礦井深部開采軟巖支護技術套索

1、礦井深部開采軟巖巷道支護方式研究 2008-11-26來源:中國經(jīng)濟與管理科學2008年10月供稿文/單忠剛 閆玉彪導讀本文通過對礦井深部軟巖工程性質(zhì)的認識和對軟巖破壞機理以及巷道支護原理的研究，從而對深部開采在不同的地質(zhì)條件下提出相應的支護方式。摘要：本文通過對礦井深部軟巖工程性質(zhì)的認識和對軟巖破壞機理以及巷道支護原理的研究，從而對深部開采在不同的地質(zhì)條件下提出相應的支護方式。關鍵詞：深部開采軟巖巷道支護支護方案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】F403.6【文獻標識碼】C【文章編號】1009-9646(2008)10-0067-03深部開采出現(xiàn)了一系列新問題和新特點，其中巖石壓力大，巷道位移量顯著增大，支架損壞嚴重，巷道維護異常困難。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)建設形勢迫切要求對深部開采軟

4、巖巷道問題進行深入研究，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特性。顯示出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性的特點。軟巖的膨脹性質(zhì)是在物理、化學、力學等因素的作用下，產(chǎn)生體積變化的現(xiàn)象，其膨脹機理有：內(nèi)部膨脹、外部膨脹和應力擴容膨脹三種。工程中的軟巖膨脹為復合膨脹形式。1.2軟巖的臨界載荷。隨著應力水平的提高，特別是圍壓的增大，巖石產(chǎn)生的塑性變形明顯增加，使得在低應力水平下表現(xiàn)為硬巖特性的巖石，在提高了應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應，巖石亦存在著一個軟化臨界深度

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

6、巖將喪失承載能力。而軟巖巷道支護必須允許軟巖進入塑性狀態(tài)，而且以達到其最大塑性承載能力為最佳，軟巖巷道支護的另一個獨特之處是，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)運動的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應力和工程偏應力等；PD以變形的形式軟化的工程力，可以包括：彈塑性轉(zhuǎn)化（與時間無關）；粘彈塑性轉(zhuǎn)化（與時間有關）；膨脹力的轉(zhuǎn)化（與時間有關）。對于軟巖來講，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度，可承擔部分或全部荷載；PS工程支護力；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)運動的合力PT并不是純粹由工程支護力PS全部承擔，而是由三部分共同分擔。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。如果巖體強度很高，PR>PTPD，則巷道可以自穩(wěn)。對于軟巖，PR較小，一般PR<PTPD，故巷道要穩(wěn)定，必須進行工程支護，即加上PS。為求工程穩(wěn)定，通常（PS+PR）值要大于（PTPD）值。2.2一個優(yōu)化的巷道支護設計應該同時滿足三個條件：PDMax；PRMax；PSMin。3  最佳支護時間和最佳支護時段軟巖巷道開挖后，

8、巷道圍巖變形會逐漸加大。按變形速度劃分，可劃分3個階段：減速變形階段、近似線性的恒速變形階段和加速變形階段。當進入加速變形階段時，巖體本身結(jié)構(gòu)改組，產(chǎn)生新裂紋，強度大大降低。解決此問題的關鍵是最佳支護時間概念的建立和最佳支護時段的確定。最佳支護時間系指可以使（PR+PT）同時達到最大的支護時間。圖3-1表明，最佳支護時間就是（PR+PT）t曲線峰值點所對應的時間TS。實踐證明，該點與PD-t曲線和PR-t曲線的交點所對應的時間基本相同。最佳支護時間點的確定，在工程實踐中很難掌握，所以提出了最佳支護時段的概念，最佳時段的意義如圖3-2所示,圖中所示的時段TS1，TS2即為最佳支護時段。只要在圖中

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

10、其變形力學機制不同，關鍵部位有4種類型，如圖4-1示。-2A區(qū)域時，支護體多產(chǎn)生鱗狀剝落；進入B區(qū)時，伴隨著片狀剝落；進入C區(qū)后，產(chǎn)生塊狀崩落和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，最佳支護時間（時段）就是鱗、片狀剝落的高應力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的時間?，F(xiàn)場研究表明，張性、張扭性裂紋寬度達到13mm時，即進入A區(qū)和B區(qū)，即為進入耦合支護時間；巷道表面各點變形量達到設計余量的60時，即為進入耦合支護的時間?，F(xiàn)場具體施工中，可根據(jù)表面位移時間（U-t）曲線進行判定，方法如圖4-3所示。圖中曲線拐點T0 附近可作為二次支護的最佳支護時間。5.煤礦軟巖巷道控制方案5.1U型鋼可縮性金屬支架支護方案。采用煤礦軟巖巷道封閉切護式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)破碎帶時的巷道段支護。軟巖巷道封閉切護式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，尖端朝外；鋼板焊在每節(jié)U型鋼外部開口處時，截面呈三角形。如圖5-1所示。支架間距為0

12、.5m。巷道掘進進尺為0.5m。5.2半圓拱型巷道錨噴、網(wǎng)（鋼帶）加錨索聯(lián)合支護方案。由于巷道地質(zhì)條件和位置的不同，對支護要求存在差別，故給出兩個利用錨噴網(wǎng)索（鋼帶）聯(lián)合支護方案：方案1：如圖5-2。頂板及巷道兩幫采用螺紋鋼等強錨桿及金屬網(wǎng)（鋼帶）噴漿支護，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。巷道掘進進尺為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，針對煤礦軟巖圍巖特點及其現(xiàn)實情況，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，對于深部巷道的支護，要結(jié)合軟巖支護理論和