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软岩巷道支护设计要点解析

来源:用户上传      作者: 王冰冰 樊明永

  [摘 要]长时间以来,软岩巷道的支护一直为我国煤矿带来极大困扰,随着煤矿开采深度的愈来愈增加,我国大部分矿区的软岩工程问题也日益凸显出来,在这种情况下,也对软岩巷道支护设计提出了更为严格的要求。本文就在对软岩工程特性与软岩巷道围岩变形特点分析的基础上,对软岩巷道支护设计要点予以探讨。
  [关键词]软岩巷道;支护;设计要点
  中图分类号:D5+6T33 文献标识码:B 文章编号:1009-914X(2014)34-0204-01
  对软岩巷道的有效维护在我国煤矿的建设与生产过程中一直是作为难点的存在,随着我国经济的高速发展,对煤矿需求量也愈来愈大,煤矿开采深度的增加随之增大了地应力,煤矿软岩巷道的支护变得更是难上加难。在松软岩层条件下,有的矿井在设计的过程中没能将软岩特性结合其中,将巷道设置在膨胀性极高的软岩中,而且使用金属或者是梯形木支架等刚性支护,直接造成巷道围岩发生较大变形,制约矿井的生产效率,严重影响到其生产安全。基于此,进行软岩巷道支护设计时,必须要将软岩的工程特性结合进来,且充分尊重软岩巷道围岩的客观变形规律。
  一.软岩的工程特性分析
  软岩巷道表现出来的一个最明显工程特性就是地压具有极为剧烈的显现过程,想要保证巷道的维护具有较大困难,加之围岩具有自稳时间短、变形量大且变形剧烈、遇水就膨胀等特性,也使其成为在煤矿开采工作中需要面对的不良地质条件之一。就以煤矿工程技术的角度来看,软岩工程特性表现可以归纳为以下两点:
  (一)围岩软化临界荷载
  随着围岩内部应力水平的逐渐提升,尤其是当处于围压极速增加的环境下,岩石内部的塑性变形程度也大幅度提高,继而岩石本身的特性也随着应力水平的变化而变化。在围岩应力水平大幅度提升时,其软化临界荷载与塑性变形是相互对应的,致使倒岩结构发生一定变化成为表现出松软特性的软岩;另外,在开采煤矿的过程中,一旦挖掘深度超出了围岩软化临界值,就会直接使围岩发生严重的变形问题,在这种情况下,为了确保围岩内部应力与大地压的平衡,就必须要通过巷道支护的方式予以解决。
  (二)力学属性
  软岩的力学属性表现与其泥质矿物成分以及结构面等方面有着很大的相关联系,一般是通过可塑性、膨胀性、流变性等力学特点表现出来,其中软岩的膨胀性表现的最为显著,围岩在物力、化学、力学等一系列因素的共同强加作用下,使其内部发生急剧的体积变化现象,致使内部、外部等膨胀形式表现出来。在进行对软岩巷道支护设计的过程中,对软岩表现出来的力学属性予以分析是最为重要的一点,同样,前期的地质勘探工作亦可以为其有效的设计提供可参考数据。
  二.软岩巷道围岩变形特点分析
  (一)变形量大
  软岩工程中围岩具有较大的变形量是其主要特征,如若使用传统的支护方法很难实现对其变形的有效控制。
  (二)变形速度极快
  通常由于较为频繁的采掘或者是开挖等因素的影响,通常致使软岩巷道的围岩变形发生速度极快。
  (三)变形时间久
  软岩巷道不仅变形速度极快,而且持续时间长,是其另外一个主要特点。
  三.软岩巷道支护设计要点分析
  现代岩石力学表明,虽然破裂但岩石还是会留有极大的残余强度,且具有极高的承载力;围岩一方面是支护压力的根本,另一方面也是与原岩应力进行平衡抵抗的承载体,同样是最为重要的承载结构体。因此,支护的根本作用则是进一步提高与维护松动围岩的残余强度,将围岩原有的承载能力极大化的发挥出来。软岩巷道遵循的支护原理也是根据围岩具有各不相同的属性、各不相同的地压来源,在低地压活动基本规律予以分析的基础上,使用现代化的信息设计手段,进一步使支护体系与施工过程可以与动态发展着的围岩变形相适应,起到尽量控制围岩变形,确保巷道稳定的根本作用。
  (一)巷道位置的确定
  在巷道进入挖掘阶段之后,巷道空间上方岩体的重量就会施加到支架与周围岩体上,这时围岩与巷道支架则就形成了一个共同的力学承载体系。一旦围岩的相对高度提高,那么施加在支架的荷载就会相对下降,相反,如若围岩相对刚度降低,那么支架荷载将会随之升高,继而增加围岩变形量。就长时间的实际施工经验来看,巷道中的整体覆岩体重量中最多只有2%的重量是施加给支架的,而其余的大部分重量都是施加给围岩。基于此,在将各种影响因素都综合考量进来的前提下,尽量要保证在工程量少的地段,较为坚硬、完整的岩体中设置巷道。
  (二)围岩加固与支护设计的相结合
  针对围岩自撑能力差、强度低的缺点,予以加固技术措施比如说卸压或者是注浆,会起到不同程度加固软岩的作用,提高围岩内摩擦角值与内聚力值。经长时间施工实践表明,注浆之后的软岩可大幅度提升其牢固性,且底臌量也会急剧减少。
  (三)柔性喷层
  在软岩巷道中长时间的采用锚喷支护,由于围岩的变形导致喷风刚度与极限变形与其不相适应;普通喷射砼的极限变形量最高才能达到2%左右,也就是相当于发生了20~40mm的位移,但软岩巷道周边位移通常都在100~200mm左右,这样的记过将直接导致喷层的开裂与脱落,在未能实现与锚杆共同作用的基础上,进一步促使围岩的变形与损坏。因此,使用柔性喷层、降低喷层的高度,提高喷层强度是软岩巷道采用锚喷支护的要点。
  (四)巷道断面大小与形状
  岩石虽然具有较强的耐压力,但抗拉能力较小,进行对巷道断面形状大小的选择时,应尽量保证少出现拉应力,且尽量减小压应力集中系数。由于相同的材质因其形状的不同施加给支架的承载力也不尽相同,所以在材质与断面形状大小相同的情况下,支架承载能力也会随着断面大小的增加而降低。就我国软岩本身具有的特性来看,如若不将支架的反作用力考虑在内,半圆拱直墙巷道位移量要远远高于圆形巷道的位移量;而圆形巷道围岩的应力集中系数要远小于半圆拱直墙巷道。因此,在软岩巷道中为了方便后期的维护,其断面形式应尽量选择近似圆形或者圆形。
  (五)支护形式的选择
  在我国传统的大部分巷道支护设计中,在对巷道整体的设计中都未能将底板因素结合进来,仅实现了对顶板与两帮的支护设计。将这种未完全封闭的支护形式应用到软岩巷道设计中,造成的最严重后果就是剧烈底臌。因此,使用全封闭的支护形式,可以使软岩巷道围岩成为一个整体,改善围岩受力状态,能在极大程度上减少底臌发生。
  (六)柔性支护与二次支护形式的使用
  由于软岩巷道具有变形量大、变形速度极快且持续时间长等特点,如若在巷道支护设计中使用刚性支护,可能会起到适得其反的作用,使支护结构由于承载了较大压力而损坏;但是如若将具有一定伸缩性能的金属支架或者是允许拉伸的锚喷支护等一些柔性支护形式应用其中,尊重巷道具有一定的变形性,则就能够使围岩积聚的应变在一定程度上得到释放。由于柔性支护可以起到以柔克刚、刚柔相济的作用,能与软岩巷道的变形特点相适应,因此具有积极的使用价值。
  结束语
  在软岩巷道支护设计中,必须要将煤矿所处地理环境、岩层变形特点等内容结合进来,制定合理的巷道支护方案,在巷道支护设计中,注意围岩的变形现象,增强其牢固性,为安全的开采工作提高保障,进一步提高煤矿企业的经济效益。
  参考文献
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