钢筋网壳锚喷支护修复软岩巷道研究.pdf

文章编 号1003- 5923200401- 0029- 03 钢 筋 网 壳 锚 喷 支 护 修 复 软 岩 巷 道 研 究 顾孟寒 1,张正新2,郭兰波1,王从平2 1. 安徽理 工大 学,安徽 淮 南 232001; 2. 淮 北矿业 集团 工 程建设 公司 ,安 徽 淮北 235100 摘 要本文分析了软岩巷道修复支护时围岩的力学特征;从理论计算,实验室试验和工程实践各方面论 证了钢筋网壳锚喷支护在高地应力软岩巷道支护中的优势。 关键词高地应力;软岩;修复巷道;钢筋网壳支架 中图分类号T D 353.5 文献标识码A 我国目前有近 40 个矿区存在软岩问题,每年 约有 6000 k m 的巷道开掘在软岩中,并有更大量 的软岩巷道需维持修复。随着资源开发,采深逐年 增加,高地应力软岩问题愈趋严重,已直接影响到 煤矿安全生产及矿井生产成本。 1 软岩巷道维修支护的围岩力学特征 围岩的应力状态主要以巷道壁附近岩体的应 力状态为标志。根据巷道周边围岩应力的变化,将 其分为弹性区原岩应力区、 准弹性区Ra、 塑性 区R b、 松驰区Rd和松动区Re。作为将要维修 的巷道,实际上已经产生或将要产生松动区,它表 明巷道围岩已经进入或将要进入失稳状态,相当于 巷道半径由原来的 R 扩大为 Re,并将再次产生新 的更大的松动区半径 Ren Ren Re Ro n Ro 其中,n 为围岩因支护不及时或支护抗力不足所产 生松动区扩展的次数。由此,其它各应力区半径 Ra 、 R b 、 R d均分别增大为 Ran 、 R bn 、 R d n。 巷道围岩一旦产生松动区,要想使松动区不再 扩大,松驰区岩体也不再进一步恶化,所对应的支 护抗力,也即所谓的松动压力 σ ien为 σien Re Ro n σie Re Ro n σimi n 式中 σimi n 表示围岩某次临界松动时最小支护 抗力。 因此,巷道围岩一旦产生松动破碎区,欲保持 围岩稳定所需提供的支护抗力为急剧增大的松动 压力。 处于这种状态的巷道不及时支护或支护选择 不当,就会产生更严重的松动失稳。 巷道支护的功能是通过支护抗力对破裂围岩 施以径向力,以对碎裂岩块产生锁紧作用,提高围 岩破裂面的摩擦力,由此提高围岩的承载能力,使 其和支护体共同组成抵抗围岩压力的良好承载结 构。待修中的巷道围岩已经发生恶化,围岩自稳时 间很短,在高地应力软岩情况下尤其如此。为了控 制住围岩的变形,支护必须具备高阻、 高增阻速和 较好的可缩性。 而目前软岩巷道中支护阻力普遍偏 低,仅为 0.03普通锚喷等～0.09 M Pa U2 9型钢 拱形支护,以致众多矿井巷道反复维修,支护成本 巨增。无数事实证明,对于各类软岩巷道若单独采 用主动支护各类锚、 喷等或被动支护型钢、 衬砌 等均不足以经济有效地控制住软岩的变形,尤其 是它的流变。软岩巷道经济合理的支护阻力应为 0.2～0.4 M Pa 。 对于典型的、 条件很差的软岩巷道 的支护阻力应大于 0.5 M Pa 。 2 钢筋网壳锚喷支护原理 2.1 网壳支架的结构特性 钢筋网壳结构的特点是吸收了壳结构优越的 力学性能,把巷道的锚网喷支护结构中层状或片状 的金属网改革成一种独特的空间网壳结构,兼有薄 壳结构和杆系结构的优点,并将它置于喷层中形成 钢筋网壳砼结构,这种结构充分发挥了钢筋与砼两 种材料的优点,使整个钢筋网壳砼结构与同跨度、 同材料的其他结构相比,能以小得多的厚度和材料 来承受同样的荷载。施工后,整个巷道支护体系又 呈现连续的双曲拱型,使支护更科学合理。它兼具 主动支护和被动支护的双重特点,同时又具备了一 收 稿日 期2003- 07- 19 作 者简 介U顾孟寒 1950- ,男,高 级工程 师,主要 从事矿 山压力 、 软岩支 护、 岩土 特殊施 工等 方面的 科研工 作,发表 论文 数篇。 92矿山 压力与 顶板管 理 2004.№ 1 定的可缩性,因此是一种结构合理的半刚性支护。 该支护结构型式多样可调,重量轻,井下安装简便, 支承面积大,稳定性好,为各类软岩巷道支护的最 优选择。 2.2 网壳的理论分析及实验室试验 当壳体的厚度 t 远小于壳体中面的最小曲率 半径 R,则其比值 t/R 为很小的值,具有这种特性 的称之为薄壳。根据薄壳理论,钢筋网壳砼结构主 要应力的极大值可表达为 σX NX h 6MX h 2;σ ψ Nψ h 6Mψ h 2;τ ψ X Nψ X h 6Mψ X h 2 式中 h壳体厚度; ψ 壳体张角。 通过计算可知,所取喷层的危险载面有三处, 一片网壳喷层的中间位置和两边筋位置。 其控制因 素是两端弯矩、 中间弯矩及两端剪力。 计算表明,X 方向的应力很小,ψ方向的应力较大;在其构成中 Nψ的比重约占 53 ,弯曲应力约占 47 。可以看 出这种结构能较充分地发挥砼材料抗压性能好的 优势。 通过实验室模拟试验,一片圆弧网壳和一架直 墙圆弧拱形支架的极限承载力分别为 1400 k N 和 710 k N 整架破坏性试验结果是直墙腿部破断而 拱部完好。根据实验所选取的钢筋网壳砼支架的 配 筋 率 与 U2 9型 钢 支 架 用 钢 量 相 比, 节 约 钢 材 60 ,可达到同样的支护强度。 3 工程实例 芦岭煤矿软岩巷道是我国典型的高地应力破 碎型软岩,其水平构造应力很大。二水平西轨大巷 设计断面净宽 4.4 m,净高 3.5 m,原采用每米 2.5 架 U 2 9型钢支架外加喷 砼支护,后 期进行壁后锚 注。 该巷贯通后不到一年因受地压影响,出现底鼓、 支架变形等情况,特别是拟采用网壳锚喷方法修复 的变电所以西 328～448 m段受 F1175 和 F2168 两 断层构造的影响,巷道变形失稳后宽仅 3.6 m,高 2.75 m,型钢棚严重扭曲变形。 3.1 修复支护形式选择 采用马蹄形全封闭断面支护形式。 支护结构为 钢筋网壳锚喷。 每架支架由五片在地面焊接预制好 的钢筋网壳于井下工作面拼装而成。 支架在巷道连 接安设,架间预留 5 c m布置锚杆位置。 支架与岩面 直接接触,超挖部分用矸石充填密实。支护结构见 图 1。 3.2 施工工艺 图 1 钢筋网壳锚喷支护结构 1- 网壳 支架 ;2- 锚 杆;3- 喷层 ;4- 木 垫板 1 因巷道变形严重,故在拉掉旧 U 型钢棚 后,需要刷帮、 挑顶,刷至设计断面。刷帮长度为 2 棚 800 mm网壳支架宽 650 m m。 2 刷帮挑顶完成后立即前移 4 根前探梁前 探梁采用 21 k g /m轨道,每根梁不少于 3 个挂在已 施工好的网壳支架主骨筋上的挂环,然后在前探 梁上安设顶网壳,在它保护下接着安装侧网壳,最 后安装底网壳。 3 架后充填和打装顶帮锚杆后即全断面喷 射砼。砼设计标号 C2 0,底拱一次喷全厚 150 mm, 顶、 帮分次喷至 150 mm厚。 4 由于修复巷道围岩已经产生松动区,施工 中折除旧棚后岩石自稳时间短,有时冒顶较严重, 因此施工时要注意每架支护未完成前不得中止工 作,支架架设后顶帮一定要充填密实。 5 在围岩构造带必须搞好超前支护。用 Φ 1″ 钢管,长 2.5 m,间距 200～300 mm布置在起拱部 位,每施工 3 架网壳布置一排钢管,以防顶板碎矸 冒落。 3.3 支护效果分析 为了检验网壳锚喷支护在修复高地应力破碎 型软岩巷道中的支护情况,进行了必要的工作。并 和网壳段相邻的 U29型网段进行对比量测,结果如 下。 3.3.1 两帮收敛变形情况 1 钢筋网壳锚喷支护有较好的支护强度与 刚度,有效地控制了巷道两帮的变形。 2 网壳锚喷支护比 U 型钢支护有更好的增 阻速率,这对于高地应力软岩维修巷道十分有利。 3 网壳锚喷支护具有一定的可缩性,在支护 100 d内两帮移近 200 mm,起到了较好的让压作 用。 03 2004.№ 1 矿山 压力与 顶板 管理 图 2 各测站巷道两帮移近与时间关系 图 3 各测站巷道顶底移近与时间关系 W Q1、 W Q2 网 壳锚喷 段测站 ;U Z1、 U Z2为 U29型钢 加锚 注段 测站,其中U Z1是在 其支护 完成 50d后设 站。 3.3.2 顶底移近变形情况 1 顶底移近变形与两帮移近有相似的特点, 但前阶段变形较小。 2 支护完成 200 d后顶底变形速率加大,表 明此刻构造应力发生变化,显示高地应力软岩的流 变特性。 同时也暴露了在支架断面形状和支架强度 设计存在问题。如底拱拱高过小,同时底网壳配筋 强度不够。 观测表明 U 型钢支护段也发生严重底鼓并在 后期进行了卧底处理。 4 结论 1 高地应力软岩巷道待修前由于围岩状态 恶化,修复时围岩自稳时间很短,为控制其变形过 大,避免产生更大的松动区,新的支护应具有高支 护阻力、 高增阻速度和较好的可缩性。钢筋网壳锚 喷支护能较好地适应修复软岩巷道的特性。 2 理论计算、 实验室试验和芦岭矿工程实践 表明,具有空间壳体结构的钢筋网壳砼结构是一种 科学合理、 经济实用的新型支护形式。在芦岭矿条 件 下, 支 护 每 米 巷 道 比 U29型 钢 支 护 节 约 钢 材 70 ,节约支护成本 60 ,但从工程实际效果看, 现选用的网壳支架强度设计偏低。 可通过调整配筋 率和增加支架厚度等方面予以改进。 参考文献 [ 1] 陆 家 梁 .软 岩 巷 道 支 护 技术 [M].长 春 吉 林 科 学 技 术 出 版 社 ,1995. [ 2] 徐 成 平 .地 下 工 程 支 护 结构 [M].北 京 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,2002. [3] 王继良 .矿 井支 护论文 集[M ].北京煤炭 工业 出版社 ,1990. [4] 杨耀乾 .薄 壳理 论[M ].北 京中国 铁道出 版社 ,1981. [5] 刘 锡良 .平 板 网 架 分 析、 设 计 与施 工 [M ].天 津天 津 大 学 出 版 社,2000. 上接第 33 页 其本身不承受载荷。在此面条件下,以宽 3～5 m 为宜。 同时需采取技术措施,保证煤柱本身不发火。 ②“窄煤柱”无煤柱护巷条件下,显然巷道所 受载荷是不对称的。 因而现有的锚杆支护设计不尽 合理,必须根据观测结果,和以上所提的力学模型 重新审视设计。 2 若该矿要在放顶煤面采用煤柱护巷,则合 理的煤柱是关键技术参数。 ① 观测表明,采用煤柱护巷可使用现有的锚 杆支护设计,它能起到加固围岩的作用; ② 合理的煤柱尺寸是保证技术上合理、 经济 上有利、 安全上可靠的关键。 从现有观测结果,煤柱 尺寸至少应大于 20 m。 4 结论 1 汝箕沟煤矿 3227 综放面风巷的变形特征 是随着开采进行,小煤柱4～6 m情况下,巷道 顶部变形小,但侧向变形大;较大煤柱10～15 m 情况下则相反。 2 上述特征是放顶煤开采围岩破坏运动的 “大结构” 与沿空巷道由于不同煤柱宽而形成的回 采巷道的 “小结构” 的相互作用的结果。 3 为综放面沿空巷提出的 “窄煤柱”“宽煤 柱” 两种力学模型为分析综放面沿空巷受力及选用 合适的支护形式提供了可靠的力学分析依据。 4 汝箕沟煤矿要在以后的放顶煤面采用无 煤柱护巷,须可靠技术保证和完善巷道支护设计。 参考文献 [1] 石平 五,许 少 东.宁 夏汝 箕 沟 煤矿 综 采 放 顶煤 试 验 工 作面 矿 山压力 观测 研究报 告[D ].西安 西安科 技大学 ,2003. [2] 钱 鸣高, 刘听 成 .矿 山 压 力 及 其控 制 修 订 本 [M ]. 北 京煤 炭工业 出版 社,1991. 13矿山 压力与 顶板管 理 2004.№ 1