1概述
巷道維護的任務(wù)
1,在巷道的使用期內(nèi),為保證其形狀,橫向斷面尺寸及其完好程度滿足生產(chǎn)需要;
2,在巷道的使用期內(nèi),保證人員和機器設(shè)備的安全及必要工作條件;
3,選擇最經(jīng)濟的提高巷道維護穩(wěn)定性和巷道維護方法的措施.
我國因為巷道不通暢影響生產(chǎn)的例子是很多的.就以銅川王石凹礦為例.該礦是蘇聯(lián)莫斯科煤礦設(shè)計院設(shè)計的,57年建井,61年投產(chǎn),設(shè)計能力120萬t/年.因為主要巷道的巖層層位選的不正確,到64年不得不被迫停產(chǎn)維修,這三年也總共產(chǎn)煤90萬t/年.總損失達3000萬元,相當于建3各中型礦井.煤礦
因此,作為咽喉和通道的巷道,直接影響著生產(chǎn)能否正常進行.在進行礦井設(shè)計時就必須考慮巷道維護.
維護巷道提高巷道穩(wěn)定性的方法時很多的,而應用最廣泛的是在巷道中安設(shè)支架.支架分為兩類:①傳統(tǒng)支護(支撐式支護),木材,石材,混凝土,金屬等,②錨噴支護.
§2圍巖與支架的相互作用
一,地下巷道與地面工程比較
水塔:體系由結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成,承受外載荷為水壓,氣壓等.
巷道:體系由巖體和支護結(jié)構(gòu)組成.巖體既是載荷,又是承載單元.即圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同承載(見圖).
二,巖石及破壞特性的意義
設(shè)破壞特性即全曲線達到峰值之后的特性.
右圖為巖石的單全曲線.
大體可分為三段:
峰值前oa段,近似的視為彈性階段;峰值后ac段,強度下降,為塑性理論術(shù)語中稱之為"軟化"段;c點后為殘余強度段,變形繼續(xù)發(fā)展,它可以視為巖石松弛破壞的標志.
圖為不同側(cè)壓下三向壓縮下的全曲線.講義P6.可以看出,側(cè)壓減小,其峰值強度和殘余強度也降低.
由上圖,在不用側(cè)壓下分別對峰值強度和殘余項度作應力圓,就可以得到對應于峰值強度及殘余強度的兩條強度曲線,如圖.
在巖石變形尚未達到松弛破壞之前,及時的給以支護,則可起到兩個作用:
1,限制圍巖變形,避免使其發(fā)展到松弛破壞的殘余強度階段,以充分利用巖石自身的強度,為上圖中的k點,強度曲線在(1),(2)曲線只見,巖石可保持較高的強度(高于殘余強度);
2,巷道周邊由于側(cè)壓力的改變,使巖石的峰值強度和殘余強度提高,且會使應力圓右移.
三,巷道圍巖的破壞
下面,我們分析一下巷道圍巖破壞的發(fā)展情況:
設(shè)
1,周邊應力集中,詳細解圖,航渡開挖出來后未支護,其和分布如圖,在巷道周邊因處于最不利的應力狀態(tài),坐標如圖作周邊處應力圓.
A,B為巖石的強度曲線.倘為高強度巖石A,則周邊處的應力圓處于巖石A的峰值強度曲線內(nèi),故圍巖自身穩(wěn)定,無須支護.倘為強度較低的巖石B,則應力圓與曲線相割,故周邊處的巖石將發(fā)生塑性變形以及破壞,導致應力重新分布.
2,產(chǎn)生塑性松動區(qū)
此時,仍未支護,則變形不受限制發(fā)展,巖石強度最后下降至殘余強度,導致巖石破碎松動冒落.這樣又形成新的暴露面,應力又重新分布,破壞區(qū)繼續(xù)向外發(fā)展.如此周而復始,破壞一直繼續(xù)下去,直到達到最終的平衡狀態(tài)為止.這時破碎松動區(qū)范圍使最大的,由此可以看出,巖石的破壞不使突然崩潰的,而是一個漸進的過渡.
3,如果開掘后適時的予以支護,并保證有效地限制巷道收斂變形的發(fā)展.那么由于支護限制變形而產(chǎn)生的抗力使周邊巖石恢復到三向應力狀態(tài)(),因而強度曲線提高,應力圓平移,破壞限制在一定范圍內(nèi),使巖石處于良好的穩(wěn)定轉(zhuǎn)狀態(tài).
錨噴支護施工及時,承載較快,這些特點保證了它能改善圍巖應力狀態(tài)以保持其自身強度,及時有效地限制圍巖變形,提高了圍巖穩(wěn)定性.而其它形式的支護難以達到這樣的要求.
四,P—u【壓力(載荷)—周邊位移(支架位移)】曲線
1和I為傳統(tǒng)支護時巷道周邊位移曲線和支架的特性曲線,支架并不直接改變巷道圍巖的變形—強度特性,而只是在一定程度上限制圍巖的變形和防止其破壞.
相反,錨噴支護由于錨桿插入巖石中,噴漿充填了巖石的裂隙,因而就大大提高了巷道圍巖的內(nèi)聚力k,提高了其抗拉強度.支護后,巖石的位移曲線向上移動.見圖2和II.
這一點也是傳統(tǒng)支護形式難以達到的,這也是錨噴支護在采礦工業(yè)中能得以迅速推廣應用的原因之一.
五,支護結(jié)構(gòu)的特性和施工工藝對支護抗力的影響
(一)支護結(jié)構(gòu)特性指支護的剛度
II表示直接的剛性過大,工作點位置高,支架載荷大.
III則相反.
(二)施工工藝指支護時間和支護圍巖接觸情況
1,II表示支護過早,支架載荷大,III則過晚,圍巖已破碎.
2,解除情況:如果圍巖與支護間用砂,背板等充填均勻,則可以傳遞,,,否則是點接觸,支護因局部承載而破壞,力的傳遞不均勻.
§3支撐式支架設(shè)計
一,支架分類及要求
(一)分類:單體式:棚子
整體式:混凝土
(二)要求:
1,技術(shù)方面:
承載能力(強度)
剛度(可縮性)
穩(wěn)定性(整體,零件)
2,經(jīng)濟方面:
成本低,修理少,占空間小,能復用,支架在巷道成本中的比例大,平巷占25~30%,豎井50～60%.
3,施工方便,省力,便于機械化.
二,支架的幾個問題
(一)圍巖抗力
支架受地壓作用后,局部向圍巖方向變形而引起圍巖對支架的反作用力.
圍巖抗力的大小
—圍巖拉力系數(shù),圍巖越硬,拉力系數(shù)越大,圍巖拉力也就越大.
U—支架變形,支架變形越大,即u增加,圍巖抗力越大.
圍巖抗力對支架式有利的
1,提高了支架的穩(wěn)定性
2,抗力總是分布在壓力較小的一側(cè),使單向受力變?yōu)槎嘞蚴芰?減小支架的彎矩.
猶如手握雞蛋難破,又如唐山地震情況,所以要充分利用圍巖反力.
(二)支架穩(wěn)定條件
考查右邊梯形支架,在地面,因為自由度大,顯然是不穩(wěn)定的;在井下因四周是圍巖,一個方向受推力時,另一個方向承受圍巖抗力,因而是問道的,只有三鉸成一條直線時,支架才失穩(wěn).這就是梯形支架的穩(wěn)定條件.
支架的鉸越多,其圍巖反力利用的越充分,支架構(gòu)件的彎矩越小,內(nèi)力越低,但其穩(wěn)定性就越差.見右圖.一般支架的鉸不宜超過六個.
(三)支架的可縮性
支架的可縮性是支架在保持一定支撐力的情況下沉縮的性質(zhì).
支架可縮性是為了保證支架有效的支撐巷道,又保證其不被破壞.特別在采區(qū)巷道內(nèi),由于采動影響,圍巖變形量很大(頂板下沉量達400～500mm),支架的可縮性就顯得更為重要,否則即使強度再大的支架,如43kg/m的鋼軌為頂梁,也會壓壞.可縮性支架就是以柔克剛.
獲得可縮性支架的方法有:
1,接頭壓縮
用于金屬,混凝土,料石支架,伸縮梁小,
2,柱腳可縮
3,構(gòu)件滑動,P169,特殊可縮性支架.
4,構(gòu)件轉(zhuǎn)動
三,支架性質(zhì)的選擇
脆性巖石選擇剛性大支架,塑性巖石選擇剛性小的支架.
四,支架設(shè)計步驟
(一)調(diào)查研究,掌握充分的原始資料.巷道地質(zhì)情況:圍巖的,,,,,;巷道用途,服務(wù)年限,尺寸,臨近巷道及有無采動影響,類似巷道支護及地壓情況等等.
(二)估算地壓,可按松動地壓公式,當然,如有實測的數(shù)據(jù),則是代表性的,如無相關(guān)資料,可根據(jù)巖性估算.
(三)選材與選型
1,選材的原則是:節(jié)省木材,少用鋼材,就地取材.
對于我國,木材,鋼材的節(jié)約更具有特殊意義:
全世界森林覆蓋率30%,中國為11.5%,全世界按人口平均75m3,中國小于10m3.而且我國分布集中,主要在東北,內(nèi)蒙古,僅運輸費就占成本的60%,而煤炭工業(yè)用量極大,50年代為28m3/礦.年,60年代大于10m3/礦年,現(xiàn)在更少.鋼材我國300萬t/年,人均是很少的,所以我國支架材料發(fā)展情況是這樣的:50年代混凝土,60年代為混凝土預制構(gòu)件,70年代是錨噴.
2,選型
支架的外形即為巷道斷面,基本上由支架材料確定下來.
構(gòu)件的橫斷面設(shè)計
構(gòu)件的連接設(shè)計
(四)支架內(nèi)力計算.
(五)強度校核.
(六)繪施工圖,交付制造.
(七)現(xiàn)場觀測,不斷改進.
五,支架內(nèi)力計算舉例
講義上的例子打架可以看,現(xiàn)舉一梯形巷道的例子:
設(shè)地壓均勻分布,頂梁壓力,立柱側(cè)壓,
式中:和為前面計算處的頂壓和下部側(cè)壓,
n—安全系數(shù),取1.5～2.
受力情況如圖,將側(cè)壓簡化為均壓.
因為對稱,僅分析構(gòu)件AB和AC.四個未知數(shù),,,,列四個方程:對于頂梁:

所以,
對于立柱:

所以,

所以,

然后,求出每個構(gòu)件的彎矩,內(nèi)力.
§4錨噴支護
一,概述
錨噴=錨桿+噴漿
其發(fā)展情況:
錨桿:1972年出現(xiàn)于英國,二戰(zhàn)后美國開始普遍采用.到50年代,各國均廣泛用之.
噴漿:噴砂出現(xiàn)很早,在50年代有了噴砂機械,開始噴漿.
我國50年代開始使用錨桿,60年代在鐵礦中引進噴射混凝土.到70年代開始用于煤礦,在煤礦中發(fā)展十分迅速,到81年為止,用錨噴施工的巷道已達6000kM,僅80年就為1450kM.目前平均為1000kM/年,全國平均巷道的30%,半煤巖巷的15%使用錨噴支護,在一些先進的礦區(qū)比例更大,雁行達75%,半煤巖巷達50%.這樣的規(guī)模式任何國家無法相比的,也是國內(nèi)任何其他部門無法相比的,例如冶金部門,錨噴巷道總長也僅為500kM,而它的曠世開采量并不少.
錨噴之所以在我國發(fā)展如此快,規(guī)模如此大,式因為它復合我國的國情,今后,仍是我國煤礦巷道支護的一個主要支護方式.
二,錨噴支護力學作用原理
(一)錨桿支護力學作用

1,分類
2,力學作用
(1)懸吊作用(減跨作用)有老頂時,
(2)組合作用:無老頂,完全成層狀巖層.
最大彎矩(按簡支梁計算)
——均布載荷
——梁長(跨度)
矩形斷面模量:
——斷面寬度
h——斷面高度
n——梁數(shù)目(巖層數(shù))
可以求出最大應力.
巖層在錨桿前后最大應力相差很大,所以在成巖巖體中,錨桿作用時顯著的.
(3)銷釘作用
抗剪作用邊坡防滑,弱面等.
(4)擠壓加固作用
每根錨桿加工圍巖的范圍如下圖,每根錨桿在預應力作用下形成圓錐壓縮區(qū),其最大寬度小于錨桿長度,當錨桿間距時,相鄰錨桿所加固的圍巖壓縮區(qū)布是各自孤立的,而是連成一體形成一個均勻的壓縮帶,其厚度為w,在p作用下,w內(nèi)巖石處于三向受力狀態(tài),巖石強度增加.
因此,當在巷道圍巖中系統(tǒng)的布置錨桿,而且,那么,在巷道周圍形成的均勻壓縮帶就成為人工承壓球或人工拱,起到維護圍巖的作用.
上面所講的錨桿四種作用同時都起作用.在某一具體情況中,可能某一種作用為主.
二,噴射混凝土力學作用
(一)防護作用
設(shè)巷道剛開挖時的圍巖強度條件為ab,其周邊某點的應力圓為A
如果開挖后,不用噴射混凝土支護,則圍巖由于風化,水和時間的作用,其強度不斷削弱,強度曲線右移,當移倒a'b'時,與A相切,圍巖破壞,即使采用傳統(tǒng)支護,也不能抑制圍巖強度的的削弱,它只能消極的承擔由于強度降低而產(chǎn)生的地壓,而采用平時混凝土支護,隔離了水和空氣同巖層的接觸,防止了巖體剝落,膨脹及節(jié)理充填料的的流失,從而防止了強度曲線的右移.
(二)加固作用
一方面,噴射混凝土借助于高壓空氣以高速度噴到巖面上,使一部分混凝土漿壓入張開的節(jié)理和裂隙,將有裂隙的圍巖鉸結(jié)在一起,不僅防止了強度的削弱,相反使圍巖強度提高,強度曲線左移.
另一方面,噴射混凝土摻有速凝劑,1～3分鐘內(nèi)初凝,10分鐘內(nèi)終凝,因而能迅速提高pi,應力圓由A縮小為B.
(三)改善圍巖支架的應力狀態(tài)
傳統(tǒng)支護要求提高壁后充填質(zhì)量,但仍然很難做到與圍巖全面均勻接觸,仍然不可避免的在圍巖或支架中出現(xiàn)局部應力集中,造成破壞,右圖為兩種典型的局部應力集中:1.為充填不好,相當于點載荷,彎矩極大.2.為半邊充填,即拱的半邊受均布載荷,彎矩仍很大.
當圍巖與支架充分接觸時,無彎矩.傳統(tǒng)支護幾乎不可能做到這一點,而噴射混凝土支護很容易做到這一點.如果學者對噴射混凝土支護進行靜力分析和模擬試驗表明,噴射混凝土表面幾乎不出現(xiàn)拉應力.因此,與傳統(tǒng)支護相比,噴層雖薄,但不會在彎曲作用下破壞.
三,錨噴合理參數(shù)的選擇計算
(一)錨桿計算
1,錨桿長度
主要從懸吊和組合作用考慮,設(shè)計中應保證錨桿錨到松動破裂帶以外的穩(wěn)定巖體上.
式中:——錨入穩(wěn)定巖體的長度
——錨桿抗拉強度
——錨桿直徑
——砂漿和錨桿的許用粘結(jié)力,即錨桿拉應力=砂漿粘結(jié)力
L1不小于300mm
——破裂帶高度
——錨桿外露長度,
煤礦中以1/3巷道跨度為宜,一般=1.2～1.5m.
2,錨桿間距
由前述知,
一般錨桿密度1～4根/m3,以1～2根/m3為最多.
3,錨桿布置
錨桿插入的方向應垂直巖體的只要結(jié)構(gòu)面,至于個別危巖錨桿,按具體情況布置.
(二)噴射混凝土噴厚計算
1,按穩(wěn)定危巖計算(適用于堅硬節(jié)理巖體)
設(shè)一塊危石有冒落的可能,以噴射混凝土支護,在危巖重力G的作用下,噴層主要受剪切破壞,
式中:——危石周邊長
——噴層厚度
——混凝土抗拉強度,應為抗剪強度,但抗剪強度難以得到,另外抗拉強度小于抗剪強度,故用等安全.
2,按剪切破壞理論計算(適用于軟巖中)
根據(jù)模擬實驗和現(xiàn)場觀測,奧地利的拉勃希維茲等提出"剪切破壞理論"他認為,在采用噴射混凝土時,巷道兩幫由于地壓的作用形成了楔形剪切體,如圖,噴射就是在該剪切體向內(nèi)移動時發(fā)生剪切破壞.
式中:——作用于噴層上的壓力
——地壓作用范圍,
——噴厚,噴層抗剪面長度
——混凝土抗剪強度
對這種理論很多人提出修改意見.其具體計算主要確定,參看講義.
有人認為,拉勃希維茲的剪切破壞不是唯一的破壞形式,應以壓裂,壓剪,拉壞三種破壞形式來考慮.
3,合理噴厚
模擬實驗表明,,巷道兩幫脫層,應發(fā)育6cm,,位移基本不在降低,應力降低很小,故,時為彎曲破壞,混凝土抗剪>抗彎,所以,一般
按斷面不同,煤礦中取
如果經(jīng)計算,,強度不夠,可配合其他支護,如錨桿,金屬網(wǎng)等.這時,其力學作用為聯(lián)合作用,分別計算其抗力,各抗力之和為錨噴支護的總抗力,其值應大于變形地壓.
三,新奧法支護
50年代到60年代奧地利,法國等在隧道施工中創(chuàng)造了一種施工方法,這種方法叫"新式奧地利施工法(NATM)"簡稱"新奧法".法國叫"收斂—約束法".這種施工方法的實質(zhì)是盡其最大的可能發(fā)揮圍巖自身的強度作用,而不是讓襯護被動的去承擔業(yè)已陷落的巖塊重量,以減輕襯護的復旦.要達到這一點,就要使圍巖免于受到認為的擾動破壞,開挖后及時說話,防止圍巖產(chǎn)生有害變形,所謂有害變形就是圍巖產(chǎn)生破裂脫落變形,而在某一允許的界限內(nèi)的變形,則是有利的.所以,在此界限內(nèi),要讓圍巖可能多的變形(即圍巖卸載)之后,再支護,這就發(fā)揮了圍巖潛力,又保護了襯護.顯然,正確的掌握支護時機是非常重要的.
"新奧法"的產(chǎn)生發(fā)展是與錨噴的應用緊密相連的,"錨"和"噴"是"新奧法"常用的兩種理想的支護手段,但這并不等于"新奧法"就是錨噴,只有遵循了上述的原則,才是"新奧法"施工.
目前,"新奧法"施工是將噴射混凝土支護分兩步來完成,以達到最大限度低利用巖石抗力來支護自身.
第一步,再圍巖暴露后,盡快以一層很薄的噴射混凝土來封閉暴露面.這一薄層稱為柔性外拱.同時,根據(jù)需要系統(tǒng)配置錨桿形成一個承載環(huán),這樣,既改變了圍巖的應力狀態(tài),又因為薄層具有很大的可縮性,保證圍巖再不發(fā)生脫落(最大位移值)的前提下,可以自由迅速的位移,從而是圍巖能充分的發(fā)揮其自身承載能力(相反,過厚的噴層就往往限制自身承載能力的發(fā)揮).
F點為柔性外拱的工作點,它可以盡量的接近D點,噴層載荷為值,當然,要判斷工作點設(shè)計的是否合適,要在外拱完成后定期進行位移和壓力的測量工作,以便改進設(shè)計和采區(qū)措施.
第二步,在外拱達到穩(wěn)定平衡后,噴混凝土內(nèi)拱.這時,顯然這噴層的剛度和強度要增加,但圍巖已達到穩(wěn)定平衡狀態(tài),即幾乎不再位移,因此,作用在支護上的地壓值仍維持在值之上,而支架的承載能力因內(nèi)拱的形成提高為,于是支架的承載力就有一個預備安全系數(shù)
如果不分兩步噴射,即不等圍巖平衡后再噴內(nèi)拱,則因支護剛度大而工作點提前于點.這時,支架的承載力始終與圍巖作用在支架上的力相等,因而得不到任何儲備安全系數(shù).
四,錨噴支護地優(yōu)點及注意的
(一)優(yōu)點
1,及時迅速
炮煙不散就可以薄噴,及時提供圍巖抗力.
2,早強密貼
摻速凝劑,2～10分鐘內(nèi)終凝,很塊獲得強度,從而保證很快承載.與圍巖密貼(錨桿深入巖體)充分均勻的接觸,改善了其應力狀態(tài),能傳遞拉,壓,剪各種應力.
3,柔性調(diào)控
先噴一薄層,具有可縮性,厚薄可由施工人員適當調(diào)整.
4,施工靈活
錨噴參數(shù)可調(diào)整性,可以多次施工,臨時支護可作為永久支護的一部分.可和其他支護配合使用.
5,封閉深入
防風化,防水,身涂張開的節(jié)理裂隙中去.
(二)應用時注意的
1,適用條件,很廣泛,但不是萬能的.在軟巖中服務(wù)年限短(半年)的采區(qū)巷道中,經(jīng)濟上不合算.
有利條件:,塊狀,層狀圍巖,的完整圍巖,均為受采動影響不大時.
蘇聯(lián):的完整圍巖.
2,在下列條件下采用混合支護
(1)具有很強的膨脹地壓
(2)劇烈破壞帶(即巖石的自穩(wěn)時間極短)
(3)地壓很大時(或埋深大,或構(gòu)造應力大)
也就是說,這時單獨采用噴混凝土是不利的,混合支護如預注漿,砌混凝土等.
3,積極采區(qū)防塵措施
規(guī)程規(guī)定10～20毫克/m3,而我國目前實際50～120毫克/m3.
4,充分發(fā)揮修理巷道作用
特別是在采區(qū)煤倉和處理冒頂,噴混凝土很安全方便.
§5井巷維護方法
維護的基本原則是:盡最大可能提高圍巖強度和改善圍巖應力狀態(tài),以充分利用巖石自身抗力支承地壓.
一,利用良好的工程地質(zhì)條件
(一)巷道盡可能布置在堅硬均質(zhì)巖層中,避開惡劣的地質(zhì)條件,如含水膨脹巖層,地質(zhì)構(gòu)造破壞帶,背向斜軸,松軟巖層等.
(二)避開巖滲地區(qū),躲開地下水.
(三)穿巖比順巖有利
以上不是絕對的,如深部開采時,堅硬巖層會產(chǎn)生沖擊地壓.
二,使井巷周圍巖體應力降低
(一)巷道布置在應力降低區(qū)
1,采空區(qū)下方,沿空送巷
2,改進開采方法和順序:如越上山,先采后掘等.
3,鉆孔卸壓
(二)在原巖構(gòu)造應力較大時,巷道沿最大的主應力方向布置.
三,選擇合理的巷道斷面
(一)巷道斷面最大尺寸沿著最大來壓方向布置,時,巷道高度大于寬度反之則異.
(二)巷道周邊應采用曲線.因為直線易產(chǎn)生拉應力.頂壓大時,頂板采用各種曲線或拱形,側(cè)壓大時,兩幫宜采用各種曲線.
(三)當頂壓為主時,巷道斷面形狀的穩(wěn)定程度以下列順序而降低.
四,選擇合理的支架類型
(一)傳統(tǒng)支架和錨噴支架
如前所述,錨噴支護優(yōu)點很多,因此在條件合適時,都應優(yōu)先錨噴支架,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)支架.
(二)可縮性支架和剛性支架
對于變形地壓(粘土質(zhì)塑性巖石,受采動影響大的巷道)用可縮性支架,先讓后頂.
對于散體地壓(如脆性巖石,斷面帶,結(jié)構(gòu)面發(fā)育巖石)用剛性支護.
五,其他
(一)機掘,光爆:配合錨噴最好.
(二)注漿:破碎帶注漿加固,主要是水泥注漿,化學劑應用少,貴,有毒.
(三)噴聚氨酯,光滑,放水,隔熱,風阻小,但有毒.
(四)不破頂,特別是在半煤巖巷中.
(五)留煤柱,支撐,保護,隔離.
(六)錨桿和荊笆聯(lián)合時候,荊笆作用防止圍巖風化,減小了圍巖表面局部應力集中.缺點:有彈性,不易壓實,降低了初錨力,致使巷道變形增加,另外,笆片易腐(一般三個月)用于服務(wù)年限較短的巷道.另外,防止風化可噴5～10mm混凝土.