礦井深部開采軟巖支護(hù)技術(shù)套索

1、礦井深部開采軟巖巷道支護(hù)方式研究 2008-11-26來源:中國經(jīng)濟(jì)與管理科學(xué)2008年10月供稿文/單忠剛 閆玉彪導(dǎo)讀本文通過對(duì)礦井深部軟巖工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和對(duì)軟巖破壞機(jī)理以及巷道支護(hù)原理的研究，從而對(duì)深部開采在不同的地質(zhì)條件下提出相應(yīng)的支護(hù)方式。摘要：本文通過對(duì)礦井深部軟巖工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和對(duì)軟巖破壞機(jī)理以及巷道支護(hù)原理的研究，從而對(duì)深部開采在不同的地質(zhì)條件下提出相應(yīng)的支護(hù)方式。關(guān)鍵詞：深部開采軟巖巷道支護(hù)支護(hù)方案Mine pit depth portion mined the soft crag tunnel supports and protections way to studyShan

2、 Zhonggang  Yan YubiaoAbstract: This article through to mine pit depth portion soft crag project nature understanding and to soft crag destruction mechanism as well as tunnel supports and protections principle research,thus proposes the corresponding supports and protections way to depth portio

3、n mining under the different geological condition.Keywords: Depth portion mining  Soft crag Tunnel supports and protections Supports and protections plan【中圖分類號(hào)】F403.6【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】C【文章編號(hào)】1009-9646(2008)10-0067-03深部開采出現(xiàn)了一系列新問題和新特點(diǎn)，其中巖石壓力大，巷道位移量顯著增大，支架損壞嚴(yán)重，巷道維護(hù)異常困難。其圍石性質(zhì)表現(xiàn)出軟巖的巷道圍巖性質(zhì)，所以煤炭生產(chǎn)建設(shè)形勢(shì)迫切要求對(duì)深部開采軟

4、巖巷道問題進(jìn)行深入研究，這一問題已引起世界各國采礦界的高度重視。1.軟巖的工程特性1.1軟巖的力學(xué)屬性。軟巖中泥質(zhì)礦物成分和結(jié)構(gòu)面決定了軟巖的力學(xué)特性。顯示出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動(dòng)性的特點(diǎn)。軟巖的膨脹性質(zhì)是在物理、化學(xué)、力學(xué)等因素的作用下，產(chǎn)生體積變化的現(xiàn)象，其膨脹機(jī)理有：內(nèi)部膨脹、外部膨脹和應(yīng)力擴(kuò)容膨脹三種。工程中的軟巖膨脹為復(fù)合膨脹形式。1.2軟巖的臨界載荷。隨著應(yīng)力水平的提高，特別是圍壓的增大，巖石產(chǎn)生的塑性變形明顯增加，使得在低應(yīng)力水平下表現(xiàn)為硬巖特性的巖石，在提高了應(yīng)力水平下顯示出顯著的塑性變形。1.3軟巖的臨界深度。與軟化臨界荷載相對(duì)應(yīng)，巖石亦存在著一個(gè)軟化臨界深度

5、。對(duì)給定礦區(qū)，軟化臨界深度也是一個(gè)客觀量。當(dāng)?shù)叵鹿こ搪裆畲笥谲浕R界深度時(shí)，圍巖出現(xiàn)大變形，大地壓和難支護(hù)現(xiàn)象；當(dāng)?shù)叵鹿こ搪裆钚∮谠撆R界深度時(shí)，則圍巖的大變形，大地壓現(xiàn)象消失，巷道支護(hù)容易。軟化臨界荷載和軟化臨界深度可以相互推求，在無構(gòu)造殘余應(yīng)力的地區(qū)，其關(guān)系為Hcr=100·cr在構(gòu)造應(yīng)力較大的地區(qū)，其關(guān)系為Hcr=100·cr-hc式中，Hcr軟化臨界深度，m；cr軟化臨界荷載，MPa；hc殘余構(gòu)造應(yīng)力，MPa；工程巖體容重，t/m3。2.軟巖巷道的支護(hù)原理軟巖巷道和硬巖巷道支護(hù)原理截然不同，這是它們的本構(gòu)關(guān)系不同決定的。硬巖巷道支護(hù)不允許硬巖進(jìn)入塑性，因?yàn)檫M(jìn)入塑性的硬

6、巖將喪失承載能力。而軟巖巷道支護(hù)必須允許軟巖進(jìn)入塑性狀態(tài)，而且以達(dá)到其最大塑性承載能力為最佳，軟巖巷道支護(hù)的另一個(gè)獨(dú)特之處是，其巨大的塑性能（如膨脹變形能等）必須以某種形式釋放出來。因此，軟巖巷道支護(hù)原理可以表示為：PT=PD+PR+PS（2-1）式中PT挖掉巷道巖體后使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應(yīng)力和工程偏應(yīng)力等；PD以變形的形式軟化的工程力，可以包括：彈塑性轉(zhuǎn)化（與時(shí)間無關(guān)）；粘彈塑性轉(zhuǎn)化（與時(shí)間有關(guān)）；膨脹力的轉(zhuǎn)化（與時(shí)間有關(guān)）。對(duì)于軟巖來講，主要是塑性能以變形的方式釋放；PR圍巖自撐力，即圍巖本身具有一定強(qiáng)度，可承擔(dān)部分或全部荷載；PS工程支護(hù)力；式（2-

7、1）和圖2-1表示如下意義：2.1巷道開挖后引起的圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)的合力PT并不是純粹由工程支護(hù)力PS全部承擔(dān)，而是由三部分共同分擔(dān)。PT首先由軟巖的彈塑性能以變形的方式釋放一部分，亦即PT的一部分轉(zhuǎn)化為巖體形變。其次，PT的一部分由巖體本身自承力承擔(dān)。如果巖體強(qiáng)度很高，PR>PTPD，則巷道可以自穩(wěn)。對(duì)于軟巖，PR較小，一般PR<PTPD，故巷道要穩(wěn)定，必須進(jìn)行工程支護(hù)，即加上PS。為求工程穩(wěn)定，通常（PS+PR）值要大于（PTPD）值。2.2一個(gè)優(yōu)化的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)滿足三個(gè)條件：PDMax；PRMax；PSMin。3  最佳支護(hù)時(shí)間和最佳支護(hù)時(shí)段軟巖巷道開挖后，

8、巷道圍巖變形會(huì)逐漸加大。按變形速度劃分，可劃分3個(gè)階段：減速變形階段、近似線性的恒速變形階段和加速變形階段。當(dāng)進(jìn)入加速變形階段時(shí)，巖體本身結(jié)構(gòu)改組，產(chǎn)生新裂紋，強(qiáng)度大大降低。解決此問題的關(guān)鍵是最佳支護(hù)時(shí)間概念的建立和最佳支護(hù)時(shí)段的確定。最佳支護(hù)時(shí)間系指可以使（PR+PT）同時(shí)達(dá)到最大的支護(hù)時(shí)間。圖3-1表明，最佳支護(hù)時(shí)間就是（PR+PT）t曲線峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間TS。實(shí)踐證明，該點(diǎn)與PD-t曲線和PR-t曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間基本相同。最佳支護(hù)時(shí)間點(diǎn)的確定，在工程實(shí)踐中很難掌握，所以提出了最佳支護(hù)時(shí)段的概念，最佳時(shí)段的意義如圖3-2所示,圖中所示的時(shí)段TS1，TS2即為最佳支護(hù)時(shí)段。只要在圖中

9、所示的TS時(shí)間附近時(shí)段TS1，TS2進(jìn)行永久支護(hù)，基本上可以使PD、PR同時(shí)達(dá)到優(yōu)化意義上的最大。此時(shí)也基本上滿足：（PD+PR）Max，PsMin。最佳支護(hù)時(shí)間的物理意義：巷道開挖以后，巷道圍巖應(yīng)力將重新分布，切向應(yīng)力在巷壁附近發(fā)生高度集中，導(dǎo)致該區(qū)域的巖層屈服進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，從而形成塑性區(qū)。4.關(guān)鍵部位耦合支護(hù)理論據(jù)大多數(shù)的現(xiàn)場工程實(shí)踐可知，軟巖巷道的失穩(wěn)和破壞是一個(gè)循序漸進(jìn)的力學(xué)過程，是首先從一個(gè)或幾個(gè)部位開始變形、損傷，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)破壞，這種首先破壞的部位，稱為關(guān)鍵部位。4.1關(guān)鍵部位產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理。關(guān)鍵部位的產(chǎn)生是由于支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖的力學(xué)特性出現(xiàn)不耦合造成的。按

10、其變形力學(xué)機(jī)制不同，關(guān)鍵部位有4種類型，如圖4-1示。-2A區(qū)域時(shí)，支護(hù)體多產(chǎn)生鱗狀剝落；進(jìn)入B區(qū)時(shí)，伴隨著片狀剝落；進(jìn)入C區(qū)后，產(chǎn)生塊狀崩落和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，最佳支護(hù)時(shí)間（時(shí)段）就是鱗、片狀剝落的高應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間?，F(xiàn)場研究表明，張性、張扭性裂紋寬度達(dá)到13mm時(shí)，即進(jìn)入A區(qū)和B區(qū)，即為進(jìn)入耦合支護(hù)時(shí)間；巷道表面各點(diǎn)變形量達(dá)到設(shè)計(jì)余量的60時(shí)，即為進(jìn)入耦合支護(hù)的時(shí)間。現(xiàn)場具體施工中，可根據(jù)表面位移時(shí)間（U-t）曲線進(jìn)行判定，方法如圖4-3所示。圖中曲線拐點(diǎn)T0 附近可作為二次支護(hù)的最佳支護(hù)時(shí)間。5.煤礦軟巖巷道控制方案5.1U型鋼可縮性金屬支架支護(hù)方案。采用煤礦軟巖巷道封閉切護(hù)式U型鋼

11、金屬可縮支架，適用于巷道圍巖為陷落柱、斷層等較大范圍地質(zhì)破碎帶時(shí)的巷道段支護(hù)。軟巖巷道封閉切護(hù)式U型鋼金屬可縮支架如下圖所示，由頂拱U型鋼1、側(cè)幫U型鋼2、3、底拱U型鋼4、5、肋板8、直腿6、鞋板7、金屬卡纜9構(gòu)成；兩側(cè)幫U型鋼上部為圓弧形，下部為直腿，直腿底部焊接鞋板；頂拱U型鋼兩端與兩節(jié)側(cè)幫U型鋼上端的相互搭界處、兩底拱U型鋼下水平端的相互搭接處及其上垂直端與兩側(cè)幫U型鋼的圓弧形和直腿交界處的相互搭接處均由兩道金屬卡纜固定，每節(jié)U型鋼外部開口端焊有肋板，肋板可為角鋼或鋼板，角鋼焊在每節(jié)U型鋼外部開口處時(shí)，尖端朝外；鋼板焊在每節(jié)U型鋼外部開口處時(shí)，截面呈三角形。如圖5-1所示。支架間距為0

12、.5m。巷道掘進(jìn)進(jìn)尺為0.5m。5.2半圓拱型巷道錨噴、網(wǎng)（鋼帶）加錨索聯(lián)合支護(hù)方案。由于巷道地質(zhì)條件和位置的不同，對(duì)支護(hù)要求存在差別，故給出兩個(gè)利用錨噴網(wǎng)索（鋼帶）聯(lián)合支護(hù)方案：方案1：如圖5-2。頂板及巷道兩幫采用螺紋鋼等強(qiáng)錨桿及金屬網(wǎng)（鋼帶）噴漿支護(hù)，錨桿間排距為0.8m，錨桿長度2.2m，在巷道中部打二排錨索，排距1.4m,錨深6.0m。噴漿厚度大于50mm，以噴層覆蓋網(wǎng)（帶）為準(zhǔn)。巷道掘進(jìn)進(jìn)尺為0.8m或1.6m。鋼帶尺寸860×120×5mm，一端開圓形孔，另一端開異形孔，如圖5-3。方案2：如圖54所示，錨桿間排距為1m，增加錨索，錨索間排距1.2m，其他同方案1。6.結(jié)論綜上所述，針對(duì)煤礦軟巖圍巖特點(diǎn)及其現(xiàn)實(shí)情況，但不同的地質(zhì)狀況圍巖的性質(zhì)可能表現(xiàn)出不同的工程特性，對(duì)于深部巷道的支護(hù)，要結(jié)合軟巖支護(hù)理論和