关键词:掘进过程 矿压控制 围岩支护
0 引言
在原岩应力场作用下的岩体,一般处于相对稳定的自然平衡状态。在岩体内开掘井巷就破坏了这种平衡,于是便在井巷周围一定范围内的岩体应力场中发生某种程度的变化并出现了次生应力场。由于上部岩层的重力作用,地下岩层处于受力状态。地压即开掘巷道后,顶板会下沉,以至冒顶,两帮会变形,以至片帮,有时还会出现底鼓,有些区域签至底鼓非常严重,通常皆称为地压现象。
为了维持巷道必要的断面尺寸,防止围岩发生危险的变形和垮落,就必须采取有效方法来维护巷道。这些方法主要有以下5种:①把巷道选在比较坚固的岩层小,特别要尽量避开地质构造复杂地带;②保留一定尺小的护巷煤杆或保护层;③选择合理的巷道断面形状和尺寸;④采用机械化切割、光面爆破等先进的破岩方法,减小施工对围岩的破坏与震动,以利于巷道的稳定。⑤使用人工构筑物——支架。虽然维护巷道的方法有很多,但是目前架设支架是维护巷道的主要手段。
1 原岩应力及矿山压力的含义
1.1 原岩应力及矿山压力
地下岩体在采动以前,由于自重的作用在其内部引起的应力,通常称为原岩应力。当开掘巷道或进行回采时,破坏了原来的应力平衡状态,引起岩体内部的应力重新分布,直到煤、岩内部再次形成新的应力平衡为止。这种由于在地下进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体内和支护物上所引起的力,称为矿山压力,简称矿压或地压。
1.2 矿山压力显现
在矿山压力作用下,将引起一系列力学现象:如围岩变形或挤入巷道、岩体离散、移动或垮落,煤体压松、片帮或突然抛出;岩层利曲表发生移动和塌陷等。这冲出于矿山压力作用,使煤体、围岩和各种人工支撑物产生的种种力学现象,统称为矿山力显现,简称矿压显现。
1.3 矿山压力控制
为使矿压显现不至于影响正常的开采工作和保证安全生产,就必须采取各种技术措施加以控制。这种人为地调节、改变和利用矿山压力作用的各种措施,称为矿山压力控制,简称矿压控制。
2 围岩稳定的方法
保护井巷围岩稳定有的方面的措施:—是保护井巷硐室围岩原有的强度和承载能力,如及时封闭围岩以防风化,及时衬砌阻止因岩产生过大变形和松动;二是赋予围岩一定的强度使其稳定性有所提高,如给围岩注浆封闭裂隙、用锚杆加固危岩等。
井巷维护方法主要有以下3个方面:
2.1 合理选择井巷位置:主要井巷应尽可能布置在稳定性好的岩体中,而应尽量不布置在稳定性极差的破碎岩体中;
2.2 合理选择断面形状:从防止围岩应力集中考虑,最好的断面形状是圆的或椭圆形的;
2.3 合理选择支架类型:对于较大的变形地压,一般的刚件支架难以支承,应选用可缩性的支架。这种支架对较大的变形地压能作暂时的“退让”,在围岩变形过程中,大部分地压由围岩通过变形释放出来并自身承担其所能承担的一部分。当作用在支架上的压力减至某一较小值时,支架就能“不再退让”而能承担并顶住,如目前广泛使用的锚喷支护。
3 围岩支护
井巷支护材料,主要指在井巷支护中所用的支架材料。井下大气具有腐蚀性及地下水的作用,能使支架材料失去它原来的性能而使支架遭到破坏。因此,对支架材料必须有—定的要求,要求主要指材料么物理力学方面及化学耐腐方面应具备的一些性能。支架按材质可分为木材、金属、石材、混凝土和钢筋混凝土支架等。
3.1 木材
在井下支护用的木材通常称为坑木。用木材做支护材料的优点:具有一定的强度、质量轻、加工力便,灵活性强,且具有一定的可缩性等。但也有一定的缺点:使用期限短、维修工作量大、耐火性差、易腐朽等。由于木材具有上述优点,所以在地下采掘生产中曾广泛使用,特别是在小断面的地质探矿巷道中现今仍较广泛地使用木材支架。
3.2 砌碹整体支护
砌碹整体支护按不同拱形可分为半圆拱、圆弧拱、各种不同高跨比的三心固拱、马蹄形拱以及双心圆拱等。按使用材料不同可分为料石、毛石、普通砖和混凝土砖值等。其应用范围为服务年限较长的主要运输通风巷道和地压不大且较均匀对称的巷道,巷道跨度以不超过4m为宜。普通砖和混凝土砖与料石碴相比,其交护强度要小得多,因此其使用区域的地压应更小些。
3.3 锚杆支护
锚杆支护实质上是把锚杆安装在巷道的围岩中,使层状的、块状的、整体的、软质的岩体以不同的形态得到加固,形成一个完整的支护结构,提供一定的支护抗力,共同阻抗其外部围岩的位移和变形。支护抗力是支护结构约束围岩变形的作用力,任何支护结构都可提供一定的支护抗力。无支护结构时,围岩是自由变形的,应力是自由释放的。有了支护结构对围岩产生约束,因而就出现了一定的支护抗力,当其与围岩府力最后达成平衡时,就形成了一个力学上的稳定结构。
3.4 喷射混凝土
喷射混凝土大体可分为干式喷射法、半湿式喷射法和湿式喷射法。喷射混凝土,可以使空气与巷道围岩隔离,防止围岩风化和易膨胀岩石吸收空气个的水分而潮解膨胀,减少外部环境的影响,保护围岩自身的稳定性。
3.5 联合支护形式的选择
3.5.1 锚喷联合支护。锚喷联合支护结构是喷射混凝土支护与锚杆支护两者联合使用的结构。它兼有两者的优点,又克服了两者的缺点。锚喷联合支护结构中,以锚为主,以喷为辅。起主要作用并提供主要支护抗力的是锚杆,而喷层只起封闭防风化岩层的作用。
锚喷联合支护,除具有喷射混凝土的及时性和密贴性,防止围岩风化和水的渗透,阻止锚杆间小块掉落外,还具有锚杆的长处,保持和加强围岩的强度和整体性,保持围岩的稳定,发挥围岩的自承能力。
3.5.2 锚喷网联合支护。锚喷网支护结构是锚杆、喷射混凝土和金属网三者并用的联合支护结构。与锚喷结构比较,它的最大特点是因加了金属网,增大了喷射混凝土的整体性和其抗弯、抗拉、抗剪的能力。这不仅提高了喷射混凝土的支护抗力,面且显著提高了喷层的抗裂能力,相对减少了喷射混凝土的厚度,提高了喷层的柔性和封闭性。同时金属网在喷射混凝土中,可防止因收缩、养护不当而产生的裂纹,使喷层应力得到更均匀的分布。
3.5.3 锚网、锚笆、锚梁网支护结构。锚杆与金属网联合支护称之为锚网支护,锚杆与荆笆、竹笆联合支护称之为锚笆支护,锚杆勺钢板梁、金属网联合支护称之为锚梁网支护。锚网、锚梁网支护,借鉴了锚网、锚笆支护的经验,发扬了它们的优点,克服了它们的缺点。使得联合支护的护层从强度上和对围岩保护的控制面积上都有所增强和扩大,使锚杆加固范围内的围岩得到良好的保护和加固,形成一个完整的整体。使用这种支护结构的巷道,若锚杆参数选择适当,巷迫维护状态良好,除巷道顶段的两个隅角锚梁网不好支护的缺护处在围岩变形非常大的时候出现剪断现象外,一般情况下被加固的围岩处在整体下沉状态,不会出现剪断的现象。若巷道断面缩小,仅需卧底就可以满足安全和生产的需要。
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