煤礦巷道工業(yè)設(shè)計論文

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一、軟巖煤礦巷道機理分析

在目前的支護條件下，試圖用支護手段阻止圍巖松動是不可能的。而支護的作用在于限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形，因此，該圍巖松動圈是一個反映圍巖穩(wěn)定性的綜合指標。我們將圍巖中產(chǎn)生的這種松弛破碎帶定義為圍巖松動圈。深井軟巖巷道具有壓力大、來壓快、變形持續(xù)時間長，易風化、遇水膨脹且自身承載能力低等特點，本文支護設(shè)計能很好的適應這些特點，有效保證巷道的安全，不僅縮短了工期，而且降低的經(jīng)濟成本。當巷道開掘后原巖應力受到破壞，圍巖應力重新分布，由三向應力狀態(tài)變?yōu)殡p向應力狀態(tài)，并在巷道周圍產(chǎn)生應力集中。當圍巖應力δ小于R時，圍巖彈性變形狀態(tài)，圍巖只發(fā)生變形而不破壞。當δ大于R時，圍巖就會產(chǎn)生破裂松動，并中巷道周邊向深部發(fā)展。直到δ等于R時，圍巖處于極限平衡狀態(tài)，破壞停止發(fā)展，至此形成的圍巖破裂松動區(qū)即稱之為圍巖松動圈.

（1）錨桿支護不但能及時支護圍巖，防止松動圈的擴大，而且一定程度的提高錨固區(qū)巖體的強度、彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學參數(shù)，并給圍巖施加一定的壓力，改善圍巖應力狀態(tài)，提高圍巖自身承載能力，很好的適應圍巖壓力大、來壓快的特點。

（2）巷道開挖以后，原有的天然應力狀態(tài)被破壞，圍巖中應力重新分布，切向應力增大的同時，徑向應力減小，并在不同處達到極限。這種變化促使圍巖向巷道空間變形，圍巖本身的裂隙發(fā)生擴容和擴展，力學性質(zhì)不斷惡化。在圍巖壓力作用下，切向應力在硐壁附近發(fā)生高應力集中，致使這一區(qū)域巖層屈服而進入塑性狀態(tài)，進入塑性狀態(tài)的圍巖成為塑性區(qū)。塑性區(qū)的出現(xiàn)，使應力集中區(qū)從巖壁向縱深偏移，當應力集中的強度超過圍巖屈服時，又將出現(xiàn)新的塑性區(qū)。如此逐漸推進，使塑性區(qū)不斷向縱深發(fā)展。假若不采取適當?shù)闹ёo措施，所監(jiān)控的塑性區(qū)將隨變形增大而出現(xiàn)松動破壞。塑性區(qū)和松動破壞區(qū)截然不同，松動破壞區(qū)沒有承載能力，而塑性區(qū)具有承載能力.擴大斷面二次支護其機理在于當初始壓力大、變形量大時硬抗是困難的，第一次支護變形將卸掉部分應力，膨脹量將大幅減少。二次錨注支護，將阻止圍巖繼續(xù)變形，即所謂“先讓后抗”機理，很好適應變形持續(xù)時間長的特點。及時噴射混凝土層能有效地防止圍巖的風化，有利于巷道的穩(wěn)定。

（3）采用錨注支護技術(shù)能有效地固化圍巖，使巷道松散巖體形成一個再生自然拱，提高圍巖的整體性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性，封堵裂隙，阻止水的滲透，有效地防止軟巖遇水膨脹及軟化，使圍巖位移量減小，巷道變形得到了明顯控制。

二、軟巖煤礦巷道失修的類型及其原因

2.1、道失修的類型

巷道失修是由于巖體內(nèi)弱面（裂隙、層理、節(jié)理等）的存在，破壞了圍巖的穩(wěn)定性，受地壓作用產(chǎn)生變形或破壞，從而造成冒頂或片幫。在生產(chǎn)中，常見的巷道失修類型有：冒頂、片幫、底鼓或冒頂加片幫、片幫加底鼓等類型。

2.2、冒頂產(chǎn)生的原因

巷道發(fā)生冒頂事故，是由于巷道頂板不穩(wěn)定，而兩幫巖石較穩(wěn)定，巷道頂板巖石受應力作用，在巷道支護強度不夠的情況下便產(chǎn)生變形或破壞，以致冒落。

2.3、片幫產(chǎn)生的原因

由于巷道兩幫巖石內(nèi)弱面的存在，在巷道支護強度不夠的情況下，當受到應力作用時，破壞了圍巖的穩(wěn)定性便產(chǎn)生片幫。

2.4、巷道變形產(chǎn)生的原因

巷道布置在塑性巖石中，由于動壓作用，使巷道圍巖的穩(wěn)定性遭到破壞，巷道圍巖產(chǎn)生了變形和位移現(xiàn)象。巷道變形多表現(xiàn)為片幫或底鼓現(xiàn)象。

三、軟巖煤礦巷道錨帶加固技術(shù)應用

鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法有：減輕荷載、改變計算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。當有成熟經(jīng)驗時，也可采用其他的加固方法。經(jīng)鑒定需要加固的鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)損害范圍一般分為局部加固和全面加固。局部加固是對某承載能力不足的桿件或連接節(jié)點處進行加固，有增加桿件截面法、減小桿件自由長度法和連接節(jié)點加固法。全面加固是對整體結(jié)構(gòu)進行加固，有不改變結(jié)構(gòu)靜力計算圖形加固法和改變結(jié)構(gòu)靜力計算圖形加固法兩類。增加或加強支承體系，也是對結(jié)構(gòu)體系加固的有效方法。增加原有構(gòu)件截面的加固方法是最費料最費工的方法（但往往是可行的方法）；改變計算簡圖的方法最有效且多種多樣，其費用也大大下降。加固結(jié)構(gòu)的施工方法有：負荷加固、卸荷加固和從原結(jié)構(gòu)上拆下應加固或更新的部件進行加固。加固施工方法應根據(jù)用戶要求和結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)，在確保質(zhì)量和安全的前提下，由設(shè)計人員和施工單位協(xié)商確定。

（1）帶負荷加固。施工最方便，也較經(jīng)濟。是用于構(gòu)件（或連接）的應力小于鋼材設(shè)計強度的80%時，或構(gòu)件無甚大損壞（破損、變形、翹曲等）的情況下。此時為了使新加固桿件參與受力，有時需要對被加固桿件采取臨時卸荷的措施。另外，在加固時應注意不影響其他構(gòu)件的正常使用。

（2）卸荷加固。適用于結(jié)構(gòu)損壞較大或構(gòu)件和連接的應力狀態(tài)很高，需要暫時減輕其負荷時。對某些主要承受可動荷載的結(jié)構(gòu)（如吊車梁等），可限制其可動荷載，即相當于大部分卸荷。

（3）從原結(jié)構(gòu)上拆下應加固或更新的部件。當結(jié)構(gòu)破壞嚴重或原截面承載力過小，必須在地面進行加固或更新時采用。此時必須設(shè)置臨時支撐，使被換構(gòu)件完全卸荷；同時，必須保證被換結(jié)構(gòu)卸下后整個結(jié)構(gòu)的安全。由于煤礦巷道所穿越的地層大部分為沉積巖地層，尤其當這些地層為中生代和新生代的含有膨脹性礦物的粘土類巖石(泥巖、頁巖等)或膠結(jié)程度較差的其它巖石時，相對于冶金等其它巖土工程領(lǐng)域的巖石而言，煤礦巷道圍巖的軟弱松散、碎脹流變等特點就顯得更為突出，從而造成煤礦軟巖巷道圍巖的變形量往往很大，且變形時間長，受采動影響明顯，給井下支護工作造成了嚴重的安全隱患。純錨桿支護只能在短時間內(nèi)控制圍巖的變形，必須采取有針對性的補強支護措施。

3.1、大變形巷道的支護特性分析

由于大變形巷道圍巖地層大部分為沉積巖地層其以炭質(zhì)、砂質(zhì)泥巖為主，尤其當這些地層為中生代和新生代的含有膨脹性礦物的粘土類巖石(泥巖、頁巖等)或膠結(jié)程度較差的其它巖石時，相對于冶金等其它巖土工程領(lǐng)域的巖石而言，煤礦巷道圍巖的軟弱松散、碎脹流變等特點就顯得更為突出，從而造成煤礦軟巖巷道圍巖的變形量往往很大，且變形時間長，受采動影響明顯，使用單軸抗壓強度較低，膠結(jié)性差，易分化潮解從而出現(xiàn)明顯的變形破壞，(1)巷道頂部的錨桿在頂板離層難以達到穩(wěn)定巖層范圍，破碎圍巖在變形加劇的影響下，巷道頂板下沉量大，變形速度快，持續(xù)時間長。(2)變形的劇烈，錨桿容易出現(xiàn)螺母壓壞托板的現(xiàn)象，失去托板承托效應的錨桿錨固力明顯減弱導致巷道出現(xiàn)收斂的趨勢。(3)一般的剛性棚式支護普遍被壓壞，其中以架棚頂梁的破壞最為明顯，架棚柱腿則由巷道兩邊向中心收斂。(4)巷道底部出現(xiàn)大量的底鼓現(xiàn)象，并且底鼓的出現(xiàn)與頂板下沉、幫部收斂同時發(fā)生，相互影響，形成惡性循環(huán)。(5)巷道圍巖對擾動極為敏感，當受到采動等影響時，會發(fā)生劇烈的變形，甚至整體失穩(wěn)破壞。(6)巷道圍巖表面由于大量的親水性礦物的存在，風化、潮解現(xiàn)象嚴重，進一步加劇了巷道的變形。

3.2、大變形巷道支護設(shè)計原則

大斷面錨帶支護設(shè)計，利用錨桿支護改變圍巖的力學性質(zhì)約束圍巖變形。同時結(jié)合鋼帶的施加發(fā)揮錨桿的主動支護效能，提高錨桿支護的整體性，并與錨桿一起形成錨梁來控制圍巖變形。

3.3、錨帶支護技術(shù)

通過鋼帶將錨桿、錨索連接在一起，提高錨梁的抗彎性能，加強巷道頂部的承托能力：使用螺紋端錨錨桿為22mm×2400mm,鋼筋錨桿規(guī)格型號為16mm×1600mm,間排距均為600mm,矩形布置;錨索規(guī)格15.24mm×6400mm,配套使用本礦制造的樹脂錨固劑及4m長鋼帶托梁,配合鋼帶托梁組合成一個支護整體。鋼帶橫向布置,在巷道中心線兩側(cè)左右對稱支護,鋼帶托梁間距為2.4m,錨索間距為2.4m。頂錨桿為每排8根,螺紋錨桿和鋼筋錨桿間隔使用。錨索滯后工作面距離不大于2.4m。采用π型鋼棚加強支護,梁長3.6m,棚腿采用DZ-35型單體液壓支柱,棚距1.6m,π型鋼棚垂直巷道中心線左右對稱布置,π型鋼棚下單體支柱距巷道中心線為左右各1.5m。架π型鋼棚滯后工作面不超過10m。用錨桿支護后再進行加強支護,預計頂板變形不大,因?qū)儆趩我幻簩娱_采,切眼內(nèi)礦山壓力無明顯顯現(xiàn),圍巖變形量不大,頂板變形量最大不超過3mm。在頂板支護后基本處于穩(wěn)定狀態(tài),兩幫由于有錨網(wǎng)支護,且配有支柱及大拌背幫,也不存在片幫現(xiàn)象,較傳統(tǒng)支護在頂板控制方面具有很大的優(yōu)越性。

3.4、鋼帶設(shè)計

鋼帶將錨桿連接在一起，協(xié)調(diào)錨桿形成的錨梁的變形，擴大錨桿的有效錨固范圍及頂板錨梁的承托范圍，同時由于鋼帶的存在可以給錨桿施加較大的初錨力，真正實現(xiàn)錨桿的主動支護。鋼帶按斷面形狀分為平鋼帶、W形鋼帶及M形鋼帶。其中M形鋼帶由于抗彎性能較強，適宜于軟巖大變形巷道的錨桿支護。鋼帶的拉斷載荷p可以近似用下式計算:p=(b－d)tσb式中：b———鋼帶寬度，m；d———鋼帶錨桿孔直徑，m；t———鋼帶厚度，m；σb———鋼帶的抗拉強度，MPa。

四、加固管理措施

規(guī)范錨桿支護設(shè)計。針對現(xiàn)行錨桿支護設(shè)計的不足，根據(jù)實踐經(jīng)驗，吸取教訓，對巷道圍巖根據(jù)不同區(qū)域、同一區(qū)域不同地點進行科學、合理的地質(zhì)評估，結(jié)合地壓(巷道埋深)情況(垂直應力和水平應力)制定出符合張集煤礦實際的具有切實性和科學性的錨桿支護設(shè)計方案，堅持引進先進技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，優(yōu)化設(shè)計組合，舍得資金投入。加強施工管理。首先，完善施工工藝，規(guī)范操作在不斷探索、試驗的基礎(chǔ)上，完善煤錨支護施工工藝，規(guī)范施工操作程序，保證錨桿安裝質(zhì)量，使錨桿支護及時、主動的優(yōu)越性得以充分體現(xiàn)，是提高煤錨安全性的一個基本措施。其次，制定技術(shù)措施，強化落實制定切實、科學的煤錨支護設(shè)計規(guī)范，完善煤錨支護工藝的基礎(chǔ)上，編制出具有針對性的施工技術(shù)措施，強化措施落實，是保證錨桿支護質(zhì)量，提高煤錨支護安全性的一個重要措施。最后，完善錨桿支護質(zhì)量檢查制度，嚴格施工過程的檢查監(jiān)督完善區(qū)隊施工過程中的錨桿支護質(zhì)量檢測制度，做好日常的錨桿初錨力、錨固力等檢測工作，發(fā)現(xiàn)施工質(zhì)量問題及時整改，是保證錨桿施工質(zhì)量，提高煤錨支護安全性又一必要的基礎(chǔ)性措施。做好錨桿受力與頂板離層監(jiān)測。要加大資金投入購置精度較高、實用的監(jiān)測和測試儀器，從日常觀測中隨時掌握錨桿支護受力變化情況及頂板異常情況，以便于及時處理，采取支護對策確保支護的安全性。對觀測資料及時整理、分析、匯總，及時反饋，以便于及時進行錨桿支護設(shè)計的優(yōu)化調(diào)整，這是提高煤巷錨桿支護安全性不可缺少的重要一環(huán)。錨桿支護技術(shù)是一項貌似簡單，實則復雜的系統(tǒng)工程，影響支護效果與成敗的因素很多。隨著科技進步，錨桿產(chǎn)品的規(guī)范化、精細化的生產(chǎn)以及錨桿支護檢測技術(shù)的完善，人們對錨桿支護作用機理認識的進一步深化，錨桿支護必將成為煤礦支護最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。只要我們認真對待，注重研究，錨桿支護將會迎來更加迅速發(fā)展的時期。