軟巖巷道支護(hù)技術(shù)論文(2)
軟巖巷道支護(hù)技術(shù)論文
軟巖巷道支護(hù)技術(shù)論文篇二
軟巖巷道支護(hù)技術(shù)綜述
【摘 要】軟巖巷道支護(hù)是煤礦巷道支護(hù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，文章對(duì)軟巖巷道支護(hù)理論與支護(hù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述。
【關(guān)鍵詞】軟巖巷道;支護(hù);新奧法;松動(dòng)圈理論;高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論
軟巖巷道圍巖強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)松軟，易吸水膨脹，因而巷道圍巖變形大，易發(fā)生底鼓，軟巖巷道支護(hù)是煤礦巷道支護(hù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。下面就軟巖巷道的支護(hù)理論和技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹。
1 新奧法
到了60年代，奧地利工程師L.V.Rabcewicz(臘布希維茨)在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的隧道設(shè)計(jì)施工方法，稱(chēng)為新奧地利隧道施工方法(New Austrian Tunneling Method)，簡(jiǎn)稱(chēng)為新奧法(NATM)，目前已成為地下工程的主要設(shè)計(jì)施工方法之一。1978年，L.Mttller(米勒)教授比較全面地論述了新奧法的基本指導(dǎo)思想和主要原則，并將其概括為22條。其中主要的是：
1.1 圍巖是隧道的主要承載結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)和最終襯砌僅僅起封閉作用，其目的是在圍巖中建立承載環(huán)或三維承載球殼。
1.2 如果要求用圍巖來(lái)支護(hù)隧道，則必須盡可能維持圍巖強(qiáng)度。因此，要盡可能防止圍巖松動(dòng)和大范圍變形。松動(dòng)和變形會(huì)引起圍巖強(qiáng)度逐漸衰減，為了維持圍巖強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)時(shí)間和圍巖應(yīng)力變化，選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)手段。
1.3 為了選擇最佳承載環(huán)結(jié)構(gòu)，必須正確估計(jì)時(shí)間對(duì)圍巖特性的影響(或?qū)鷰r與襯、砌共同體特性的影響)。為此，要求進(jìn)行初期實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，特別是洞內(nèi)位移量測(cè)試驗(yàn)。其中最重要的參數(shù)是巖石類(lèi)別、直立自穩(wěn)時(shí)間及變形速度。
1.4 襯砌和永久支護(hù)必須是薄殼型，以減小襯砌受彎?rùn)C(jī)會(huì)，從而減少撓曲斷裂。其必要強(qiáng)度靠鋼筋網(wǎng)、鋼拱架和錨桿達(dá)到，而不是加厚襯砌或支護(hù)截面。
1.5 從應(yīng)力重新分布考慮，最好的開(kāi)挖方式是全斷面掘進(jìn)。
1.6 隧洞的主要承載部分是圍巖。圍巖的強(qiáng)度主要取決于單個(gè)巖塊之間的摩擦力，因此，必須盡一切可能防止圍巖的松動(dòng)，保持圍巖的原有抵抗力。
1.7 支護(hù)的目的是為了更好地發(fā)揮和促進(jìn)圍巖的承載作用，以及在巖體中建立承載環(huán)。
2 聯(lián)合支護(hù)理論
聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是在新奧法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其觀點(diǎn)可以概括為：對(duì)于巷道支護(hù)，一味強(qiáng)調(diào)支護(hù)剛度是不行的，特別是對(duì)于松軟巖土圍巖要先柔后剛，先抗后讓?zhuān)嶙屵m度，穩(wěn)定支護(hù)。由此發(fā)展起來(lái)的支護(hù)形式有錨噴網(wǎng)技術(shù)、錨噴網(wǎng)架技術(shù)、錨帶網(wǎng)架技術(shù)、錨帶噴架等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。
3 軸變論
我國(guó)于學(xué)馥教授在20世紀(jì)50年代提出“軸變論”理論，它是運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)和靜力學(xué)方法提出來(lái)的理論，其基本要點(diǎn)如下：
3.1 地應(yīng)力是引起圍巖變形破壞的根本作用力，所以強(qiáng)調(diào)把工程所處的實(shí)測(cè)地應(yīng)力作為力學(xué)分析的前提條件。
3.2 從具體的應(yīng)力和圍巖應(yīng)力研究圍巖變形破壞規(guī)律。
3.3 不是所有的巷道都會(huì)出現(xiàn)像太沙基和普羅托吉雅夫理論所說(shuō)的垮落拱。調(diào)整圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)可以使本來(lái)會(huì)破壞的巷道不破壞。
3.4 巷道垮落后的穩(wěn)定軸比“高、寬之比”是有規(guī)律的，它決定于地層原始應(yīng)力(地應(yīng)力)的分布狀態(tài)。
4 松動(dòng)圈理論
松動(dòng)圈理論是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)董方庭教授提出的，其主要內(nèi)容是：凡是堅(jiān)硬圍巖的裸露巷道，其圍巖松動(dòng)圈都接近于零，此時(shí)巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在，但并不需要支護(hù)。松動(dòng)圈越大，收斂變形越大，支護(hù)難度就越大。因此，支護(hù)的目的在于防止圍巖松動(dòng)圈發(fā)展過(guò)程中的有害變形。
錨噴支護(hù)機(jī)理：根據(jù)圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，錨噴支護(hù)的機(jī)理和支護(hù)參數(shù)應(yīng)以松動(dòng)圈的大小來(lái)確定。由于圍巖松動(dòng)圈產(chǎn)生過(guò)程中的碎脹力是支護(hù)的對(duì)象，因而可按分類(lèi)表將其合并為3種情況，以理論方法確定錨噴支護(hù)的參數(shù)。
4.1 小松動(dòng)圈支護(hù)機(jī)理。當(dāng)L=0～40 cm時(shí)，稱(chēng)為小松動(dòng)圈。當(dāng)L=0時(shí)，意味著開(kāi)巷后圍巖只有彈塑性變形，其變形量小，變形時(shí)間短，因此不存在支護(hù)問(wèn)題。
4.2 中松動(dòng)圈支護(hù)機(jī)理。當(dāng)L=40～150 cm時(shí)，稱(chēng)為中松動(dòng)圈。圍巖的碎脹力比較明顯，圍巖的收斂變形將使噴層產(chǎn)生裂縫或破壞，因此，必須用錨桿控制其變形。
4.3 大松動(dòng)圈支護(hù)機(jī)理。當(dāng)L>150 cm時(shí)，稱(chēng)為大松動(dòng)圈，屬軟巖。L=150 cm是圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論劃分為軟巖的界線(xiàn)。該類(lèi)巖石地壓顯現(xiàn)特征為壓力大，2～3層料石碹常被壓壞，圍巖變形量大，變形時(shí)間長(zhǎng)，支護(hù)不成功時(shí)底鼓嚴(yán)重。對(duì)于這類(lèi)圍巖，必須選用較強(qiáng)的支護(hù)才能防止底鼓。
5 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論
21世紀(jì)初，我國(guó)煤炭科學(xué)研究總院的康紅普等人提出了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論。該理論主要針對(duì)高應(yīng)力巷道圍巖變形的流變性、擴(kuò)容性和沖擊性提出。
5.1 理論要點(diǎn)
5.1.1 巷道圍巖變形主要包括兩部分：一是結(jié)構(gòu)面離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)及新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形，屬于不連續(xù)變形;二是圍巖的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形，屬于連續(xù)變形。由于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度一般比較低，因此開(kāi)巷以后，不連續(xù)變形先于連續(xù)變形。合理的巷道支護(hù)形式是，大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度，有效控制圍巖不連續(xù)變形，保持圍巖的完整性，同時(shí)支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率，允許巷道圍巖有較大的連續(xù)變形，使高應(yīng)力得以釋放。
5.1.2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形，使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，使圍巖成為承載的主體。在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，同時(shí)改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)。
5.1.3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度，即使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)所需要支護(hù)系統(tǒng)提供的剛度。支護(hù)系統(tǒng)剛度小于臨界支護(hù)剛度，圍巖將長(zhǎng)期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài);相反，支護(hù)系統(tǒng)的剛度達(dá)到或超過(guò)臨界支護(hù)剛度，圍巖變形得到有效抑制，巷道處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)。支護(hù)剛度的關(guān)鍵影響因素是錨桿預(yù)應(yīng)力，因此，存在錨桿臨界預(yù)應(yīng)力值。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，可以有效控制圍巖變形與離層，而且錨桿受力變化不大。
5.1.4 錨桿支護(hù)對(duì)巷道圍巖石的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形等連續(xù)變形控制作用不明顯，要求支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率，使圍巖的連續(xù)變形得以釋放。
5.1.5 對(duì)于高應(yīng)力巷道，應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù)，應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修。
5.2 該理論提出的錨桿支護(hù)形式和參數(shù)選擇原則
針對(duì)高應(yīng)力巷道條件，為了充分發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)作用，提出以下設(shè)計(jì)原則：
5.2.1 一次支護(hù)原則。錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)，以及巷道維修。
5.2.2 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力;另一方面，通過(guò)托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。
5.2.3 “三高一低”原則。即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強(qiáng)度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強(qiáng)度)、剛度(提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固)，保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。
5.2.4 臨界支護(hù)剛度原則。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度，如果支護(hù)剛度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度應(yīng)大于I臨界值。
參考文獻(xiàn)
[1]李通林等.礦山巖石力學(xué).重慶：重慶大學(xué)出版社，1991.
[2]范生魁，王月星.軟巖巷道支護(hù)理論與應(yīng)用.河北煤炭，2009(4).
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