巷道維護技術
1概述
巷道維護的任務
1,在巷道的使用期內,為保證其形狀,橫向斷面尺寸及其完好程度滿足生產需要;
2,在巷道的使用期內,保證人員和機器設備的安全及必要工作條件;
3,選擇最經濟的提高巷道維護穩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的例子是很多的.就以銅川王石凹礦為例.該礦是蘇聯莫斯科煤礦設計院設計的,57年建井,61年投產,設計能力120萬t/年.因為主要巷道的巖層層位選的不正確,到64年不得不被迫停產維修,這三年也總共產煤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,直接影響著生產能否正常進行.在進行礦井設計時就必須考慮巷道維護.
維護巷道提高巷道穩定性的方法時很多的,而應用最廣泛的是在巷道中安設支架.支架分為兩類:①傳統支護(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:體系由結構和基礎組成,承受外載荷為水壓,氣壓等.
巷道:體系由巖體和支護結構組成.巖體既是載荷,又是承載單元.即圍巖和支護結構共同承載(見圖).
二,巖石及破壞特性的意義
設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,為塑性理論術語中稱之為"軟化"段;c點后為殘余強度段,變形繼續發展,它可以視為巖石松弛破壞的標志.
圖為不同側壓下三向壓縮下的全曲線.講義P6.可以看出,側壓減小,其峰值強度和殘余強度也降低.
由上圖,在不用側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展情況:
設
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,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,故圍巖自身穩定,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生塑性變形以及破壞,導致應力重新分布.
2,產生塑性松動區
此時,仍未支護,則變形不受限制發展,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,破壞區繼續向外發展.如此周而復始,破壞一直繼續下去,直到達到最終的平衡狀態為止.這時破碎松動區范圍使最大的,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展.那么由于支護限制變形而產生的抗力使周邊巖石恢復到三向應力狀態(),因而強度曲線提高,應力圓平移,破壞限制在一定范圍內,使巖石處于良好的穩定轉狀態.
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.
這一點也是傳統支護形式難以達到的,這也是錨噴支護在采礦工業中能得以迅速推廣應用的原因之一.
五,支護結構的特性和施工工藝對支護抗力的影響
(一)支護結構特性指支護的剛度
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,技術方面:
承載能力(強度)
剛度(可縮性)
穩定性(整體,零件)
2,經濟方面:
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,圍巖越硬,拉力系數越大,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,提高了支架的穩定性
2,抗力總是分布在壓力較小的一側,使單向受力變為多向受力,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.這就是梯形支架的穩定條件.
支架的鉸越多,其圍巖反力利用的越充分,支架構件的彎矩越小,內力越低,但其穩定性就越差.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.
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.特別在采區巷道內,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,構件滑動,P169,特殊可縮性支架.
4,構件轉動
三,支架性質的選擇
脆性巖石選擇剛性大支架,塑性巖石選擇剛性小的支架.
四,支架設計步驟
(一)調查研究,掌握充分的原始資料.巷道地質情況:圍巖的,,,,,;巷道用途,服務年限,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,如有實測的數據,則是代表性的,如無相關資料,可根據巖性估算.
(三)選材與選型
1,選材的原則是:節省木材,少用鋼材,就地取材.
對于我國,木材,鋼材的節約更具有特殊意義:
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,內蒙古,僅運輸費就占成本的60%,而煤炭工業用量極大,50年代為28m3/礦.年,60年代大于10m3/礦年,現在更少.鋼材我國300萬t/年,人均是很少的,所以我國支架材料發展情況是這樣的:50年代混凝土,60年代為混凝土預制構件,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.
構件的橫斷面設計
構件的連接設計
(四)支架內力計算.
(五)強度校核.
(六)繪施工圖,交付制造.
(七)現場觀測,不斷改進.
五,支架內力計算舉例
講義上的例子打架可以看,現舉一梯形巷道的例子:
設地壓均勻分布,頂梁壓力,立柱側壓,
式中:和為前面計算處的頂壓和下部側壓,
n—安全系數,取1.5～2.
受力情況如圖,將側壓簡化為均壓.
因為對稱,僅分析構件AB和AC.四個未知數,,,,列四個方程:對于頂梁:
所以,
對于立柱:
所以,
所以,
然后,求出每個構件的彎矩,內力.
§4錨噴支護
一,概述
錨噴=錨桿+噴漿
其發展情況:
錨桿:1972年出現于英國,二戰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,在一些先進的礦區比例更大,雁行達75%,半煤巖巷達50%.這樣的規模式任何國家無法相比的,也是國內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展如此快,規模如此大,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——梁數目(巖層數)
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,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內巖石處于三向受力狀態,巖石強度增加.
因此,當在巷道圍巖中系統的布置錨桿,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理和裂隙,將有裂隙的圍巖鉸結在一起,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分鐘內初凝,10分鐘內終凝,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
傳統支護要求提高壁后充填質量,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拉應力.因此,與傳統支護相比,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,設計中應保證錨桿錨到松動破裂帶以外的穩定巖體上.
式中:——錨入穩定巖體的長度
——錨桿抗拉強度
——錨桿直徑
——砂漿和錨桿的許用粘結力,即錨桿拉應力=砂漿粘結力
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構面,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,按穩定危巖計算(適用于堅硬節理巖體)
設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)
根據模擬實驗和現場觀測,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移動時發生剪切破壞.
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
如果經計算,,強度不夠,可配合其他支護,如錨桿,金屬網等.這時,其力學作用為聯合作用,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是盡其最大的可能發揮圍巖自身的強度作用,而不是讓襯護被動的去承擔業已陷落的巖塊重量,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,防止圍巖產生有害變形,所謂有害變形就是圍巖產生破裂脫落變形,而在某一允許的界限內的變形,則是有利的.所以,在此界限內,要讓圍巖可能多的變形(即圍巖卸載)之后,再支護,這就發揮了圍巖潛力,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"的產生發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,根據需要系統配置錨桿形成一個承載環,這樣,既改變了圍巖的應力狀態,又因為薄層具有很大的可縮性,保證圍巖再不發生脫落(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,以便改進設計和采區措施.
第二步,在外拱達到穩定平衡后,噴混凝土內拱.這時,顯然這噴層的剛度和強度要增加,但圍巖已達到穩定平衡狀態,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
如果不分兩步噴射,即不等圍巖平衡后再噴內拱,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.
四,錨噴支護地優點及注意的
(一)優點
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,能傳遞拉,壓,剪各種應力.
3,柔性調控
先噴一薄層,具有可縮性,厚薄可由施工人員適當調整.
4,施工靈活
錨噴參數可調整性,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.在軟巖中服務年限短(半年)的采區巷道中,經濟上不合算.
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: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(即巖石的自穩時間極短)
(3)地壓很大時(或埋深大,或構造應力大)
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,積極采區防塵措施
規程規定10～20毫克/m3,而我國目前實際50～120毫克/m3.
4,充分發揮修理巷道作用
特別是在采區煤倉和處理冒頂,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,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條件
(一)巷道盡可能布置在堅硬均質巖層中,避開惡劣的地質條件,如含水膨脹巖層,地質構造破壞帶,背向斜軸,松軟巖層等.
(二)避開巖滲地區,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
1,采空區下方,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.因為直線易產生拉應力.頂壓大時,頂板采用各種曲線或拱形,側壓大時,兩幫宜采用各種曲線.
(三)當頂壓為主時,巷道斷面形狀的穩定程度以下列順序而降低.
四,選擇合理的支架類型
(一)傳統支架和錨噴支架
如前所述,錨噴支護優點很多,因此在條件合適時,都應優先錨噴支架,以代替傳統支架.
(二)可縮性支架和剛性支架
對于變形地壓(粘土質塑性巖石,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,結構面發育巖石)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)用于服務年限較短的巷道.另外,防止風化可噴5～10mm混凝土.