煤礦巷道工業(yè)設(shè)計(jì)論文

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一、軟巖煤礦巷道機(jī)理分析

在目前的支護(hù)條件下，試圖用支護(hù)手段阻止圍巖松動(dòng)是不可能的。而支護(hù)的作用在于限制圍巖松動(dòng)圈形成過(guò)程中碎脹力所造成的有害變形，因此，該圍巖松動(dòng)圈是一個(gè)反映圍巖穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)。我們將圍巖中產(chǎn)生的這種松弛破碎帶定義為圍巖松動(dòng)圈。深井軟巖巷道具有壓力大、來(lái)壓快、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，易風(fēng)化、遇水膨脹且自身承載能力低等特點(diǎn)，本文支護(hù)設(shè)計(jì)能很好的適應(yīng)這些特點(diǎn)，有效保證巷道的安全，不僅縮短了工期，而且降低的經(jīng)濟(jì)成本。當(dāng)巷道開(kāi)掘后原巖應(yīng)力受到破壞，圍巖應(yīng)力重新分布，由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，并在巷道周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)圍巖應(yīng)力δ小于R時(shí)，圍巖彈性變形狀態(tài)，圍巖只發(fā)生變形而不破壞。當(dāng)δ大于R時(shí)，圍巖就會(huì)產(chǎn)生破裂松動(dòng)，并中巷道周邊向深部發(fā)展。直到δ等于R時(shí)，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(dòng)區(qū)即稱之為圍巖松動(dòng)圈.

（1）錨桿支護(hù)不但能及時(shí)支護(hù)圍巖，防止松動(dòng)圈的擴(kuò)大，而且一定程度的提高錨固區(qū)巖體的強(qiáng)度、彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，并給圍巖施加一定的壓力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖自身承載能力，很好的適應(yīng)圍巖壓力大、來(lái)壓快的特點(diǎn)。

（2）巷道開(kāi)挖以后，原有的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞，圍巖中應(yīng)力重新分布，切向應(yīng)力增大的同時(shí)，徑向應(yīng)力減小，并在不同處達(dá)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(kuò)容和擴(kuò)展，力學(xué)性質(zhì)不斷惡化。在圍巖壓力作用下，切向應(yīng)力在硐壁附近發(fā)生高應(yīng)力集中，致使這一區(qū)域巖層屈服而進(jìn)入塑性狀態(tài)，進(jìn)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(yīng)力集中區(qū)從巖壁向縱深偏移，當(dāng)應(yīng)力集中的強(qiáng)度超過(guò)圍巖屈服時(shí)，又將出現(xiàn)新的塑性區(qū)。如此逐漸推進(jìn)，使塑性區(qū)不斷向縱深發(fā)展。假若不采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施，所監(jiān)控的塑性區(qū)將隨變形增大而出現(xiàn)松動(dòng)破壞。塑性區(qū)和松動(dòng)破壞區(qū)截然不同，松動(dòng)破壞區(qū)沒(méi)有承載能力，而塑性區(qū)具有承載能力.擴(kuò)大斷面二次支護(hù)其機(jī)理在于當(dāng)初始?jí)毫Υ蟆⒆冃瘟看髸r(shí)硬抗是困難的，第一次支護(hù)變形將卸掉部分應(yīng)力，膨脹量將大幅減少。二次錨注支護(hù)，將阻止圍巖繼續(xù)變形，即所謂“先讓后抗”機(jī)理，很好適應(yīng)變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。及時(shí)噴射混凝土層能有效地防止圍巖的風(fēng)化，有利于巷道的穩(wěn)定。

（3）采用錨注支護(hù)技術(shù)能有效地固化圍巖，使巷道松散巖體形成一個(gè)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(jiàn)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(yīng)力作用，在巷道支護(hù)強(qiáng)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(hù)強(qiáng)度不夠的情況下，當(dāng)受到應(yīng)力作用時(shí)，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(dòng)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(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法有：減輕荷載、改變計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、阻止裂紋擴(kuò)展等。當(dāng)有成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)，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(duì)某承載能力不足的桿件或連接節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加固，有增加桿件截面法、減小桿件自由長(zhǎng)度法和連接節(jié)點(diǎn)加固法。全面加固是對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，有不改變結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖形加固法和改變結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖形加固法兩類。增加或加強(qiáng)支承體系，也是對(duì)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(fèi)料最費(fèi)工的方法（但往往是可行的方法）；改變計(jì)算簡(jiǎn)圖的方法最有效且多種多樣，其費(fèi)用也大大下降。加固結(jié)構(gòu)的施工方法有：負(fù)荷加固、卸荷加固和從原結(jié)構(gòu)上拆下應(yīng)加固或更新的部件進(jìn)行加固。加固施工方法應(yīng)根據(jù)用戶要求和結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)，在確保質(zhì)量和安全的前提下，由設(shè)計(jì)人員和施工單位協(xié)商確定。

（1）帶負(fù)荷加固。施工最方便，也較經(jīng)濟(jì)。是用于構(gòu)件（或連接）的應(yīng)力小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%時(shí)，或構(gòu)件無(wú)甚大損壞（破損、變形、翹曲等）的情況下。此時(shí)為了使新加固桿件參與受力，有時(shí)需要對(duì)被加固桿件采取臨時(shí)卸荷的措施。另外，在加固時(shí)應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)很高，需要暫時(shí)減輕其負(fù)荷時(shí)。對(duì)某些主要承受可動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)（如吊車梁等），可限制其可動(dòng)荷載，即相當(dāng)于大部分卸荷。

（3）從原結(jié)構(gòu)上拆下應(yīng)加固或更新的部件。當(dāng)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重或原截面承載力過(guò)小，必須在地面進(jìn)行加固或更新時(shí)采用。此時(shí)必須設(shè)置臨時(shí)支撐，使被換構(gòu)件完全卸荷；同時(shí)，必須保證被換結(jié)構(gòu)卸下后整個(gè)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(dāng)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(yè)巖等)或膠結(jié)程度較差的其它巖石時(shí)，相對(duì)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(diǎn)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(shí)間長(zhǎng)，受采動(dòng)影響明顯，給井下支護(hù)工作造成了嚴(yán)重的安全隱患。純錨桿支護(hù)只能在短時(shí)間內(nèi)控制圍巖的變形，必須采取有針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。

3.1、大變形巷道的支護(hù)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(dāng)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(yè)巖等)或膠結(jié)程度較差的其它巖石時(shí)，相對(duì)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(diǎn)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(shí)間長(zhǎng)，受采動(dòng)影響明顯，使用單軸抗壓強(qiáng)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(dá)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(shí)間長(zhǎng)。(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(yīng)的錨桿錨固力明顯減弱導(dǎo)致巷道出現(xiàn)收斂的趨勢(shì)。(3)一般的剛性棚式支護(hù)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(shí)發(fā)生，相互影響，形成惡性循環(huán)。(5)巷道圍巖對(duì)擾動(dòng)極為敏感，當(dāng)受到采動(dòng)等影響時(shí)，會(huì)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(fēng)化、潮解現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)一步加劇了巷道的變形。

3.2、大變形巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則

大斷面錨帶支護(hù)設(shè)計(jì)，利用錨桿支護(hù)改變圍巖的力學(xué)性質(zhì)約束圍巖變形。同時(shí)結(jié)合鋼帶的施加發(fā)揮錨桿的主動(dòng)支護(hù)效能，提高錨桿支護(hù)的整體性，并與錨桿一起形成錨梁來(lái)控制圍巖變形。

3.3、錨帶支護(hù)技術(shù)

通過(guò)鋼帶將錨桿、錨索連接在一起，提高錨梁的抗彎性能，加強(qiáng)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(hào)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(zhǎng)鋼帶托梁,配合鋼帶托梁組合成一個(gè)支護(hù)整體。鋼帶橫向布置,在巷道中心線兩側(cè)左右對(duì)稱支護(hù),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(qiáng)支護(hù),梁長(zhǎng)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(duì)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(guò)10m。用錨桿支護(hù)后再進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),預(yù)計(jì)頂板變形不大,因?qū)儆趩我幻簩娱_(kāi)采,切眼內(nèi)礦山壓力無(wú)明顯顯現(xiàn),圍巖變形量不大,頂板變形量最大不超過(guò)3mm。在頂板支護(hù)后基本處于穩(wěn)定狀態(tài),兩幫由于有錨網(wǎng)支護(hù),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(hù)在頂板控制方面具有很大的優(yōu)越性。

3.4、鋼帶設(shè)計(jì)

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(kuò)大錨桿的有效錨固范圍及頂板錨梁的承托范圍，同時(shí)由于鋼帶的存在可以給錨桿施加較大的初錨力，真正實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)支護(hù)。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(qiáng)，適宜于軟巖大變形巷道的錨桿支護(hù)。鋼帶的拉斷載荷p可以近似用下式計(jì)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(qiáng)度，MPa。

四、加固管理措施

規(guī)范錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。針對(duì)現(xiàn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的不足，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，對(duì)巷道圍巖根據(jù)不同區(qū)域、同一區(qū)域不同地點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)、合理的地質(zhì)評(píng)估，結(jié)合地壓(巷道埋深)情況(垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力)制定出符合張集煤礦實(shí)際的具有切實(shí)性和科學(xué)性的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案，堅(jiān)持引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，舍得資金投入。加強(qiáng)施工管理。首先，完善施工工藝，規(guī)范操作在不斷探索、試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完善煤錨支護(hù)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(hù)及時(shí)、主動(dòng)的優(yōu)越性得以充分體現(xiàn)，是提高煤錨安全性的一個(gè)基本措施。其次，制定技術(shù)措施，強(qiáng)化落實(shí)制定切實(shí)、科學(xué)的煤錨支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范，完善煤錨支護(hù)工藝的基礎(chǔ)上，編制出具有針對(duì)性的施工技術(shù)措施，強(qiáng)化措施落實(shí)，是保證錨桿支護(hù)質(zhì)量，提高煤錨支護(hù)安全性的一個(gè)重要措施。最后，完善錨桿支護(hù)質(zhì)量檢查制度，嚴(yán)格施工過(guò)程的檢查監(jiān)督完善區(qū)隊(duì)施工過(guò)程中的錨桿支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)制度，做好日常的錨桿初錨力、錨固力等檢測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)施工質(zhì)量問(wèn)題及時(shí)整改，是保證錨桿施工質(zhì)量，提高煤錨支護(hù)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(cè)。要加大資金投入購(gòu)置精度較高、實(shí)用的監(jiān)測(cè)和測(cè)試儀器，從日常觀測(cè)中隨時(shí)掌握錨桿支護(hù)受力變化情況及頂板異常情況，以便于及時(shí)處理，采取支護(hù)對(duì)策確保支護(hù)的安全性。對(duì)觀測(cè)資料及時(shí)整理、分析、匯總，及時(shí)反饋，以便于及時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化調(diào)整，這是提高煤巷錨桿支護(hù)安全性不可缺少的重要一環(huán)。錨桿支護(hù)技術(shù)是一項(xiàng)貌似簡(jiǎn)單，實(shí)則復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響支護(hù)效果與成敗的因素很多。隨著科技進(jìn)步，錨桿產(chǎn)品的規(guī)范化、精細(xì)化的生產(chǎn)以及錨桿支護(hù)檢測(cè)技術(shù)的完善，人們對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深化，錨桿支護(hù)必將成為煤礦支護(hù)最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。只要我們認(rèn)真對(duì)待，注重研究，錨桿支護(hù)將會(huì)迎來(lái)更加迅速發(fā)展的時(shí)期。