煤矿巷道工业设计论文

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一、软岩煤矿巷道机理分析

在目前的支护条件下，试图用支护手段阻止围岩松动是不可能的。而支护的作用在于限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形，因此，该围岩松动圈是一个反映围岩稳定性的综合指标。我们将围岩中产生的这种松弛破碎带定义为围岩松动圈。深井软岩巷道具有压力大、来压快、变形持续时间长，易风化、遇水膨胀且自身承载能力低等特点，本文支护设计能很好的适应这些特点，有效保证巷道的安全，不仅缩短了工期，而且降低的经济成本。当巷道开掘后原岩应力受到破坏，围岩应力重新分布，由三向应力状态变为双向应力状态，并在巷道周围产生应力集中。当围岩应力δ小于R时，围岩弹性变形状态，围岩只发生变形而不破坏。当δ大于R时，围岩就会产生破裂松动，并中巷道周边向深部发展。直到δ等于R时，围岩处于极限平衡状态，破坏停止发展，至此形成的围岩破裂松动区即称之为围岩松动圈.

（1）锚杆支护不但能及时支护围岩，防止松动圈的扩大，而且一定程度的提高锚固区岩体的强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角等力学参数，并给围岩施加一定的压力，改善围岩应力状态，提高围岩自身承载能力，很好的适应围岩压力大、来压快的特点。

（2）巷道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，围岩中应力重新分布，切向应力增大的同时，径向应力减小，并在不同处达到极限。这种变化促使围岩向巷道空间变形，围岩本身的裂隙发生扩容和扩展，力学性质不断恶化。在围岩压力作用下，切向应力在硐壁附近发生高应力集中，致使这一区域岩层屈服而进入塑性状态，进入塑性状态的围岩成为塑性区。塑性区的出现，使应力集中区从岩壁向纵深偏移，当应力集中的强度超过围岩屈服时，又将出现新的塑性区。如此逐渐推进，使塑性区不断向纵深发展。假若不采取适当的支护措施，所监控的塑性区将随变形增大而出现松动破坏。塑性区和松动破坏区截然不同，松动破坏区没有承载能力，而塑性区具有承载能力.扩大断面二次支护其机理在于当初始压力大、变形量大时硬抗是困难的，第一次支护变形将卸掉部分应力，膨胀量将大幅减少。二次锚注支护，将阻止围岩继续变形，即所谓“先让后抗”机理，很好适应变形持续时间长的特点。及时喷射混凝土层能有效地防止围岩的风化，有利于巷道的稳定。

（3）采用锚注支护技术能有效地固化围岩，使巷道松散岩体形成一个再生自然拱，提高围岩的整体性和稳定的结构性，封堵裂隙，阻止水的渗透，有效地防止软岩遇水膨胀及软化，使围岩位移量减小，巷道变形得到了明显控制。

二、软岩煤矿巷道失修的类型及其原因

2.1、道失修的类型

巷道失修是由于岩体内弱面（裂隙、层理、节理等）的存在，破坏了围岩的稳定性，受地压作用产生变形或破坏，从而造成冒顶或片帮。在生产中，常见的巷道失修类型有：冒顶、片帮、底鼓或冒顶加片帮、片帮加底鼓等类型。

2.2、冒顶产生的原因

巷道发生冒顶事故，是由于巷道顶板不稳定，而两帮岩石较稳定，巷道顶板岩石受应力作用，在巷道支护强度不够的情况下便产生变形或破坏，以致冒落。

2.3、片帮产生的原因

由于巷道两帮岩石内弱面的存在，在巷道支护强度不够的情况下，当受到应力作用时，破坏了围岩的稳定性便产生片帮。

2.4、巷道变形产生的原因

巷道布置在塑性岩石中，由于动压作用，使巷道围岩的稳定性遭到破坏，巷道围岩产生了变形和位移现象。巷道变形多表现为片帮或底鼓现象。

三、软岩煤矿巷道锚带加固技术应用

钢结构加固的主要方法有：减轻荷载、改变计算图形、加大原结构构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。当有成熟经验时，也可采用其他的加固方法。经鉴定需要加固的钢结构，根据损害范围一般分为局部加固和全面加固。局部加固是对某承载能力不足的杆件或连接节点处进行加固，有增加杆件截面法、减小杆件自由长度法和连接节点加固法。全面加固是对整体结构进行加固，有不改变结构静力计算图形加固法和改变结构静力计算图形加固法两类。增加或加强支承体系，也是对结构体系加固的有效方法。增加原有构件截面的加固方法是最费料最费工的方法（但往往是可行的方法）；改变计算简图的方法最有效且多种多样，其费用也大大下降。加固结构的施工方法有：负荷加固、卸荷加固和从原结构上拆下应加固或更新的部件进行加固。加固施工方法应根据用户要求和结构实际受力状态，在确保质量和安全的前提下，由设计人员和施工单位协商确定。

（1）带负荷加固。施工最方便，也较经济。是用于构件（或连接）的应力小于钢材设计强度的80%时，或构件无甚大损坏（破损、变形、翘曲等）的情况下。此时为了使新加固杆件参与受力，有时需要对被加固杆件采取临时卸荷的措施。另外，在加固时应注意不影响其他构件的正常使用。

（2）卸荷加固。适用于结构损坏较大或构件和连接的应力状态很高，需要暂时减轻其负荷时。对某些主要承受可动荷载的结构（如吊车梁等），可限制其可动荷载，即相当于大部分卸荷。

（3）从原结构上拆下应加固或更新的部件。当结构破坏严重或原截面承载力过小，必须在地面进行加固或更新时采用。此时必须设置临时支撑，使被换构件完全卸荷；同时，必须保证被换结构卸下后整个结构的安全。由于煤矿巷道所穿越的地层大部分为沉积岩地层，尤其当这些地层为中生代和新生代的含有膨胀性矿物的粘土类岩石(泥岩、页岩等)或胶结程度较差的其它岩石时，相对于冶金等其它岩土工程领域的岩石而言，煤矿巷道围岩的软弱松散、碎胀流变等特点就显得更为突出，从而造成煤矿软岩巷道围岩的变形量往往很大，且变形时间长，受采动影响明显，给井下支护工作造成了严重的安全隐患。纯锚杆支护只能在短时间内控制围岩的变形，必须采取有针对性的补强支护措施。

3.1、大变形巷道的支护特性分析

由于大变形巷道围岩地层大部分为沉积岩地层其以炭质、砂质泥岩为主，尤其当这些地层为中生代和新生代的含有膨胀性矿物的粘土类岩石(泥岩、页岩等)或胶结程度较差的其它岩石时，相对于冶金等其它岩土工程领域的岩石而言，煤矿巷道围岩的软弱松散、碎胀流变等特点就显得更为突出，从而造成煤矿软岩巷道围岩的变形量往往很大，且变形时间长，受采动影响明显，使用单轴抗压强度较低，胶结性差，易分化潮解从而出现明显的变形破坏，(1)巷道顶部的锚杆在顶板离层难以达到稳定岩层范围，破碎围岩在变形加剧的影响下，巷道顶板下沉量大，变形速度快，持续时间长。(2)变形的剧烈，锚杆容易出现螺母压坏托板的现象，失去托板承托效应的锚杆锚固力明显减弱导致巷道出现收敛的趋势。(3)一般的刚性棚式支护普遍被压坏，其中以架棚顶梁的破坏最为明显，架棚柱腿则由巷道两边向中心收敛。(4)巷道底部出现大量的底鼓现象，并且底鼓的出现与顶板下沉、帮部收敛同时发生，相互影响，形成恶性循环。(5)巷道围岩对扰动极为敏感，当受到采动等影响时，会发生剧烈的变形，甚至整体失稳破坏。(6)巷道围岩表面由于大量的亲水性矿物的存在，风化、潮解现象严重，进一步加剧了巷道的变形。

3.2、大变形巷道支护设计原则

大断面锚带支护设计，利用锚杆支护改变围岩的力学性质约束围岩变形。同时结合钢带的施加发挥锚杆的主动支护效能，提高锚杆支护的整体性，并与锚杆一起形成锚梁来控制围岩变形。

3.3、锚带支护技术

通过钢带将锚杆、锚索连接在一起，提高锚梁的抗弯性能，加强巷道顶部的承托能力：使用螺纹端锚锚杆为22mm×2400mm,钢筋锚杆规格型号为16mm×1600mm,间排距均为600mm,矩形布置;锚索规格15.24mm×6400mm,配套使用本矿制造的树脂锚固剂及4m长钢带托梁,配合钢带托梁组合成一个支护整体。钢带横向布置,在巷道中心线两侧左右对称支护,钢带托梁间距为2.4m,锚索间距为2.4m。顶锚杆为每排8根,螺纹锚杆和钢筋锚杆间隔使用。锚索滞后工作面距离不大于2.4m。采用π型钢棚加强支护,梁长3.6m,棚腿采用DZ-35型单体液压支柱,棚距1.6m,π型钢棚垂直巷道中心线左右对称布置,π型钢棚下单体支柱距巷道中心线为左右各1.5m。架π型钢棚滞后工作面不超过10m。用锚杆支护后再进行加强支护,预计顶板变形不大,因属于单一煤层开采,切眼内矿山压力无明显显现,围岩变形量不大,顶板变形量最大不超过3mm。在顶板支护后基本处于稳定状态,两帮由于有锚网支护,且配有支柱及大拌背帮,也不存在片帮现象,较传统支护在顶板控制方面具有很大的优越性。

3.4、钢带设计

钢带将锚杆连接在一起，协调锚杆形成的锚梁的变形，扩大锚杆的有效锚固范围及顶板锚梁的承托范围，同时由于钢带的存在可以给锚杆施加较大的初锚力，真正实现锚杆的主动支护。钢带按断面形状分为平钢带、W形钢带及M形钢带。其中M形钢带由于抗弯性能较强，适宜于软岩大变形巷道的锚杆支护。钢带的拉断载荷p可以近似用下式计算:p=(b－d)tσb式中：b———钢带宽度，m；d———钢带锚杆孔直径，m；t———钢带厚度，m；σb———钢带的抗拉强度，MPa。

四、加固管理措施

规范锚杆支护设计。针对现行锚杆支护设计的不足，根据实践经验，吸取教训，对巷道围岩根据不同区域、同一区域不同地点进行科学、合理的地质评估，结合地压(巷道埋深)情况(垂直应力和水平应力)制定出符合张集煤矿实际的具有切实性和科学性的锚杆支护设计方案，坚持引进先进技术和基础设施，优化设计组合，舍得资金投入。加强施工管理。首先，完善施工工艺，规范操作在不断探索、试验的基础上，完善煤锚支护施工工艺，规范施工操作程序，保证锚杆安装质量，使锚杆支护及时、主动的优越性得以充分体现，是提高煤锚安全性的一个基本措施。其次，制定技术措施，强化落实制定切实、科学的煤锚支护设计规范，完善煤锚支护工艺的基础上，编制出具有针对性的施工技术措施，强化措施落实，是保证锚杆支护质量，提高煤锚支护安全性的一个重要措施。最后，完善锚杆支护质量检查制度，严格施工过程的检查监督完善区队施工过程中的锚杆支护质量检测制度，做好日常的锚杆初锚力、锚固力等检测工作，发现施工质量问题及时整改，是保证锚杆施工质量，提高煤锚支护安全性又一必要的基础性措施。做好锚杆受力与顶板离层监测。要加大资金投入购置精度较高、实用的监测和测试仪器，从日常观测中随时掌握锚杆支护受力变化情况及顶板异常情况，以便于及时处理，采取支护对策确保支护的安全性。对观测资料及时整理、分析、汇总，及时反馈，以便于及时进行锚杆支护设计的优化调整，这是提高煤巷锚杆支护安全性不可缺少的重要一环。锚杆支护技术是一项貌似简单，实则复杂的系统工程，影响支护效果与成败的因素很多。随着科技进步，锚杆产品的规范化、精细化的生产以及锚杆支护检测技术的完善，人们对锚杆支护作用机理认识的进一步深化，锚杆支护必将成为煤矿支护最具发展潜力的技术。只要我们认真对待，注重研究，锚杆支护将会迎来更加迅速发展的时期。