巷道维护技术

1概述
巷道维护的任务
1,在巷道的使用期内,为保证其形状,横向断面尺寸及其完好程度满足生产需要;
2,在巷道的使用期内,保证人员和机器设备的安全及必要工作条件;
3,选择最经济的提高巷道维护稳定性和巷道维护方法的措施.
我国因为巷道不通畅影响生产的例子是很多的.就以铜川王石凹矿为例.该矿是苏联莫斯科煤矿设计院设计的,57年建井,61年投产,设计能力120万t/年.因为主要巷道的岩层层位选的不正确,到64年不得不被迫停产维修,这三年也总共产煤90万t/年.总损失达3000万元,相当于建3各中型矿井.煤矿
因此,作为咽喉和通道的巷道,直接影响着生产能否正常进行.在进行矿井设计时就必须考虑巷道维护.
维护巷道提高巷道稳定性的方法时很多的,而应用最广泛的是在巷道中安设支架.支架分为两类:①传统支护(支撑式支护),木材,石材,混凝土,金属等,②锚喷支护.
§2围岩与支架的相互作用
一,地下巷道与地面工程比较
水塔:体系由结构和基础组成,承受外载荷为水压,气压等.
巷道:体系由岩体和支护结构组成.岩体既是载荷,又是承载单元.即围岩和支护结构共同承载(见图).
二,岩石及破坏特性的意义
设破坏特性即全曲线达到峰值之后的特性.
右图为岩石的单全曲线.
大体可分为三段:
峰值前oa段,近似的视为弹性阶段;峰值后ac段,强度下降,为塑性理论术语中称之为"软化"段;c点后为残余强度段,变形继续发展,它可以视为岩石松弛破坏的标志.
图为不同侧压下三向压缩下的全曲线.讲义P6.可以看出,侧压减小,其峰值强度和残余强度也降低.
由上图,在不用侧压下分别对峰值强度和残余项度作应力圆,就可以得到对应于峰值强度及残余强度的两条强度曲线,如图.
在岩石变形尚未达到松弛破坏之前,及时的给以支护,则可起到两个作用:
1,限制围岩变形,避免使其发展到松弛破坏的残余强度阶段,以充分利用岩石自身的强度,为上图中的k点,强度曲线在(1),(2)曲线只见,岩石可保持较高的强度(高于残余强度);
2,巷道周边由于侧压力的改变,使岩石的峰值强度和残余强度提高,且会使应力圆右移.
三,巷道围岩的破坏
下面,我们分析一下巷道围岩破坏的发展情况:
设
1,周边应力集中,详细解图,航渡开挖出来后未支护,其和分布如图,在巷道周边因处于最不利的应力状态,坐标如图作周边处应力圆.
A,B为岩石的强度曲线.倘为高强度岩石A,则周边处的应力圆处于岩石A的峰值强度曲线内,故围岩自身稳定,无须支护.倘为强度较低的岩石B,则应力圆与曲线相割,故周边处的岩石将发生塑性变形以及破坏,导致应力重新分布.
2,产生塑性松动区
此时,仍未支护,则变形不受限制发展,岩石强度最后下降至残余强度,导致岩石破碎松动冒落.这样又形成新的暴露面,应力又重新分布,破坏区继续向外发展.如此周而复始,破坏一直继续下去,直到达到最终的平衡状态为止.这时破碎松动区范围使最大的,由此可以看出,岩石的破坏不使突然崩溃的,而是一个渐进的过渡.
3,如果开掘后适时的予以支护,并保证有效地限制巷道收敛变形的发展.那么由于支护限制变形而产生的抗力使周边岩石恢复到三向应力状态(),因而强度曲线提高,应力圆平移,破坏限制在一定范围内,使岩石处于良好的稳定转状态.
锚喷支护施工及时,承载较快,这些特点保证了它能改善围岩应力状态以保持其自身强度,及时有效地限制围岩变形,提高了围岩稳定性.而其它形式的支护难以达到这样的要求.
四,P—u【压力(载荷)—周边位移(支架位移)】曲线
1和I为传统支护时巷道周边位移曲线和支架的特性曲线,支架并不直接改变巷道围岩的变形—强度特性,而只是在一定程度上限制围岩的变形和防止其破坏.
相反,锚喷支护由于锚杆插入岩石中,喷浆充填了岩石的裂隙,因而就大大提高了巷道围岩的内聚力k,提高了其抗拉强度.支护后,岩石的位移曲线向上移动.见图2和II.
这一点也是传统支护形式难以达到的,这也是锚喷支护在采矿工业中能得以迅速推广应用的原因之一.
五,支护结构的特性和施工工艺对支护抗力的影响
(一)支护结构特性指支护的刚度
II表示直接的刚性过大,工作点位置高,支架载荷大.
III则相反.
(二)施工工艺指支护时间和支护围岩接触情况
1,II表示支护过早,支架载荷大,III则过晚,围岩已破碎.
2,解除情况:如果围岩与支护间用砂,背板等充填均匀,则可以传递,,,否则是点接触,支护因局部承载而破坏,力的传递不均匀.
§3支撑式支架设计
一,支架分类及要求
(一)分类:单体式:棚子
整体式:混凝土
(二)要求:
1,技术方面:
承载能力(强度)
刚度(可缩性)
稳定性(整体,零件)
2,经济方面:
成本低,修理少,占空间小,能复用,支架在巷道成本中的比例大,平巷占25~30%,竖井50～60%.
3,施工方便,省力,便于机械化.
二,支架的几个问题
(一)围岩抗力
支架受地压作用后,局部向围岩方向变形而引起围岩对支架的反作用力.
围岩抗力的大小
—围岩拉力系数,围岩越硬,拉力系数越大,围岩拉力也就越大.
U—支架变形,支架变形越大,即u增加,围岩抗力越大.
围岩抗力对支架式有利的
1,提高了支架的稳定性
2,抗力总是分布在压力较小的一侧,使单向受力变为多向受力,减小支架的弯矩.
犹如手握鸡蛋难破,又如唐山地震情况,所以要充分利用围岩反力.
(二)支架稳定条件
考查右边梯形支架,在地面,因为自由度大,显然是不稳定的;在井下因四周是围岩,一个方向受推力时,另一个方向承受围岩抗力,因而是问道的,只有三铰成一条直线时,支架才失稳.这就是梯形支架的稳定条件.
支架的铰越多,其围岩反力利用的越充分,支架构件的弯矩越小,内力越低,但其稳定性就越差.见右图.一般支架的铰不宜超过六个.
(三)支架的可缩性
支架的可缩性是支架在保持一定支撑力的情况下沉缩的性质.
支架可缩性是为了保证支架有效的支撑巷道,又保证其不被破坏.特别在采区巷道内,由于采动影响,围岩变形量很大(顶板下沉量达400～500mm),支架的可缩性就显得更为重要,否则即使强度再大的支架,如43kg/m的钢轨为顶梁,也会压坏.可缩性支架就是以柔克刚.
获得可缩性支架的方法有:
1,接头压缩
用于金属,混凝土,料石支架,伸缩梁小,
2,柱脚可缩
3,构件滑动,P169,特殊可缩性支架.
4,构件转动
三,支架性质的选择
脆性岩石选择刚性大支架,塑性岩石选择刚性小的支架.
四,支架设计步骤
(一)调查研究,掌握充分的原始资料.巷道地质情况:围岩的,,,,,;巷道用途,服务年限,尺寸,临近巷道及有无采动影响,类似巷道支护及地压情况等等.
(二)估算地压,可按松动地压公式,当然,如有实测的数据,则是代表性的,如无相关资料,可根据岩性估算.
(三)选材与选型
1,选材的原则是:节省木材,少用钢材,就地取材.
对于我国,木材,钢材的节约更具有特殊意义:
全世界森林覆盖率30%,中国为11.5%,全世界按人口平均75m3,中国小于10m3.而且我国分布集中,主要在东北,内蒙古,仅运输费就占成本的60%,而煤炭工业用量极大,50年代为28m3/矿.年,60年代大于10m3/矿年,现在更少.钢材我国300万t/年,人均是很少的,所以我国支架材料发展情况是这样的:50年代混凝土,60年代为混凝土预制构件,70年代是锚喷.
2,选型
支架的外形即为巷道断面,基本上由支架材料确定下来.
构件的横断面设计
构件的连接设计
(四)支架内力计算.
(五)强度校核.
(六)绘施工图,交付制造.
(七)现场观测,不断改进.
五,支架内力计算举例
讲义上的例子打架可以看,现举一梯形巷道的例子:
设地压均匀分布,顶梁压力,立柱侧压,
式中:和为前面计算处的顶压和下部侧压,
n—安全系数,取1.5～2.
受力情况如图,将侧压简化为均压.
因为对称,仅分析构件AB和AC.四个未知数,,,,列四个方程:对于顶梁:

所以,
对于立柱:

所以,

所以,

然后,求出每个构件的弯矩,内力.
§4锚喷支护
一,概述
锚喷=锚杆+喷浆
其发展情况:
锚杆:1972年出现于英国,二战后美国开始普遍采用.到50年代,各国均广泛用之.
喷浆:喷砂出现很早,在50年代有了喷砂机械,开始喷浆.
我国50年代开始使用锚杆,60年代在铁矿中引进喷射混凝土.到70年代开始用于煤矿,在煤矿中发展十分迅速,到81年为止,用锚喷施工的巷道已达6000kM,仅80年就为1450kM.目前平均为1000kM/年,全国平均巷道的30%,半煤岩巷的15%使用锚喷支护,在一些先进的矿区比例更大,雁行达75%,半煤岩巷达50%.这样的规模式任何国家无法相比的,也是国内任何其他部门无法相比的,例如冶金部门,锚喷巷道总长也仅为500kM,而它的旷世开采量并不少.
锚喷之所以在我国发展如此快,规模如此大,式因为它复合我国的国情,今后,仍是我国煤矿巷道支护的一个主要支护方式.
二,锚喷支护力学作用原理
(一)锚杆支护力学作用

1,分类
2,力学作用
(1)悬吊作用(减跨作用)有老顶时,
(2)组合作用:无老顶,完全成层状岩层.
最大弯矩(按简支梁计算)
——均布载荷
——梁长(跨度)
矩形断面模量:
——断面宽度
h——断面高度
n——梁数目(岩层数)
可以求出最大应力.
岩层在锚杆前后最大应力相差很大,所以在成岩岩体中,锚杆作用时显著的.
(3)销钉作用
抗剪作用边坡防滑,弱面等.
(4)挤压加固作用
每根锚杆加工围岩的范围如下图,每根锚杆在预应力作用下形成圆锥压缩区,其最大宽度小于锚杆长度,当锚杆间距时,相邻锚杆所加固的围岩压缩区布是各自孤立的,而是连成一体形成一个均匀的压缩带,其厚度为w,在p作用下,w内岩石处于三向受力状态,岩石强度增加.
因此,当在巷道围岩中系统的布置锚杆,而且,那么,在巷道周围形成的均匀压缩带就成为人工承压球或人工拱,起到维护围岩的作用.
上面所讲的锚杆四种作用同时都起作用.在某一具体情况中,可能某一种作用为主.
二,喷射混凝土力学作用
(一)防护作用
设巷道刚开挖时的围岩强度条件为ab,其周边某点的应力圆为A
如果开挖后,不用喷射混凝土支护,则围岩由于风化,水和时间的作用,其强度不断削弱,强度曲线右移,当移倒a'b'时,与A相切,围岩破坏,即使采用传统支护,也不能抑制围岩强度的的削弱,它只能消极的承担由于强度降低而产生的地压,而采用平时混凝土支护,隔离了水和空气同岩层的接触,防止了岩体剥落,膨胀及节理充填料的的流失,从而防止了强度曲线的右移.
(二)加固作用
一方面,喷射混凝土借助于高压空气以高速度喷到岩面上,使一部分混凝土浆压入张开的节理和裂隙,将有裂隙的围岩铰结在一起,不仅防止了强度的削弱,相反使围岩强度提高,强度曲线左移.
另一方面,喷射混凝土掺有速凝剂,1～3分钟内初凝,10分钟内终凝,因而能迅速提高pi,应力圆由A缩小为B.
(三)改善围岩支架的应力状态
传统支护要求提高壁后充填质量,但仍然很难做到与围岩全面均匀接触,仍然不可避免的在围岩或支架中出现局部应力集中,造成破坏,右图为两种典型的局部应力集中:1.为充填不好,相当于点载荷,弯矩极大.2.为半边充填,即拱的半边受均布载荷,弯矩仍很大.
当围岩与支架充分接触时,无弯矩.传统支护几乎不可能做到这一点,而喷射混凝土支护很容易做到这一点.如果学者对喷射混凝土支护进行静力分析和模拟试验表明,喷射混凝土表面几乎不出现拉应力.因此,与传统支护相比,喷层虽薄,但不会在弯曲作用下破坏.
三,锚喷合理参数的选择计算
(一)锚杆计算
1,锚杆长度
主要从悬吊和组合作用考虑,设计中应保证锚杆锚到松动破裂带以外的稳定岩体上.
式中:——锚入稳定岩体的长度
——锚杆抗拉强度
——锚杆直径
——砂浆和锚杆的许用粘结力,即锚杆拉应力=砂浆粘结力
L1不小于300mm
——破裂带高度
——锚杆外露长度,
煤矿中以1/3巷道跨度为宜,一般=1.2～1.5m.
2,锚杆间距
由前述知,
一般锚杆密度1～4根/m3,以1～2根/m3为最多.
3,锚杆布置
锚杆插入的方向应垂直岩体的只要结构面,至于个别危岩锚杆,按具体情况布置.
(二)喷射混凝土喷厚计算
1,按稳定危岩计算(适用于坚硬节理岩体)
设一块危石有冒落的可能,以喷射混凝土支护,在危岩重力G的作用下,喷层主要受剪切破坏,
式中:——危石周边长
——喷层厚度
——混凝土抗拉强度,应为抗剪强度,但抗剪强度难以得到,另外抗拉强度小于抗剪强度,故用等安全.
2,按剪切破坏理论计算(适用于软岩中)
根据模拟实验和现场观测,奥地利的拉勃希维兹等提出"剪切破坏理论"他认为,在采用喷射混凝土时,巷道两帮由于地压的作用形成了楔形剪切体,如图,喷射就是在该剪切体向内移动时发生剪切破坏.
式中:——作用于喷层上的压力
——地压作用范围,
——喷厚,喷层抗剪面长度
——混凝土抗剪强度
对这种理论很多人提出修改意见.其具体计算主要确定,参看讲义.
有人认为,拉勃希维兹的剪切破坏不是唯一的破坏形式,应以压裂,压剪,拉坏三种破坏形式来考虑.
3,合理喷厚
模拟实验表明,,巷道两帮脱层,应发育6cm,,位移基本不在降低,应力降低很小,故,时为弯曲破坏,混凝土抗剪>抗弯,所以,一般
按断面不同,煤矿中取
如果经计算,,强度不够,可配合其他支护,如锚杆,金属网等.这时,其力学作用为联合作用,分别计算其抗力,各抗力之和为锚喷支护的总抗力,其值应大于变形地压.
三,新奥法支护
50年代到60年代奥地利,法国等在隧道施工中创造了一种施工方法,这种方法叫"新式奥地利施工法(NATM)"简称"新奥法".法国叫"收敛—约束法".这种施工方法的实质是尽其最大的可能发挥围岩自身的强度作用,而不是让衬护被动的去承担业已陷落的岩块重量,以减轻衬护的复旦.要达到这一点,就要使围岩免于受到认为的扰动破坏,开挖后及时说话,防止围岩产生有害变形,所谓有害变形就是围岩产生破裂脱落变形,而在某一允许的界限内的变形,则是有利的.所以,在此界限内,要让围岩可能多的变形(即围岩卸载)之后,再支护,这就发挥了围岩潜力,又保护了衬护.显然,正确的掌握支护时机是非常重要的.
"新奥法"的产生发展是与锚喷的应用紧密相连的,"锚"和"喷"是"新奥法"常用的两种理想的支护手段,但这并不等于"新奥法"就是锚喷,只有遵循了上述的原则,才是"新奥法"施工.
目前,"新奥法"施工是将喷射混凝土支护分两步来完成,以达到最大限度低利用岩石抗力来支护自身.
第一步,再围岩暴露后,尽快以一层很薄的喷射混凝土来封闭暴露面.这一薄层称为柔性外拱.同时,根据需要系统配置锚杆形成一个承载环,这样,既改变了围岩的应力状态,又因为薄层具有很大的可缩性,保证围岩再不发生脱落(最大位移值)的前提下,可以自由迅速的位移,从而是围岩能充分的发挥其自身承载能力(相反,过厚的喷层就往往限制自身承载能力的发挥).
F点为柔性外拱的工作点,它可以尽量的接近D点,喷层载荷为值,当然,要判断工作点设计的是否合适,要在外拱完成后定期进行位移和压力的测量工作,以便改进设计和采区措施.
第二步,在外拱达到稳定平衡后,喷混凝土内拱.这时,显然这喷层的刚度和强度要增加,但围岩已达到稳定平衡状态,即几乎不再位移,因此,作用在支护上的地压值仍维持在值之上,而支架的承载能力因内拱的形成提高为,于是支架的承载力就有一个预备安全系数
如果不分两步喷射,即不等围岩平衡后再喷内拱,则因支护刚度大而工作点提前于点.这时,支架的承载力始终与围岩作用在支架上的力相等,因而得不到任何储备安全系数.
四,锚喷支护地优点及注意的
(一)优点
1,及时迅速
炮烟不散就可以薄喷,及时提供围岩抗力.
2,早强密贴
掺速凝剂,2～10分钟内终凝,很块获得强度,从而保证很快承载.与围岩密贴(锚杆深入岩体)充分均匀的接触,改善了其应力状态,能传递拉,压,剪各种应力.
3,柔性调控
先喷一薄层,具有可缩性,厚薄可由施工人员适当调整.
4,施工灵活
锚喷参数可调整性,可以多次施工,临时支护可作为永久支护的一部分.可和其他支护配合使用.
5,封闭深入
防风化,防水,身涂张开的节理裂隙中去.
(二)应用时注意的
1,适用条件,很广泛,但不是万能的.在软岩中服务年限短(半年)的采区巷道中,经济上不合算.
有利条件:,块状,层状围岩,的完整围岩,均为受采动影响不大时.
苏联:的完整围岩.
2,在下列条件下采用混合支护
(1)具有很强的膨胀地压
(2)剧烈破坏带(即岩石的自稳时间极短)
(3)地压很大时(或埋深大,或构造应力大)
也就是说,这时单独采用喷混凝土是不利的,混合支护如预注浆,砌混凝土等.
3,积极采区防尘措施
规程规定10～20毫克/m3,而我国目前实际50～120毫克/m3.
4,充分发挥修理巷道作用
特别是在采区煤仓和处理冒顶,喷混凝土很安全方便.
§5井巷维护方法
维护的基本原则是:尽最大可能提高围岩强度和改善围岩应力状态,以充分利用岩石自身抗力支承地压.
一,利用良好的工程地质条件
(一)巷道尽可能布置在坚硬均质岩层中,避开恶劣的地质条件,如含水膨胀岩层,地质构造破坏带,背向斜轴,松软岩层等.
(二)避开岩渗地区,躲开地下水.
(三)穿岩比顺岩有利
以上不是绝对的,如深部开采时,坚硬岩层会产生冲击地压.
二,使井巷周围岩体应力降低
(一)巷道布置在应力降低区
1,采空区下方,沿空送巷
2,改进开采方法和顺序:如越上山,先采后掘等.
3,钻孔卸压
(二)在原岩构造应力较大时,巷道沿最大的主应力方向布置.
三,选择合理的巷道断面
(一)巷道断面最大尺寸沿着最大来压方向布置,时,巷道高度大于宽度反之则异.
(二)巷道周边应采用曲线.因为直线易产生拉应力.顶压大时,顶板采用各种曲线或拱形,侧压大时,两帮宜采用各种曲线.
(三)当顶压为主时,巷道断面形状的稳定程度以下列顺序而降低.
四,选择合理的支架类型
(一)传统支架和锚喷支架
如前所述,锚喷支护优点很多,因此在条件合适时,都应优先锚喷支架,以代替传统支架.
(二)可缩性支架和刚性支架
对于变形地压(粘土质塑性岩石,受采动影响大的巷道)用可缩性支架,先让后顶.
对于散体地压(如脆性岩石,断面带,结构面发育岩石)用刚性支护.
五,其他
(一)机掘,光爆:配合锚喷最好.
(二)注浆:破碎带注浆加固,主要是水泥注浆,化学剂应用少,贵,有毒.
(三)喷聚氨酯,光滑,放水,隔热,风阻小,但有毒.
(四)不破顶,特别是在半煤岩巷中.
(五)留煤柱,支撑,保护,隔离.
(六)锚杆和荆笆联合时候,荆笆作用防止围岩风化,减小了围岩表面局部应力集中.缺点:有弹性,不易压实,降低了初锚力,致使巷道变形增加,另外,笆片易腐(一般三个月)用于服务年限较短的巷道.另外,防止风化可喷5～10mm混凝土.