矿井巷道掘进支护技术

矿井巷道掘进支护技术

(一)巷道支护的基本原理

巷道未开掘以前,地下岩体处于相对平衡的原岩应力状态。巷道开掘以后,就破坏了这种原岩应力状态,打破了原有的应力平衡,应力重新分布,形成了集中应力,岩体受三向压缩转变为双向压缩。巷道周边围岩是否破坏取决于:集中应力的大小和围岩的强度。如果集中应力大于围岩的强度,岩体就会破坏,集中应力就会向围岩内部转移。在转移过程中集中应力降低,围岩越向里,其承载能力越强,直到重新平衡为止。由此可见,巷道维护须从两方面釆取措施:提高围岩强度,控制围岩应力。要使得巷道易于维护,就是要合理选择巷道位置;减少对巷道围岩的震动与破坏;及时支护,提高巷道围岩强度,防止松动岩石脱落。

只有提高支架的初撑力和强度,及时支护,才能够发挥支护的作用。如果不及时支护造成工作面空顶,就会发生冒顶、片帮、掉矸而造成人员伤亡。掘进工作面严禁空顶作业

(二)巷道支护的类型

1.支撑式支架

支撑式支架是直接支撑岩体的支护方式。这种支护方式分为棚式支架和石材整体式支架

棚式支架一般分木支架（现在已经淘汰）、金属支架和钢筋混凝土支架。木支架由一梁两柱,以及背板、木楔等组成,

常用来支护梯形断面的巷道。顶梁是木支架支撑顶板压力的受弯构件,棚腿是顶梁的支点,并承受侧压,棚腿与底板的夹角一般为80°,并应插到坚实底板岩石上。顶梁和棚腿的连接,常用“亲口接”,接头要求结合紧密,安设时应用四个楔子把梁腿接口处与顶帮围岩之间楔紧,以便能承受此处较大的挤压力和保持整个支架的稳定。棚子与巷道周边之间插入板皮或坑木背实。由于木棚子易腐朽和损坏,使用年限短,不利于防火、阻水、防止围岩风化,有条件时应减少木支架的使用。金属支架是用旧钢轨、工字钢或槽钢代替木材,制成梁和柱支设的棚子。钢腿可由两节组成,有一定的可缩量。拱形金属支架用特型钢由几段组合成拱形支架,接点处可以移动,可在动压较大的巷道中使用。钢筋混凝土支架是在地面用钢筋混凝土预制成标准尺寸的梁和柱运入井下组成的棚式支架。

石材整体式支架是指用料石、混凝土或钢筋混凝土砌筑成的连续整体式支架。一般称这种支架为砌碹,主要形式是直墙拱顶式,由拱、墙和基础组成。拱型多采用三心拱和半圆拱,但圆弧拱和抛物线拱受力更好。主要应用于围岩十分破碎、有大面积涌水和化学腐蚀、巷道服务年限长的地方规程中规定

(1)掘进工作面严禁空顶作业。靠近掘进工作面10m内的支护,在爆破前必须加固。爆破崩倒、崩坏的支架必须先行修复,之后方可进入工作面作业。修复支架时必须先检查顶、帮,

并由外向里逐架进行。

在松软的煤、岩层或流砂性地层中及地质破碎带掘进道时,必须采取前探支护或其他措施。

在坚硬和稳定的煤、岩层中,确定巷道不设支护时,必须制定安全措施。

(2)支架间应设牢固的撑木或拉杆。可缩性金属支架应用金属拉杆,并用机械或力矩扳手拧紧卡缆。支架与顶帮之间的空隙必须塞紧、背实。巷道砌碹时,碹体与顶帮之间必须用不燃物充满填实;巷道冒顶空顶部分,可用支护材料接顶,但在碹拱上部必须充填不燃物垫层,其厚度不得小于0.5m。

(3)更换巷道支护时,在拆除原有支护前,应先加固临近支护,拆除原有支护后,必须及时除掉顶帮活矸和架设永久支护,必要时还应采取临时支护措施。在倾斜巷道中,必须有防止矸石、物料滚落和支架歪倒的安全措施。

2.补强式支架

补强式支架是补强岩体,利用围岩本身强度来维护巷道的支护方式。这种支护方式主要有锚杆支护、喷射混凝土支护、喷浆支护和锚索、锚喷支护等。

(1)锚杆支护

巷道掘出后,向围岩中打锚杆眼,然后将锚杆安设在锚杆眼内,对巷道围岩予以人工加固,提高围岩自身的强度,以维护巷道的稳定。我国从1956年开始在煤矿井下巷道中使用锚

杆支护技术,经过多年的实践和改进,这种支护已成为我国煤矿井下巷道的主要支护形式之一。

锚杆支护分集中锚固和全长锚固两种。集中锚固:通过眼底端的锚头和另一端的紧固部分,使锚杆受张拉而抑制围岩的变形与松动。集中锚固类有楔缝式锚杆、涨壳式锚杆树脂锚杆和预应力锚索等。全长锚固:通过杆体与孔壁间的胶结材料,使锚杆在全长范围内与岩石粘结在一起对岩体产生锚固作用。全长锚固类有砂浆锚杆、树脂锚杆等。锚固方式可分为机械锚固型和全面铰接型(粘结锚固型)。锚固装置或锚杆杆体和锚杆孔壁接触靠摩擦阻力起锚固作用的锚杆,属于机械锚固型锚杆。锚杆杆体部分或锚杆杆体全长利用树脂、砂浆、水泥等胶结材料,将锚杆杆体和锚杆孔壁粘结、紧贴在一起,靠粘结力起锚固作用的锚杆,属于粘结锚固型锚杆。锚杆支护原理:

①加固拱(挤压组合拱)作用

开巷后形成的围岩破坏圈,通过锚杆的作用使围岩形成一个具有一定厚度的能够维持自身稳定而具有防止其外部围岩松动的加固拱,从而使围岩保持稳定。试验证明,一根错杆可以形成一个锥形压缩体,多根锚杆按照一定间距排列,可以通过一个个锥形压缩体互相咬合就形成一定厚度的拱墙体,试验:锚杆可以把松散的石子变为一体。锚杆对围岩起到了加固作用,而这个作用是传统的巷道支护方式(支撑式)所不

能比拟的。由于锚杆安设的质量及巷道稳定状况的隐蔽性,巷道失稳预兆不明显,因而对巷道的安全预测要特别予以重视。

②悬吊作用

将要冒落的软弱岩层或围岩悬吊于深部坚固稳定的岩体上,由锚杆来承担这些岩体的重量。如果顶板中没有坚硬稳定岩层或软弱岩层较厚无法将锚杆锚固到上面坚硬稳定岩层中,悬吊作用将失效。

③组合梁作用在层状岩层中通过锚杆作用将一层层岩石组成一个整体,提高其承载能力,这个整体就是组合梁。当顶板岩层中存在若干薄的分层时,通过锚杆的作用,可将这些岩层锚固成一个较厚的岩层,由叠合梁转变成组合梁,从而提高了岩梁的自承能力。组合梁越厚,梁的最大应力和梁的挠度也就越小,承载能力也就越大。在锚杆支护的基础上,为防止岩石松动和风化,可再喷射一层50~200mm厚的砂浆或混凝土,即构成锚喷支护。锚固强度是指作用到单位围岩面积的锚固力。曾发生过重大面积冒顶事故的锚杆支护的煤巷,共同的原因是锚固力太低,锚固强度过小。现阶段,在一般排、间距情况下,顶板锚杆锚固力以大于70kN为宜。

锚杆支护要做到:及时安设,拧紧紧固螺母,提高锚固强度。

(2)喷射混凝土和喷浆支护

喷射混凝土是将一定比例的水泥、沙、石的拌合料通过