南濤煤礦地質(zhì)學(xué)論文.doc

安全工程學(xué)院學(xué)生科技論文論文題目： 軟巖支護(hù)形式探討 課程名稱： 煤礦地質(zhì)學(xué) 姓 名： 南濤 班 級(jí)： 安全09-3 學(xué) 號(hào)： 12 成 績： 軟巖支護(hù)形式探討 摘要針對軟巖巷道典型的變形規(guī)律，采用理論分析方法對巷道變形破壞原因進(jìn)行分析， 綜述了我國現(xiàn)階段軟巖巷道的支護(hù)形式，闡述各種支護(hù)方式的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 軟巖巷道；變形規(guī)律；支護(hù)形式；二次支護(hù)0 引言隨著我國煤炭資源開發(fā)的進(jìn)一步發(fā)展, 開采深度不斷增加, 井下巷道將處于更高地應(yīng)力環(huán)境之中,大部分巷道圍巖呈現(xiàn)出低強(qiáng)度、膨脹性、強(qiáng)流變性等特點(diǎn)，礦井軟巖巷道的支護(hù)與維護(hù)問題顯得越來越突出，增大了開采作業(yè)難度和技術(shù)要求。因此,研究高地應(yīng)力軟巖巷道變形破壞機(jī)制是保證巷道穩(wěn)定性和這類礦山持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。1 軟巖巷道圍巖變形規(guī)律1.1 影響軟巖巷道變形的因素 軟巖是指強(qiáng)度低,膠結(jié)程度差,受構(gòu)造面切割或風(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。此類巖層在受到礦山壓力大于自身臨界載荷時(shí),就會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性大變形,導(dǎo)致巖體產(chǎn)生拉伸破壞和剪切面,體積擴(kuò)張。通過前人總結(jié),我們得出了軟巖巷道變形主要受以下幾個(gè)因素影響。(1)巖石本身強(qiáng)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)是影響軟巖航道變性的內(nèi)部因素。(2)自重應(yīng)力、殘余構(gòu)造應(yīng)力、工程環(huán)境和施工的擾動(dòng)應(yīng)力,特別是諸應(yīng)力的疊加狀況和主應(yīng)力的大小、方向是影響軟巖巷道巖變形的主要外部因素。(3)膨脹性軟巖浸水后顆粒表面水膜增厚、間距加大、連結(jié)力削弱,體積急劇增大,同時(shí)引起巖石內(nèi)部應(yīng)力不均,容易破壞。因此,地下水和工程用水對膨脹巖危害性很大。(4)對擾動(dòng)的敏感是軟巖的特性之一,鄰近巷道施工、采面回采對軟巖巷道圍巖變形的影響較明顯。(5)軟巖具有明顯的流變特性,時(shí)間也是不可忽略的影響因素。1.2軟巖巷道圍巖變形規(guī)律 (1)軟巖巷道圍巖變形具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。表現(xiàn)為初始變形速度很大,變形趨向穩(wěn)定后勢必導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。(2)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(qiáng)烈底鼓,并引發(fā)兩幫破壞頂板坍塌。(3)軟巖巷道圍巖變形隨埋深增加而增大,存在一個(gè)軟化臨界深度,超過臨界深度變形量急劇增加。(4)軟巖巷道圍巖變形在不同的應(yīng)力作用下,具有明顯的方向性。巷道自穩(wěn)能力差,自穩(wěn)時(shí)間短。2 巷道變形破壞原因分析 巷道變形破壞原因是多種因素綜合作用的結(jié)果。根據(jù)巷道支護(hù)形式、煤巖性質(zhì)、所處層位、生產(chǎn)現(xiàn)狀等情況, 可分析總結(jié)出變形破壞的一些原因。 ( 1) 軟巖遇水膨脹。軟巖多含有膨脹性顆粒和介質(zhì), 這些成分吸水后體積膨脹, 產(chǎn)生很大的膨脹力, 致使巷道變形破壞。水的來源有裂隙滲水, 底板積水, 井下空氣含水大時(shí)也會(huì)產(chǎn)生。如主石門, 部分地段長期積水, 造成巷道相繼底臌, 直到維修處理。部分砌碹巷道墻角開裂, 砌塊塌落, 也是由于水溝一側(cè)浸水, 形成不均衡受力所致。(2) 殘余構(gòu)造應(yīng)力影響。由于整個(gè)礦井地應(yīng)力不高, 這種影響只是在局部地區(qū)存在, 集中表現(xiàn)在小褶曲的軸部。(3) 采動(dòng)影響及巷道布置方式。隨著跨采技術(shù)應(yīng)用及向深部開采, 采動(dòng)影響致使巷道變形破壞有所增加。采動(dòng)影響的超前作用范圍確定不當(dāng), 會(huì)給生產(chǎn)安排造成麻煩(4) 支護(hù)不力或失效。支護(hù)不力有技術(shù)和操作兩方面的影響。如錨網(wǎng)支護(hù)應(yīng)用端頭錨固時(shí), 兩幫的控制失效很多, 需對錨固方式及參數(shù)進(jìn)行修改。對特殊地點(diǎn)巷道分析不足, 認(rèn)識(shí)不夠, 支護(hù)措施跟不上也造成支護(hù)不力,支護(hù)不力造成巷道變形破壞在巷道支護(hù)初期表現(xiàn)在外觀上, 而后期影響是潛在的, 當(dāng)受到其它因素的影響后, 表現(xiàn)很明顯, 而這時(shí)往往忽略了支護(hù)的影響。3 軟巖巷道支護(hù)形式3.1 可縮性金屬支架支護(hù)由于軟巖巷道具有高應(yīng)力、大變形的特點(diǎn)，因此要求金屬支架必須具備高阻可縮性能，既能夠抵抗巷道較高的應(yīng)力狀態(tài)，又能適應(yīng)巷道大變形的特點(diǎn)。針對高阻可縮的要求，現(xiàn)階段我國軟巖巷道常用金屬支架為U 型鋼支架，它具有結(jié)構(gòu)較簡單、承載能力較大、可縮性能較好等優(yōu)點(diǎn)1。U 型鋼支架主要應(yīng)用于地應(yīng)力較大、圍巖非常破碎的巷道，但是U 型鋼支架支護(hù)屬于典型被動(dòng)支護(hù)，在支護(hù)初期無法提供支護(hù)阻力，只有等到圍巖變形后被動(dòng)承載，這造成其實(shí)際承載過程中容易出現(xiàn)偏載或者承載不均勻的情況，導(dǎo)致支護(hù)- 圍巖相互作用關(guān)系較差，因此難以有效地控制軟巖巷道圍巖變形。3.2 錨桿支護(hù)3.2.1 錨桿長度的選擇 幾十年的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，軟巖支護(hù)中側(cè)壓大于頂壓，因此，錨桿長度的選擇應(yīng)以針對側(cè)壓為主。錨桿長度L = I + Z + L3。式中：I，幫部松動(dòng)區(qū)寬度；Z，錨桿穿過松動(dòng)區(qū)的有效錨固長度；L3，錨桿外露長度。幫部松動(dòng)區(qū)寬度，視巷道一次性開挖的墻高度而定，一般就是圍巖的自然安息角的余切值 墻高；有效錨固長度，應(yīng)視圍巖的硬度系數(shù)而定，一般為6080cm；錨桿的外露長度，一般為50100mm 左右。所以，當(dāng)圍巖是高嶺土?xí)r，錨桿的長度一般取2.0l2.2m。3.2.2 錨桿的間排距 一般來說就是要保證每一根錨桿盡可能地承擔(dān)相同的應(yīng)力，并使每一根錨桿的能相互疊加從而形成合力，真正起到組合梁或組合巖拱的作用。因此，應(yīng)根據(jù)圍巖的完整性和巖石的硬度系數(shù)及錨力，來確定錨桿的間排距。以高嶺土的特性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，錨桿的間排距不超過7070mm，一般采取菱形布置?？紤]到圍巖的松散性，為防止間排距間的巖體垮落，可以輔以金屬網(wǎng)或木托板，盡可能使巖體表面得到加強(qiáng)支護(hù)。3.2.3 錨桿的初始錨固力 錨桿的初始錨固力，實(shí)際上就是通過錨桿對被支護(hù)巖體預(yù)先施加壓力，限制圍巖有害變形的發(fā)展，從而保持圍巖的穩(wěn)定。按照當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，我們選擇了管縫式錨桿，錨桿材質(zhì)為具有較強(qiáng)彈性的A3 鋼。為保證其初始錨固力，通過調(diào)節(jié)錨孔與錨桿的直徑比來實(shí)現(xiàn)。即錨桿直徑大于錨孔直徑。當(dāng)錨桿從錨孔中打入巖體時(shí)，使錨桿發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，也就是形成初始錨固力。一般選擇孔徑比為4042mm:45mm。3.3 錨網(wǎng)支護(hù)近幾十年內(nèi)，隨著我國對錨桿支護(hù)理論研究不斷深入以及錨桿支護(hù)技術(shù)不斷發(fā)展，錨桿支護(hù)應(yīng)用相當(dāng)普遍，這主要是由于錨桿支護(hù)在控制支護(hù)成本、改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)以及提高圍巖自身強(qiáng)度等方面的優(yōu)勢。但是錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)是圍巖賦存條件，針對圍巖非常破碎的巷道，錨桿支護(hù)錨固力極易喪失，導(dǎo)致巷道強(qiáng)烈變形2。針對圍巖可錨性較好的巷道分析，現(xiàn)階段錨桿支護(hù)主要是錨桿+ 高強(qiáng)度護(hù)表構(gòu)件（鋼筋網(wǎng)、鋼帶等）+ 錨索支護(hù)，屬于主動(dòng)支護(hù)，能夠有效的改善巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變特性，提高巖體的殘余強(qiáng)度，發(fā)揮圍巖自承載能力。3.4 錨索支護(hù) 傳統(tǒng)的錨索支護(hù)一般適合于煤礦井下大斷面硐室和巷道的補(bǔ)強(qiáng)和加固。錨索鉆孔和噸位一般較大，而且采用注漿錨固，不適用于回采巷道的施工。小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)是近年來研制和開發(fā)的一種適合煤巷掘進(jìn)期間按正規(guī)循環(huán)施工的支護(hù)技術(shù)。其最大特點(diǎn)是采用樹脂藥卷錨固，通過專用裝置可以像安裝普通樹脂錨桿一樣用錨索攪拌樹脂藥卷對錨索錨固端進(jìn)行加長錨固，其安裝孔徑僅為28左右，用變通單體錨桿機(jī)即可完成打孔、安裝。預(yù)應(yīng)力錨索加固圍巖的實(shí)質(zhì)，就是通過錨索對被加固的巖體施加預(yù)應(yīng)力，限制巖體有害變形的發(fā)展，從而保持巖體的穩(wěn)定。在頂板上打注錨索后，由于錨索的錨固點(diǎn)在深部穩(wěn)定巖層中，根據(jù)懸吊理論，使下部不穩(wěn)定巖層通過錨索懸吊在上部穩(wěn)定巖層中，起到了懸吊頂板的作用，同時(shí)由于錨索預(yù)應(yīng)力作用，對已有錨桿支護(hù)的下部巖層進(jìn)行組合、加固。錨索能有效地控制頂板下沉，減少支架、錨桿受力，使群體支護(hù)達(dá)到良好的效果。小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索主要用在破碎、復(fù)合頂板回采巷道，放頂煤開采沿煤層底板掘進(jìn)的巷道，軟弱和壓力較高的回采巷道，以及大跨度開切眼和巷道交岔點(diǎn)。小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索一般不單獨(dú)作為巷道支護(hù)方式，往往與錨桿支護(hù)一起形成一種聯(lián)合支護(hù)方式，錨索能夠起到補(bǔ)強(qiáng)的作用。3.5 聯(lián)合支護(hù)聯(lián)合支護(hù)系指采用多種不同性能的單一支護(hù)的組合結(jié)構(gòu)。經(jīng)過近幾年的不斷研究，軟巖巷道聯(lián)合支護(hù)方式不斷改進(jìn)，例如型鋼支架（U 型鋼、工字鋼）- 索支護(hù)方式、型鋼支架- 錨網(wǎng)支護(hù)等。聯(lián)合支護(hù)方式主要是保留多種支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。以U 型鋼支架- 錨索聯(lián)合支護(hù)為例說明，該種聯(lián)合支護(hù)方式，既能充分發(fā)發(fā)揮U 型鋼支架的結(jié)構(gòu)簡單、高阻可縮的優(yōu)點(diǎn)，又能通過小孔徑高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索改善支護(hù)- 圍巖相互作用關(guān)系，適應(yīng)軟巖巷道高應(yīng)力大變形的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合支護(hù)體共同承載。3.6 二次支護(hù)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 一次支護(hù)后, 對巷道壓力及頂、幫移近量進(jìn)行了觀測。發(fā)現(xiàn):(1) 最大變形時(shí), 頂板錨桿的錨固力平均達(dá)到6.0 t, 沿空幫錨桿錨固力平均達(dá)到4.8 t , 實(shí)體幫平均達(dá)到5.2 t;(2) 破碎圈平均直徑為2.2 m;(3) 頂板移近量稍大于兩幫移近量;(4) 巷道有底鼓現(xiàn)象3.6.1 二次支護(hù)時(shí)間的選擇 依據(jù)新奧理論,適時(shí)選擇二次支護(hù)時(shí)間是巷道支護(hù)成功與否的關(guān)鍵。頂板及兩幫的二次支護(hù)時(shí)間應(yīng)先在一次支護(hù)7天左右較為合適。3.6.2 先對所施工的巷道頂板及沿空側(cè)噴漿、注漿, 再進(jìn)行套架U29 型梯形棚, 最后再在U 型棚下沿巷中架設(shè)一排挑棚。3.6.3 噴漿1) 噴漿材料與參數(shù)(1)噴漿要求能全面封閉巷道裂隙, 局部噴厚100 mm110 mm。(2) 噴料的配合比為水泥: 黃沙: 石子= 1: 2: 2, 水泥標(biāo)號(hào)32.5, 速凝劑的摻量為水泥量的2.4%5%; 噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。(3) 拌料時(shí)控制水灰比為0.40.45, 拌好的潮料的含水量在80%為宜, 用手一揉一團(tuán), 松手似散非散, 若發(fā)現(xiàn)表面干燥松散, 下滑和裂紋時(shí), 必須先調(diào)整水灰比。2) 噴漿要求(1) 噴漿前先用廢舊皮帶結(jié)合大板掩護(hù)好施工點(diǎn)前后10m 范圍內(nèi)的風(fēng)水管路、電纜、風(fēng)筒以及其它一些電氣設(shè)備。(2) 在噴漿處后20m內(nèi)安設(shè)兩道防塵噴霧, 噴漿前開啟噴霧, 且噴霧必須覆蓋巷道全斷面。(3) 噴漿前, 必須用水沖洗巷道的頂、幫, 采用局部斷面噴射混凝土, 嚴(yán)禁出現(xiàn)漏噴、未噴現(xiàn)象, 以防止注漿時(shí)漏漿。(4) 堅(jiān)持隨料隨噴漿的原則, 拌好的潮料不得停放2 h以上。(5) 開機(jī)作業(yè)時(shí), 先開風(fēng), 后開水, 最后送電給料, 停機(jī)時(shí)必須先停料, 料用完后, 停機(jī)并關(guān)閉風(fēng)水。(6) 噴射時(shí), 噴射口與噴射面盡量保持垂直, 且距離不大于1.2 m, 噴頭一般按螺旋形軌跡運(yùn)行, 螺旋圈徑為300mm, 圈壓半圈, 均勻緩慢移動(dòng)。(7) 在噴射中, 如果發(fā)生堵管或突然停風(fēng)、停電時(shí), 必須立即關(guān)閉噴頭水閥, 將噴頭向下放置以防倒流至輸料管中。(8) 發(fā)生堵管時(shí), 可采用敲擊法或高壓風(fēng)吹法處理, 但風(fēng)壓不大于0.4MPa, 同時(shí)要放直輸料管, 按住噴頭, 噴頭前方及其附近嚴(yán)禁站人。(9) 停機(jī)前必須吹凈機(jī)內(nèi)余料, 停機(jī)后必須將噴機(jī)及周圍清理干凈, 管理要盤放整齊; 做好回彈物的回收利用。(10) 噴嘴出口處的風(fēng)壓必須控制在0.15 MPa0.18MPa, 當(dāng)噴射距離發(fā)生變化時(shí), 工作風(fēng)壓也相應(yīng)變化, 水壓必須比風(fēng)壓大0.1MPa左右。(11) 加強(qiáng)個(gè)人防護(hù), 現(xiàn)場人員必須佩帶防塵口罩。4 結(jié)論 在總結(jié)近幾年軟巖巷道支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合某煤礦輔助軌道上山的地質(zhì)條件和巷道變形破壞特征，通過理論分析，總結(jié)該類巷道變形破壞原因，研究提出U 型鋼支架+ 錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場