形的不對稱性而且， 右側(cè)較左側(cè)底臌嚴(yán)重， 表現(xiàn)出明顯的不對稱性。由于底板未得到有效控制，特別是右?guī)筒砍霈F(xiàn)了較為嚴(yán)重的收斂變形。通過在兩側(cè)施加底角錨桿，由于受底角錨桿的力學(xué)效應(yīng)的影響， 最大底臌量降為19cm，最大水平移近量降為6.5mm，巷道的變形量明顯得到控制，控制底臌變形效果非常明顯。 通過上述分析可知，底角錨桿除具有普通錨桿的擠壓加固和抗剪作用外，同時發(fā)揮一定的抗彎性能。選擇具有較高剛度和抗彎能力的注漿中空鋼管，進(jìn)行合理布置，可以有效切斷滑移線場，達(dá)到控制底臌的目的。 圖6.4 無底角錨桿水平位移場 圖6.5 兩側(cè)雙排底角錨桿水平位移場 6.4 錨索關(guān)鍵部位耦合支護(hù)機(jī)理 錨索作為一種新型的加強(qiáng)支護(hù)方式，由于錨固深度大，可將下部不穩(wěn)定巖層錨固在上部穩(wěn)定巖層中，同時，可施加預(yù)應(yīng)力，主動支護(hù)圍巖，能夠充分調(diào)動巷道深部圍巖的強(qiáng)度。 錨索關(guān)鍵部位耦合支護(hù)， 就是根據(jù)位移反分析原理，確定支護(hù)系統(tǒng)二次組合支護(hù)的最佳時間，在關(guān)鍵部位實施支護(hù)體和圍巖的再次組合，最大限度地發(fā)揮圍巖的自承能力，從而使支護(hù)體的支護(hù)抗力降到最小。 實踐證明，施加錨索前后，巷道圍巖應(yīng)力分布具有明顯不同，主要表現(xiàn)在施加錨索支護(hù)后，剪應(yīng)力明顯向巷道深部圍巖延伸、擴(kuò)張，應(yīng)力集中程度相對減小，在巷道圍巖深部錨索頂端出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)。這說明，由于錨索的作用，使巷道深部巖體也承擔(dān)了淺部圍巖的支護(hù)荷載，從而減小了巷道的變形量。 7工程實例 7.1工程及地質(zhì)概況 鶴壁煤電公司九礦新副井位于竇馬莊東北部，井底車場埋深640m ，在二1 煤層下80m。井底車場硐室、巷道工程均在煤層下的巖層中掘進(jìn)，壓力較大。硐室、巷道掘進(jìn)中遇到的主要充水含水層為太原群第8 灰?guī)r含水層，位于二1 煤層下45～60m，平均厚度2154m，井筒施工時揭露的實際厚度為315m ，揭露時的涌水量為18m3 / h，屬裂隙巖溶承壓水。九礦新副井井底車場中央變電所開口處距8灰含水層最小距離為40m，預(yù)計會對該工程施工造成一定影響。因此，在掘進(jìn)工作面推進(jìn)到距該含水層20m 時，應(yīng)先采用物探手段查明該含水層富水情況，并制定安全技術(shù)措施，或先進(jìn)行打鉆疏放。預(yù)計掘進(jìn)期間，整個井底車場正常涌水量為8～10m3 / h ，最大涌水量為20～25m3 / h。實際只在井筒及井底兩側(cè)馬頭門中出現(xiàn)涌水，涌水量最大為18m3 / h。經(jīng)注漿，剩余涌水量只有6m3 / h 。 7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇 變電所通道、變壓器室（半圓拱形，凈寬4600mm ，凈高3700mm）、主排水泵房及通道、吸水井壁龕、外水倉等硐室，均采用錨網(wǎng)噴+ 鋼帶+ 錨索+ 底角注漿錨桿耦合支護(hù)方式。 1）錨桿 采用規(guī)格為<22mm×2500mm的左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿，間排距均為700mm ，三花形布置。錨桿為端頭加長錨固，使用K2335型樹脂錨固劑，每根2卷。錨桿用配套的標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，預(yù)緊力不小于80kN。 2）錨索 采用規(guī)格為<1819mm×8 000mm 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，外露長度150～250mm ，排距2 000mm。變電所通道和泵房通道每排2根錨索，平行布置，間距1400mm。變電所和泵房每排4 根錨索，三花形布置，間距1400mm。每根錨索使用2卷CK2335型（內(nèi)部）和2卷K2335 型（外部）樹脂錨固劑進(jìn)行端頭錨固，錨索預(yù)緊力一般為100kN。 3）托盤及鋼帶 拱頂和肩窩錨桿采用規(guī)格為30/ 140mm×20mm×140mm的高凸梯形托盤，與GDT30/ 140mm×20mm×2000mm 型高凸梯形鋼帶配套使用，每相鄰3根錨桿共用1根鋼帶；其余錨桿采用碟形鐵托盤，規(guī)格為120mm×120mm×8mm。錨索采用規(guī)格30/140mm ×20mm×400mm 的高凸梯形托盤，與GDT30/ 140mm×20mm×2 000（3 000）mm型高凸梯形鋼帶配套使用，每相鄰2根或3根錨索共用1根鋼帶。每排2根或4根錨索時，相鄰2根錨索共用1 根鋼帶（長2 000mm）；每排3根錨索時，3根錨索共用1 根鋼帶（長3000mm）。鋼帶相當(dāng)于架設(shè)了小型U型棚，可使錨桿與錨桿、錨桿與圍巖、錨索與圍巖形成一個耦合體，提高支護(hù)效果。 4）金屬網(wǎng) 金屬網(wǎng)是用<6mm鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格70mm×70mm，網(wǎng)片尺寸1 470mm×910mm ，網(wǎng)片之間搭接長度70mm。金屬網(wǎng)可使錨桿由點支護(hù)變?yōu)槊嬷ёo(hù)。 5）噴射混凝土 硐室、巷道開挖至設(shè)計要求的荒斷面規(guī)格后，及時初噴30～50mm 厚的混凝土。施工完底角錨桿并注漿后，復(fù)噴50mm厚混凝土。噴射混凝土強(qiáng)度等級為C20。噴射混凝土可封閉圍巖，隔絕空氣，防止圍巖風(fēng)化，且能防止圍巖被水浸濕而降低圍巖自身強(qiáng)度，提高圍巖穩(wěn)定性。 6）底角注漿錨桿 采用無縫鋼管作注漿錨桿，規(guī)格為<32mm×2500mm ，排距為700mm ，每排4根。每根無縫鋼管桿體上有12個<6mm出漿孔。利用底角錨桿進(jìn)行注漿，可提高巖體自身強(qiáng)度，有效地改善巖體物理力學(xué)性質(zhì)，使圍巖成為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，充分調(diào)動圍巖自承能力，擴(kuò)大支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力；同時可降低作用在底板上的載荷集中度，減小底板巖層所受的壓力，減小底鼓。 分析表明，加固底角產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，一是減小了底板淺部巖層的應(yīng)力集中區(qū)域，增大了底板深部巖層的應(yīng)力集中區(qū)域，將底板巖層應(yīng)力集中程度向深部巖層轉(zhuǎn)移；二是可有效地控制兩幫向底角的滑移和塑性擴(kuò)張。實踐表明，硐室、巷道底角加固后，其底板塑性破壞區(qū)域明顯減小，底鼓量也明顯減小。 7.3設(shè)計改進(jìn) 1）集約化設(shè)計。原設(shè)計吸水井為4個，分別通過吸水井通道與吸水井、泵房相通。我礦將4個吸水井合并為1個，分成4 格，當(dāng)成4個使用，可減少3個壁龕、20m吸水井通道。 2）盡量減小斷面尺寸。在滿足使用要求的前提下，減小硐室、巷道斷面尺寸，可減小對圍巖的擾動，提高圍巖穩(wěn)定性。 7.4施工工藝 1）首先要搞好光面爆破。如果光面爆破效果不好，就先進(jìn)行初噴；必要時拱基線以上增加錨網(wǎng)噴，接700mm×700mm的間排距打規(guī)格為<32mm×1 600mm的縫管式錨桿，鋪1 層<4mm鋼筋網(wǎng)，噴射30～50mm厚的混凝土。 2）鋼帶+ 高強(qiáng)錨桿施工滯后工作面3～5m。距離過大，圍巖較軟時，有可能已產(chǎn)生變形。錨桿眼位置要準(zhǔn)確，眼位誤差不得超過50mm。錨桿眼要垂直于巷道輪廓線，眼向誤差不得大于5°。錨桿眼深度應(yīng)與錨桿長度相匹配。打眼時，應(yīng)在釬子上做好標(biāo)記，嚴(yán)格按錨桿長度打眼。錨桿眼打好后，應(yīng)將眼內(nèi)巖渣、積水清除干凈。打眼應(yīng)按由外向里，先頂后幫的順序進(jìn)行。 3）錨索、底角注漿錨桿施工滯后工作面10～25m。采用錨索鉆機(jī)快速安裝錨索，預(yù)緊力一般為100kN 。若未能及時緊跟工作面安裝而滯后一段距離，應(yīng)將錨索預(yù)緊力加大到120kN。安裝底角注漿錨桿時，應(yīng)先測量錨桿眼深度，不得小于桿體長度，然后用壓氣清除眼內(nèi)巖渣和積水。注漿錨桿安裝好后，用水泥漿注實。漿液用普通硅酸鹽水泥加水配制， 水灰比為016∶1～017∶1。設(shè)計注漿壓力為210～310MPa ，單孔注漿時間不少于20min 。 4）最后復(fù)噴以蓋嚴(yán)網(wǎng)，表面平滑為準(zhǔn)。噴層總厚度80～100mm。噴射時，噴漿機(jī)供氣壓力宜為014MPa ，水壓應(yīng)比氣壓高011MPa 左右，水灰比為014～015 。噴射過程中，應(yīng)根據(jù)出料量的變化，及時調(diào)整給水量，保證水灰比準(zhǔn)確，使噴射的混凝土無干斑、無流淌，粘著力強(qiáng)，回彈量少。 7.5支護(hù)效果 九礦新副井井底車場硐室、巷道采用錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)后，在支護(hù)后的穩(wěn)定時間、位移量方面，比原來的錨網(wǎng)噴或混凝土碹有很大改善，支護(hù)后的位移量只有15～30mm ，在允許范圍之內(nèi)，且無破壞現(xiàn)象，減少了硐室、巷道變形破壞后反復(fù)維修帶來的麻煩和危險，降低了維修費(fèi)用，減少了影響生產(chǎn)的時間，滿足了我礦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)標(biāo)和安全生產(chǎn)等各方面的要求。 8結(jié)語 實踐表明，我們知道在深井巷道中，由于圍巖應(yīng)力比較大，圍巖變形速度快，圍巖塑性區(qū)也相應(yīng)擴(kuò)大，采用架棚等傳統(tǒng)的被動方式已不能滿足深井巷道圍巖變形的要求。錨網(wǎng)噴+ 鋼帶+ 錨索+ 底角注漿錨桿是軟巖、破碎帶地段巷道的一種理想的支護(hù)方式。我礦在地質(zhì)條件復(fù)雜的新副井井底車場硐室、巷道施工中采用該項支護(hù)技術(shù)，取得了圓滿成功，收到了較好的效果。但由于其施工工藝較為復(fù)雜，成本較高，巷道掘進(jìn)速度慢，非復(fù)雜地質(zhì)條件下不宜推廣應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1] 周思偉、馬延慶.《軟巖巷道變形破壞機(jī)理分析研究》.江西煤炭科技，2007 [2] 陳炎光、陸士良.《中國煤礦巷道圍巖控制》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994 [3] 侯朝炯、郭勵生、勾攀峰.《煤巷錨桿支護(hù)》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999 [4] 錢鳴高、石平五.《礦山壓力與巖層控制》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003 [5] 袁和生.《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)》.北京：煤炭工業(yè)出版社，1997 [6] 張興永.《MATLAB軟件與數(shù)學(xué)實驗》.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007 [7] 柏建彪、侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報.2006，第35卷（第2期）：145-148 [8] 康紅普、王金華、林健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用.煤炭學(xué)報.2007，第32卷（第12期）：1233-1238 [9] 張雷、趙瑋.深部巷道支護(hù)技術(shù)的探索與建議.煤礦支護(hù).2007，第15卷（第3期）：48-49 [10] 郝海金、張勇、吳健.順槽巷道錨桿預(yù)緊力及工作機(jī)理的探討.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報.2003，第18卷（第4期）：15-17 [11] 王鋼. 錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)在巷道支護(hù)中的研究與應(yīng)用.山東煤炭科技.2008第五期：120-121 [12] 張雷、趙瑋. 深部巷道支護(hù)技術(shù)的探索與建議. 煤礦支護(hù).2007，第15卷（第4期）：48-49 [13] 侯朝炯. 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