巷道破坏机理支护形式选择
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巷道破坏机理与支护形式的选择
[摘要]本文阐述了巷道破坏的机理,并阐述了巷道的支护类型和适用条件。
[关键词]巷道、破坏、机理
中图分类号:td353 文献标识码:a 文章编号:1009-914x(2013)16-0035-01
1.巷道的破坏机理
1.1 岩古的原始应力状态
开采以前,岩层都处于原始应力状态。
垂直方向上由于上覆岩层的作用形成垂直应力δ1,在垂直应力作用下,岩块a要沿三个相互垂直的方向(x、y、z方向)产生变形,而受到相邻岩体对岩快侧向变形的约束面产生侧向应力δ2、δ3;一般认为水平方向上的条件是一致的而且都是由于垂直应力δ1所引起的,所以δ1=δ2=δ3λyh
式中δ2、δ3,——侧向应力,n/m2
y——侧太系数,取决岩块所处力学状态;
h——岩块所在位置距地表的深度,m。
需要指出的是,岩层中的原始就历程除重力应力外,还有可能存在的构造应力、温度应力和膨胀应力等。
采动前存在于岩层的原始应力是采动后矿山压力的来源。
1.2 巷道围岩的应力分布
1.2.1 采动、采动空间和围岩
在岩体中开掘巷道和进行回采:工作,称为对岩体的采动,采动所形成的空间称为“采动空间”,采动空间周围的岩体称为围岩,采动空间上方的岩层称顶板,下方的岩层称底板,两侧的岩体称为两帮。
1.2.2 巷道的应力分布
采动后围岩的原始平衡状态遭到破坏,各部分应力将重新分布,应力重新颁的结果是顶板的两端出现应力集中区。
其中顶板各岩层将因失去支撑面,在自重的作用下,弯曲下沉。
结果在其底部出现拉应力,当拉应力超过限度,顶板岩层遭到破坏,围岩应力的重新分布促使岩层产生新的运动。
1.3 自然平衡拱的形成及破坏
当开掘井下巷道或采出煤炭后,顶板被暴露出来,好象一根梁一样承受着上下岩石的压力。
如果不及时进行支护,经过一段时间,梁将向下弯曲,靠近巷道顶板的岩石产生拉应力,当拉应力超过岩石所能承受的极限时,岩石将产生裂隙,并随着裂隙不断增加,岩石开始破碎、脱落下来,其冒落范围不断向上发展,最后形成一个岩拱就不再冒落了,这种拱叫自然平衡拱。
综上所述,掘进巷道时就做好支护工作,防止顶板冒落、片帮和底鼓。
因此,在掘进巷道过程中,针对巷道围岩的岩性情况适当选择恰当的支护类型是十分重要的。
2.巷道的支护类型及其适用条件
2.1 巷道的支护类型
根据井下开采的需要,巷道的位置和用途可分为三类即:开拓巷道、准备巷道和回采巷道。
三类巷道的支护根据其围岩特性、位置、服务年限又有所不同,常见的巷道支护有木支护,钢筋混凝土砌碹,金属支架和锚喷支护,其中锚喷支护目前应用最为广泛。
2.2 支护类型的适用条件
支护的作用在于改善围岩稳定状况和控制围岩运动发展速度,以维护安全的工作空间。
支护方式的选择,决定围岩的稳定状况,对受工作面采动影响小的巷道,可采用沉缩量小的刚性支护,如井下运输大巷井底车场一些开拓巷道。
对受采动影响大的不稳定巷道,应选用可缩性支护,如采区的准备巷道和回采巷道。
2.2.1 木支架
这种支护形式在煤矿掘进生产中比较常见,而且历史很悠久,主要结构是梯形棚子,常见有亲口棚子和鸭跟棚子两种。
亲跟棚子顶梁与立柱的连接为相互咬合的亲口接合形式,这种方法最简单。
它可以在各种地压条件下使用。
木棚子的架设质量要求较严格,有一点架设不好,将影响棚子支护效果,因此架设时要认真仔细作业,不能马虎,以免留有后患。
木支护的优点是重量轻,容易加工架设,具有一定的强度和可缩性,其缺点是易燃易腐回收复用率低,维护费用高。
为了节约木材尽量少用或不用木材支护。
2.2.2 金属支架
金属支架具有坚固耐用、防火、架设方便、可回收复用等优点,
可做永久支护和临时支护。
金属支架所用的钢材有槽钢,废旧风轨,矿用工字钢和“u”型钢等。
采用金属支架支护时,可根据巷道的服务年限,选用钢筋混凝土背板或木背板。
在地压较大,尤其是动压较大的巷道中,使用金属拱形支架比较理想,它的缺点是重量较大,搬运和修理不方便,初期投资大。
目前金属支架大部分用于煤巷,尤其是综合机械化采煤的大断面顺槽更适宜拱形金属支架。
2.2.3 石材支护
石材支护是指用料石(砖、混凝土或钢筋混凝土等)砌筑的拱形支架,由基础、墙和拱顶三部分组成。
在地压较大、或不均匀地区,拱顶或墙上会出殃拉应力,而料石及混凝:上等均匀脆性材料,它们的搞拉强度都很小(较比搞压强度),为使碹体不被拉坏,在这些地区应采取针对忭措施,如钢筋混凝土砌碹等。
料石砌碹能抵抗较大的静压力,具有防火隔水,防止围岩风化和通风阴力小等优点。
但它施工工艺复杂,属隐蔽工程,管理困难,速度慢,劳动强度大,常有局部空顶作业的情况,易出现顶板人身事故,成本较高。
一般只在井筒附近才使用这种支护。
2.2.4 锚喷支护
2.2.4.1 支护原理
锚杆支护是新兴的一种支护形式。
锚杆支护与一般支架不同,已不是消极地随巷道的围岩压力,而是把围岩锚固起来,形成支架
与围岩共同作用的受力整体,从而减少围岩变形防止围岩冒落。
在层状岩层中,锚杆可把薄层的岩石锚合起,形成组合梁,锚杆还可以把松软围岩牢固悬吊在坚固稳定的岩层上,在非层状岩层中,锚杆可将巷道周围的岩块彼此拉紧使其形成一个拱。
2.2.4.2 锚杆的种类
(1)木锚杆结构简单,容易制造、成本低,但锚固力小(10kn 左右)使用期限短,一般用于围岩压力不大,服务年限不长(1a左右)的巷道,如果经过防腐处理,可服务2—3a。
(2)压缩木锚杆锚固力比普通木锚杆大,如果进行防腐处理,使用期限可达5a以上。
(3)金属楔缝式锚杆的优点是结构简单工作可靠。
缺点是使用后一般不能回收,岩层较软时不能使用。
(4)金属倒楔式锚杆的锚固力一般可达40kn以上,适用于服务年限3a以上的巷道,如果服务年限很长,钻眼孔口中最好注入水泥砂浆。
(5)药卷锚杆的锚固力比倒楔式还要大,可达50kn以上,因此它被广泛地应用于各类巷道支扩中。
唯一的缺点是药卷的浸泡程序不好掌握,初期锚固力低。
(6)钢丝绳砂浆锚结构简单制造容易,成本低,可利用废旧钢丝绳做原料,锚固力大。
缺点是不能立即产生实锚力。
如果将钢丝绳砂浆锚杆配合喷浆使用,可用在服务年限较长的主要巷道和硐室。
此外,它还可用来防止巷道底鼓。
2.2.4.3 锚杆支护的优点
锚杆支护与其它支护方式相比,其优点是:坚固、耐用、安全可靠,巷道维护量少,施工工艺简单,劳动强度低可紧跟掘进工作面便于组织,掘进支护平行作业和一次成巷;有利于实现快速掘进和支护机械化,可缩小巷道断面约10%~20%,节省大量建筑材料,掘进费用低。
它的缺点是人工打顶板眼困难。
单纯的锚杆支护,不能防止围岩的风化和脱落。
为此锚杆支护最好和喷浆(或喷射混凝土)支护联合使用。
有时与挂金属网和喷浆共同使用以达到支护的目的。
3.结论
综上所述,采动前存在于岩层中的原始应力是采动后矿山压力的来源,开掘后巷道的应力发生变化重新分布。
而支护的作用在于改善围岩稳定状况和控制围岩运动发展速度,以维护安全的生产空间。
所以,巷道的支护是必要的。
在井下掘进中,针对工作现场的实际,确定使用正确的支护方式,即能很好地支护巷道,保证正常的安全生产,又能避免不必要的浪费。