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1、安全工程学院学生科技论文论文题目： 软岩支护形式探讨 课程名称： 煤矿地质学 姓 名： 南涛 班 级： 安全 09-3 学 号： 12 成 绩： 1软岩支护形式探讨摘要针对软岩巷道典型的变形规律，采用理论分析方法对巷道变形破坏原因进行分析， 综述了我国现阶段软岩巷道的支护形式，阐述各种支护方式的特点。关键词 软岩巷道；变形规律；支护形式；二次支护0 引言随着我国煤炭资源开发的进一步发展, 开采深度不断增加, 井下巷道将处于更高地应力环境之中,大部分巷道围岩呈现出低强度、膨胀性、强流变性等特点，矿井软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出，增大了开采作业难度和技术要求。因此,研究高地应力软岩巷道变
2、形破坏机制是保证巷道稳定性和这类矿山持续稳定发展的关键。1 软岩巷道围岩变形规律1.1 影响软岩巷道变形的因素软岩是指强度低,胶结程度差,受构造面切割或风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层。此类岩层在受到矿山压力大于自身临界载荷时,就会产生明显的塑性大变形,导致岩体产生拉伸破坏和剪切面,体积扩张。通过前人总结,我们得出了软岩巷道变形主要受以下几个因素影响。(1)岩石本身强度、结构、胶结程度及胶结物的性能、膨胀性矿物的含量等岩石性质是影响软岩航道变性的内部因素。(2)自重应力、残余构造应力、工程环境和施工的扰动应力,特别是诸应力的叠加状况和主应力的大小、方向是影响软岩巷道岩变
3、形的主要外部因素。(3)膨胀性软岩浸水后颗粒表面水膜增厚、间距加大、连结力削弱,体积急剧增大,同时引起岩石内部应力不均,容易破坏。因此,地下水和工程用水对膨胀岩危害性很大。(4)对扰动的敏感是软岩的特性之一,邻近巷道施工、采面回采对软岩巷道围岩变形的影响较明显。(5)软岩具有明显的流变特性,时间也是不可忽略的影响因素。1.2软岩巷道围岩变形规律(1)软岩巷道围岩变形具有明显的时间效应。表现为初始变形速度很大,变形趋向稳定后势必导致巷道失稳破坏。(2)软岩巷道多表现为环向受压,且为非对称性。软岩巷道不仅顶板变形易冒落,底板也产生强烈底鼓,并引发两帮破坏顶板坍塌。(3)软岩巷道围岩变形随埋深增加而
4、增大,存在一个软化临界深度,超过临界深度变形量急剧增加。(4)软岩巷道围岩变形在不同的应力作用下,具有明显的方向性。巷道自稳能力差,自稳时间短。2 巷道变形破坏原因分析巷道变形破坏原因是多种因素综合作用的结果。根据巷道支护形式、煤岩性质、所处层位、生产现状等情况, 可分析总结出变形破坏的一些原因。( 1) 软岩遇水膨胀。软岩多含有膨胀性颗粒和介质, 这些成分吸水后体积膨胀, 产生很大的膨胀力, 致使巷道变形破坏。水的来源有裂隙渗水, 底板积水, 2井下空气含水大时也会产生。如主石门, 部分地段长期积水, 造成巷道相继底臌, 直到维修处理。部分砌碹巷道墙角开裂, 砌块塌落, 也是由于水沟一侧浸水
5、, 形成不均衡受力所致。(2) 残余构造应力影响。由于整个矿井地应力不高, 这种影响只是在局部地区存在, 集中表现在小褶曲的轴部。(3) 采动影响及巷道布置方式。随着跨采技术应用及向深部开采, 采动影响致使巷道变形破坏有所增加。采动影响的超前作用范围确定不当, 会给生产安排造成麻烦(4) 支护不力或失效。支护不力有技术和操作两方面的影响。如锚网支护应用端头锚固时, 两帮的控制失效很多, 需对锚固方式及参数进行修改。对特殊地点巷道分析不足, 认识不够, 支护措施跟不上也造成支护不力,支护不力造成巷道变形破坏在巷道支护初期表现在外观上, 而后期影响是潜在的, 当受到其它因素的影响后, 表现很明显,
6、 而这时往往忽略了支护的影响。3 软岩巷道支护形式3.1 可缩性金属支架支护由于软岩巷道具有高应力、大变形的特点，因此要求金属支架必须具备高阻可缩性能，既能够抵抗巷道较高的应力状态，又能适应巷道大变形的特点。针对高阻可缩的要求，现阶段我国软岩巷道常用金属支架为U 型钢支架，它具有结构较简单、承载能力较大、可缩性能较好等优点 1 。U 型钢支架主要应用于地应力较大、围岩非常破碎的巷道，但是U 型钢支架支护属于典型被动支护，在支护初期无法提供支护阻力，只有等到围岩变形后被动承载，这造成其实际承载过程中容易出现偏载或者承载不均匀的情况，导致支护- 围岩相互作用关系较差，因此难以有效地控制软岩巷道围岩
7、变形。3.2 锚杆支护3.2.1 锚杆长度的选择几十年的经验告诉我们，软岩支护中侧压大于顶压，因此，锚杆长度的选择应以针对侧压为主。锚杆长度 L = I + Z + L3。式中： I，帮部松动区宽度；Z，锚杆穿过松动区的有效锚固长度； L3，锚杆外露长度。帮部松动区宽度，视巷道一次性开挖的墙高度而定，一般就是围岩的自然安息角的余切值 墙高；有效锚固长度，应视围岩的硬度系数而定，一般为6080cm；锚杆的外露长度，一般为50100mm 左右。所以，当围岩是高岭土时，锚杆的长度一般取2.0l2.2m。3.2.2 锚杆的间排距一般来说就是要保证每一根锚杆尽可能地承担相同的应力，并使每一根锚杆的能相互
8、叠加从而形成合力，真正起到组合梁或组合岩拱的作用。因此，应根据围岩的完整性和岩石的硬度系数及锚力，来确定锚杆的间排距。以高岭土的特性及试验数据，锚杆的间排距不超过7070mm，一般采取菱形布置。考虑到围岩的松散性，为防止间排距间的岩体垮落，可以辅以金属网或木托板，尽可能使岩体表面得到加强支护。3.2.3 锚杆的初始锚固力锚杆的初始锚固力，实际上就是通过锚杆对被支护岩体预先施加压力，限制围岩有害变形的发展，从而保持围岩的稳定。按照当时的技术条件，我们选择了管缝式锚杆，锚杆材质为具有较强弹性的A3 钢。为保证其初始锚固力，通3过调节锚孔与锚杆的直径比来实现。即锚杆直径大于锚孔直径。当锚杆从锚孔中打
9、入岩体时，使锚杆发生弹性变形而产生预应力，也就是形成初始锚固力。一般选择孔径比为4042mm:45mm。3.3 锚网支护近几十年内，随着我国对锚杆支护理论研究不断深入以及锚杆支护技术不断发展，锚杆支护应用相当普遍，这主要是由于锚杆支护在控制支护成本、改善围岩应力状态以及提高围岩自身强度等方面的优势。但是锚杆支护的基础是围岩赋存条件，针对围岩非常破碎的巷道，锚杆支护锚固力极易丧失，导致巷道强烈变形 2 。针对围岩可锚性较好的巷道分析，现阶段锚杆支护主要是锚杆+ 高强度护表构件（钢筋网、钢带等）+ 锚索支护，属于主动支护，能够有效的改善巷道围岩的应力状态和应力应变特性，提高岩体的残余强度，发挥围岩
10、自承载能力。3.4 锚索支护传统的锚索支护一般适合于煤矿井下大断面硐室和巷道的补强和加固。锚索钻孔和吨位一般较大，而且采用注浆锚固，不适用于回采巷道的施工。小孔径树脂锚固预应力锚索加固技术是近年来研制和开发的一种适合煤巷掘进期间按正规循环施工的支护技术。其最大特点是采用树脂药卷锚固，通过专用装置可以像安装普通树脂锚杆一样用锚索搅拌树脂药卷对锚索锚固端进行加长锚固，其安装孔径仅为 28左右，用变通单体锚杆机即可完成打孔、安装。预应力锚索加固围岩的实质，就是通过锚索对被加固的岩体施加预应力，限制岩体有害变形的发展，从而保持岩体的稳定。在顶板上打注锚索后，由于锚索的锚固点在深部稳定岩层中，根据悬吊理
11、论，使下部不稳定岩层通过锚索悬吊在上部稳定岩层中，起到了悬吊顶板的作用，同时由于锚索预应力作用，对已有锚杆支护的下部岩层进行组合、加固。锚索能有效地控制顶板下沉，减少支架、锚杆受力，使群体支护达到良好的效果。小孔径预应力锚索主要用在破碎、复合顶板回采巷道，放顶煤开采沿煤层底板掘进的巷道，软弱和压力较高的回采巷道，以及大跨度开切眼和巷道交岔点。小孔径预应力锚索一般不单独作为巷道支护方式，往往与锚杆支护一起形成一种联合支护方式，锚索能够起到补强的作用。3.5 联合支护联合支护系指采用多种不同性能的单一支护的组合结构。经过近几年的不断研究，软岩巷道联合支护方式不断改进，例如型钢支架（U 型钢、工字钢
12、）- 索支护方式、型钢支架- 锚网支护等。联合支护方式主要是保留多种支护方式的优点，克服缺点，实现优势互补。以U 型钢支架- 锚索联合支护为例说明，该种联合支护方式，既能充分发发挥U 型钢支架的结构简单、高阻可缩的优点，又能通过小孔径高强度预应力锚索改善支护- 围岩相互作用关系，适应软岩巷道高应力大变形的特点，实现联合支护体共同承载。3.6 二次支护矿压显现规律一次支护后, 对巷道压力及顶、帮移近量进行了观测。发现:(1) 最大变形时, 顶板锚杆的锚固力平均达到6.0 t, 沿空帮锚杆锚固力平均达到4.8 t , 实体帮平均达到5.2 t;(2) 破碎圈平均直径为2.2 m;(3) 顶板移近量
13、稍大于两帮移近量;4(4) 巷道有底鼓现象3.6.1 二次支护时间的选择依据新奥理论,适时选择二次支护时间是巷道支护成功与否的关键。顶板及两帮的二次支护时间应先在一次支护7天左右较为合适。3.6.2 先对所施工的巷道顶板及沿空侧喷浆、注浆, 再进行套架U29 型梯形棚, 最后再在U 型棚下沿巷中架设一排挑棚。3.6.3 喷浆1) 喷浆材料与参数(1)喷浆要求能全面封闭巷道裂隙, 局部喷厚100 mm110 mm。(2) 喷料的配合比为水泥: 黄沙: 石子= 1: 2: 2, 水泥标号32.5, 速凝剂的掺量为水泥量的2.4%5%; 喷射混凝土强度等级为C20。(3) 拌料时控制水灰比为0.40
14、.45, 拌好的潮料的含水量在80%为宜, 用手一揉一团, 松手似散非散, 若发现表面干燥松散, 下滑和裂纹时, 必须先调整水灰比。2) 喷浆要求(1) 喷浆前先用废旧皮带结合大板掩护好施工点前后10m 范围内的风水管路、电缆、风筒以及其它一些电气设备。(2) 在喷浆处后20m内安设两道防尘喷雾, 喷浆前开启喷雾, 且喷雾必须覆盖巷道全断面。(3) 喷浆前, 必须用水冲洗巷道的顶、帮, 采用局部断面喷射混凝土, 严禁出现漏喷、未喷现象, 以防止注浆时漏浆。(4) 坚持随料随喷浆的原则, 拌好的潮料不得停放2 h以上。(5) 开机作业时, 先开风, 后开水, 最后送电给料, 停机时必须先停料,
15、料用完后, 停机并关闭风水。(6) 喷射时 , 喷射口与喷射面尽量保持垂直 , 且距离不大于1.2 m, 喷头一般按螺旋形轨迹运行, 螺旋圈径为300mm, 圈压半圈, 均匀缓慢移动。(7) 在喷射中, 如果发生堵管或突然停风、停电时, 必须立即关闭喷头水阀, 将喷头向下放置以防倒流至输料管中。(8) 发生堵管时, 可采用敲击法或高压风吹法处理, 但风压不大于0.4MPa, 同时要放直输料管, 按住喷头, 喷头前方及其附近严禁站人。(9) 停机前必须吹净机内余料, 停机后必须将喷机及周围清理干净, 管理要盘放整齐; 做好回弹物的回收利用。(10) 喷嘴出口处的风压必须控制在0.15 MPa0.
16、18MPa, 当喷射距离发生变化时, 工作风压也相应变化, 水压必须比风压大0.1MPa左右。(11) 加强个人防护, 现场人员必须佩带防尘口罩。4 结论在总结近几年软岩巷道支护技术的基础上，结合某煤矿辅助轨道上山的地质条件和巷道变形破坏特征，通过理论分析，总结该类巷道变形破坏原因，研究提出U 型钢支架+ 锚索联合支护技术，根据现场试验效果得出以下结论：针对软岩巷道进行支护设计时，必须依据软岩巷道变形破坏特点，选取适应软岩巷道变形破坏特点和高应力特点单一或者联合支护方式；高阻可缩U 型钢支架能够有效的适应软岩巷道高应力大变形的特点；采用小孔径高强预应力锚索联合支护，充分调用深部岩体的承载能力，巷道支护系统的整体承载能力和效果。5参考文献1 陈炎光，陆士良. 中国煤矿巷道围岩控制M. 徐州:中国矿业大学
