講煤礦巷道錨索支護(hù)的設(shè)計(jì)及示例_第1頁
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文檔簡介

1、第二講 煤礦巷道錨索支護(hù)的設(shè)計(jì)及示例云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講:曾正良 副教授8/28/20221第一節(jié) 錨索支護(hù)設(shè)計(jì) 一、支護(hù)設(shè)計(jì) 為擴(kuò)大錨桿支護(hù)的使用范圍,充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的經(jīng)濟(jì)、快速、安全可靠的優(yōu)點(diǎn),在大斷面、地質(zhì)構(gòu)造破壞地段、頂板軟弱且較厚、高地應(yīng)力、綜放巷道等困難、復(fù)雜的巷道中,為增加錨桿支護(hù)的可靠性,可使用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。8/28/20222 預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)在煤巷支護(hù)中占有重要地位。由于它的錨固深度大,可將下部不穩(wěn)定巖層錨固在上部穩(wěn)定的巖層中,可靠性較好;且可施加預(yù)應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)主動支護(hù),因而是煤巷推廣錨桿支護(hù)技術(shù)中一項(xiàng)重要的保證措施。 1.錨索加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)原則 錨索的

2、主要作用是將頂板下部不8/28/20223 穩(wěn)定巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層中,因而可按懸吊理論進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。但由于巖層自身具有承載能力,尤其是采用錨桿支護(hù)的頂板,圍巖強(qiáng)度得到了提高,設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮此因素。 在設(shè)計(jì)時(shí)可按最危險(xiǎn)的極限狀態(tài)計(jì)算,即下部巖層或煤體的重量通過錨索懸吊,同時(shí)根據(jù)巖層的強(qiáng)度、裂隙、錨桿支護(hù)參數(shù)等考慮巖層的自身8/28/20224 承載能力,折減計(jì)算值。設(shè)計(jì)參數(shù)包括錨索的內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)及材料,錨索的間排距、錨固長度、鉆孔深度等。 由于現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜多變,在施工階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測,及時(shí)反饋監(jiān)測結(jié)果,以現(xiàn)場監(jiān)測信息為依據(jù),修改和完善設(shè)計(jì)。 小孔徑(2832 mm)錨索結(jié)構(gòu)較為簡單,可分為三

3、部分:內(nèi)錨固8/28/20225 段、鋼絞線自由段和外錨固段,如圖11所示,圖12所示為錨索加固。 2.錨索參數(shù)的確定 (1)錨索支護(hù)材料 錨索:小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索索體材料采用鋼絞線。鋼絞線為一組鋼絲以螺旋狀沿同一根縱軸繞轉(zhuǎn)而成,目前廣泛采用7股5 mm高強(qiáng)度鋼絞線。應(yīng)選擇預(yù)應(yīng)力鋼絞線,具8/28/20226圖11 小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu) 1毛刺;2鋼絞線;3鉆孔;4巷道圍巖表面;5槽鋼;6鋼墊板;7鎖具;L1內(nèi)錨固段長度;L2錨索有效長度; L3錨索外露長度8/28/20227圖12 517m馬頭門修復(fù)錨索加固方案8/28/20228有強(qiáng)度高、韌性好、低松弛等特點(diǎn),既有一定剛度又有一定柔

4、性,可盤成卷便于運(yùn)輸,又能自身攪拌樹脂藥卷快速安裝,適合在空間尺寸較小的巷道中使用。錨索的技術(shù)特征見表11所示。 新型19根鋼絲代替了原來的7根鋼絲(圖13),索體結(jié)構(gòu)更加合理,而且明顯提高了錨索的延伸率。如8/28/20229表11 7股高強(qiáng)度鋼絲(錨索)技術(shù)特征8/28/202210圖13 錨索索體結(jié)構(gòu)圖 8/28/20221122 mm的高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線的拉斷力超過600 kN,是15.20 mm的鋼絞線拉斷力的2.3倍;索體延伸率接近7%,比15.20 mm的鋼絞線提高一倍。真正實(shí)現(xiàn)了大直徑、大延伸率與高噸位。新型錨索岔經(jīng)在高地應(yīng)力巷道、特大斷面巷道、受強(qiáng)烈采動影響巷道得到應(yīng)用,取

5、得良好的支護(hù)效果。 8/28/202212 鎖具:鎖具是為保持預(yù)應(yīng)力鋼絞線的拉力并將其傳遞到被錨圍巖上所用的永久性錨固裝置。鎖具應(yīng)具有可靠的錨固性能和足夠的承載能力,以保證充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼絞線的強(qiáng)度。目前,小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索的鎖具以瓦片式為主,可承受動、靜荷載。鎖具由錨環(huán)和錨塞組成,其結(jié)構(gòu)見圖14。這種鎖具有多種規(guī)格,應(yīng)按鋼絞8/28/202213 圖14 鎖具結(jié)構(gòu)圖 8/28/202214線規(guī)格選取,保證瓦片與鋼絞線有良好的匹配關(guān)系。 錨固劑:應(yīng)根據(jù)鉆孔直徑和設(shè)計(jì)的錨固長度選擇合理的樹脂藥卷型號、規(guī)格和數(shù)量。采用普通樹脂藥卷加長錨固,使用錨桿鉆機(jī)帶動鋼鉸線攪拌樹脂藥卷,安裝工序簡單。由于樹脂藥

6、卷凝結(jié)時(shí)間短,一般等待1 h后即可安裝鎖具進(jìn)行張拉,實(shí)現(xiàn)錨索8/28/202215的快速安裝和及時(shí)承載,有利于巷道快速施工和圍巖穩(wěn)定。 在服務(wù)時(shí)間比較長的巷道,如大巷、采區(qū)集中巷及硐室中,為了提高錨索錨固效果,同時(shí)防止索體銹蝕,最好先進(jìn)行樹脂端部錨固,然后注漿,實(shí)現(xiàn)樹脂注漿聯(lián)合全長錨固。對于圍巖破碎、巖體含水等樹脂藥卷不能保證足夠錨固力的條件下,也可以8/28/202216采用聯(lián)合全長錨固方式。采用端錨時(shí)優(yōu)先選用樹脂錨固劑;全長錨固時(shí)選用水泥(砂)漿。 托盤:托盤強(qiáng)度與錨索強(qiáng)度相匹配。錨索托板最常用的是平托板,由一定厚度和面積(如300 mm300 mnl6 mm)的普通鋼板制成。另一種是采用

7、一段槽鋼制成,應(yīng)選用16號以上槽鋼,材料極限強(qiáng)度不低于350 8/28/202217kPa。有的礦區(qū)還采用工字鋼或廢舊溜槽制作錨索托板。這幾種托板只適用于錨索垂直巷道表面布置,而且力學(xué)性能差。當(dāng)錨索預(yù)緊力和承受的載荷比較大時(shí),平托板四周易翹起,托板承載顯著降低;槽鋼托板易變形、扭曲,甚至壓穿槽鋼,使錨索失效。 (2)支護(hù)方式選擇 采用聯(lián)合支護(hù),即先錨網(wǎng)噴支8/28/202218護(hù),再進(jìn)行錨索加強(qiáng)支護(hù)。對于拱型錨噴巷道,大斷面硐室及交岔點(diǎn)加固,應(yīng)采用點(diǎn)式錨索支護(hù);當(dāng)巷道圍巖裂隙比較發(fā)育或上部為復(fù)合頂時(shí),宜采用“錨索+鋼帶支護(hù)”。 (3)錨索支護(hù)參數(shù)的確定原則 最小錨固長度:水泥(砂)漿錨固錨固長

8、度大于3.5 m;樹脂錨固錨固長度大于1.5 m。8/28/202219 錨索長度:錨索長度5.0 10.0 m,根據(jù)工程條件選取。 錨索間排距按下式選取 SL2式中 L錨索孔長度,m; S錨索孔間排距,m。 3.施工工藝 錨索施工可分為地面準(zhǔn)備、鉆8/28/202220孔、錨固、張拉4個(gè)主要工序,見圖15所示。 (1)地面準(zhǔn)備 首先檢查鋼絞線,截去松絲、嚴(yán)重銹蝕和死彎部分,按設(shè)計(jì)長度截?cái)噤摻g線,除去鐵銹和污泥,在錨固頭安裝毛刺(齒)和擋圈,最后盤成圈。 (2)鉆孔 鉆孔是錨索施工中控制工期的關(guān)8/28/202221圖15 錨索施工工藝8/28/202222鍵工序。為確保鉆孔效率和保證鉆孔質(zhì)量

9、,采用錨桿鉆機(jī)或輕型專用錨索鉆機(jī)??蛇B接B19或B22鉆桿,27 29 mm旋轉(zhuǎn)式鉆頭。 鉆機(jī)鉆孔時(shí),按錨索設(shè)計(jì)長度將鉆孔所需鉆桿擺放整齊,鉆桿用完,孔深也恰好到位。鉆孔深度要超出錨索設(shè)計(jì)長度0.5 m左右。在鉆孔時(shí)要保持鉆機(jī)不挪動,以免鉆孔軸線不在一直線上,給錨索安裝帶來困難,其8/28/202223工藝類似錨桿鉆孔。 鉆孔結(jié)束,逐根拔出鉆桿和鉆具,將沖擊器清洗好備用。用一根聚乙烯管復(fù)核孔深,并以高壓風(fēng)吹孔,待孔內(nèi)粉塵吹干凈,且孔深不少于錨索設(shè)計(jì)長度時(shí),拔出聚乙烯管,塞好孔口。 兩種特殊情況的處理: 滲水的處理。在鉆孔過程中或8/28/202224鉆孔結(jié)束后吹孔時(shí),從孔中吹出的都是一些小石粒

10、和灰色或黃色團(tuán)粒而無粉塵,說明孔內(nèi)有滲水,巖粉多貼附于孔壁,這時(shí),若孔深已夠,則注入清水,以高壓風(fēng)吹凈,直至吹出清水;若孔深不夠,雖沖擊器工作,仍有進(jìn)尺,也必須立即停鉆,拔出鉆具,洗孔后再繼續(xù)鉆進(jìn),如此循環(huán),直至結(jié)束。有時(shí)孔內(nèi)滲水量大,有積8/28/202225水,吹出的是泥漿和碎石,這種情況巖粉不會糊住孔壁,只要沖擊器工作,就可繼續(xù)鉆。如果滲水量太大,以至淹沒了沖擊器,沖擊器會自動停止工作,應(yīng)拔出鉆具進(jìn)行壓力注漿。 塌孔、卡鉆的處理。當(dāng)鉆孔穿越強(qiáng)風(fēng)化巖層或巖體破碎帶時(shí),往往發(fā)生塌孔。塌孔的主要標(biāo)志是從孔中吹出黃色巖粉,夾雜一些原狀的(非8/28/202226鉆頭碎的、非新鮮的、無光澤的)石塊

11、,這時(shí),不管鉆進(jìn)深度如何,都要立即停止鉆進(jìn),拔出鉆具,進(jìn)行固壁注漿,注漿壓力采用0.4 MPa,漿液為水泥砂漿和水玻璃的混合液,24 h后重新鉆孔。雨季,常常順巖體破碎帶向孔內(nèi)滲流泥漿,固壁注漿前,必須用水和風(fēng)把泥漿洗出(塌入鉆孔的石塊不必清除),否則,不僅固壁注8/28/202227漿效果差,還容易造成假象。 (3)錨固 根據(jù)選用的錨固劑不同,錨固工藝也有所差別。注水泥漿與樹脂膠泥工藝相似,將注漿管和排氣管綁在鋼絞線上,排氣管綁在最上端,注漿管綁在下端,輕輕送人孔底,封孔后開始注水泥漿或樹脂膠泥,直到排氣管不出氣或出漿為止。 8/28/202228 采用樹脂藥卷錨固時(shí),按先后順序?qū)⒊旎蚩焖?/p>

12、樹脂藥卷和中速樹脂藥卷送入孔內(nèi),用鋼絞線輕輕將樹脂卷送人孔底,用攪拌連接器將鋼絞線與鉆機(jī)連接起來,開動鉆機(jī),邊攪拌邊推進(jìn),攪拌2030 s,將鋼絞線卷入孔底,不落鉆機(jī)停轉(zhuǎn),等待12 min,落下鉆機(jī),卸下攪拌連續(xù)器,完成錨索的內(nèi)錨固。8/28/202229 (4)張拉 注水泥漿錨固需養(yǎng)護(hù)67 d,注漿脂膠泥錨固需養(yǎng)護(hù)45 h,樹脂藥卷錨固需養(yǎng)護(hù)1 h。養(yǎng)護(hù)好后再裝托梁、托板、鎖具,并使它們緊貼頂板,掛上張拉千斤頂,開泵進(jìn)行張拉,觀測壓力讀數(shù)。若千斤頂行程不夠,應(yīng)迅速回程,然后繼續(xù)張拉,達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)力時(shí),停止張拉,卸下千斤8/28/202230頂;若鋼絞線外露長度過長影響行人、運(yùn)輸?shù)葧r(shí),從錨具量起

13、,留出長5.0 10 cm鋼絞線,其余部分可用液壓剪剪斷多余的外露鋼絞線。 二、質(zhì)量控制 1.錨位點(diǎn)放線,各方向允許誤差均為1.0 cm。 2.腳手架的搭設(shè)必須穩(wěn)定,對緊固件的緊固必須有人復(fù)核。8/28/202231 3.錨索孔徑允許誤差2.0 mm。 4.若遇坍孔,應(yīng)立即停鉆,進(jìn)行固壁注漿處理,注漿24 h后重新掃孔鉆進(jìn)。 5.洗孔要干凈徹底,孔中不得留有巖粉和水。 6.錨索的編制要確保每一根鋼絞線始終均勻排列、平直、不扭不叉,銹、油污要除凈,對有死彎、機(jī)械損8/28/202232傷及銹坑者應(yīng)剔出。 7.錨索的長度要根據(jù)鉆孔的實(shí)際深度確定,允許誤差2.0 cm,并對錨索按孔號相應(yīng)編號。 8.

14、 錨索安放要平直,張拉段要放在錨孔中央。 9.錨索的張拉要在錨固段達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,方可進(jìn)行。 10.張拉前張拉設(shè)備要標(biāo)定,重復(fù)8/28/202233三次取平均值。各根鋼紋線拉力不均勻系數(shù)在0.951.05之間,各根鋼紋線的拉力差為5%。 11.補(bǔ)張拉在張拉完成后610 d進(jìn)行,張拉力取設(shè)計(jì)預(yù)拉力的20%。 三、安全措施 1.施工前進(jìn)行技術(shù)安全交底,施工中應(yīng)明確分工,統(tǒng)一指揮。 2.各種機(jī)械機(jī)具應(yīng)處于完好可靠8/28/202234狀態(tài)。 3.上崗前要做好安全檢查工作,由班組長負(fù)責(zé),責(zé)任到人,互相監(jiān)督,施工人員進(jìn)入現(xiàn)場應(yīng)戴好安全帽,操作人員應(yīng)精力集中,遵守有關(guān)安全操作規(guī)程。 4.機(jī)械、電器設(shè)備應(yīng)專

15、人操作。 5.電(氣)焊操作工應(yīng)有操作證。8/28/202235 6.風(fēng)動鉆機(jī)管路連接應(yīng)牢靠,避免脫開甩出傷人。 7.切割鋼絞線使用的砂輪切割機(jī)要設(shè)安全護(hù)罩,以免斷片傷人。8/28/202236第二節(jié) 錨索設(shè)計(jì)示例 示例:綜采工作面全煤切眼錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)和施工 近年來隨著采礦機(jī)械的快速發(fā)展、在采煤工作面中綜采工作面所占份額不斷提高,因此,綜采工作面全煤切眼支護(hù)設(shè)計(jì)和施工十分重要。 一、綜采切眼錨網(wǎng)支護(hù)基本特點(diǎn) 8/28/202237 (一)綜采切眼斷面及支護(hù)形式 由于綜采工作面切眼的凈寬為6.06.5 m,斷面積1719 m2。為此,一般采用先掘后擴(kuò)的方式達(dá)到設(shè)計(jì)斷面。斷面形狀多為梯形或矩形,采

16、用工字鋼梯形棚、單體液壓支柱聯(lián)合支護(hù)方式或錨網(wǎng)梁(錨索)與單體支柱聯(lián)合錨網(wǎng)支護(hù)方式。 (二)綜采切眼錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)要求8/28/202238 綜采工作面切眼由于安裝設(shè)備的需要,巷道斷面大,且布置在煤層中,采用錨網(wǎng)支護(hù)方式時(shí),應(yīng)滿足以下幾條要求: 1.從錨桿支護(hù)機(jī)理可以看出,錨桿的錨固強(qiáng)度是保證錨桿支護(hù)效果的關(guān)鍵因素,因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確定合理的錨固力,正確選擇錨桿類型。在一般的排間距情況下,應(yīng)選用高錨8/28/202239固力錨桿,頂板錨桿錨固力以大于70 kN為宜。目前多選用樹脂錨固劑和金屬桿體錨桿加長或全長錨固以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)錨固支護(hù)的要求。 2.綜采切眼巷道跨度大,巷中頂板錨桿支護(hù)效果尤為重要,

17、以選用長錨桿或錨索加強(qiáng)支護(hù)為宜。否則,需在巷中增設(shè)中間立柱支撐。 3.為增加頂板巖煤梁的抗剪能8/28/202240力,為巖梁提供兩個(gè)支點(diǎn),應(yīng)使靠近巷道兩幫的錨桿向煤體傾斜一定角度。試驗(yàn)表明,錨桿向煤體一般傾斜2040(與鉛垂線夾角)為宜。其角度的大小主要由煤層的賦存條件決定,一般應(yīng)使傾斜錨桿端部的水平投影落在巷幫破煤深度之外,以使頂板形成的承載結(jié)構(gòu)兩端有穩(wěn)定的支點(diǎn)。 4.綜采切眼多為導(dǎo)硐擴(kuò)幫施工, 8/28/202241為確保施工安全,應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù),在臨時(shí)支護(hù)保護(hù)下進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)作業(yè)。 二、綜采切眼錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)施工 下面舉例說明大跨度綜采切眼錨索支護(hù)設(shè)計(jì)和施工情況。 (一)地質(zhì)生產(chǎn)條件 1

18、301工作面是XX煤礦首采面,采用綜采開采。切眼沿3下號煤層傾向布置,原設(shè)計(jì)切眼斷面為梯形,上寬8/28/2022428.0 m,下寬8.494 m,高3.0 m,切眼長度170 m,沿煤層底板掘進(jìn),留頂煤,平均埋藏深度458 m,煤層平均厚度6.8 m,傾角平均5,單軸抗壓強(qiáng)度20.93 MPa。頂板為細(xì)、粉砂巖互層,抗壓強(qiáng)度68.7 MPa;底板為粉砂巖,抗壓強(qiáng)度65.2 MPa,底板與煤層間夾有厚00.5 m的粘土層。3下號煤層的節(jié)理裂隙發(fā)育,該切眼的圍8/28/202243巖條件屬類不穩(wěn)定圍巖。煤層及頂?shù)讕r性見表11。 (二)支護(hù)設(shè)計(jì) 1.斷面形狀選擇 1 301工作面切眼沿3下號煤底

19、板掘進(jìn),采用矩形斷面,切眼掘進(jìn)寬度8.494 m,高3.0 m,切眼切眼頂部采用微拱型,以便提高頂煤的自穩(wěn)性??紤]到切眼煤頂會發(fā)生整體下沉,采8/28/202244表11 3下號煤層及頂?shù)讕r性8/28/202245用微拱后,隨著煤頂?shù)南鲁林饾u變?yōu)槠巾?。如掘出的切眼為平頂,?dāng)煤頂下沉后,出現(xiàn)頂部下彎而不利于頂煤穩(wěn)定,設(shè)計(jì)的頂部微拱高度200250 mm。 2.支護(hù)形式確定 為確保支護(hù)形式合理,首先應(yīng)對全煤切眼頂煤冒落范圍進(jìn)行分析計(jì)算。實(shí)際計(jì)算表明,頂煤潛在冒落拱8/28/202246范圍很大,不論按懸吊理論作用布置還是按加固作用布置,用常規(guī)錨桿支護(hù)都難以奏效,必須在常規(guī)錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采取加固措

20、施。經(jīng)分析,該首采面錨桿支護(hù)試驗(yàn)采用以樹脂全長錨固錨桿、金屬網(wǎng)和鋼筋梯為基本支護(hù);以攪拌樹脂藥卷錨固,小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索為補(bǔ)強(qiáng)加固措施的支護(hù)形式。其中,錨桿以加固作用為主,旨8/28/202247在使其長度范圍以內(nèi)的頂煤形成“似整體結(jié)構(gòu)”;錨索以懸吊作用為主,旨在把潛在冒落范圍內(nèi)的頂煤懸吊在上部較穩(wěn)定的直接頂巖層上,阻止其發(fā)生垮落。 3.錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)確定 1)頂板錨桿:選用202 500 mm螺紋鋼錨桿,全長樹脂藥卷錨固;錨桿間排距,導(dǎo)硐部分600 mm8/28/202248800 mm,擴(kuò)幫部分700 mm700 mm。 2)幫錨桿:選用擬62 000 mm可切割玻璃鋼錨桿,兩卷樹脂藥卷錨固,

21、錨桿間排距擴(kuò)幫部分600 mm700 mm。 3)金屬網(wǎng):采用8號鍍鋅鐵絲編制,或菱形網(wǎng),網(wǎng)孔為50 mm50 mm。 8/28/202249 4)鋼筋帶:采用12圓鋼焊接而成。 4.錨索補(bǔ)強(qiáng)加固參數(shù)確定 切眼跨度大(8.494 m),為防頂煤錨固層整體切落,設(shè)計(jì)采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)加固,由錨索承擔(dān)冒落拱巖石全部載荷。 錨索以懸吊作用為主,根據(jù)1 301切眼頂板巖性條件,確定錨索長度為8/28/2022506.0 m(實(shí)際長度6.5 m),選用15.246 000 mm錨索,其破斷力260 kN,3卷樹脂藥卷錨固,預(yù)緊力大于100 kN,每排布置4根,間排距1600 mm1400 mm。

22、1 301切眼錨桿錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖11所示。 5.支護(hù)說明 1 301綜采切眼原設(shè)計(jì)采用工字鋼8/28/202251圖11 1 301切眼錨桿錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)1錨索15.246000 mm;2錨桿202 500 mm ;3鋼筋梯;4菱形網(wǎng)50 mm50 mm8/28/202252架棚背板支護(hù),其導(dǎo)硐部分早已施工完畢。為保證切眼導(dǎo)硐部分的安全,決定在工字鋼架棚支護(hù)基礎(chǔ)上,采用錨網(wǎng)梯、單體液壓支柱聯(lián)合支護(hù)(單體液壓支柱替代擴(kuò)幫側(cè)工字鋼棚腿),錨索補(bǔ)強(qiáng)加固支護(hù)方式。 頂板采用202 500 mm樹脂全長錨固螺紋鋼錨桿,間排距600 mm800 mm,南幫(導(dǎo)硐外側(cè))8/28/202253錨桿采用202 200 mm樹脂藥卷加長錨固的螺紋鋼錨桿,間排距600 mm800 mm。 (三)施工工藝 首先在已施工的導(dǎo)硐

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