地下工程課程設計---暗斜井碎脹軟巖支護設計

1、<p><b>　　土木建筑學院</b></p><p>　　課 程 設 計 說 明 書</p><p>　　課程名稱： 地 下 工 程 </p><p>　　設計題目：煤礦—760m暗斜井碎脹軟巖支護設計</p><p>　　專業(yè)(方向)：土木工程（巖土工程）班級：08級2班

2、</p><p>　　設 計 人： </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　土木建筑學院</b></p><p>　　2011年 7 月 4 日</p><p><b>　　課程

3、設計任務書</b></p><p>　　專業(yè)（方向）：土木工程（巖土） 班級： 2008級2班 </p><p>　　學 生 姓 名： 學號： </p><p>　　課程設計題目：煤礦-760m暗斜井碎脹軟巖支護設計 </p><p>　　原始資料：

4、 </p><p>　　1、煤礦-760m暗斜井工程概況 </p><p>　　2、地質條件 </p><

5、p>　　3、巷道破壞狀況 </p><p>　　設計應解決下列主要問題：</p><p>　　1、巷道破壞機理分析 </p><p>　　2、支護方案選擇

6、 </p><p>　　3、支護參數(shù)設計 </p><p><b>　　設計圖紙：</b></p><p>　　1、巷道支護設計斷面圖

7、 </p><p>　　五、命題發(fā)出日期： 2011.7.4 設計應完成日期： 2011.7.15 </p><p>　　設計指導人（簽章）： </p><p>　　日期： 年 月 日</p&g

8、t;<p>　　指導教師對課程設計評語</p><p>　　指導教師（簽章）： </p><p>　　日期： 年 月 日</p><p>　　目 錄（小二、黑體）</p><p>　　1 原始條件（小三宋體、1.5倍行距） ………… …………………… … 5</

9、p><p>　　1.1 暗斜井工程概況 ………… ……………………………………………… 5</p><p>　　1.2 地質條件…………………………………………………………………… 5</p><p>　　1.3 圍巖狀況分析………………………………………………………………7</p><p>　　1.4 圍巖破壞情況…………………………………

10、……………………………7</p><p>　　2 巷道破壞機理分析………………………………………………………………11</p><p>　　2.1巖體自身屬性……………………………………………………………… 11</p><p>　　2.2環(huán)境因素………………………………………………………………………13</p><p>　　2.3支護結構…

11、…………………………………………………………………… 20</p><p>　　3 支護設計…………………………………………………………………………… 22</p><p>　　3.1支護原則確定………………………………………………………………… 22</p><p>　　3.2支護方案選擇……………………………………………………………………23</p>

12、<p>　　3.3支護參數(shù)計算……………………………………………………………………29</p><p>　　4結語…………………………………………………………………………………… 32</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………………………32</p><p><b>　　1原始條件</b>&l

13、t;/p><p>　　1.1暗斜井工程概況</p><p>　　新河礦暗斜井凈斷面圖</p><p>　　某煤礦地面標高+45m。-760水平暗斜井包括軌道、皮帶、回風三條暗斜井。其中回風暗斜井全長851.83m，傾角250；軌道暗斜井全長960m，傾角220；膠帶暗斜井全長996m，傾角210；-760m水平三條暗斜井設計斷面均為直墻半圓拱形，支護方式為錨帶網(wǎng)，其中錨

14、桿直徑為18mm、長為2m的等強金屬螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，金屬網(wǎng)為直徑4.5mm、網(wǎng)孔100mm×100mm的冷拔絲焊結而成。</p><p>　　三條暗斜井掘進300m左右時，其中回風和軌道暗斜井破壞最為嚴重，后經(jīng)修復，目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p><b>　　1.2 地質條件</b></p>&

15、lt;p>　　-760m水平三條暗斜井均位于坡劉莊保護煤柱內，其中向北鄰近一采區(qū)，向東北鄰近工業(yè)廣場保護煤柱，當三條暗斜井即回風暗斜井、軌道暗斜井及膠帶暗斜分別到達大約-430、-456和-512水平時，將穿越嘉祥支三大斷層，該斷層傾角300，落差在120m～600m之間，預計斷層附近斷裂構造將較為發(fā)育，也有可能伴生其它構造，另外，由于對嘉祥支三大斷層勘探資料較少，對斷層的賦水性、導水性、斷層帶的寬度、充填狀況、膠結程度等還有待于

16、進一步查明，或者當工程快接近該斷層時，用打超前鉆孔的辦法詳細查明斷層的賦存狀況，以便為采取有針對性的措施提前作好準備。</p><p>　　總之，-760m水平三條暗斜井將絕大部某煤礦地面標高+45m。-760水平暗斜井包括軌道、皮帶、回風三條暗斜井。其中回風暗斜井全長851.83m，傾角250；軌道暗斜井全長960m，傾角220；膠帶暗斜井全長996m，傾角210；-760m水平三條暗斜井設計斷面均為直墻半圓拱

17、形，支護方式為錨帶網(wǎng)，其中錨桿直徑為18mm、長為2m的等強金屬螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，金屬網(wǎng)為直徑4.5mm、網(wǎng)孔100mm×100mm的冷拔絲焊結而成。</p><p>　　三條暗斜井掘進300m左右時，其中回風和軌道暗斜井破壞最為嚴重，后經(jīng)修復，目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　-760m水平三條暗斜井均位于坡劉莊保護煤柱內，其中

18、向北鄰近一采區(qū)，向東北鄰近工業(yè)廣場保護煤柱，當三條暗斜井即回風暗斜井、軌道暗斜井及膠帶暗斜分別到達大約-430、-456和-512水平時，將穿越嘉祥支三大斷層，該斷層傾角300，落差在120m～600m之間，預計斷層附近斷裂構造將較為發(fā)育，也有可能伴生其它構造，另外，由于對嘉祥支三大斷層勘探資料較少，對斷層的賦水性、導水性、斷層帶的寬度、充填狀況、膠結程度等還有待于進一步查明，或者當工程快接近該斷層時，用打超前鉆孔的辦法詳細查明斷層的賦

19、存狀況，以便為采取有針對性的措施提前作好準備。</p><p>　　總之，-760m水平三條暗斜井將絕大部</p><p>　　分在3煤頂板巖層中掘進，預計到達-750m水平左右時可能穿過3煤并進入底板巖層中。</p><p><b>　　1.3圍巖狀況分析</b></p><p>　　-760m水平三條暗斜井所穿越的巖

20、層從下往上為細砂巖、3煤、粉砂巖、中砂巖、泥巖、細砂巖、泥巖等等，而目前掘進實際揭露的頂?shù)装寮皣鷰r卻為泥質軟巖，平均堅固性系數(shù)在3左右，其特征是易吸濕、易膨脹、易解體、易剝落以及塑性流變性能大等特征，這是泥巖類中屬于質量最差、最難控制的一類泥質軟巖。</p><p>　　根據(jù)現(xiàn)場實際觀測、巖樣初步實驗及數(shù)碼照片的仔細研究，得出了兩點初步結論：</p><p>　?。?）三條暗斜井目前已揭露

21、的圍巖屬于標準的不良地層，其特點是：易吸濕、易膨脹、易解體、易剝落以及塑性流變大等特點，對該類圍巖有效控制變形難。</p><p>　　（2）三條暗斜井的圍巖經(jīng)過定量的劃分，屬于Ⅴ類圍巖，該類圍巖的力學特點是：不穩(wěn)定、無自穩(wěn)能力或自穩(wěn)時間很短；其破壞方式為：易冒頂、易片幫、易底臌、并隨時間的延續(xù)會發(fā)生較大的塑性流變變形。</p><p>　　1.4 圍巖破壞狀況</p>&l

22、t;p>　　-760m水平三條暗斜井幾乎是平行掘進，各條掘進進尺大約都在300m左右，比較這三條暗斜井圍巖破壞狀況可以發(fā)現(xiàn)，膠帶暗斜井圍巖破壞狀況稍輕，回風暗斜井和軌道暗斜井破壞狀況卻極為嚴重，后經(jīng)修復加固之后，目前仍處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　目前暗斜井的破壞狀況如圖1—圖4所示。</p><p>　　圖1 –760m水平回風暗斜井距掘進工作面5m處頂板破壞狀況<

23、/p><p>　　根據(jù)現(xiàn)場的實際考察和對圖1～4的分析研究，暗斜井圍巖的破壞狀況具有以下特點：</p><p>　?。?）爆破后，若支護不及時，頂板巖層便發(fā)生大面積的冒落，其冒落高度還有待于進一步觀測。圖2～3為頂板巖層在及時支護的情況下，在不到幾天的時間里，頂板便發(fā)生了嚴重變形，下沉量達半米之多，同時還出現(xiàn)了噴層剝落及鋼筋裸露等現(xiàn)象，并伴有3～5cm寬的頂板斷裂縫隙，斷縫深度有待測試。<

24、;/p><p>　　（2）兩幫變形也極為嚴重，在沒有及時支護的情況下，將出現(xiàn)大面積的塌落或滑塌。圖4為及時支護之后兩幫的變形和破壞情況，雖然沒有出現(xiàn)大面積的整體滑塌現(xiàn)象，但卻出現(xiàn)了向臨空間的整體移動，使得兩幫的相對移近量近一米，這樣已嚴重影響了行人安全和設備的正常運轉。</p><p>　?。?）底板變形破壞極為嚴重，即底臌量大，截止到目前為止，底板累計底臌量已達近一米，出現(xiàn)了道軌扭曲，行人臺

25、階松動變位等現(xiàn)象。圖5為最近臥底之后在不到幾天的時間里所表現(xiàn)出現(xiàn)的破壞狀況，可見底板變形仍處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，并隨著時間的延續(xù)還在繼續(xù)發(fā)展，其性質具有塑性流變性。</p><p>　　總之，-760m水平暗斜井無論是頂板、底板、還是兩幫其礦壓顯現(xiàn)都極為嚴重，這種礦壓顯現(xiàn)將不同于一般的礦壓顯現(xiàn)，它還具有隨著時間的延續(xù)而表現(xiàn)出來的塑性流變性。所以，針對這種特殊性質的礦壓顯現(xiàn)，，必須采取一種特種支護體系，才能長期而有效的

26、控制住暗斜井變形破壞。</p><p>　　圖2 –760m水平回風暗斜井掘進工作面泥巖結構狀況</p><p>　　圖3 –760m水平回風暗斜井右?guī)蛧鷰r破壞狀況</p><p>　　圖4 –760m水平回風暗斜井底臌及側幫破壞狀況</p><p><b>　　2巷道破壞機理分析</b></p>&

27、lt;p>　　所謂圍巖的破壞機理是指引起圍巖破壞的根本原因，它所涉及的因素是多方面的，即有環(huán)境因素（自重應力、構造應力等），又有周邊采動影響因素，還有支護設計、施工工藝等方面的因素，所以研究圍巖的破壞機理是非常復雜的。但這里面存在著一種因果關系，即圍巖破壞是果，引起圍巖破壞的是因，由果推因是完全有可能的，只要找到了引起圍巖破壞的原因，即機理，就有可能采取更有針對性的措施來控制圍巖的變形和破壞，從而達到治理的目的。主要從三個方面分析

28、-760m水平暗斜井圍巖破壞的機理。</p><p><b>　　2.1巖體自身屬性</b></p><p>　　2.1.1巖體的物理化學性質</p><p>　　該暗斜井圍巖屬于泥質軟巖巷道,平均堅固系數(shù)在3左右,特征為易吸濕，易膨脹，易解體，易剝落以及塑形流變性能大，屬于Ⅴ類圍巖。該類圍巖的力學特點是：不穩(wěn)定、無自穩(wěn)能力或自穩(wěn)時間很短；其破

29、壞方式為：易冒頂、易片幫、易底臌、并隨時間的延續(xù)會發(fā)生較大的塑性流變變形。</p><p>　　巖性是影響圍巖穩(wěn)定性的最基本因素，是物質基礎。[6]由于礦物組成，巖石結構構造的不同，不同巖石的物理力學性質差別很大。巖石中含有一定量的泥質、伊利石、蒙脫石。這決定了巖體的巖性，屬于塑性圍巖，主要包括各類粘土質巖石、破碎松散巖石以及某些易于吸水膨脹的巖石，通常具有風化速度快，力學強度低以及遇水易于軟化，崩解等不良性質，

30、因此對巷道圍巖穩(wěn)定性最為不利。怕風、怕水、怕震，煤層頂?shù)装鍘r石都非常松軟破碎，易風化。具有可塑性、膨脹性、崩解性、塑性流變性。</p><p>　　巷道圍巖巖性為泥巖, 且松散、破碎, 層理、節(jié)理和裂隙發(fā)育, 易風化、水解、臌脹和軟化, 泥質和炭質膠結,巖體和巖塊的強度均很低, 自穩(wěn)時間短, 屬于典型的松散破碎膨脹型軟巖巷道。無自穩(wěn)能力。</p><p>　　2.1.2巖體的力學性能<

31、;/p><p>　　巖體中泥質礦物成分和結構面決定了軟巖的力學特性。顯示出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性的特點。</p><p>　　可塑性是由于巖體受力后片架狀結構的泥質礦物發(fā)生滑移或泥質礦物親水性引起的。節(jié)理化巖體是由于結構面滑動和擴容引起的，高應力軟巖大多是上述兩種原因共同引起的。</p><p>　　軟巖的膨脹性質是在物理、化學、力學等因素的作用下，產

32、生體積變化的現(xiàn)象，其膨脹機理有：內部膨脹、外部膨脹和應力擴容膨脹三種。工程中的軟巖膨脹為復合膨脹形式。</p><p>　　軟巖的崩解性是指軟巖在物理、化學、力學等因素作用下，產生片狀解體。膨脹性軟巖崩解主要是粘土礦物集合體在水作用下，膨脹應力不均勻造成的崩裂。節(jié)理化軟巖的崩解則是在工程力的作用下，由于裂隙發(fā)育不均勻造成局部張力引起的崩裂。高應力軟巖則有可能多種崩解機制同時存在。</p><p

33、>　　軟巖的流變性是指軟巖受力變形過程中與時間有關，包括塑性流動，粘性流動，結構面閉合和滑移變形。膨脹性軟巖主要是泥質礦物發(fā)生粘性流動，在工程力作用下，達到一定極限后，開始塑性變形；節(jié)理化軟巖流變性主要指結構面的擴容和滑移；高應力軟巖流變性多為諸形式的不同組合。巖石變形在應力狀態(tài)不變的情況下不斷增長，處于蠕變狀態(tài)；或在約束變形條件下，軟巖的強度隨時間變化而降低。</p><p>　　軟巖的易擾動性指由于軟巖

34、軟弱裂隙發(fā)育，吸水膨脹等特性，導致軟巖抗外部環(huán)境擾動的能力極差。對卸荷松動、施工震動等極為敏感，而且具有吸濕膨脹軟化、暴露風化的特點。[5]</p><p>　　泥巖、細砂巖和粉砂巖等的單軸飽和抗壓強度5Mpa～15Mpa之間，甚至更低，內摩擦角¢很小，，按堅固性系數(shù)分類，其f＝３ ，特別是泥質軟巖，單軸抗壓強度低于10 MPa，屬于標準工程軟巖巷道。結構面屬于次生結構面，巖體的抗壓強度同樣不能滿足巖體

35、在高應力條件下自穩(wěn)[4]。</p><p>　　2.1.3巖體的自身結構</p><p>　　巖體結構面密集程度高，大部分屬于張開型結構面，80%以上結構面屬于次生結構面，即原生結構面和構造結構面由于風化等非地質條件后天形成的強度極低的結構面，結構面間有粘性充填物，結構面尺寸小，分布密集而無規(guī)律，有剪脹現(xiàn)象，結構面內摩擦角為20º～30º，內聚力0.05～0.10MPa

36、，為松散結構，裂隙十分發(fā)育屬于各向異性結構，這樣，巖體的自身結構，決定了必須有一個完善的支護體系來穩(wěn)定巷道[1]。</p><p><b>　　2.2環(huán)境因素</b></p><p>　　2.2.1自重應力[1]</p><p>　　任何地下工程都將受到上覆巖層自重應力的影響，并同時引起相應的水平應力，軟巖巷道的破壞表現(xiàn)出明顯的與深度有關而與方

37、向無關的特點。隨著開采深度的增加，上覆巖層自重應力有增大的趨勢。巷道所處地層越深,巷道所受圍巖靜壓就越大，巷道變性破壞變得越發(fā)嚴重，而破壞的方向性不甚明顯，這些特征往往表現(xiàn)為重力機制起作用的擴容膨脹，頂板自重應力計算方法如下:</p><p>　　σ=γH≈760m×35kN/m³=26.6MPa[4]</p><p>　　遠遠超過了泥質軟巖的飽和單軸抗壓強度，因此必須

38、采取有效的支護措施才能維持巷道的穩(wěn)定。</p><p>　　2.2.2構造應力場</p><p>　　三條暗斜井均穿越嘉祥支三大斷層，則必有構造應力場存在。</p><p>　　構造應力場是指由于地質構造運動而產生的地質構造應力在空間上的分布規(guī)律。地殼運動形成的斷層褶皺潛藏著巨大的構造應力，靠近或位于這些構造帶的地下工程一旦開挖，這些應力必將釋放并重新分布。在應力重

39、新分布過程中，巷道支護體系必將受力，且更要承受殘余構造應力的影響，這是引起巷道失穩(wěn)、變形破壞的重要因素之一。[1] </p><p>　　巖層在巷道成形時，應力狀態(tài)從三維向二維轉變，在構造應力作用下，有極易發(fā)生破壞而產生非線性彈塑性變形，這是一種與時間有關的變形。這種變形往往導致軟巖支護的宏觀破壞，特征是方向性破壞明顯，破壞程度與深度無關。該構造應力以水平應力為主，巷道兩幫及底板的破壞極為明顯。</p

40、><p>　　-760m 暗斜井穿越三大斷層（落差120~600m）中，斷層在形成過程中又形成若干個大大小小的次生小斷層及節(jié)理，這也是造成硐室與巷道工程失穩(wěn)的因素之一。</p><p>　　圖1 構造引力膨脹機制 gouzao</p><p>　　在構造應力場和重力場的聯(lián)合作用下，形成上圖所示三種區(qū)域，塑性區(qū)的出現(xiàn)改變了圍巖的應力狀態(tài)，這種變化對支護來講具有兩個

41、力學效應:①圍巖中切向應力和徑向應力降低，減小了作用于支護體上的荷載?②應力集中區(qū)向深層偏移，減小了應力集中的破壞作用。在巷道兩幫發(fā)生應力集中時，兩幫巖石處于極不利的單軸受力狀態(tài)條件，極易產生片幫破壞而直墻半圓拱的塑性區(qū)域，區(qū)域變形形態(tài)，如下圖所示[10] </p><p>　　2.2.3底板受力分析[4]</p><p>　　在巷道底板不穩(wěn)定的情況下，在巷道底板以上巖層的重力下，巷道的重

42、力作用下，巷道底板產生塑性滑移，其塑性滑移線如圖所，</p><p>　　底板塑性滑移線及分區(qū)示意圖</p><p>　　據(jù)此可以簡化得出底板支護荷載計算模型，</p><p>　　根據(jù)這些模型確定底鼓處理方法：</p><p>　　采用封閉式支架及混凝土反拱。采用反拱來防治隧道底鼓是一種普遍的方法。一般在實施混凝土反拱的同時，應加強隧道頂極

43、和兩壁的支護，以形成整體的支護。</p><p><b>　　2.2.4施工</b></p><p>　　（1）爆破掘進中的錯誤操作由于管理上的愿因及操作素質問題，“多打眼少裝藥原則”沒有得到規(guī)范實施，并且由于缺少準確試驗數(shù)據(jù)，以致措施中的爆破圖表難以在現(xiàn)場實施，結果巷道圍巖破壞,圍巖自身的承載力大大降低；同時巷道形成凸凹不平，使巷道支護力遠低于設計值，在這種情況下，

44、巷道凸起的地方就會首先破壞。沒有達到光面爆破的要求，超挖或欠挖尺寸超過了規(guī)范要求，給支護造成了很大的困難。 </p><p>　　假幫(頂)后空洞假幫(頂)后留下的空洞給圍巖的破壞提供了空間，無支護的圍巖向該空間不斷移動，最終使空洞附近錨桿失效,導致巷道破壞。</p><p>　?。?）支護順序的錯誤。先打錨桿掛網(wǎng)，后噴漿，再注漿是普遍做法，施工方便，然而這種做法極不合理。第一是圍巖風化破

45、碎，使圍巖自身的承載力降低；第二使打錨桿時，圍巖容易片落，使托盤、網(wǎng)不貼巖面，托盤對圍巖沒有緊固力，使錨桿初期支護作用大打折扣，圍巖初期變形加大，錨噴支護體系有效支護期縮短；第三是軟巖極易風化，如果噴漿時間太晚，外層圍巖已經(jīng)破碎剝落，圍巖破壞向里層層傳遞，最終使錨桿隨巖體一起移動，失去錨固作用。</p><p>　　（3）施工質量差。偷工減料，不按要求施工主要表現(xiàn)在兩個方面：一是錨桿間距過大，噴層厚度不足，造成支

46、護能力達不到設計要求；二是以次充好，或減少水泥配比，或配料攪拌不均勻，使噴層的剛度和柔韌度受到不同程度的減弱，不但使支護體不能承受設計要求的荷載，而且也不能承受設計要求的變形量，致使巷道過早的遭到破壞。</p><p>　　（4）沒有把握好最佳支護時間段。</p><p>　　圖3 最佳支護時間 圖4 最佳支護時段</p><p>

47、　　最佳支護時間是指可以使圍巖壓力與工程支護力之和達到最大的時間，其意義如圖3所示。而在工程實踐中，最佳支護時間的確定非常困難，因此提出了最佳支護時間段的定義，意義及取值如圖4示。</p><p>　　對于該高應力軟巖暗斜井支護來講，要允許出現(xiàn)穩(wěn)定塑性區(qū)，嚴格限制非穩(wěn)定塑性區(qū)的擴展。其宏觀判別標志就是最佳支護時間Ts。Ts前出現(xiàn)的變形稱穩(wěn)定變形，對應的塑性區(qū)稱穩(wěn)定塑性區(qū)。所以最佳支護時間的力學含義就是最大限度地發(fā)

48、揮塑性區(qū)承載能力而又不出現(xiàn)松動破壞時所對應的時間，而對最佳支護時間段的把握直接決定支護的功能能否最大限度的發(fā)揮，以及支護與圍巖的耦合程度。所以這也是圍巖破壞機理之一。[1]</p><p>　　2.2.5工程偏應力[1]</p><p>　　暗斜井開挖以后，圍巖應力發(fā)生了較大的變化，切向應力在巖壁附近出現(xiàn)局部集中現(xiàn)象，越遠則越接近原巖應力狀態(tài)。同時，一個巷道在開挖，對旁側相鄰巷道，圍巖有影

49、響。這種影響在巷道圍巖中任一點的應力狀態(tài)可用二階應力張量表示，此應力張量可分解為兩部分：球形應力張量和偏應力張量。</p><p>　　球形應力張量不變引起形變，它是一種三向均壓狀態(tài)。偏應力張量引起巷道圍巖變形破壞，因此工程開挖引起的偏應力局部集中是軟巖巷道變形破壞的重要有原因之一。而三條暗斜井平行同時掘進，以及巷道斷面形狀為直墻半圓拱，決定了偏應力張量的一個相比將是決定性的。</p><p&

50、gt;　　2.2.6地下水的影響[1]</p><p>　　該暗斜井圍巖巖體中地下水的存在、活動狀況，既影響圍巖的應力狀態(tài)，又影響圍巖的強度。結構面中的空隙水壓力的增大能減小結構面上的有效正應力，因而降低巖體沿結構面的抗滑強度：地下水對含有蒙脫石、伊力石、高嶺石等粘土礦物成分的膨脹巖層產生軟化，泥化作用，使之產生顯著的體積膨脹、崩解和溶解等。當在含水巖層中開挖巷道時，圍巖穩(wěn)定首先受到地下水的影響，作為一種動水壓力

51、作用使支護(如噴層等)難度增大。而一旦支護體形成，增加了支護體變形和破壞的可能性。另一方面，地下水的泄出，增加了其與其它泥質巖體的接觸機會，使泥質軟巖中有膨脹潛能的礦物急劇膨脹，最終會造成暗斜井變形不能滿足使用要求。</p><p>　　特別是暗斜井兩幫在受到地下水的作用后，支護會慢慢失效，巷道兩幫發(fā)生近似整體向內平移的變形，巷道兩幫的移近量大于頂板下沉量。</p><p><b&g

52、t;　　2.3支護結構</b></p><p>　　2.3.1噴射混凝土</p><p>　　噴射混凝土強度太低，厚度太薄，噴層厚度不均局部的噴層太薄,支護必然最脆弱，最先遭到破壞，導致支護系統(tǒng)的最終失效，從而使暗斜井失修。而且光面爆破效果不佳，在不連續(xù)的地方會產生明顯的應力集中現(xiàn)象，使是不穩(wěn)定塑性區(qū)不斷擴大，從而破壞，完全沒有起到封閉圍巖的效果。</p><

53、;p>　　2.3.2暗斜井的支護形式過于單一</p><p>　　沒有根據(jù)巷道的形式，地質圍巖條件，合理的選擇支護形式。單一的采用錨網(wǎng)帶的支護方式難以控制圍巖的連續(xù)變形，圍巖松動圈與錨桿網(wǎng)帶無法形成穩(wěn)定的平衡拱，在地下水以及破碎圍巖的共同影響下，松動圈不斷過大，造成巷道頂板，兩幫，底板形成難以恢復的連續(xù)惡性循環(huán)破壞，必須采取有效的綜合支護措施，按照合理的順序，一次支護讓壓, 圍巖體受力達到較低變形速率下的力

54、學平衡, 充分發(fā)揮圍巖承載力; 二次大剛度高強度支護, 減少巷道巖體偏應力, 使巷道圍巖切向應力相對降低, 徑向應力相對升高, 應力狀態(tài)優(yōu)化, 促進圍巖應力向穩(wěn)定應力狀態(tài)轉化。[6]</p><p>　　2.3.3未重視底板支護[6]</p><p>　　對于該暗斜井，由于底板并未采取有效的支護穩(wěn)定底板，封閉底板，在構造應力，圍巖偏應力，以及地下水及其產生的的動水壓力，靜水壓力的共同影響下

55、。使壓力沿板底釋放，底臌嚴重并使兩幫底角向內空收斂，造成兩幫的破壞失修。</p><p>　　2.3.4支護構件設計不合理</p><p>　　(1)金屬網(wǎng)。金屬網(wǎng)做為錨、網(wǎng)、噴支護的重要組成部分，其主要作用是維護錨桿間比較破碎的巖石，防止巖塊的掉落；提高錨桿支護的整體效果，抵抗錨桿間破碎巖塊的碎脹壓力，提高對圍巖的支撐能力；在噴射混凝土內可提高混凝土的柔性，防止噴射混凝土開裂掉塊。<

56、;/p><p>　　冷拔絲焊接而成的鋼筋網(wǎng)在提高強度的同時，塑性變形能力大大降低，屈服強度降低，韌性降低，與圍巖的耦合變形能力能力降低，為發(fā)揮其支護能力，便會屈服破壞。金屬網(wǎng)直徑偏小，網(wǎng)格尺寸偏大，無法使圍巖在穩(wěn)定狀態(tài)下釋放變形能，充分發(fā)揮圍巖的自承能力。鋼筋網(wǎng)相互之間搭接長度小，質量差，致使鋼筋網(wǎng)整體性差，聯(lián)網(wǎng)不合格致使金屬網(wǎng)從連接處拉斷，使支護體不完整,形成弱點、線,使圍巖產生移動空間而發(fā)生破壞。</p&g

57、t;<p>　?。?）錨桿。錨桿間排距大，不能形成有限的平衡穩(wěn)定的壓縮拱，錨桿間巖石是錨、網(wǎng)、噴支護破壞的起始點。而從維護錨桿間松動巖塊穩(wěn)定性的角度出發(fā)，小的錨桿間排距較為有利。等強度金屬螺紋鋼錨桿，強度高，錨固力大，但錨桿剛度過大，沒有用樹脂或水泥錨固劑作全長錨固，造成變形能力差，造成錨桿附近應力高度集中，在共同作用的過程中，無法實現(xiàn)支護體與圍巖的一體化，荷載的均勻化，支護體與圍巖無法達到剛度耦合的要求，變形不協(xié)調，同時

58、，沒有在圍巖結構面部連續(xù)的關鍵部位（如直墻半圓拱的兩件部位，底板兩腳等部位）采取特殊的支護措施，加強支護，致使相關圍巖個別部位發(fā)生有害的變性損傷，結構耦合的要求同樣無法滿足。</p><p><b>　　3支護設計</b></p><p><b>　　3.1支護原則確定</b></p><p><b>　　3.1

59、.1技術先進</b></p><p>　　對于支護技術，應當采用目前最為先進，最為有效，施工最為快捷，方便的支護技術，例如，采用鋼纖維噴射混凝土，預應力錨索，自鉆式錨桿，高強預拉力錨桿，小孔徑高強預應力錨索，高強讓壓錨桿[10],等先進的支護構構件與技術。</p><p><b>　　3.1.2安全可靠</b></p><p>　　

60、在支護施工中，安全始終要放在最高位置，必須提起高度重視，在施工中要做到一絲不茍，將每一個支護構件準時安裝到位，通風安全，施工安全，支護施工順序，支護時間確定，排水防水，瓦斯的排出與爆炸預防措施，均要在確定時嚴格遵照規(guī)范，確保安全可靠。</p><p><b>　　3.1.3經(jīng)濟合理</b></p><p>　　巷道沒米的支護成本隨著支護方法的變化有較大的浮動，而巷道總

61、長達到2500m以上，每米支護成本的變化對支護成本的節(jié)省有重要意義，所以在安全可靠合理的前提下，必須是支護成本達到最低，以節(jié)省經(jīng)濟開支，提高煤礦整體利潤，具體做法是在錨桿錨索的選用，混凝土的使用量，噴射層厚度的確定組合等許多方面達到最佳組合，并且加快施工進程，使支護成本達到最低，而支護又能維持巷道長期未定服務的優(yōu)化組合。</p><p><b>　　3.1.4操作簡便</b></p&g

62、t;<p>　　在支護過程中須有一定的讓壓變形時間，以使圍巖的自承能力達到最大，因此必須提高施工效率，加快施工速度。由此可以得出，必須使支護操作簡便，以加快施工速度，減少施工支護成本，相應的采取機械化施工，優(yōu)化施工組合與支護順序。</p><p>　　3.1.4支護與軟巖的耦合[1]</p><p>　?。?）強度耦合 充分釋放膨脹能等非線性能量，最大限度的保護圍巖承載能力，

63、實現(xiàn)強度耦合；</p><p>　?。?）剛度耦合 在圍巖與支護體共同作用過程中實現(xiàn)支護一體化、荷載均勻化，實現(xiàn)剛度耦合；</p><p>　?。?）結構耦合 在結構面不連續(xù)變形，而支護體不連續(xù)變形的特殊位置采取相應的關鍵部位支護措施，實現(xiàn)結構耦合。</p><p>　　綜上所述，支護體應具有充分的柔度以適應圍巖大變形，同時又具有足夠的強度恰到好處地、及時地限制圍巖

64、發(fā)生有害的變形損傷。</p><p>　　3.1.5全面考慮 對癥下藥</p><p>　　在支護設計過程中，需綜合考慮以上各個設計原則，結合工程實際，采取相應最有效的支護措施，達到最佳的組合，實現(xiàn)技術先進，安全可靠，經(jīng)濟合理，操作簡便以及支護體與圍巖的耦合，并在實踐過程中不斷根據(jù)實際情況優(yōu)化整合，使支護達到最優(yōu)。</p><p><b>　　3.2支護方

65、案選擇</b></p><p>　　3.2.1傳統(tǒng)支護方案的缺點與不足</p><p>　　(1)礦用工字鋼金屬棚[10]</p><p>　　是一種被動支護形式，巷道變形量大、修復困難；</p><p>　　頂板易離層、棚梁上方形成的煤層破碎區(qū)，易自然發(fā)火；</p><p>　　支護勞動強度大，施工速度慢

66、，支護成本高。</p><p>　　(2)新奧法支護[1]</p><p>　　是一種被動支護形式，被動等穩(wěn)；</p><p>　　適用于地質條件優(yōu)良地應力低的巷道支護；</p><p>　　只能調動淺部圍巖的強度，對高應力軟巖支護效果差；</p><p><b>　　（3）原支護方案</b>&l

67、t;/p><p>　　圍巖自承能力沒有得到充分發(fā)揮；</p><p>　　支護形式單一，支護體與軟巖剛度強度不耦合；</p><p>　　支護構件的選取不盡合理；</p><p>　　沒有形成有效的平衡拱；</p><p>　　（4）單一的錨注或預應力錨索支護</p><p>　　松動圈圍巖中，圍巖

68、松動破裂范圍普遍大于錨桿長度，因而錨桿不能夠把破碎圍巖錨固在穩(wěn)定巖層中；</p><p>　　當巷道或硐室斷面較大時，其輪廓線上的曲率半徑較大，特別是位于拱基線以上的破碎圍巖，錨桿支護的組合拱效應并不明顯，而且組合拱的強度往往也不能保持圍巖的穩(wěn)定；</p><p>　　錨固范圍外的破裂巖體，在膨脹過程中對錨固部分的巖體和錨桿施加較大的壓剪力，在工程中往往發(fā)生錨桿擠出、錨桿間破碎圍巖松動掉落

69、等現(xiàn)象，最終導致發(fā)生冒頂事故；</p><p>　　3.2.2可用的先進支護方案</p><p>　?。ㄒ唬┓桨敢唬哄^、噴、網(wǎng)、索、注聯(lián)合支護方案</p><p><b>　　支護機理[7]</b></p><p>　　改變松動圈內圍巖松散破碎、整體性差的狀況，以提高圍巖的整體性和強度；</p><p

70、>　　充分利用松動圈外較穩(wěn)定巖體的抗破壞能力和巷道松動圈內破裂巖體，一起抵抗圍巖的變形失穩(wěn)，并且對圍巖內側提供較強的應力和位移約束，限制圍巖表面的過大變形；</p><p>　　錨注支護可以使破碎圍巖保持較好的整體性、較高的承載力和較強的讓壓與抗變形能力;</p><p>　　預應力錨索通過施加較高的預應力，可以對圍巖施加外部應力和位移約束，相當于提高了圍巖的側向圍壓，從而可以提高松

71、動圈內圍巖的強度，而其獨有的長度優(yōu)勢，則可以達到充分利用深部圍巖強度，以增加松動圈內破裂巖體抗破壞、抗變形的能力；</p><p>　　錨注和預應力錨索支護結合使用，可以滿足高應力軟巖巷道中軟弱破碎圍巖的支護要求。而且錨注和預應力錨索支護結合使用時，兩者不僅可以單獨起作用，還可以對圍巖形成多重連續(xù)的加固區(qū)，如下圖所示，從而使破碎圍巖和完整巖體形成一個有機的整體，使破碎圍巖的受力更加有利，從而使其轉化為變形破壞可控

72、的穩(wěn)定圍巖。</p><p>　　錨注與預應力錨索加固結構圖[7]</p><p>　　預應力錨索；2-注漿錨桿；3-噴網(wǎng)層；4-錨桿壓力拱；5-注漿擴散范圍；6-錨索壓力拱區(qū)</p><p>　?。ǘ┓桨付簲U大斷面二次支護方案</p><p><b>　　支護機理[8]</b></p><p&g

73、t;　　擴大斷面二次支護即掘進采用錨噴支護，斷面擴大沿邊擴大100—200mm，施工中對巷道進行觀測，當錨噴層出現(xiàn)變形，裂紋時上二次支護，即架設剛性支架或再錨噴一次。一般能使巷道道保持穩(wěn)定。，第一次支護變形或破壞將卸去部分應力，膨脹量將大幅減少。再上剛性支架，將阻止圍巖繼續(xù)變形，這就是所謂先讓后抗；</p><p>　　最佳二次組合支護時段，其原理是既要使圍巖變形能得到有效釋放，又要使初次支護能力得到充分發(fā)揮。當

74、圍巖放壓曲線與支護系統(tǒng)讓壓曲線相交時，所對應的時間為最佳二次組合支護時間。此時，圍巖放壓在優(yōu)化意義上達到了充分大，又保護了圍巖強度，同時，支護體讓壓在優(yōu)化意義上也達到了充分大；</p><p>　　采用二次支護后,巷道抗壓能力明顯加強;同采用其他支護方式相對比,不需要后期維修,減少了維修量;巷道支護穩(wěn)定,頂板沒有開裂的現(xiàn)象,提高了安全性;在服務年限長的巷道,能夠確保巷道的服務年限；</p><

75、p>　　二次支護適應了深部原始地應力釋放的特點。深部原始地應力較大,巷道開挖初期,地應力急劇釋放,此時圍巖變形速率大,趨于不穩(wěn)定狀態(tài);當?shù)貞︶尫诺揭欢ǔ潭?變形速率下降,圍巖趨于基本穩(wěn)定,再進行二次支護后,使支護獲得了較小的支撐力,保證了支護體系的完整。</p><p>　　3.2.3支護方案的最終確定[2]</p><p>　　采用方案二，擴大斷面二次支護，因為暗斜井軟巖巷道服務

76、年限很長，圍巖變形量大，具有流變性，為了防止在使用過程中，巷道空間因圍巖變形而變小，無法正常使用，因而確定使用該方案。基本思想為：封閉圍巖、提高威嚴強度、預留變形和加固底角。具體方案如下：</p><p>　　光面爆破，預留100mm的變形；</p><p>　　初噴鋼纖維混凝土封閉圍巖，底板做成剛勁混凝土反底拱，并預留注漿孔；</p><p>　　選定最佳支護時間

77、，安裝頂錨桿；</p><p><b>　　掛鋼絲網(wǎng)；</b></p><p><b>　　安裝幫錨桿；</b></p><p>　　噴鋼纖維混凝土，厚度25mm，以保證注漿壓力和注漿效果；</p><p>　　打錨索孔，安裝錨索，并將錨索用錨索梁連接；</p><p>　　

78、打注漿錨桿孔，安裝注漿錨桿，注漿；</p><p>　　復噴鋼纖維混凝土80mm，復注漿，作為永久支護。</p><p><b>　　3.3支護參數(shù)計算</b></p><p>　　由于暗斜井的圍巖屬于V類圍巖，松動圈的厚度為200～300cm[4],屬于大松動圈，所以在計算支護參數(shù)時，應采用組合拱理論[10]，該理論認為：在拱形巷道圍巖的破裂

79、區(qū)中安裝錨桿后，形成一個較大厚度和較高的強度承壓拱，以承受荷載。</p><p>　　3.3.1支護參數(shù)的理論計算</p><p><b>　?。?）錨桿參數(shù)</b></p><p>　?、馘^桿長度 由下式確定</p><p>　　L=N·（1.1+W/10）[9]</p><p>　　

80、L—錨桿有效長度，m；</p><p>　　N—圍巖影響系數(shù)，Ⅴ類圍巖取1.3；</p><p>　　W—巷道跨度，取4m.</p><p><b>　　數(shù)據(jù)代入后得：</b></p><p>　　L=1.3×（1.1+0.4）=1.95m</p><p>　?、阱^桿直徑 由下式確定：&

81、lt;/p><p><b>　　d=L/110</b></p><p>　　d—錨桿直徑，mm;</p><p>　　L—錨桿有效長度，據(jù)計算為1950mm。</p><p>　　則d=1950÷110≈18mm</p><p>　?、坼^桿間排距 由下式確定：</p><

82、p><b>　　A≤0.5L</b></p><p>　　A—錨桿間排距，mm；</p><p>　　L—錨桿有效長度，據(jù)計算為1950mm；</p><p>　　則 A≤0.5×1950=975mm</p><p>　?。?）組合拱厚度 由下式確定：</p><p>　　b＝（L

83、×tgα－A)/tgα＝L－A[9]</p><p><b>　　b—組合拱的厚度；</b></p><p><b>　　L—錨桿的長度；</b></p><p><b>　　a—錨桿的間排距；</b></p><p>　　α—錨桿對破裂巖體的壓力角，經(jīng)試驗知α接近4

84、5º。</p><p>　　b=1950-975=975mm</p><p>　　按工程實踐，組合拱的厚度應在1m以上。</p><p><b>　?。?）錨索參數(shù)</b></p><p>　　①錨索長度 由下式確定：</p><p>　　L=KLp+L1+L2[9]</p>

85、<p><b>　　L—錨索長度，m；</b></p><p>　　K—安全系數(shù)，取3.0；</p><p>　　Lp—圍巖松動圈厚度，取2.5m；</p><p>　　L1—錨索錨入松動圈以外穩(wěn)定圍巖的厚度，取0.3m；</p><p>　　L2—錨索外露長度，取0.2m。</p><

86、p>　　則： L=3.0×2.5+0.3+0.2=8.1m</p><p><b>　?、阱^索直徑</b></p><p><b>　　取18～22mm。</b></p><p>　　③錨索間排距2m～3m</p><p>　　3.3.2一次支護參數(shù)的最終確定</p>

87、<p>　　（1）鋼纖維噴射混凝土。初噴厚度50mm。</p><p><b>　　材料要求：</b></p><p>　　鋼纖維：噴射用鋼纖維除滿足韌度系數(shù)力學性能要求外，還必須滿足攪拌不結團和噴射不堵管的要求(規(guī)格：1=30mm，d=0．5mm，鋼絲冷拉而成，兩端有彎鉤，每3O一5O根用水溶性膠合劑粘結成一束鋼纖維束，鋼纖維束遇水后即迅速分散)。<

88、/p><p>　　砂：中粗砂，模度細數(shù)大于2．5，用5mm篩網(wǎng)過篩。</p><p>　　粗骨料：最大粒徑為lOmm的連續(xù)級配骨料，機制骨料應用5mm和lOmm篩網(wǎng)分別篩去石粉和大粒徑骨料。</p><p>　　水泥：525號普通硅酸鹽水泥(或更高標號)</p><p>　　速凝劑：水灰比0．4的凈漿試驗滿足初凝小于5min，終凝小于lOmin；

89、 </p><p>　　減水劑：高效減水劑(根據(jù)需要添加)。[3]</p><p><b>　　（2）錨桿。</b></p><p>　?、夙敯澹?0MnSiII級建筑用螺紋鋼錨桿，直徑20mm、長2400mm，錨固力30t左右，樹脂藥卷全長錨固，間排距700mm×700mm，外露長度150mm。</p><p&g

90、t;　?、趦蓭停浩胀菁y鋼錨桿,長度2. 2 m, 直徑20 mm, 間排距700 mm ×700mm, 端頭錨固, 每根錨桿使用兩根長度為600 mm的樹脂錨固劑錨固, 兩幫拱基線處的錨桿應向頂板傾斜30º, 為了控制底鼓, 兩底角錨桿應向底板傾斜45º, 其余幫錨桿與兩幫巖面垂直。[5]端頭錨固。螺母: 六方等強快速安裝螺母 托板: M 型托板, 140mm×130mm×8mm。&l

91、t;/p><p>　?、圩{錨桿：注漿孔間排距1400mm×2000mm，注漿孔直徑30mm</p><p>　　，深度2500mm，注漿壓力1.5MPa。采用純水泥砂漿，注漿水灰比1.2:1。由于膨脹型軟巖巷道在掘進早期就出現(xiàn)較大變形，圍巖裂隙非常發(fā)育，因此注漿施工可在錨、網(wǎng)、索、帶支護完成之后立即進行。注漿施工一半滯后掘進迎頭7～10m進行。</p><p&g

92、t;　?。?）金屬網(wǎng)。直徑4.5mm、網(wǎng)孔80mm×80mm的冷拉絲焊接而成。</p><p>　?。?）錨索。采用注漿錨索，直徑17.8mm，鉆孔直徑32mm，長度8000mm，樹脂錨固長度1400mm，間排距取2000mm。錨索梁: 選用16# 槽鋼, 沿巷道軸向布置,長度為1. 6m, 通過兩根錨索懸吊至頂板, 形成組合錨索結構。</p><p><b>　　3.

93、3.3二次支護</b></p><p>　　二次支護包括復噴鋼纖維混凝土和復注漿。復噴混凝土厚度80mm。復注漿需根據(jù)圍巖的變形情況具體確定，主要針對變形較嚴重的地段，注漿工藝同前所述。依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的結果，確定二次支護滯后迎頭60天。</p><p><b>　　4 結語</b></p><p>　?。?）極軟巖巷道圍巖松散破碎，圍

94、巖中含有大量的蒙脫石、高嶺石、高嶺石、伊利石等膨脹性礦物成分，支護難度大采用砌碹或錨、網(wǎng)、噴等支護方式不能保證巷道長期穩(wěn)定，影響礦井安全生產。采用擴大斷面二次支護即錨、噴、網(wǎng)、索、注聯(lián)合支護技術，巷道維護情況將大大改善。</p><p>　?。?）高地應力極軟巖巷道圍巖控制的關鍵是提高巷道掘進早期的支護強度、注漿加固圍巖和適時的二次支護。</p><p>　?。?）根據(jù)工程現(xiàn)場條件，優(yōu)化支

95、護參數(shù)，降低支護成本是支護技術有待于進一步改進、探索、研究的問題。</p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]何滿潮，孫曉明，等. 中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南. 北京：科學出版社，2004.</p><p>　　[2]李樹清，李達軍. 錨、噴、網(wǎng)、索、注聯(lián)合支護技術在極軟巖巷道中的應用. 湖南

96、科技大學，2008.</p><p>　　[3]崔明宇. 淺談鋼纖維混凝土及施工工藝. 中鐵十三局集團有限公司.</p><p>　　[4]王渭明，楊更社等. 巖石力學. 中國礦業(yè)大學出版社. 2010.</p><p>　　[5]閆文德，薄福利等. 松散破碎型軟巖巷道支護技術研究. 盛源礦業(yè)有限公司. </p><p>　　[6]

97、宋曉輝. 錨固加固軟巖巷道機理及合理注漿時間的確定. 山東科技大學碩士論文. 2008.</p><p>　　[7]張偉. 深井高應力軟巖巷道支護技術實驗研究. 山東科技大學碩士論文.2007.</p><p>　　[8] 張向東，張樹光，劉松，等. 錨桿支護配套技術與施工. 北京：中國計劃出版社，2003.</p><p>　　[9]袁亮等. 軟巖