祁東煤礦1.5Mta新井設計含5張CAD圖.zip,祁東,煤礦,1.5,Mta,設計,CAD 淺談軟巖支護 ［摘 要］隨著我國煤炭產(chǎn)量的逐年加大，礦山開采條件的日益復雜，當前，軟巖巷道支護已成為困擾礦區(qū)生產(chǎn)建設的一大難題。主要對煤礦軟巖巷道的支護問題進行了探討，概述了軟巖的概念及分類，并簡要分析了軟巖變形破壞的原因及規(guī)律，總結(jié)了錨桿支護技術(shù)、砌碹支護及噴砼技術(shù)、兩幫煤體注漿加固技術(shù)等七種支護技術(shù)的作用原理及其優(yōu)缺點與使用條件。 ［關(guān)鍵詞］ 軟巖；變形規(guī)律；支護技術(shù) 0 引言 軟巖巷道的圍巖控制和巷道維護是世界礦業(yè)和巖石力學的難題之一，也是目前國外急需解決的問題之一。隨著礦山開采條件的復雜化，軟巖支護問題所涉及到的工程領(lǐng)域越來越多，問題也越來越復雜。我國煤層賦存條件復雜，軟巖在近半數(shù)礦井都有賦存。隨著采深的增加，原巖應力水平不斷提高，當采深超過圍巖軟化臨界深度后，圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形、難支護現(xiàn)象，圍巖原有的弱面進一步擴展，產(chǎn)生新的節(jié)理、裂隙，甚至松動、破碎，圍巖進一步惡化，給巷道維護帶來極大困難，這就給地下工程圍巖穩(wěn)定性研究提出了新的課題——軟巖工程問題。 為解決或降低這一問題對煤礦生產(chǎn)和其他巖土工程所造成的不利影響，國內(nèi)外與巖土工程相關(guān)的各個領(lǐng)域，都投入了大量的人力和物力進行軟巖支護等方面的研究工作。通過大量的工程實踐人們認識到改善圍巖的結(jié)構(gòu)性能充分發(fā)揮圍巖的自承能力，是一條維護圍巖穩(wěn)定的有效途徑，特別是對松軟破碎難以支護的巷道。近30年來，隨著“新奧法”隧洞施工理念、錨噴加固技術(shù)、注漿加固技術(shù)等在世界范圍內(nèi)的廣泛推廣，人們對軟巖及軟巖巷道的圍巖變形規(guī)律和壓力特征的認識都上升到了一個新的階段，與軟巖特性及軟巖巷道圍巖變形規(guī)律和壓力特征相適應的許多支護和加固措施也應運而生，尤其是基于“新奧法”的“三錨”支護（錨噴、錨索、錨注）是較為成功和典型的技術(shù)。一般我們所運用的支護工業(yè)過程是：開挖→初噴→錨桿→錨索→復噴→錨注。但是這個過程是否是最佳的支護工藝過程還缺乏一定的理論依據(jù)。因此如何解決支護工藝過程、支護參數(shù)的變化對軟巖巷道圍巖應力場和位移場的影響，便引起了人們的極大關(guān)注。 1軟巖巷道支護理論的國外發(fā)展情況 1.1早期理論 20 世紀初發(fā)展起來的以海姆、 朗肯和金尼克理論為代表的古典壓力理論認為, 作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重量。但隨著開挖深度的增加，人們發(fā)現(xiàn)古典壓力理論許多方面都有不符合實際之處，于是，坍落拱理論(也稱為松軟壓力理論) 應運而生，其代表有太沙基理論和普氏理論。此類理論認為：坍落拱的高度與地下工程跨度和圍巖性質(zhì)有關(guān)。其最大貢獻是提出巷道圍巖具有自承能力。20 世紀50 年代以來,人們開始用彈塑性力學來解決巷道支護問題,其中最著名的是Fenner 公式和Kastner公式。 1. 2新奧法 到了60 年代，奧地利工程師L. V. Rabcewicz(臘布希維茨) 在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一種新的隧道設計施工方法，稱為新奧地利隧道施工方法(New Aus trian Tunneling Method ) ，簡稱為新奧法(NATM) ，目前已成為地下工程的主要設計施工方法之一。1978 年，L. Mttl ler(米勒)教授比較全面地論述了新奧法的基本指導思想和主要原則，并將其概括為22 條[ 5- 6]。其中主要的是： 1) 圍巖是隧道的主要承載結(jié)構(gòu)，初期支護和最終襯砌僅僅起封閉作用，其目的是在圍巖中建立承載環(huán)或三維承載球殼。 2)如果要求用圍巖來支護隧道，則必須盡可能維持圍巖強度。因此，要盡可能防止圍巖松動和大范圍變形。松動和變形會引起圍巖強度逐漸衰減，為了維持圍巖強度，應根據(jù)時間和圍巖應力變化，選擇適當?shù)闹ёo手段。 3)為了選擇最佳承載環(huán)結(jié)構(gòu)，必須正確估計時間對圍巖特性的影響(或?qū)鷰r與襯、 砌共同體特性的影響)。為此，要求進行初期實驗室試驗，特別是洞內(nèi)位移量測試驗。其中最重要的參數(shù)是巖石類別、 直立自穩(wěn)時間及變形速度。 4)襯砌和永久支護必須是薄殼型，以減小襯砌受彎機會，從而減少撓曲斷裂。其必要強度靠鋼筋網(wǎng)、 鋼拱架和錨桿達到,而不是加厚襯砌或支護截面。 5)按靜力學觀點，隧道被看作是由巖石、 支護結(jié)構(gòu)和(或)襯砌構(gòu)成的厚壁管。作為1 根管子，只要不開槽口，它就是靜定的。因此閉合非常重要,圍巖特性變化主要取決放這根/管子0的閉合時間。 6)隧洞的主要承載部分是圍巖。圍巖的強度主要取決于單個巖塊之間的摩擦力，因此，必須盡一切可能防止圍巖的松動，保持圍巖的原有抵抗力。 7)支護的目的是為了更好地發(fā)揮和促進圍巖的承載作用，以及在巖體中建立承載環(huán)。 8)在靜力學上，隧洞可被視為由巖石承載環(huán)和支護組成的厚壁圓筒結(jié)構(gòu)。因為圓筒只有在它沒有縫口時才能在力學上發(fā)揮作用，所以，襯砌環(huán)的閉合特別重要,而不能指望由洞底巖層本身起閉合環(huán)的作用。除了巖層特別堅固，不需要這種閉合的情況外，都應設置仰拱。 9)從應力重新分布考慮，最好的開挖方式是全斷面掘進。 1980 年,奧地利土木工程學會地下空間分會把奧法定義為在巖體或土體中設置的以使地下空間的周圍巖體形成一個中空筒狀支承環(huán)結(jié)構(gòu)為目的的設計施工方法。 1. 2. 1新奧法的先進性 1) 新奧法摒棄了隧道力學中舊的以普氏理論和太沙基理論為代表的松動地壓理論，將巖體視為承載體,這種認識上的重大轉(zhuǎn)變給支護帶來了一場革命,它提倡的主動支護和柔性支護方法(錨噴、 注漿等)對軟巖是有效的。 2) 最大限度地發(fā)揮了圍巖本身原有的支撐能力。 3) 施工過程中, 通過量測手段來掌握圍巖穩(wěn)定狀態(tài), 發(fā)現(xiàn)情況可以及時采取措施,因而可保證安全施工。 4)與傳統(tǒng)的鋼拱架厚壁混凝土支護體系相比,新奧法支護結(jié)構(gòu)是以錨桿、 噴混凝土、 可縮可塑性鋼拱架等材料構(gòu)成的薄壁柔性的支護結(jié)構(gòu)。薄壁柔性結(jié)構(gòu)在受剪狀態(tài)下工作, 而舊的厚壁結(jié)構(gòu)在受彎狀態(tài)下工作。新奧法可以充分利用混凝土的抗剪強度, 大幅度降低材料用量。另外, 由于是薄壁襯砌,故開挖石方量也大大減少。采用新奧法具有節(jié)省人力、 資源及成本低等優(yōu)點。 5) 傳統(tǒng)方法構(gòu)筑隧道是在凹凸不平的巖層表面構(gòu)筑防水層, 難于得到可靠的防水效果。新奧法的襯砌是通過兩次被覆來完成, 可以先在一次被覆后的光滑表面上構(gòu)筑防水層,然后再做二次被覆, 從而大大提高防水效果。 1. 2. 2新奧法的不足 1) 新奧法要求一次支護后達到變形相對穩(wěn)定時再進行二次支護,等穩(wěn)往往是等垮。 2) 新奧法的二次支護是全斷面等強度支護,而圍巖荷載是不均勻的,因此常常在薄弱環(huán)節(jié)失穩(wěn),進而導致巷道破壞。 3) 新奧法二次支護時間的選擇, 必須基于大量細致的現(xiàn)場應力、 位移監(jiān)測,但如何利用量測結(jié)果,也缺乏明確的圍巖穩(wěn)定性的判據(jù)。過程比較繁雜,現(xiàn)場工程技術(shù)人員不容易接受,可操作性差。 4) 在實際設計施工中, 受工程技術(shù)人員對新奧法的理解限制, 經(jīng)常出現(xiàn)生搬硬套,或以為噴錨支護就是新奧法等, 易出現(xiàn)工程事故。1994 年10 月倫敦希思羅機場快速線采用新奧法施工的隧道發(fā)生塌方,甚至引發(fā)了一場始于英國, 波及國際的圍繞新奧法的激烈爭論。 5) 如何達到新奧法提出的既安全又經(jīng)濟的最佳支護狀態(tài), 如何合理地確定支護力的大小及剛度、 支護時間及圍巖最大允許變形量來實現(xiàn)支護的最佳狀態(tài)等一系列問題,還沒有解決。 2軟巖巷道支護理論的國內(nèi)發(fā)展情況 我國松軟巖土體巷道支護技術(shù)研究工作始于1958 年。20世紀80 年代以來,與軟巖工程相關(guān)的全國性學術(shù)會議召開了20 余次, 使地下工程軟巖問題的理論研究進入了一個新的階段。 2. 1軸變論 于學馥教授在20世紀50 年代提出“軸變論”理論,它是運用連續(xù)介質(zhì)和靜力學方法提出來的理論,其基本要點如下: 1) 地應力是引起圍巖變形破壞的根本作用力,所以強調(diào)把工程所處的實測地應力作為力學分析的前提條件。 2)從具體的應力和圍巖應力研究圍巖變形破壞規(guī)律。 3)不是所有的巷道都會出現(xiàn)像太沙基和普羅托吉雅夫理論所說的垮落拱。調(diào)整圍巖應力分布狀態(tài)可以使本來會破壞的巷道不破壞。 4) 巷道垮落后的穩(wěn)定軸比“ 高、 寬之比”是有規(guī)律的,它決定于地層原始應力(地應力)的分布狀態(tài)。 5)根據(jù)地應力、圍巖應力、巖體力學性質(zhì)和變形特征,對地壓進行分類是分析圍巖變形破壞、地壓活動規(guī)律和選擇巷道維護方法的基礎(chǔ)。 軸變論是分析圍巖破壞規(guī)律的理論, 重點強調(diào)了軸比的重要性,并沒有談如何支護。 2. 2聯(lián)合支護理論 馮豫、陸家梁、鄭雨天、朱效嘉教授等提出的聯(lián)合支護技術(shù)是在新奧法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 其觀點可以概括為:對于巷道支護,一味強調(diào)支護剛度是不行的,特別是對于松軟巖土圍巖要先柔后剛, 先抗后讓, 柔讓適度,穩(wěn)定支護。由此發(fā)展起來的支護形式有錨噴網(wǎng)技術(shù)、錨噴網(wǎng)架技術(shù)、錨帶網(wǎng)架技術(shù)、錨帶噴架等聯(lián)合支護技術(shù)。 2. 3錨噴-弧板支護理論 孫鈞、鄭雨天和朱效嘉等提出的錨噴-弧板支護理論是對聯(lián)合支護理論的發(fā)展。該理論的要點是:對軟巖總是強調(diào)放壓是不行的,放壓到一定程度后,要堅決頂住, 即采用高標號、 高強度鋼筋混凝土弧板作為聯(lián)合支護理論先柔后剛的剛性支護形式,堅決限制和頂住圍巖向中空位移。 2. 4松動圈理論 松動圈理論是由中國礦業(yè)大學董方庭教授提出的,其主要內(nèi)容是: 凡是堅硬圍巖的裸露巷道, 其圍巖松動圈都接近于零, 此時巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在,但并不需要支護。松動圈越大,收斂變形越大,支護難度就越大。因此,支護的目的在于防止圍巖松動圈發(fā)展過程中的有害變形。 錨噴支護機理: 根據(jù)圍巖松動圈支護理論,錨噴支護的機理和支護參數(shù)應以松動圈的大小來確定。由于圍巖松動圈產(chǎn)生過程中的碎脹力是支護的對象,因而可按分類表將其合并為3 種情況, 以理論方法確定錨噴支護的參數(shù)。 1)小松動圈支護機理。當 L = 0~ 40 cm 時, 稱為小松動圈。當 L = 0 時,意味著開巷后圍巖只有彈塑性變形,其變形量小,變形時間短, 因此不存在支護問題。對于整體性好、 耐風化的圍巖可不支護，因此，錨、噴都無必要。通過工業(yè)試驗, 單獨使用噴混凝土支護的條件為L = 0~ 40 cm。 2)中松動圈支護機理。當 L = 40~ 150 cm 時,稱為中松動圈。圍巖的碎脹力比較明顯, 圍巖的收斂變形將使噴層產(chǎn)生裂縫或破壞,因此, 必須用錨桿控制其變形。由于 L 值一般小于常用錨桿長度,因此可以用懸吊理論。但錨桿的懸吊對象是圍巖松動圈在形成過程中的碎脹力, 其懸吊點為松動圈以外的巖體。錨固力大于4 kN 可滿足支護要求。應當強調(diào)的是錨桿作為主體支護, 噴層將只作為錨桿間圍巖的支護和防止圍巖風化, 因此噴層厚度一般在50~ 100 mm。 3) 大松動圈支護機理。當 L > 150 cm 時, 稱為大松動圈, 屬軟巖。L = 150 cm 是圍巖松動圈支護理論劃分為軟巖的界線。該類巖石地壓顯現(xiàn)特征為壓力大, 2~ 3 層料石碹常被壓壞, 圍巖變形量大,變形時間長,支護不成功時底鼓嚴重。對于這類圍巖,必須選用較強的支護才能防止底鼓。合理的支護還應有一定的可縮性。在大松動圈圍巖中施工的巷道,采用組合拱理論可以有效地進行支護。 3軟巖的概念 軟巖一般指巷道和隧道施工中常遇到的各種含粘土的巖石，如泥巖或粘土巖、粘土頁巖、泥質(zhì)板巖及煤層底板的粘土層等，其中泥巖為最典型的軟巖。泥巖中含有大量(50%～70%以上)顆粒小于 0.005mm 的粘土。粘土的礦物成分有高嶺土、伊利石或水云母和蒙脫石等。泥巖易于風干，置于水中幾小時至幾天崩解, 風干后再吸水則有或多或少膨脹性; 高嶺土和伊利石膨脹性微弱。泥巖的膨脹性主要來自蒙脫石, 蒙脫石含量越高, 膨脹性越強烈。泥巖容重較輕、孔隙率大、含水量較高、單軸抗壓強度較低、彈模低、泊松比高, 而且蠕變性強, 在低應力水平就發(fā)展到不穩(wěn)定蠕變, 隨著含水量的改變, 泥巖的一些物理性質(zhì)隨著改變。泥巖的強度低、塑性變形大、蠕變性強, 而且有的泥巖風干后再遇水有膨脹性。所以如果巷道底板賦存泥巖, 將表現(xiàn)為強烈的底鼓現(xiàn)象, 若巷道四周都是泥巖, 則各方向都將產(chǎn)生較大的塑性變形、蠕變變形，甚至膨脹變形, 給巷道維護帶來較大的困難。 3.1地質(zhì)軟巖 地質(zhì)軟巖是指單軸抗壓強度小于 25MPa 的松散、破碎、軟弱及風化膨脹性一類巖體的總稱, 該類巖石為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)巖石等強度較低的巖石, 是天然形成的復雜地質(zhì)介質(zhì)。國際巖石力學學會將軟巖定義為單軸抗壓強度(σc)在 0.5～25MPa 的一類巖石, 其分類依據(jù)基本上是依強度指標。該軟巖定義應用于工程實踐中會出現(xiàn)矛盾, 如巷道所處安全深度足夠小，地應力水平足夠低，則小于 25MPa 的巖石也不會產(chǎn)生軟巖的特性;相反, 大于25MPa 的巖石,其工程部位足夠深, 地應力水平足夠高, 也可以產(chǎn)生軟巖的大變形, 大地壓和難支護的現(xiàn)象。因此, 地質(zhì)軟巖的定義不能用于工程實踐。 3.2工程軟巖 工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。如果說目前流行的軟巖定義強調(diào)了軟巖的軟、弱、松、散等低強度的特點, 那么本定義不僅重視軟巖的強度特性, 而且強調(diào)軟巖承受的工程力荷載的大小。強調(diào)從軟巖的強度和工程力荷載的對應統(tǒng)一關(guān)系中分析, 把握軟巖的相對性質(zhì)實質(zhì)。當工程力一定時, 不同的巖體, 強度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為軟巖的力學特性, 強度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學特性; 而對于同種巖石, 在較低工程力作用下, 則表現(xiàn)為硬種巖的變形特性, 在較高工程力作用下, 則可能表現(xiàn)為軟巖的變形特性。 3.3軟巖分類及特征 軟巖僅是地質(zhì)巖體中一部分, 但卻是地質(zhì)介質(zhì)中極為復雜的部分。按照軟巖自然特征、物理化學特性。以及在工程力的作用下產(chǎn)生顯著變形的機理作為分類的主要依據(jù), 軟巖分為五類: 即低強度軟巖、膨脹性軟巖、高應力軟巖、節(jié)理化軟巖和復合型軟巖。按《煤礦井巷工程錨噴支護設計試行規(guī)范》中圍巖的分類分 5 類Ⅰ穩(wěn)定、Ⅱ穩(wěn)定性較好、Ⅲ中等穩(wěn)定、Ⅳ穩(wěn)定性較差和Ⅴ不穩(wěn)定。前四類較具體，第Ⅴ類較籠統(tǒng)，不能滿足要求，應予補充。軟巖的這個分類意見，可在施工實踐中進一步修正。 軟巖有別于硬巖而獨具的特性有以下幾點： 可塑性, 由于軟巖膠結(jié)程度差, 結(jié)構(gòu)疏松,孔隙率高,強度低, 粘土礦物親水性強，在工程力和水的作用下礦物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，吸附水分子形成水化膜，從而使巖石具有極大的可塑性，巖石強度急劇降低，在無控制條件下失去自身支承能力。 膨脹性，軟巖在水作用下產(chǎn)生體積膨脹現(xiàn)象。 崩解性，軟巖在物理、化學、力學、因素都作用下發(fā)生鱗片狀解體。 流變性，有韌性的軟巖受力發(fā)生流變，其過程與時間密切相關(guān)的特性。 易擾動性，由于軟巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，軟巖對抗外界環(huán)境擾動的能力極差，對施工震動、吸水膨脹、軟化泥化、暴露風化等影響極為敏感。 4 軟巖巷道圍巖變形力學機制和變形規(guī)律 4.1軟巖巷道圍巖變形力學機制 按照軟巖的自然特征、物理化學性質(zhì)，以及在工程力的作用下產(chǎn)生顯著變形的機理，將軟巖分為膨脹性軟巖（也稱低強度軟巖）、高應力軟巖、節(jié)理化軟巖和復合型軟巖四種類型。從理論上分析軟巖巷道圍巖變形力學機制，可分為三種形式，即物化膨脹類型（也稱低強度軟巖）、應力擴容類型和結(jié)構(gòu)變形類型。 4.2 軟巖巷道圍巖變形的影響因素 巖石本身的強度、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度及膠結(jié)物的性能、膨脹性礦物的含量等巖石性質(zhì)是影響軟巖巷道圍巖變形的內(nèi)部因素。 自重應力、殘余構(gòu)造應力、工程環(huán)境和施工的擾動應力，特別是諸應力的疊加狀況和主應力的大小、方向是影響軟巖巷道圍巖變形的主要外部因素。 膨脹性軟巖浸水后顆粒表面水膜增厚、間距加大、連接力削弱，體積急劇增大，同時引起巖石內(nèi)部應力不均，容易破壞。 對擾動的敏感是軟巖的特性之一，鄰近巷道施工、采面回采的震動對軟巖巷道圍巖變形的影響較明顯。 軟巖具有明顯的流變特性，時間也是不可忽略的影響因素。 4.3 軟巖巷道圍巖變形規(guī)律 軟巖巷道圍巖變形具有明顯的時間效應。表現(xiàn)為初始變形速度很大，變形趨向穩(wěn)定后仍以較大速度產(chǎn)生流變，持續(xù)時間很長。如不采取有效的支護措施，由于圍巖變形急劇增大，勢必導致巷道失穩(wěn)破壞。 軟巖巷道多表現(xiàn)為環(huán)向受壓，且為非對稱性。軟巖巷道不僅頂板變形易冒落，底板也產(chǎn)生強烈底鼓，并引發(fā)兩幫破壞頂板坍塌。 軟巖巷道圍巖變形隨埋深增加而增大，存在一個軟化臨界深度，超過臨界深度變形量急劇增加。 軟巖巷道圍巖變形在不同的應力作用下，具有明顯的方向性。巷道自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時間短。 4.4軟巖巷道變形破壞的原因及規(guī)律 由于巷道開挖，在巷道周邊圍巖內(nèi)將會形成一個松動圈，松動圈內(nèi)的巖塊既不是連續(xù)體，也不是松散體。圍巖雖然已出現(xiàn)裂縫，但是破裂巖塊之間仍處于相互銜接、相互嚙合的狀態(tài)。為了較好的了解軟巖變形破壞過程，人們通過模擬實驗來反映圍巖變形破壞狀態(tài)，得出應力 - 應變曲線，如圖1所示。 實驗結(jié)果揭示: 巷道圍巖松動圈在 σ- ε規(guī)律也經(jīng)過壓密、彈性、塑性、破壞四個階段，當松動圈圍巖所受應力達到其極限強度時，巷道松動圈圍巖將發(fā)生破壞。從現(xiàn)場實際觀測結(jié)果可以得出軟圍巖巷道變形規(guī)律: 巷道圍巖的壓密、膨脹、松弛(松動)區(qū)將會隨著巷道的破壞而由表及里轉(zhuǎn)化。 5 軟巖支護原則對策 5.1支護原則 1“因地制宜”原則。軟巖類別多種多樣，構(gòu)成的軟巖巷道復合型變形力學機制類型也多種多樣。因此，軟巖巷道支護必須“因地制宜”，支護措施要滿足其變形力學機制的要求。 2“步步為營”原則。軟巖巷道支護是一個復雜的過程，不可能一次解決全部問題。究其本質(zhì)，軟巖巷道具有復雜的復合型變形力學機制，要對軟巖巷道穩(wěn)定性實行有效控制，必須有一個從“復合型”向“單一型”的轉(zhuǎn)化過程，是靠一系列具有針對性的支護措施來實現(xiàn)的。 3 塑性圈原則。和硬巖巷道支護的指導思想不同，軟巖巷道支護必須允許出現(xiàn)塑性圈。硬巖巷道支護是力求控制塑性區(qū)的產(chǎn)生，最大限度發(fā)揮圍巖的自承載力；軟巖巷道支護是力求有控制地產(chǎn)生一個合理厚度地塑性圈，最大限度地釋放圍巖變形能。對軟巖巷道穩(wěn)定性控制來講，塑性圈的出現(xiàn)具有三個力學效應：a.大幅度降低變形能；b.減少切向應力集中程度；c.改善圍巖的承載狀態(tài)。 4 綜合優(yōu)化原則。一個優(yōu)化的軟巖巷道支護，要同時滿足三個條件：a. 能充分地釋放圍巖變形能；b. 能充分地保護圍巖的力學強度；c.使支護造價小而巷道穩(wěn)定性好。上述四個原則在軟巖巷道支護過程中相輔相成，構(gòu)成了軟巖巷道穩(wěn)定性控制基本原則。 5.2基本支護對策 軟巖巷道的支護宜采用以下幾方面對策： 5.2.1 維護和保持圍巖殘余強度 一般軟巖，在經(jīng)受水或者風化影響后，強度將降低，所以開巷后應及時噴射（注入）混凝土以封閉巖面，防止圍巖風化潮解，減少圍巖強度的損失。例如，施工過程中的光面爆破等技術(shù)措施，有利于保持圍巖的強度。 5.2.2 提高圍巖殘余強度 提高圍巖殘余強度有三個技術(shù)途徑：第一，提高支護阻力，改善圍巖應力狀態(tài)。開巷后應盡快完成支護的主體結(jié)構(gòu)，使圍巖由雙向應力狀態(tài)轉(zhuǎn)為三向應力狀態(tài)，從而提高圍巖的殘余強度。第二，用錨桿支護加固圍巖。錨桿能利用其錨固力將破碎圍巖錨固起來，恢復和提高破裂圍巖的殘余強度，形成具有較高承載能力和可塑性的錨固層。第三，錨索加固。破碎嚴重的巖體，單純依靠錨桿加固不能滿足要求時，可考慮及時采用錨索加固，這是提高松動破碎圍巖強度最有效的方法。 5.2.3 充分發(fā)揮圍巖承載能力 充分發(fā)揮圍巖的承載能力，主要體現(xiàn)在以下四個方面：第一，選取受力均勻的巷道斷面，如圓形斷面。巷道斷面形狀的確定應盡量考慮適應圍巖應力場特點。第二，多層次復合支護技術(shù)支護，并注重軟巖巷道底板的重點支護。第三，采用可縮性支護，當變形壓力超過圍巖的承載能力后，支護體系可縮讓壓，這一過程是減少支護受力，讓圍巖發(fā)揮更大承載能力的過程。第四，強調(diào)二次支護，二次支護要在圍巖變形穩(wěn)定后適時完成，給巷道圍巖提供最終支護強度和剛度，以保持巷道較長時間的穩(wěn)定性和安全儲備。二次支護時機，應根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。 6 軟巖巷道支護方式 6.1煤巷支護 煤巷支護傳統(tǒng)采用木棚支護，到二十世紀八十年代逐步演變?yōu)榈V用工字鋼支護，和U 型鋼支護。木棚支護雖然對圍巖的支護強度大大提高了，但由于工字鋼的梯形支護承受頂壓能力差，常常出現(xiàn)頂梁彎曲，梁腿鉆進底板或彎曲破壞。隨著礦井逐步向深部區(qū)的開采, 地應力的增大，引進采用了25# U 型鋼支護改變了對圍巖的支護方式，減小了頂壓對巷道的破壞程度,進而又更替使用了更大強度的29#U 型鋼，使巷道的支護強度得到了更進一步的提高。在采用U型鋼網(wǎng)支護的過程中，通過卸壓使高應力區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，減少了圍巖高應力對支架的破壞。 實施迎頭煤層注水，增大煤層粘結(jié)力，減小圍巖松動圈范圍，防止煤墻片幫和冒頂，提高了支護效果。 6.2巖巷支護 巖巷支護由料石，混凝土砌碹支護演變到推廣使用錨噴支護、錨網(wǎng)噴支護，支護強度大大加強，巷掘速度大幅度提高。錨噴支護工藝為，巖石暴露后，先對頂板拱基線以上基本成型的巷道初噴沙漿(10~20mm厚) 護頂作臨時支護，然后打錨桿掛金屬網(wǎng)噴漿進行二次支護達到成巷為永久巷道。在破碎巖體中還需架設 U型鋼支護,以支撐圍巖,增加抵抗圍巖壓力的能力。錨桿支護參數(shù)在實踐中也不斷地改變, 錨桿長度由 1.5m變?yōu)?1.8m。錨桿的材料由靠摩擦力實現(xiàn)全長錨固的管縫式錨桿變?yōu)楦咤^固力的樹脂錨桿。錨桿的支護規(guī)格由 0.8×1.m 變?yōu)?.7×0.7m 提高了錨桿支護形成的組合拱的厚度和強度。隨著礦井向深部區(qū)的轉(zhuǎn)移，礦山壓力的增大，以上支護方式已不能夠滿足巖巷支護的需要。巷道所處的圍巖性質(zhì)發(fā)生變化，圍巖破碎且有構(gòu)造應力的影響，導致錨噴支護巷道變形嚴重，經(jīng)多次翻修也未能阻止部分地段巷道的變形, 但采用錨噴支護U型鋼棚支護的地段支護效果較佳。錨網(wǎng)噴 +U型鋼 + 壁后注漿 + 錨索補強支護方式，通過在不少煤礦井底車場、中央變電所及水倉的成功應用, 為此種支護方式在軟巖巷道中支護提供了范例。此種支護方式充分利用了 " 圍巖不再是純粹的載荷體，而是能夠被利用的承載體 " 的原理，使巷道支護與圍巖相互作用共同承載,通過錨網(wǎng)支護形成并增厚組合，拱壁后注漿，錨索主動支護，使巷道支護與圍巖成為一個整體起到共同承載的作用，提高了巷道的支護效果。 7 軟巖巷道支護技術(shù) 從軟巖的定義和軟巖巷道圍巖的破壞過程可以看出，軟巖具有壓力大、強度低、變形速度快和巷道四周受壓的特點，根據(jù)軟巖的特點，在支護方面不能單純提高支護剛度的方法來提高支護效果，單純提高支護剛度會使巷道支護體系迅速遭到破壞，經(jīng)常造成前掘后翻的局面，再者單一支護方式不能更好的發(fā)揮支護作用。軟巖巷道支護是支護結(jié)構(gòu)和圍巖結(jié)構(gòu)相互調(diào)節(jié)，相互控制的過程，巖層破壞不僅是巖體材料的變形破壞，更主要是整體結(jié)構(gòu)的變形，失穩(wěn)和破壞，因此單一支護形式，如木支架，金屬支架，U型鋼支架等支護形式，都不能有效地滿足軟巖變形特性的要求。還有靠一次成巷很難達到預期目的，采用短掘短砌、立即支護或一次成巷的方法也不適宜，只有采用二次支護及聯(lián)合支護方能取得預期的支護效果。結(jié)合前面所分析的軟巖巷道的變形特點，巷道的支護理論、原理及軟巖巷道對支護的要求各礦主要根據(jù)巷道圍巖強度、壓力方向及圍巖的整體性來選擇巷道斷面形狀和支護形式。在確定巷道斷面時主要考慮圍巖的四周壓力變化情況，在選擇支護形式時要使支護體具有先柔后剛的特點，讓圍巖應力在變形中得到有效釋放以減少對支護體的壓力，并且采取二次支護技術(shù)，進一步提高巷道圍巖的穩(wěn)定性和安全性。在實際過程中，根據(jù)軟巖的條件可選擇以下支護方式。 7.1 錨桿支護技術(shù) 錨桿支護把圍巖視為主動支護體，在軟巖巷道圍巖發(fā)生較大位移變形前施行錨固，使圍巖形成具有較大剛度的整體，充分利用圍巖本身的強度和自承能力，變荷載為承載體，阻止和減少離層進一步發(fā)展。在巷道圍巖上按一定網(wǎng)度布設錨桿形成錨桿群，其作用原理可分為懸吊作用、組合作用、擠壓加固作用。 7.1.1軟巖巷道支護理論 在世界范圍內(nèi), 被廣大科技人員和工程師們接受的關(guān)于錨桿支護理論有懸吊理論、 組合梁理論、 組合拱理論、 最大水平應力理論、 圍巖強度強化理論。這些傳統(tǒng)理論適用于不同的圍巖條件, 得到了廣泛的應用。近年來, 又發(fā)展了巷道圍巖松動圈理論 和基于水平應力的剛性梁理論為煤巷和軟巖巷的錨桿支護提供了理論指導。 1懸吊理論 懸吊理論認為: 錨桿支護的作用就是將巷道頂板較弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層上,以增強較軟弱巖層的穩(wěn)定性。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)南鲁梁头蛛x,以達到支護的目的。巷道淺部圍巖松軟破碎,或者巷道開挖后應力重新分布,頂板出現(xiàn)松動破裂區(qū), 這時錨桿的懸吊作用就是將這部分易冒落巖體懸吊在深部未松動的巖土上, 這是懸吊理論的進一步發(fā)展。 懸吊理論最直觀地揭示了錨桿的支護作用,在分析過程中不考慮圍巖的自承能力,而且將被錨固體與原巖體分開, 與實際情況有一段差距, 因此其不足之處是明顯的。懸吊理論只適用于巷道頂板,不適用于兩幫和底板。如果頂板中沒有堅硬穩(wěn)定巖石或頂板軟弱巖層較厚,圍巖破碎區(qū)范圍較大, 受錨桿長度所限, 無法將錨桿錨固到上面堅硬巖層上,懸吊理論就不適用。 2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)定巖層時,錨桿的懸吊作用居于次要的地位。 如果頂板巖層中存在若干分層,頂板錨桿的作用, 一方面依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力, 防止巖石沿層面滑動,避免各巖層出現(xiàn)高層現(xiàn)象;另一方面,錨桿桿體可增加巖層間的抗剪強度,阻止巖層間的水平錯動,從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖成一個較厚的巖層( 組合梁)。這種組合厚巖層再上覆巖層載荷的作用下, 其最大彎曲應變和應力都將大大減少。 組合梁理論認為錨桿的作用是將頂板巖層鎖緊成較厚巖層。在分析中,將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開, 與實際情況有一定差距, 并且隨著圍巖條件的變化,在頂板破碎、連續(xù)受到破壞時,組合梁也就不存在了。組合梁理論只適于層狀頂板錨桿支護的設計,對于巷道的幫和底不適用。 3組合拱理論 組合拱理論認為:在拱形巷道圍巖的破碎區(qū)中安裝預應力錨桿時,在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力,如果沿巷道周邊布置錨桿群,只要錨桿間距足夠小各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯,就能在巖體中形成一個均勻的壓應帶, 即承壓拱,這個壓縮拱可以承受其上部巖石形成的徑向載荷。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受力, 處于三向壓應力狀態(tài),其圍巖強度得到提高,支撐能力也相應增大,因此錨桿支護的關(guān)鍵在于獲取較大的承壓拱和較高的強度, 其厚度越大,越有利于圍巖的穩(wěn)定和支撐能力的提高。 組合拱理論在一定程度上揭示了錨桿支護的作用機理, 但在分析過程中沒有深入考慮圍巖! 支護的相互作用,只是將支護結(jié)構(gòu)的最大支護力簡單相加, 從而得到復合結(jié)構(gòu)總的最大支護阻力,缺乏對被加固體本身力學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計, 但可作為錨桿加固設計和施工的參考。 4最大水平應力理論 最大水平應力理論由澳大利亞學者W. Jg ale提出。該理論認為, 礦井巖層的水平應力通常大于垂直應力,水平應力具有明顯的方向性,最大水平應力一般為最小水平應力的1. 5~ 2. 5 倍。巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應力的影響, 且有三個特點: ( 1)與最大水平應力平行的巷道受水平應力影響最小,頂?shù)装宸€(wěn)定性最好; ( 2)與最大水平應力呈銳角相交的巷道,其頂?shù)装遄冃纹茐钠蚰骋粠? ( 3)與最大水平應力垂直的巷道,頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。 在最大水平應力作用下, 頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞,出現(xiàn)錯動而膨脹造成圍巖變形,錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直與軸向的巖層剪切錯動,因此必須要求錨桿具備強度大、剛度大、抗剪阻力大,才能起到約束圍巖變形的作用。 5圍巖強度強化理論 隨著錨桿支護理論研究的深入,開始涉及到錨桿支護機理的實質(zhì)性問題,國內(nèi)外學者對經(jīng)錨桿錨固后圍巖巖體力學性能的改善進行了研究,程度不同地探討了錨桿加固后巖石強度、彈性模量 E、內(nèi)聚力 C、和內(nèi)摩擦角等問題,取得了相應的研究成果: ( 1)系統(tǒng)布置錨桿可以可以提高巖體的 E、C并認為錨固體的提高較大, 而提高的幅度不大;( 2)錨桿錨固區(qū)域圍巖具有正交異性,在錨桿沿著試件的軸向,圍巖的彈性模量 E 隨著錨桿密度的增加而增大,圍巖強度的提高主要是內(nèi)摩擦角增加,而C幾乎沒有變化; ( 3)合理的錨桿支護可以有效地改變圍巖的應力狀態(tài)和應力應變特性, 而不同彈性模量的帶錨巖體所表現(xiàn)出來的錨固效果是不同的; ( 4)錨桿的錨固效果與錨桿密度、長度、型式、錨桿材料的抗剪強度和剛度有關(guān),并從不同角度提出了最佳的錨桿布置方案;( 5)錨固的變形破壞符合莫爾! 庫侖準則; ( 6)錨桿支護在力學上等價于對孔硐周圍巖體施加一定量的徑向約束力。 6巷道圍巖松動圈理論 該理論在實踐中,取得了很大成功,目前越來越多的礦山使用該理論進行支護設計。主要內(nèi)容有: ( 1)松動圈因圍巖不同其形狀也不相同。若圍巖是各向同性,且垂直應力和水平應力相等,則為圓形松動圈;若垂直應力和水平應力不相等,則為橢圓形松動圈,且其長軸與主應力方向垂直。若圍巖不是各向同性, 則在巖石強度低的部位將產(chǎn)生較大松動圈。 ( 2)松動圈的形成有一個時間過程,松動圈發(fā)展時間與巷道收斂變形在實踐上一致。 ( 3)支護對象為松動圈內(nèi)圍巖的碎脹變形和巖石的吸水膨脹變形(僅限于膨脹地層)。另外,深部圍巖的部分彈塑性變形、擴容變形和松動圈自重也可能對支護產(chǎn)生壓力。 ( 4)支護的作用是限制圍巖松動圈形成過程的碎脹力造成的有害變形。 根據(jù)松動圈的厚度, 還提出了圍巖分類表,認為當松動圈厚度 L ?150 cm時,為大松動圈,屬于軟巖,其支護機理為組合拱理論。該理論有很大的先進性, 并在重要方面未作假設。 7“剛性梁”理論 該理論是基于巖體中存在的水平應力,由美國的郭頌博士提出的。其主要內(nèi)容有: ( 1)錨桿預應力的大小對頂板的穩(wěn)定性具有決定作用。當預應力達到一定的程度時, 錨桿長度范圍內(nèi)的頂板離層得以控制,建立了剛性梁頂板, 它本身形成一個壓力自撐結(jié)構(gòu)。 ( 2)剛性梁頂板可充分利用水平應力來維護頂板的穩(wěn)定性。水平力的存在,在一定程度上保護著頂板,使其代表頂板巖層處于橫向壓縮狀態(tài)。 ( 3)在剛性梁頂板的條件下,頂板的垂直應力被轉(zhuǎn)移到巷道兩側(cè)煤體縱深, 巷道兩側(cè)的壓力減少。與無預應力錨桿支護的 先護幫,后護頂 的原則相反,該理論主張先護頂,后護幫的原則。在一定的極限范圍內(nèi)頂板的穩(wěn)定性與巷道寬度關(guān)系不大。 以此理論為指導,進行錨桿支護設計,可以極大地增大錨桿排距, 從而降低巷道支護成本,提高巷道掘進速度。而要使巷道頂板 剛性 化的關(guān)鍵是大力提高錨桿安裝時的預應力。 7.1.2巷道錨桿支護機理及錨桿的研制 1錨桿的研制 國內(nèi)外實踐證明了該支護的優(yōu)越性。現(xiàn)在,國內(nèi)正大力推廣錨桿支護,并且也推出了很多型號的錨桿。高強度、 可延伸、 全長錨固是發(fā)展的趨勢。新汶礦業(yè)(集團)公司研制了一種用20 MnSi 鋼制造的新型錨桿, 其強度比Q235 錨桿高40%以上,且全廠等強、 錨固力大、 成本低。郝近海等研制了一種新型幫錨桿! 全長膨脹錨桿,可切割, 價格低,并提出了“錨固墻”理論。近年來,還研制了了兩節(jié)墩頭式組合錨桿,可提供大的預應力。其它新型錨桿還有:( 1)小直徑快硬水泥錨桿, 桿體采用異直徑特殊對接, 加大螺紋直徑, 使桿體具有等強性及可伸性,錨桿端采用彎曲異形結(jié)構(gòu), 搗入式裝藥。操作方便。但水灰比對錨固力影響較大,浸水時間難以掌握, 因此,巷道頂板不易推廣。( 2)新型交叉異形樹脂錨桿,錨固端采用國內(nèi)首創(chuàng)的交叉異性結(jié)構(gòu),是目前推廣使用的一種新型錨桿。( 3)小直徑管縫式錨桿, 用A3鋼制成, 剛度大, 彈性張力大, 能達到或超過大直徑管縫式錨桿的性能;但其加工成本高,對轉(zhuǎn)孔質(zhì)量要求高,適用于控制松軟巖石。( 4)高強度螺紋鋼錨桿,其強度達到澳大利亞SCI公司提出的技術(shù)標準,尾部滾制螺紋, 樹脂卷全長錨桿。( 5)高強度復合竹錨桿,桿體由竹纖維和特種粘合劑在高溫高壓下制成。易被割煤機切割,是煤巷支護的優(yōu)選產(chǎn)品。這些錨桿都具有先進性,有較廣泛的實用性。在工程中,可結(jié)合具體的工程地質(zhì)條件合理地選擇各類錨桿, 積極推廣 三小 錨桿支護技術(shù)。 2錨桿支護的作用機理 巖體經(jīng)錨固后其峰值強度和殘余強度均得到提高。但隨錨桿密度的增加, 錨桿對巖體殘余強度的強化程度大于對峰值的強化程度。安裝錨桿可有效地提高巖體的參數(shù)。在峰值前,錨固體內(nèi)聚力提高較小,而內(nèi)摩擦力增加較大;在峰值后,恰恰相反。而且錨桿的重要作用是改變巖石的支護結(jié)構(gòu), 在困難條件下, 頂板錨桿的主要作用是成拱作用。根據(jù)復合材料力學觀點, 從材料力學的復合行為出發(fā), 錨桿支護可增強頂板的韌性、 強度、 抗疲勞。提出了“壓縮墻”的新觀點,解釋了膨脹錨桿支護的作用機理。在錨桿膨脹應力作用下,整個錨桿得以擠壓加固,表面裂隙閉合,結(jié)力、 內(nèi)摩擦角提高,由摩爾應力圓可知,圍巖抵抗破壞的能力提高,也即提高了圍巖的強度。由于這種錨桿是全長式錨固方式,使錨固范圍內(nèi)的圍巖形成一個強度高于普通巖體的壓縮墻, 該范圍內(nèi)的巖體整體抵抗外部圍巖的應力。同時, 由于兩幫的圍巖度、 黏結(jié)力、 內(nèi)摩擦角的提高使圍巖由不穩(wěn)定邊墻轉(zhuǎn)為穩(wěn)定邊墻, 頂部冒落拱的跨度基本與巷道一致, 巷道趨于穩(wěn)定。對于頂板離層現(xiàn)象, 研究的文獻很多,提出了很多力學模型,但是,適用范圍有限。 3 注漿加固機理 研究表明, 宏觀上沿硐室軸向圍巖裂隙發(fā)育, 張開度較大,漿液滲透性好;漿液注入巖石較大的微孔隙中, 使巖石的宏觀孔隙度下降, 致密程度增加: 漿液同巖石中的某些物質(zhì)成分發(fā)生反應, 改變了巖石的物質(zhì)組成;在巖體結(jié)構(gòu)凝結(jié)后,對結(jié)構(gòu)面進行充填加固,排除了原先存在于結(jié)構(gòu)面空隙中的水分和空氣,改變了巖石中各種物質(zhì)的比例關(guān)系,使破碎巖體重新膠結(jié)成整體, 改善了其力學參數(shù),最終提高了巖體的完整性和抵抗力的作用能力。同時,也改善了工程巖體的物理環(huán)境和錨桿條件。 7.2 錨網(wǎng)噴支護技術(shù) 錨桿、噴射砂漿和金屬網(wǎng)三者組成的支護體與圍巖緊密結(jié)合，共同承載，既充分利用和發(fā)揮了圍巖的自承能力，又在與圍巖共同變形過程中及時提供支護抗力，限制圍巖產(chǎn)生有害變形，從而保持巷道穩(wěn)定。 7.2.1錨網(wǎng)噴支護的主要原理 錨網(wǎng)噴技術(shù)在原有錨桿支護和噴射砂漿支護的基礎(chǔ)上另加一層錨網(wǎng) 將前兩中支護很好地結(jié)合于一體 既充分發(fā)揮錨桿作用 又充分發(fā)揮噴射砂漿的作用 同時噴射砂漿后的錨網(wǎng)使圍巖表面的破碎帶圈整體化 使原有破碎圍巖平整均勻 增加抗彎 抗剪能力 并具有較高柔性和較大的允許變形量。 錨網(wǎng)噴支護突破了傳統(tǒng)舊的支護形式和支護理論 不是被動的對破碎的圍巖施加一定壓力使其不被落下 而是主動地保持圍巖的完整性 穩(wěn)定性 控制圍巖變形 位移及裂隙發(fā)展 充分發(fā)揮圍巖自身的支承作用 即以保為主 以支為輔是加固并保護松動圈 而不是支護松動圈的一種較為合理且適用圍巖相對破碎帶的一種支護形式 錨桿 錨桿支護是錨網(wǎng)噴支護中的支護主體 通過錨桿伸入圍巖內(nèi)部 并與一定范圍內(nèi)的圍巖共同作用來支護巷道 在錨桿擠壓加固的作用下 很好的將 錨桿 圍巖 連接 讓圍巖保持一定穩(wěn)定性 此時圍巖既是外載來源 又是支護結(jié)構(gòu) 能充分發(fā)揮圍巖自承能力 阻止上部圍巖的松動和變形。 噴射砂漿 噴射砂漿支護作用主要體現(xiàn)于 點 加固與防止風化作用 噴射砂漿以較高的速度射入張開的節(jié)理裂隙 產(chǎn)生如同石墻灰縫一樣的凝結(jié)作用 從而提高了巖體的凝結(jié)力和內(nèi)摩擦角直接提高了圍巖的強度改善圍巖應力狀態(tài)作用 一方面可將圍巖表面的凹凸不平處填平 消除因巖面不平引起的應力集中現(xiàn)象 另一方面可是巷道周邊圍巖由單向或雙向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向受力狀態(tài) 提高了圍巖的強度柔性支護結(jié)構(gòu)作用 噴射砂漿的凝結(jié)強度大 能和圍巖緊密地凝結(jié)在一起共同作用 具有一定的柔性 可以和圍巖共同變形產(chǎn)生一定量的徑向位移 在圍巖中形成一定范圍的非彈性區(qū) 使圍巖的自支撐能力得以充分發(fā)揮 與圍巖共同作用 可以使噴層與巖石的粘結(jié)力和抗剪強度足以抵抗圍巖的局部破壞 防止個別危巖活動 滑移或墜落 這樣 不僅能保持圍巖自身穩(wěn)定 并且能與噴層構(gòu)成共同承載結(jié)構(gòu) 金屬網(wǎng) 通過金屬網(wǎng)大大改善了以往點錨桿的支護形式 增加了錨固擠壓的全面積 在錨桿長度相同 密度相同的時候 增大了擠壓加固拱的作用 增強了巷道抵抗破壞的能力 同時金屬網(wǎng)將噴層和巷道壁連接于一起 防止噴層和巷道壁之間脫落 離層 提高了噴層的抗剪 抗拉能力 同時金屬網(wǎng)將錨桿噴射砂漿兩種支護方式有效的相結(jié)合提高了對松散破碎的軟弱巖層的支護強度。 7.3砌碹支護及噴砼技術(shù) 砌碹支護是軟巖支護的傳統(tǒng)方法，利用支護體自身的支護強度來支撐來自圍巖的初期礦山壓力，待平衡后，支護體和圍巖一起抵抗來自圍巖層的壓力。這種支護方法適合于巷道圍巖非常破碎，礦壓較大，采用錨噴支護優(yōu)越性不顯著巷道圍巖很不穩(wěn)定，頂幫巖石易塌落，砼噴不上、粘不牢，錨桿的錨固力明顯下降的含油泥巖、粘土巖及斷層破碎帶。 7.3.1砌碹支護的特點 (1)施工工藝簡單，工人便于掌握。 (2)根據(jù)圍巖情況既可以長段掘砌，又可以短段掘砌。 (3)巷道斷面形狀多樣，有圓形、橢圓形、直墻半圓拱、直墻三心拱、直墻圓弧拱等等?？蓾M足不同地質(zhì)條件對巷道斷面形狀的要求。 (4)初次支護費用比光爆錨噴和拱形可縮性金屬支架低。 (5)對圍巖有較好的封閉性。 (6)缺點是勞動強度大、 施工速度慢。因其屬于剛性支護形式 ,受地壓沖擊時受力不均勻，易開裂、 變形，巷道維護較困難。 7.3.2砌碹支護的適應條件 由于松軟巖層本身具有松、散、軟、弱四種不同屬性，所以，在設計巷道時，必須根據(jù)巖層性質(zhì)、 地壓顯現(xiàn)特點和規(guī)律選擇合理的支護形式。實踐經(jīng)驗表明，在軟巖巷道施工中，適于砌碹支護條件的主要有以下幾種: (1)巷道圍巖非常破碎，礦壓較大，采用錨噴支護優(yōu)越性不顯著。 (2)巷道圍巖很不穩(wěn)定，頂幫巖石極易塌落，混凝土噴不上、 粘不牢、 錨桿的錨固力明顯下降。 (3)巷道大面積淋水或部分涌水處理無效的地段。 (4)服務年限較長的巷道如水倉、絞車房等，以及對巷道斷面尺寸要求較嚴格的峒室。 (5)工程量不大，且又不具備安裝錨噴設備條件的巷道、峒室。 (6)對混凝土強度有破壞性影響的化學腐蝕地段。 (7)服務年限較短(1～5 年)的巷道，如煤層之間的聯(lián)絡巷，采用支棚或錨噴形式都不理想時，也可采用砌碹支護。 7.3.3砌碹支護的一般技術(shù)要求與注意事項 根據(jù)巖石性質(zhì)和支承壓力合理選擇巷道位置。 合理選擇巷道位置是保證砌碹巷道服務年限的重要環(huán)節(jié)之一。首先 ,要根據(jù)巖石性質(zhì),盡量將巷道布置在遇水膨脹量小,較堅硬的巖層中。其次,布置巷道要盡量避開支承壓力有害影響區(qū)。用以上兩種方法有效地避開了支承壓力有害影響區(qū),保證了巷道的服務年限。 根據(jù)巖石性質(zhì)和巷道用途合理選擇巷道斷面形狀和斷面尺寸。 巷道斷面形狀和斷面尺寸合理與否,直接影響著煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益的提高。因此,巷道設計基本原則是:在滿足安全與技術(shù)要求的前提下,力求提高斷面利用率,縮小斷面、降低造價。 在軟巖地層中設計巷道,采用砌碹支護時,其形狀多采用圓形。這是因為軟巖層頂壓、 側(cè)壓很大,底鼓較嚴重,而圓形碹體受力均勻,抗壓強度高,能較好地抵抗來自各個方向的壓力,相對于其它形狀巷道變形較小。在實踐中,根據(jù)不同的巖石性質(zhì)和用途,也可采用橢圓形或直墻半圓拱加反底拱的支護形式。 總之,選擇巷道的斷面形狀 ,必須綜合考慮①巷道圍巖的性質(zhì)、地壓的大小和方向; ②巷道的服務年限、用途及巷道所在的層位;③巷道支護方式和支護材料這三大基本因素。通常是根據(jù)前兩個因素決定支護方式和支護材料。然后,再根據(jù)有關(guān)規(guī)定和原則,便可確定巷道的斷面形狀。巷道斷面尺寸取決于巷道的用途,在軟巖地層,需要二次支護的巷道還要考慮初次支護的斷面要稍大一些,以便二次支護后,巷道仍能滿足生產(chǎn)的需要。 支護材料與支護厚度的選擇 支護材料主要有毛料石、水泥砌塊、磚、砂子,水泥或白灰。根據(jù)龍口礦區(qū)軟巖地層的特點和實踐經(jīng)驗,采用當?shù)禺a(chǎn)的花崗巖料石,巷道的壁厚350mm～450mm為宜。 砌碹支護應注意的幾個問題 “剛?cè)峤Y(jié)合”和“先柔后剛” 砌碹支護屬剛性支護,當?shù)貕哼^大時,碹體很容易被壓碎,崩落,影響安全生產(chǎn)。因此，一些礦井正在探索用“剛?cè)峤Y(jié)合,先柔后剛”的支護方式來克服各種壓力的不良影響。如龍口市洼東煤礦采用碹體水平縫隙加墊木楔的方法,使碹體的抗壓能力有了顯著提高。 加強對圍巖的封閉 砌碹巷道受到破壞,巷道封閉不嚴是重要因素之一。在碹體與圍巖間預留間隙，并用砼、砂或碎矸石等填實，形成碹體均勻受壓的緩沖層，在保證巷道有一定的可縮性情況下，盡量提高巷道整體承載能力。 壁后充填要飽滿 對于壁后較大的空隙,要用矸石充填飽滿,防止因碹體受力不均勻,造成巷道變形甚至失穩(wěn)。 重視打眼 爆破工作 打眼、爆破工作的好壞,對砌碹巷道的質(zhì)量、進度等都有較大的影響。一是炮眼布置要符合規(guī)定,防止爆破過程中打壞碹體,二是裝藥量要適當,防止對巷道圍巖的強烈震動。 7.4 U型鋼可縮性支架壁后充填層技術(shù) U型鋼可縮性支架是廣泛應用于煤礦巖巷的一種被動支護，其最大優(yōu)點是當圍巖作用于支架上的壓力達到一定值時，支架便產(chǎn)生屈服縮動，縮動的結(jié)果使圍巖作用于支架上的壓力下降，從而避免了圍巖的壓力大于支架的承載力而導致支架的破壞，保證了巷道的正常使用。 但是由于施工技術(shù)、巖性條件等的限制，任何剛開挖出來的巷道周邊都是凹凸不平的，與光滑的 U 型鋼支架出現(xiàn)點接觸現(xiàn)象，引起支架的受力不均勻，造成支架在復雜力系作用下工作，出現(xiàn)應力集中導致支架局部屈服從而影響整個支架的性能。根據(jù)國內(nèi)外的試驗結(jié)果和使用經(jīng)驗表明，U型鋼可縮性支架壁后充填技術(shù)可以使支架均勻受力，有效地發(fā)揮支架的性能，在壁后密實充填的情況下，U 型鋼支架的承載能力可比不進行壁后充填時提高2.5～3倍。因為將一定厚度的膠結(jié)硬化材料進行壁后充填，可使支架與圍巖緊密接觸，保證支架能及時承載和均勻承載。當圍巖來壓后通過充填層的壓縮變形產(chǎn)生讓壓作用，提高圍巖的自承載能力，控制圍巖的變形。實施壁后充填后，巷道圍巖與支架相互作用體系從無壁后充填情況下的“支架-圍巖”作用體系變成了“支架-充填層 - 圍巖”三位一體的作用體系。 U型鋼支架壁后充填采用砼噴射機直接噴射充填，不但充填密實、效果好，而且施工工藝簡單、技術(shù)要領(lǐng)容易掌握，大大降低了工人的勞動強度，加快掘進速度。該支護方法主要適用于強膨脹巖層及斷層破碎帶。 7.5離壁支護技術(shù) 所謂的離壁支護是指在料石碹或U型支架與巷道毛斷面之間留有一定的間隙，且不進行壁后充填的一種打破常規(guī)的特殊支護形式。常規(guī)的料石碹或U型支架人工壁后充填，不僅工人的勞動強度大、工藝復雜、工作效率低，而且充填不勻稱，造成充填物受力不均勻，在多數(shù)情況下是以“點”或“局部”形式傳遞壓力，使碹體產(chǎn)生局部破壞。同時，圍巖施加于支護體的壓力具有一個峰值，峰值過后壓力減小，然后穩(wěn)定下來，穩(wěn)定下來的載荷為圍巖松動圈內(nèi)巖石重量，而常規(guī)支架壁后充填支護在峰值到達之前完成，從而使得支架和充填物經(jīng)受峰值壓力的作用，容易破壞。巷道掘進以后，打破了巖體的原始平衡狀態(tài)，產(chǎn)生次生應力場。為達到新的平衡，圍巖就要產(chǎn)生變形、破壞和冒落，壁后間隙就起到了釋放應力的讓壓作用。假如壁后間隙的尺寸預留的合理，最終能導致巷道自然冒落，形成一定的冒落拱體，在其形成的過程中，拱內(nèi)的應力得到了卸載(冒落的巖石重量由支架來支承)，拱外的壓力轉(zhuǎn)移到拱壁，大大減弱了支架上的壓力，最大限度地發(fā)揮了巖石自身支承能力。同時，自然冒落拱的形成過程完成了壁后自然填充，而且離壁支架基本上是在巷道壓力達到高峰值后才承受壓力，故可充分發(fā)揮圍巖的自承能力。 該技術(shù)構(gòu)成一個“先柔后剛”的支護結(jié)構(gòu)，具有支護效果好、施工安全、速度快、效率高、成本低和維護簡單等優(yōu)點。建議淺部開采礦山在無地質(zhì)構(gòu)造影響、無采動影響和無膨脹性的軟巖中推廣使用。 7.6二次耦合支護技術(shù) 一般情況下，軟巖巷道具有初期變形速度快、變形量大、蠕變延續(xù)時間長等特點，因而巷道開挖后表現(xiàn)為來壓快、壓力大、巷道一次支護成功率低。根據(jù)支架與圍巖共同作用原理，軟巖巷道的圍巖控制技術(shù)可采用具有一定變形量的柔性支護，并進行二次支護。一次柔性支護讓壓，圍巖體受力達到較低變形速率下的力學平衡，充分發(fā)揮圍巖承載力；大剛度二次支護，減少巷道巖體偏應力，使巷道圍巖切向應力相對降低，徑向應力相對升高，促進圍巖應力向穩(wěn)定應力狀態(tài)轉(zhuǎn)化。 7.6.1剛?cè)狁詈隙沃ёo技術(shù) 一次支護主要是加固圍巖,提高其自支承能力,保證巷道在安全的條件下允許圍巖在控制下釋壓變形,以適應軟巖的變形力學性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上,為保證巷道的長期穩(wěn)定和服務期間的安全,在圍巖變形穩(wěn)定后適時進行二次支護,使一、二次支護共同支承圍巖應力,給巷道圍巖提供最終支護強度和剛度,同時還要起到安全儲備作用。 7.6.2剛?cè)狁詈现ёo技術(shù) 剛?cè)狁詈隙沃ёo技術(shù)就是根據(jù)位移反分析原理,確定支護系統(tǒng)二次支護的最佳支護時間,最大限度的發(fā)揮圍巖自承能力,從而使支護體對圍巖的支護力降到最小。剛?cè)狁詈现ёo技術(shù)具體實施過程為:巷道開挖后,首先對圍巖用全螺紋等強錨桿進行一次支護,通過巷道頂?shù)装?、兩幫移近量以及錨桿托盤應力的監(jiān)測,確定最佳支護時間,對巷道圍巖用高預緊力強力錨桿進行二次支護,使圍巖和支護體達到耦合支護力學狀態(tài)。 7.6.3剛?cè)狁詈现ёo的特點 ( 1)最大限度利用圍巖自承能力。 ( 2)利用螺紋鋼錨桿柔性特征,充分轉(zhuǎn)化圍巖中的膨脹性塑性能。 ( 3)充分利用高強高預應力錨桿支護特性,發(fā)揮支護能力強的優(yōu)勢,為系統(tǒng)提供支護強度和剛度。 ( 4)適時支護,主動促穩(wěn)而不是被動等穩(wěn)。 ( 5)圍巖和支護體實現(xiàn)了優(yōu)化組合,從而使支護系統(tǒng)達到耦合的最佳支護狀態(tài)。 7.6.4剛?cè)狁詈隙沃ёo的關(guān)鍵 剛?cè)狁詈隙沃ёo成功的關(guān)鍵是確定最佳二次支護時間。 7.6.5二次支護方式及的適應條件 柔性支護可采用錨桿支護、錨注支護及錨桿與金屬網(wǎng)等聯(lián)合支護方式；大剛度支護可采用料石碹或U型支架等支護方式。該方式適用于深部松軟破碎，具有高應力、低強度、膨脹性、流變性的軟巖巷道的支護。 7.7兩幫煤體注漿加固技術(shù) 注漿加固可顯著提高巷道圍巖強度。 極軟煤層巷道掘進以后，淺部圍巖在支承壓力作用下，產(chǎn)生破裂區(qū)和塑性區(qū)，以極小的殘余強度參與圍巖穩(wěn)定過程，而通過注入高水速凝材料充填破碎圍巖的裂隙，加上注漿材料的粘結(jié)作用，可顯著提高固結(jié)體的強度和剛度，圍巖的破壞由原來強度較低的弱面、裂隙控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓮姸容^高的固結(jié)體控制。運用高水速凝材料對巷道兩幫塑性區(qū)、破裂區(qū)煤層注漿加固，加固圈厚度可達 2.0~3.0 m，固結(jié)體強度達 2~3 MPa，顯著提高了破裂區(qū)、塑性區(qū)煤體的殘余強度，保持兩幫穩(wěn)定。兩幫煤體注漿加固后不但提高了煤體強度，而且提高了煤體與樹脂錨固劑之間的粘結(jié)力、加長了錨桿的錨固長度，提高錨桿錨固力。極軟煤體注漿加固后錨桿錨固力一般可提高 10 kN以上。 結(jié)語 軟巖巷道支護問題是很復雜的,不能不分時間、不分地點、不分圍巖、不分深淺一樣看待,必須全面、系統(tǒng)地從多方面改善支護狀況。軟巖巷道由于其巖石的特殊性而對巷道施工和維護造成了很大影響。但只要正確理解和應用軟巖支護理論，把軟巖巷道支護技術(shù)大膽地應用到實踐中去，軟巖巷道支護的技術(shù)難題還是能夠給予充分解決的。軟巖巷道支護是一個復雜而又細致的工作，要根據(jù)軟巖特性合理的選擇軟巖支護技技術(shù)。 參考文獻 [1] 何滿潮，鄒正盛，鄒友峰．軟巖巷道工程概論[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1993． [2] 邱朝輝． 軟巖巷道支護設計[J]． 煤炭技術(shù)， 2009， 28 （9） . 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