地下工程課程設(shè)計

1、土木建筑學(xué)院課 程 設(shè) 計 說 明 書課程名稱： 地 下 工 程 設(shè)計題目： 新河煤礦-760m暗斜井碎脹軟巖支護(hù)設(shè)計 專業(yè)(方向)： 土木工程（巖土工程）班級： 06 設(shè) 計 人： 王文遠(yuǎn) 指導(dǎo)教師： 喬衛(wèi)國 山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院09年 07 月 17 日課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)（方向）： 巖土工程 班級： 土木06-1 學(xué) 生 姓 名： 王文遠(yuǎn) 學(xué)號： 200601020326 一、 課程設(shè)計題目：新河煤礦-760m暗斜井碎脹軟巖支護(hù)設(shè)計 二、 原始資料： 1、新河煤礦-760m暗斜井工程概況 2、地質(zhì)條件 3、巷道破壞狀況 三、 設(shè)計應(yīng)解決下列主要問題： 1、巷道破壞機理分析 2、支護(hù)方案

2、選擇 3、支護(hù)參數(shù)設(shè)計 四、 設(shè)計圖紙： 1、巷道支護(hù)設(shè)計斷面圖 五、命題發(fā)出日期： 09.7.6 設(shè)計應(yīng)完成日期： 09.7.17 設(shè)計指導(dǎo)人（簽章）： 系 主 任（簽章）： 日期： 年 月 日指導(dǎo)教師對課程設(shè)計評語 指導(dǎo)教師（簽章）： 系 主 任（簽章）： 日期： 年 月 日課 程 設(shè) 計 說 明 書（題目一）1 原始條件1.1 暗斜井工程概況新河煤礦-760水平暗斜井是由濟南煤礦設(shè)計院設(shè)計。其中回風(fēng)暗斜井全長851.83m，傾角250；軌道暗斜井全長960m，傾角220；膠帶暗斜井全長996m，傾角210；-760m水平三條暗斜井設(shè)計斷面均為直墻半圓拱形，支護(hù)方式為錨帶網(wǎng)，其中錨桿直徑為

3、18mm、長為2m的等強金屬螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，金屬網(wǎng)為直徑4.5mm、網(wǎng)孔100mm×100mm的冷拔絲焊結(jié)而成。 新河礦暗斜井?dāng)嗝鎴D三條暗斜井均于2005年2月16日前后破土動工，現(xiàn)已掘進(jìn)300m左右。其中回風(fēng)和軌道暗斜井破壞最為嚴(yán)重，后經(jīng)修復(fù)之后，目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。1.2 地質(zhì)條件-760m水平三條暗斜井均位于坡劉莊保護(hù)煤柱內(nèi)，其中向北鄰近一采區(qū)，向東北鄰近工業(yè)廣場保護(hù)煤柱，當(dāng)三條暗斜井即回風(fēng)暗斜井、軌道暗斜井及膠帶暗斜分別到達(dá)大約-430、-456和-512水平時，將穿越嘉祥支三大斷層，該斷層傾角300，落差在120m600m之間，預(yù)

4、計斷層附近斷裂構(gòu)造將較為發(fā)育，也有可能伴生其它構(gòu)造，另外，由于對嘉祥支三大斷層勘探資料較少，對斷層的賦水性、導(dǎo)水性、斷層帶的寬度、充填狀況、膠結(jié)程度等還有待于進(jìn)一步查明，或者當(dāng)工程快接近該斷層時，用打超前鉆孔的辦法詳細(xì)查明斷層的賦存狀況，以便為采取有針對性的措施提前作好準(zhǔn)備。總之，-760m水平三條暗斜井將絕大部分在3煤頂板巖層中掘進(jìn)，預(yù)計到達(dá)-750m水平左右時可能穿過3煤并進(jìn)入底板巖層中。1.3圍巖狀況分析-760m水平三條暗斜井所穿越的巖層從下往上為細(xì)砂巖、3煤、粉砂巖、中砂巖、泥巖、細(xì)砂巖、泥巖等等，而目前掘進(jìn)實際揭露的頂?shù)装寮皣鷰r卻為泥質(zhì)軟巖，平均堅固性系數(shù)在3左右，其特征是易吸濕、

5、易膨脹、易解體、易剝落以及塑性流變性能大等特征，這是泥巖類中屬于質(zhì)量最差、最難控制的一類泥質(zhì)軟巖。根據(jù)現(xiàn)場實際觀測、巖樣初步實驗及數(shù)碼照片的仔細(xì)研究，得出了兩點初步結(jié)論:（1）三條暗斜井目前已揭露的圍巖屬于標(biāo)準(zhǔn)的不良地層，其特點是：易吸濕、易膨脹、易解體、易剝落以及塑性流變大等特點，對該類圍巖有效控制變形難。（2）三條暗斜井的圍巖經(jīng)過定量的劃分，屬于類圍巖，該類圍巖的力學(xué)特點是：不穩(wěn)定、無自穩(wěn)能力或自穩(wěn)時間很短；其破壞方式為：易冒頂、易片幫、易底臌、并隨時間的延續(xù)會發(fā)生較大的塑性流變變形。1.4 圍巖破壞狀況-760m水平三條暗斜井幾乎是平行掘進(jìn)，各條掘進(jìn)進(jìn)尺大約都在300m左右，比較這三條暗

6、斜井圍巖破壞狀況可以發(fā)現(xiàn)，膠帶暗斜井圍巖破壞狀況稍輕，回風(fēng)暗斜井和軌道暗斜井破壞狀況卻極為嚴(yán)重，后經(jīng)修復(fù)加固之后，目前仍處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。目前暗斜井的破壞狀況如圖1圖4所示。圖1 760m水平回風(fēng)暗斜井距掘進(jìn)工作面5m處頂板破壞狀況圖2 760m水平回風(fēng)暗斜井掘進(jìn)工作面泥巖結(jié)構(gòu)狀況圖3 760m水平回風(fēng)暗斜井右?guī)蛧鷰r破壞狀況圖4 760m水平回風(fēng)暗斜井底臌及側(cè)幫破壞狀況根據(jù)現(xiàn)場的實際考察和對圖14的分析研究，暗斜井圍巖的破壞狀況具有以下特點：（1）爆破后，若支護(hù)不及時，頂板巖層便發(fā)生大面積的冒落，其冒落高度還有待于進(jìn)一步觀測。圖23為頂板巖層在及時支護(hù)的情況下，在不到幾天的時間里，頂板便發(fā)生了

7、嚴(yán)重變形，下沉量達(dá)半米之多，同時還出現(xiàn)了噴層剝落及鋼筋裸露等現(xiàn)象，并伴有35cm寬的頂板斷裂縫隙，斷縫深度有待測試。（2）兩幫變形也極為嚴(yán)重，在沒有及時支護(hù)的情況下，將出現(xiàn)大面積的塌落或滑塌。圖4為及時支護(hù)之后兩幫的變形和破壞情況，雖然沒有出現(xiàn)大面積的整體滑塌現(xiàn)象，但卻出現(xiàn)了向臨空間的整體移動，使得兩幫的相對移近量近一米，這樣已嚴(yán)重影響了行人安全和設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。（3）底板變形破壞極為嚴(yán)重，即底臌量大，截止到目前為止，底板累計底臌量已達(dá)近一米，出現(xiàn)了道軌扭曲，行人臺階松動變位等現(xiàn)象。圖5為最近臥底之后在不到幾天的時間里所表現(xiàn)出現(xiàn)的破壞狀況，可見底板變形仍處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，并隨著時間的延續(xù)還在繼

8、續(xù)發(fā)展，其性質(zhì)具有塑性流變性?？傊?，-760m水平暗斜井無論是頂板、底板、還是兩幫其礦壓顯現(xiàn)都極為嚴(yán)重，這種礦壓顯現(xiàn)將不同于一般的礦壓顯現(xiàn)，它還具有隨著時間的延續(xù)而表現(xiàn)出來的塑性流變性。所以，針對這種特殊性質(zhì)的礦壓顯現(xiàn)，必須采取一種特種支護(hù)體系，才能長期而有效的控制住暗斜井變形破壞。2 巷道破壞機理分析2.1巖體自身屬性 211軟弱破碎圍巖的定義和力學(xué)屬性 對于軟弱圍巖，一般來說通?？梢苑譃榈刭|(zhì)軟巖和工程軟巖，地質(zhì)軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層；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。地質(zhì)軟巖強調(diào)了軟

9、、弱、松、散的地質(zhì)特點，而工程軟巖強調(diào)軟巖強度和工程力荷載的對立統(tǒng)一，揭示了軟巖的相對實質(zhì)，即取決于工程力和巖體強度的相互關(guān)系。根據(jù)原始地應(yīng)力條件的分析，新河煤礦地區(qū)的巖體其特征是易吸濕、易膨脹、易解體、易剝落以及塑性流變性能大等特征，這是泥巖類質(zhì)量最差、最難控制應(yīng)該屬于地質(zhì)軟巖、V類圍巖、塑性圍巖。2.1.2圍巖變形破壞特征 （1）變形破壞方式多 變形破壞方式一般有頂?shù)装逑鲁?、坍塌、片幫和底鼓等，圍巖表現(xiàn)出強的整體收斂和破壞，變形破壞方式既有結(jié)構(gòu)面控制型，又有應(yīng)力控制型，以應(yīng)力控制型為主。（2）變形量大 拱頂下沉大于10cm，不到幾天的時間下沉量達(dá)到0.5米，兩幫擠入2080cm，相對移近量

10、近一米，底鼓強烈累計底鼓量已達(dá)近一米。（3）變形速度高 軟弱破碎圍巖初期收斂速度快，在使用施工常規(guī)的噴錨支護(hù)以后，圍巖的收斂速度仍然很快，而且其變形收斂速度降低緩慢。（4）持續(xù)時間長 由于軟弱破碎圍巖具有強烈的流變性和低強度，巷道掘進(jìn)后，圍巖的應(yīng)力重分布持續(xù)時間長，圍巖變形破壞持續(xù)時間很長。（5）圍巖破壞范圍大 由于軟弱破碎圍巖的強度與地應(yīng)力的比值很小，因而圍巖的破壞范圍大，特別是當(dāng)支護(hù)不及時或支護(hù)不及時。（6）變形破壞位置不一 在巷道周邊不同部位，變形破壞程度不同，這反映了軟弱破碎圍巖所處的地應(yīng)力的強度因方向而異，而且?guī)r體具有強烈的各向異性。變形破壞在方向上的差異性往往導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，

11、在支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生巨大的彎矩，這對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是非常不利的。（7）來壓快 軟弱破碎圍巖變形收斂速度高，在很短時間內(nèi)，圍巖即與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸，產(chǎn)生壓力。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用后，圍巖變形破壞并不立即停止，而是繼續(xù)下去，這是因為圍巖具有流變性，在圍巖流變過程中，圍巖的強度降低，因此，地壓隨時間而逐步增長。2.2圍巖變形、破壞的影響因素影響巷道圍巖變形的因素很多，總體分為地質(zhì)因素和非地質(zhì)因素兩種類型。地質(zhì)因素是影響圍巖變形和穩(wěn)定的基本的決定性因素，主要包括巷道埋深、圍巖強度、地下水、巖體結(jié)構(gòu)及裂隙分布、圍巖地應(yīng)力、巖層傾角、特殊地質(zhì)條件和時間的影響等。非地質(zhì)因素是通過地質(zhì)因素作用而起作用的，主要包括：巷

12、道斷面、巷道布置、巷道爆破方式、支護(hù)設(shè)計不合理的影響。2.2.1地質(zhì)因素的影響（1）巷道埋深 巷道埋深是確定巷道圍巖穩(wěn)定性的基本因素之一，直接決定自重應(yīng)力的大小。當(dāng)巷道圍巖處于彈性狀態(tài)時，圍巖變形量不大，圍巖變形量與自重應(yīng)力即巷道埋深成線性關(guān)系。隨著礦井開采深度的加大，巖體強度明顯降低，圍巖移近量將不斷增加。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，致使巷道變形加劇，巷道周邊塑性區(qū)范圍擴大，從而使巷道塑性區(qū)范圍內(nèi)巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角迅速下降，引起巷道失穩(wěn)。此外，巷道埋藏深度增加，使地溫升高。而溫度升高會促使巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)化，也容易使巷道圍巖產(chǎn)生塑性變形。因此，巷道維護(hù)更加困難。

13、（2）圍巖強度 巖石塊體自身質(zhì)量的好壞表現(xiàn)在它的強度、變形和均一性方面，其中強度是最主要的，所以圍巖強度是決定巷道變形與破壞的主要因素。存在軟弱巖石或膨脹性巖石的巷道，不僅變形與破壞的速度加快，而且變形與破壞的形式也趨于多元化。統(tǒng)計資料表明，在500m水平以下，軟巖巷道的破壞率占56%，而在所有變形破壞巷道中，軟巖巷道占84%。 （3）地下水 地下水對軟弱破碎圍巖穩(wěn)定變形的影響分為四個方面：一是對透水圍巖來講，洞室開挖形成的臨空面成為地下水的排泄通道，在洞周圍產(chǎn)生滲壓梯度，在圍巖中產(chǎn)生指向洞內(nèi)的推動力。二是由于靜水壓力作用，飽和水部分巖體中有效壓應(yīng)力減小，其應(yīng)力狀態(tài)趨于惡化，其抗剪強度減小。三

14、是圍巖內(nèi)的水降低了結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)和粘聚力。四是地下水溶解、搬運礦物顆粒或同礦物成分發(fā)生化學(xué)作用，使圍巖強度進(jìn)一步惡化。（4）圍巖地應(yīng)力 地應(yīng)力主要有自重應(yīng)力和構(gòu)造運動產(chǎn)生的或者殘留的應(yīng)力兩種，其對巷道的穩(wěn)定主要看最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值；主應(yīng)力大小、方向；各主應(yīng)力構(gòu)成特征如何、以及主應(yīng)力與工程相對方位，與巖層主要節(jié)理的夾角而定。在軟弱破碎圍巖中應(yīng)力重分布后會產(chǎn)生較大的塑性區(qū)及松動區(qū)，引起圍巖隨時間而增大的大變形和擠壓破壞。在洞頂表現(xiàn)為塌落，在側(cè)幫產(chǎn)生擠壓和片幫破壞，在底板產(chǎn)生底鼓等。（5）特殊地質(zhì)條件 當(dāng)巷道穿過斷層破碎帶、強風(fēng)化帶、巖溶地區(qū)時，巷道圍巖變形大，穩(wěn)定性差而難以維護(hù)，在這種地

15、質(zhì)條件下，往往地下水活動強烈，有強烈的地壓現(xiàn)象，圍巖屬松軟破碎的散體結(jié)構(gòu)。一般來講，強烈擠壓的斷層破碎帶，緊密褶皺帶和較寬的張性斷裂以及幾條斷層交會的地帶，是工程不良地質(zhì)地段。（6）時間的影響 軟弱破碎圍巖變形和失穩(wěn)破壞往往是經(jīng)過一段時間后開始顯現(xiàn)，這主要是由于圍巖流變性質(zhì)決定，即圍巖的蠕變和松弛現(xiàn)象。另外時間的增長加劇了圍巖的弱化過程，使圍巖變形增加、塑性或松動區(qū)擴大。2.2.2非地質(zhì)因素的影響（1）巷道斷面 巷道斷面的大小與巷道圍巖變形量有密切關(guān)系。即巷道寬度增加，頂?shù)装逡平吭黾?；巷道高度增加，兩幫移近量也增加。?）巷道布置 巷道布置于采動影響帶，受采動影響，巷道變形明顯加快。而巷道受

16、初次采動影響產(chǎn)生的變形又明顯比受二次采動產(chǎn)生的變形大。（3）巷道爆破方式 采用鉆眼爆破破巖，爆轟波對圍巖具有一定的破壞作用。尤其對軟巖，放炮產(chǎn)生的爆轟波，可使圍巖產(chǎn)生11.5m的松動圈。直接破壞了圍巖的整體結(jié)構(gòu)，降低了圍巖的強度。（4）施工因素1）爆破掘進(jìn)中的錯誤操作由于管理上的原因及操作素質(zhì)問題，“多打眼少裝藥原則”沒有得到規(guī)范實施，并且由于缺少準(zhǔn)確實驗數(shù)據(jù)，以致措施中的爆破圖表難以在現(xiàn)場實施。結(jié)果巷道圍巖破壞，圍巖自身的承載能力大大降低；同時巷道成形凸凹不平，使巷道支護(hù)力遠(yuǎn)低于設(shè)計值，在這種情況下，巷道凸起的地方就會首先被破壞。2）工序的錯誤先打錨桿掛網(wǎng)、后噴漿、再注漿是普遍做法，施工方便

17、，然而這種做法極不合理。第一是圍巖風(fēng)化破碎，使圍巖自身的承載能力降低；第二是打錨桿時，圍巖容易片落，使托盤、網(wǎng)不貼巖面，托盤對圍巖沒有緊固力，使錨桿初期支護(hù)作用大打折扣，圍巖初期變形加大，錨噴支護(hù)體系有效支護(hù)期縮短；第三是軟巖極易風(fēng)化，如果噴漿時間太晚，外層圍巖己經(jīng)破碎剝落，圍巖破壞向里層層傳遞，最終使錨桿隨巖體一起移動，失去錨固作用。3）噴層厚度不均局部的噴層太薄，支護(hù)必然最薄弱，首先遭到破壞，才導(dǎo)致支護(hù)的最終失效，從而使巷道失修。4）錨桿角偏度小 錨桿打的角度太小，造成錨桿有效錨固長度減小，同時如果錨桿角度太小，則上托盤時錨桿產(chǎn)生剪力：如果錨固力越大，則剪力越大，最終錨桿被剪斷，從而使巷道

18、破壞失修。5）偷工減料，不按要求施工主要表現(xiàn)為兩個方面：一是錨桿間距過大，噴層厚度不足，造成支護(hù)能力達(dá)不到設(shè)計要求；二是以次充好，或減少水泥配比，或配料攪拌不均勻，使噴層的剛度及柔韌度受到不同程度的減弱，不但支護(hù)體不能承受設(shè)計要求的載荷，而且也不能承受設(shè)計所要求的變形量，致使巷道過早地遭到破壞。（5）支護(hù)設(shè)計不合理1）以錨、噴、帶聯(lián)合支護(hù)中的鋼帶為例，通常的設(shè)計往往起到相反作用當(dāng)巷道拱頂處采用鋼帶，拱頂下沉?xí)r，如果兩錨桿間距縮小，鋼帶不是受拉力，而是受壓彎曲，并將外圍噴層破壞；當(dāng)巷道平頂采用鋼帶，拱頂下沉?xí)r，鋼帶受到張拉，但兩條鋼帶在錨桿連接處對將連接錨桿剪斷，造成此處支護(hù)體的破壞。2）輕視底

19、板支護(hù) 由于底板無支護(hù)，使壓力沿底板釋放，底朦嚴(yán)重并使兩幫底角向內(nèi)空收斂，造成兩幫的破壞失修。2.3支護(hù)結(jié)構(gòu)按現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論，錨桿支護(hù)作用主要有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論、構(gòu)造應(yīng)力作用理論、提高圍巖強度理論等。2.3.1懸吊理論懸吊理論認(rèn)為:錨桿支護(hù)的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以增強較軟弱巖層的穩(wěn)定性。這種支護(hù)理論應(yīng)用比較廣泛，但存在以下明顯缺陷（1）錨桿受力只有當(dāng)松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下等于破碎巖層的重量，而這種條件在巷道中并不多見。（2）沒有考慮錨桿安設(shè)后對破碎巖層變形和離層的控制作用。特別是當(dāng)水平應(yīng)力比較大時，頂板離層很大。為了減小破

20、碎巖層的離層，保持頂板的穩(wěn)定性，錨桿工作阻力必須增大。（3）當(dāng)錨桿穿過破碎巖層時，錨桿提供的徑向和切向約束會不同程度的提高破碎巖層的整體強度，使其具有一定的承載能力，從而減小錨桿受力?？傊?，懸吊理論在分析過程中不考慮圍巖的自承能力，而是將錨固體與原巖體分開，與實際情況有一定差距.懸吊理論只適用于巷道頂板，不適用于巷道幫、底，支護(hù)強度低。經(jīng)過大量的現(xiàn)場松動圈測試及其與巷道支護(hù)難易程度相關(guān)關(guān)系的調(diào)查之后，結(jié)合錨噴支護(hù)機理，依松動圈的大小將圍巖分為小松動圈(00.4m)、中松動圈(0.41.5m和大松動圈(>1.5m)三大類六個小類(見表2-2所示)。2.3.2組合梁理論組合梁理論認(rèn)為:如果頂

21、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，防止巖石沿層面滑動，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，防止巖層間的水平錯動，從而將巷道頂板的錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層(組合梁)(見圖4.1)。組合梁理論充分考慮了錨桿對離層及滑動的約束作用，原理上對錨桿作用分析的比較全面，但它存在以下缺陷：（1）組合梁有效厚度很難確定。它涉及到影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒有辦法可比較可靠的估計有效組合的厚度。（2）沒有考慮水平應(yīng)力對組合梁強度、穩(wěn)定性及錨桿荷載的作用。在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂板破壞失穩(wěn)的主要原因。

22、3 支護(hù)設(shè)計3.1錨注支護(hù)機理在錨噴支護(hù)基礎(chǔ)上或在原金屬支架、砌譴支護(hù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行壁后注漿，可以增強支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，既具有錨噴支護(hù)的柔性與讓壓作用，又具有金屬支架和砌譴等支護(hù)方式的剛性支架的作用，組成聯(lián)合支護(hù)體系，共同維持巷道的穩(wěn)定性。3.1.1其支護(hù)機理包括以下幾個方面（1）采用注漿錨桿注漿，可以利用漿液封：堵圍巖的裂隙，隔絕空氣，防止圍巖風(fēng)化，能有效防止圍巖被水浸濕而降低圍巖本身的強度；（2）注漿后將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量，從而提高了巖體強度，可以實現(xiàn)利用圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分；（3）注漿后使得噴層壁后充填密

23、實，這樣保證荷載能均勻地作用在噴層和支架上，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點而首先破壞；（4）利用注漿錨桿注漿充填圍巖裂隙，配合錨噴支護(hù)，可以形成一個多層有效組合拱，形成的多層組合拱結(jié)構(gòu)擴大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，如圖3.1、3.2所示；噴層組合拱厚度由噴層()和巖石拱()組成，即： （3.1） （3.2）式中，噴層彈性模量 圍巖彈性模量巖石均勻壓縮帶厚度 （3.3）一般錨桿的間排距是相等的，即a=b，且對于破裂體來說錨桿的控制角可按計算，偏于安全，則： （3.4）式中，錨桿間排距；錨桿的有效長度；錨桿在松散體中的控制角。巖石均勻壓縮帶與噴層組合拱之間的距離可按下式計算：

24、 （3.5）所以由錨噴支護(hù)形成的組合拱厚度為 （3.6）利用注漿錨桿注漿支護(hù)后，組合拱厚度為 （3.7）式中，錨注加固拱厚度，一般取決于漿液的擴散半徑和注漿錨桿的長度及孔深。（5）注漿后使得作用在拱頂?shù)膲毫δ苡行У膫鬟f到兩墻，通過對兩墻的加固，又能把荷載傳遞到底板。由于組合拱厚度的加大，不僅減小作用在底板上的荷載集中度而且也減小了底板巖石中的應(yīng)力，減弱底板的塑性變形，減少底朦量。底板的穩(wěn)定，有助于兩墻的穩(wěn)定，在底板、兩墻穩(wěn)定的情況下又能保持拱頂?shù)姆€(wěn)定；頂板的穩(wěn)定不僅僅取決于頂板荷載，在非破壞帶中關(guān)鍵取決于底板和兩墻的穩(wěn)定，因此錨注技術(shù)支護(hù)的重點就是保證底板和兩墻的穩(wěn)定，從而保證整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)

25、定。（6）注漿錨桿本身為全長錨固的錨桿，通過注漿也使端錨的普通錨桿變成全長錨固錨桿，從而將許多層組合拱聯(lián)成一個整體，共同承載，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性。（7）注漿使得支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面尺寸加大，圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載所產(chǎn)生的彎距減小，從而降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此能承受更大的荷載，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，擴大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性；（8）注漿后的圍巖整體性好，與原巖形成一個整體，從而在高應(yīng)力下保持穩(wěn)定而不易產(chǎn)生破壞。3.2支護(hù)方案選擇3.2.1設(shè)計課題的工程概況根據(jù)新河煤礦礦井的破壞機理分析，三條暗斜井所穿越的巖層從下往上為細(xì)砂巖、3煤、粉砂巖、中砂巖、泥巖、細(xì)砂巖、泥巖等，掘進(jìn)實際

26、揭露的頂?shù)装寮皣鷰r卻為泥質(zhì)軟巖，平均堅固性系數(shù)在3左右，其特征是易吸濕、易膨脹、易解體、易剝落以及塑性流變性能大等特征，這是泥巖類中屬于質(zhì)量最差、最難控制的一類泥質(zhì)軟巖，圍巖的力學(xué)特點是：不穩(wěn)定、無自穩(wěn)能力或自穩(wěn)時間很短；其破壞方式為：易冒頂、易片幫、易底臌、并隨時間的延續(xù)會發(fā)生較大的塑性流變變形，圍巖的松動圈較大屬于V類松動圈不穩(wěn)定圍巖，松動范圍200300cm。3.2.2支護(hù)設(shè)計原則（1）保證巷道支護(hù)后，能夠保持穩(wěn)定，不需進(jìn)行返修，特殊情況可考慮局部加固；（2）從支護(hù)方案及支護(hù)機理上，要著眼于錨注聯(lián)合支護(hù)，充分利用圍巖自身承載能力，實現(xiàn)主動支護(hù)，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。（3）要充分考慮到極不穩(wěn)

27、定煤巷的特點，采用全斷面支護(hù)，重點在于底角和底板的治理；（4）加強對水的治理，改善圍巖物理力學(xué)性能，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力；（5）支護(hù)方案在滿足技術(shù)要求的前提下，確保安全生產(chǎn)，力爭盡量降低成本，加快施工速度，降低勞動強度，提高經(jīng)濟效益。3.2.3支護(hù)方案選擇從目前各類巷道的支護(hù)形式及支護(hù)效果上來看，該巷道的支護(hù)方案有三種，第一種為錨梁網(wǎng)和拱形支架聯(lián)合支護(hù)；第二種方案是以錨噴支護(hù)和注漿支護(hù)為核心的改善巷道巖體力學(xué)性能的支護(hù)形式；第三種方案是以從根本上改變巖體結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的以錨噴、注漿和錨索為核心的主動加固形式。（1）錨梁網(wǎng)和拱形支架聯(lián)合支護(hù) 是一種預(yù)留剛隙柔層支護(hù),其力學(xué)原理如圖7所示。預(yù)留剛

28、隙柔層支護(hù)從力學(xué)上講,是在支護(hù)體內(nèi)設(shè)置剛性層和柔性層,在剛性層和柔性層之間預(yù)留一定量的間隙,使其能夠大幅度地吸收高應(yīng)力軟巖的大變形。這樣就形成了所謂的剛隙柔層,它具有充分的柔度和間隙適應(yīng)高應(yīng)力軟巖的大變形,同時又在一定的時刻(間隙壓密,剛?cè)釋酉嘟訒r)具有充分的剛度限制圍巖的有害變形,從而使之成為高應(yīng)力轉(zhuǎn)化最多、圍巖強度保護(hù)最好的一種支護(hù)技術(shù)。（2）錨噴支護(hù)和注漿支護(hù) 錨注支護(hù)是兼有錨桿支護(hù)與注漿加固共同優(yōu)點的一種支護(hù)方式。錨注加固是在巖體錨桿加固與注漿加固的基礎(chǔ)上，利用特種中空錨桿兼作注漿管，對巖體實施外錨內(nèi)注加固的一種巷道加固方式即。根據(jù)不穩(wěn)定地層的具體情況,針對不同類型的巷道采用不同類型的

29、錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)。1）掘巷道。對于新掘巷道均需采用二次支護(hù)的方法進(jìn)行施工，且根據(jù)所用錨桿類型分為兩種支護(hù)形式。一種是一次支護(hù)采用普通錨桿進(jìn)行錨噴支護(hù)，二次支護(hù)時采用內(nèi)注漿錨桿注漿加固及噴網(wǎng)帶支護(hù)，要求注漿壓力較小時采用普通式錨桿，注漿壓力較大時采用端錨式；另一種是一次支護(hù)直接采用端錨內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行錨噴支護(hù)，同時預(yù)留及保護(hù)好內(nèi)注漿錨桿的孔口和螺紋，二次支護(hù)時再進(jìn)行注漿加固及噴網(wǎng)帶支護(hù)。2）固巷道。這里主要指因局部變形破壞而影響穩(wěn)定，但斷面仍滿足要求的巷道，或經(jīng)修復(fù)后圍巖仍較完整的巷道。當(dāng)裂隙極其發(fā)育時可采用普通內(nèi)注漿錨桿；裂隙發(fā)育情況一般時，可采用端錨內(nèi)注漿錨桿，以便于加大注漿壓力。3）復(fù)巷道。指經(jīng)

30、過多次破壞修復(fù)后又出現(xiàn)嚴(yán)重破壞的巷道。此時可采用：一是錨注與錨噴的聯(lián)合支護(hù)，也就是先進(jìn)行注漿加固，然后涮大斷面，再采用內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行一次支護(hù)，最后再進(jìn)行錨注加固；二是型鋼與錨注的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，也就是涮大斷面，采用型鋼支架一次支護(hù)，然后用普通內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行加固。（3）錨噴、注漿和錨索為核心的主動加固形式。是掘進(jìn)過程中利用錨桿及時支護(hù)，將頂板巖層組合成一懸臂梁,利用長錨索將懸臂梁懸吊固定在頂板穩(wěn)定巖層中，使其不發(fā)生彎曲、斷裂、冒頂。改善了巷道支護(hù)狀況。錨網(wǎng)支護(hù)是主動支護(hù)，能及時加固圍巖，并利用圍巖自身強度減小圍巖變形，提高巷道支護(hù)的可靠性。同時，全錨網(wǎng)支護(hù)將頂板組合成一整體，防止松動圈的擴大，增加

31、了支護(hù)的安全性。而且其施工工序簡單，減少了金屬支架架設(shè)和回撤工作量，減輕了輔助運輸中職工的勞動強度。其支護(hù)工藝過程是 開挖初次噴射混凝土加錨桿錨索復(fù)噴錨注能有效的控制軟巖巷道圍巖的變形。1）噴射混凝土在軟巖巷道開挖初期壓力不大的情況下可以及時的封閉圍巖，防止圍巖的風(fēng)化;也可以起到一定的承載能力。2）開挖初噴后安裝錨桿一是可以阻止各巖層沿錨桿軸向移動，以實現(xiàn)各巖層緊密結(jié)合，從而防止離層、碎脹等情況發(fā)生;二是提高巖層間的抗剪強度，增加巖層彼此之間錯動的阻力。3）安裝錨桿后加錨索，可以及時的將錨固體懸吊于穩(wěn)定堅硬的老頂上，從而避免了錨固體離層及可能出現(xiàn)的整體下沉或跨落，加大了支護(hù)長度，提高了錨固效果

32、。4）然后復(fù)噴可以修復(fù)初噴后脫落的部分，進(jìn)一步封閉圍巖，防止圍巖的風(fēng)化。5）最后進(jìn)行錨注是因為此時圍巖的裂隙有了一定的發(fā)育，是進(jìn)行錨注的最佳時機。采用注漿錨桿注漿，可以封堵圍巖裂隙，防止圍巖風(fēng)化；可以將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，從而提高了巖體的強度;配合錨噴支護(hù)形成多層有效組合拱，有效的改善了應(yīng)力分布狀況，使較高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，減少了巷道的位移量，從而提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，有效的控制了圍巖的變形。（3）新河煤礦的支護(hù)方案確定根據(jù)施工的實際情況和支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，我認(rèn)為對于新河煤礦巷道圍巖的易吸濕、易膨脹、易解體、易剝落以及不穩(wěn)定、無自穩(wěn)能力或自穩(wěn)時間很短，易冒頂、易片幫、易底臌、并隨

33、時間的延續(xù)會發(fā)生較大的塑性流變變形，必須采用最高層次的錨、噴、網(wǎng)、注、索的支護(hù)形式，即錨網(wǎng)注支護(hù)才能加固圍巖，封堵圍巖裂隙，避免巷道琳水，保證巷道的穩(wěn)定。并利用長錨索將懸臂梁懸吊固定在頂板穩(wěn)定巖層中，使其不發(fā)生彎曲、斷裂、冒頂，善了巷道支護(hù)狀況。3.2.4支護(hù)參數(shù)的確定錨注加固作用形成的多層組合拱結(jié)構(gòu)主要由噴網(wǎng)組合拱、錨桿錨固作用形成的壓縮區(qū)巖錨拱(圖3.5)和漿液擴散形成的加固拱。不同的初始支護(hù)造成噴網(wǎng)層可由多種支護(hù)材料和結(jié)構(gòu)組成，包括普通噴網(wǎng)層、噴網(wǎng)與支架層、混凝土或料石砌暄層等。而噴網(wǎng)層組合拱厚度主要由噴層厚度和與噴層共同作用的巖石圈組成，即 (3.8)式中， 為噴層厚度；為噴網(wǎng)層組合拱

34、厚度；為與噴層共同作用的巖石圈厚度和分別為噴層和巖石的彈性模量。對于單獨的錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，噴網(wǎng)層組合拱結(jié)構(gòu)要承擔(dān)錨桿壓力錐控制范圍外的破碎巖塊冒落的局部作用和支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。錨桿壓縮區(qū)巖錨拱厚度可根據(jù)錨桿的長度和間排距等參數(shù)確定，一般取 (3.9)式中，為錨桿壓縮區(qū)組合拱厚度；為錨桿的有效長度；為錨桿的間排距。在錨桿壓縮區(qū)組合拱和噴網(wǎng)層組合拱間存在的承載能力較低的破碎巖體的厚度為 (3.10)漿液擴散加固拱的厚度取決于漿液的擴散半徑、注漿錨桿的有效長度和間排距及普通錨桿的有效長度和間排距。因此，錨注加固組合拱結(jié)構(gòu)的總厚度為 (3.11)一般錨注加固組合拱結(jié)構(gòu)的總厚度也可由內(nèi)注漿

35、錨桿的有效長度、間排距和漿液的擴散范圍確定，即 (3.12)式中 為錨注加固組合拱結(jié)構(gòu)的總厚；為注漿錨桿的間排；為注漿錨桿的有效長度；為注漿漿液的擴散半徑，取決于破碎巖體的滲透性、注漿壓力和注漿材料種類等。一般注漿錨桿的有效長度為錨桿實際長度減去外露長度和端錨長度即 (3.13)在松動圈內(nèi)注漿，錨桿長度可根據(jù)形成的錨注加固結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力，合理的錨注加固圈半徑可使形成的錨注加固拱的承載能力滿足或大于作用在加固拱的壓力，即 (3.14)式中，為滿足承載力要求的注漿加固邊界的臨界半徑；為巷道的半徑；為錨注加固結(jié)構(gòu)拱巖體強度；為作用在加固拱上的壓力。錨桿長度或錨注加固拱厚度應(yīng)滿足 (3.15)

36、（1）錨網(wǎng)噴初次支護(hù)參數(shù)根據(jù)上述理論公式計算可以得到，金屬網(wǎng)規(guī)格為1500×800mm，采用6mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)格為160×160mm。高強螺紋鋼錨桿20×2200mm，間排距800×800mm。噴漿混凝土采用強度等級為C20，噴層厚度90110mm。（2）注漿錨桿支護(hù)參數(shù)頂幫注漿錨桿規(guī)格為22×2200mm，采用黑鐵管制作，壁厚4mm，桿體上鉆有6mm注漿孔，封孔采用快硬水泥藥卷，排距為1600mm底角注漿錨桿22×2200mm，排距1200mm。底角注錨桿位置在距離底板200mm處，向下傾角30°。漿液材料采用單液水

37、泥漿液，水灰比為，注漿壓力為1.52MPa，漿液擴散半徑為6m。（3） 預(yù)應(yīng)力錨索加固支護(hù)參數(shù) 錨索采用15.24mm鋼絞線錨索，長度為6.0m，外露長度250mm。采用樹脂藥卷端頭錨固，每根錨索3根，錨固長度1.5m。錨索每排一根，布置在巷道中間位置，排距2.4m。錨索托梁采用長1.2m，孔徑16的工字鋼。3.3錨注支護(hù)施工工藝3.3.1錨注支護(hù)施工總流程（1） 首先打頂板錨桿孔，安裝頂板錨桿，然后安裝金屬網(wǎng)、金屬梯子梁及上托盤，再噴90mm厚C20混凝土；（2）接著打兩幫錨桿孔，安裝兩幫錨桿，然后安裝兩幫金屬網(wǎng)、金屬梯子梁及上托盤，再噴110mm厚C20混凝土；（3）最后打注漿錨桿孔，安裝

38、注漿錨桿，先進(jìn)行底角注漿，接著進(jìn)行兩幫注漿，最后進(jìn)行頂板注漿。3.3.2注漿施工流程注漿施工時采用自下而上、左右順序作業(yè)的方式，每斷面內(nèi)注漿錨桿自下而上先注底角，再注兩幫，最后注頂板錨桿。注漿完畢后，根據(jù)觀測結(jié)果確定是否復(fù)注及復(fù)注位置，主要是初次注漿時，注漿效果較差的個別孔或是水泥凝結(jié)硬化51時產(chǎn)生的收縮變形部位，通過復(fù)注可起到補注和加固作用，從而易于保證施工質(zhì)量。注漿工藝流程見圖5-4。注漿施工主要包括三個方面：（1）運料與拌漿即將水泥與水按規(guī)定水灰比拌制水泥漿，注漿實施前加入定量水玻璃，保證在注漿過程中不發(fā)生吸漿籠頭堵塞等現(xiàn)象，并根據(jù)需要調(diào)整漿液參數(shù)；（2）注漿泵的控制根據(jù)巷道注漿變化情況

39、，即時開、停注漿泵，并時刻注意觀察注漿泵的注漿壓力，以免發(fā)生堵塞崩管現(xiàn)象；（3） 孔口管路連接應(yīng)注意前方注漿情況，及時發(fā)現(xiàn)漏漿、堵管等事故，并掌握好注漿量及注漿壓力，及時拆除和清洗注漿閥門。 3.4施工技術(shù)要求及安全措施3.4.1樹脂錨桿施工技術(shù)要求及安全措施（1） 鉆眼前應(yīng)按設(shè)計要求，定好眼位，做出標(biāo)記，錨桿眼角度盡量符合設(shè)計要求，錨桿眼深必須符合設(shè)計要求。（2） 鉆眼后應(yīng)用壓風(fēng)或壓水將眼中的巖粉清除干凈，在煤層或軟巖中打眼，煤電鉆不許來回拉鉆桿，以免擴大眼徑。（3） 安裝前應(yīng)檢查錨桿眼的方向、位置、深度及平直度是否符合設(shè)計要求，錨52固劑、桿體是否合格，如有一項不符合要求，不得進(jìn)行安裝。（

40、4） 樹脂錨桿攪拌工具，可采用煤電鉆或錨桿鉆機并配合連接套使用。（5） 安裝時，先將帶螺母連接頭擰緊在桿尾螺紋上，然后用桿體量準(zhǔn)眼深，劃好記號。再用桿體將錨固劑送到眼底，并保證錨固劑要攪拌充分。（6） 取下煤電鉆或攪拌器，采用螺母聯(lián)接頭時，要等錨固劑固化后才準(zhǔn)取下，采用六方套筒連接頭時，可馬上取下。（7） 錨桿尾部螺母必須擰緊，使托盤與巖面緊貼，嚴(yán)防松動，桿體尾部絲扣部分外露長度不能小于15 mm。（8）在首次使用樹脂錨桿前，必須進(jìn)行試安裝，并對一組錨桿(3組)進(jìn)行破壞性拉拔試驗，試裝合格后，方可使用。（9） 為防止錨固劑破損，在裝運過程中要輕拿輕放，箱子要立放，堆碼要整齊，每垛高度不宜超過三

41、箱。（10）樹脂錨固劑應(yīng)有專人負(fù)責(zé)，集中保管，每班應(yīng)根據(jù)需要，隨用隨領(lǐng)，不準(zhǔn)亂放。（11） 超過有效期的錨固劑不準(zhǔn)使用。（12） 安裝后巷道必須及時進(jìn)行錨固力檢測，并做好檢測記錄，進(jìn)行錨固力拉拔試驗時，必須采取安全防護(hù)措施注意頂板變化，千斤頂周圍嚴(yán)禁站人，正常檢測不準(zhǔn)連續(xù)起點。（13） 樹脂錨固劑具有易燃性、腐蝕性、不得接觸明火，嚴(yán)禁破壞其包裝，嚴(yán)防直接接觸眼睛。（14） 破損的藥卷應(yīng)及時裝運上井，不得在井下存放。3.4.2噴射混凝土施工技術(shù)要求及安全措施（1）噴射混凝土應(yīng)盡量做到厚度均勻，并滿足參數(shù)要求，杜絕漏噴或落噴、手噴現(xiàn)象，以防注漿時漏漿跑漿影響施工。（2）組合錨桿安裝錨桿間排距按設(shè)計

42、要求，掛繩要直、緊、規(guī)范，錨桿眼深要與錨桿配套，并且垂直于巖面，安裝錨桿應(yīng)保證樹脂的攪拌時間，并上緊托盤。3.4.3注漿施工技術(shù)要求及安全措施（1）要保證注漿錨桿孔的設(shè)計間排距，并要求垂直于巖面，底腳注漿錨桿下扎30°45°，要嚴(yán)格控制孔深，使其與錨桿長度配套。（2）使用空心快硬水泥藥卷應(yīng)按規(guī)程作業(yè)，嚴(yán)格控制泡水時間，并保證砸實以滿足止?jié){強度。（3）漿液配比和水灰比應(yīng)滿足設(shè)計要求。（4）開機前應(yīng)檢查噴層和管路，檢查閥門是否完全開啟，管路接頭要牢靠、嚴(yán)密、有效。（5）注漿機械應(yīng)由專人負(fù)責(zé)，有專人監(jiān)讀表頭，注漿人員要經(jīng)過培訓(xùn)，考核合格后才能上崗。注漿時要加強信號聯(lián)系，保證注、停及時反應(yīng)快速。（6）遇到漏漿時，可暫停注漿，采取措施封堵滲漏處，過幾分鐘后即可再注。（7）注漿的孔口閥應(yīng)注漿后6小時拆除，可在第二班進(jìn)行，拆下的閥門要及時清洗干凈然后抹上機油備用。（8）注漿人員注意勞動保護(hù)，防止?jié){液材料燒傷眼睛或皮膚，在正注的錨桿下方或前方嚴(yán)禁站