新河煤礦-760m暗斜井碎脹軟巖支護(hù)設(shè)計(jì)

1原始條件暗斜井工程概況新河煤礦-760水平暗斜井是由濟(jì)南煤礦設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)。其中回風(fēng)暗斜井全長，傾角250；軌道暗斜井全長960m，傾角220；膠帶暗斜井全長996m，傾角210；-760m水平三條暗斜井設(shè)計(jì)斷面均為直墻半圓拱形，支護(hù)方式為錨帶網(wǎng)，其中錨桿直徑為18mm、長為2m的等強(qiáng)金屬螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，金屬網(wǎng)為直徑、網(wǎng)孔100mm×100mm的冷拔絲焊結(jié)而成。新河礦暗斜井?dāng)嗝鎴D三條暗斜井均于2005年2月16日前后破土開工，現(xiàn)已掘進(jìn)300m1.2地質(zhì)條件-760m水平三條暗斜井均位于坡劉莊保護(hù)煤柱內(nèi)，其中向北鄰近一采區(qū)，向東北鄰近工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，當(dāng)三條暗斜井即回風(fēng)暗斜井、軌道暗斜井及膠帶暗斜分別到達(dá)大約-430、-456和-512水平時(shí)，將穿越嘉祥支三大斷層，該斷層傾角300，落差在120m～600m之間，預(yù)計(jì)斷層附近斷裂構(gòu)造將較為發(fā)育，也有可能伴生其它構(gòu)造，另外，由于對(duì)嘉祥支三大斷層勘探資料較少，對(duì)斷層的賦水性、導(dǎo)水性、斷層帶的寬度、充填狀況、膠結(jié)程度等還有待于進(jìn)一步查明，或者當(dāng)工程快接近該斷層時(shí)，用打超前鉆孔的方法詳細(xì)查明斷層的賦存狀況，以便為采取有針對(duì)性的措施提前作好準(zhǔn)備。總之，-760m水平三條暗斜井將絕大局部在3煤頂板巖層中掘進(jìn)，預(yù)計(jì)到達(dá)-750m水平左右時(shí)可能穿過3煤并進(jìn)入底板巖層中。-760m水平三條暗斜井所穿越的巖層從下往上為細(xì)砂巖、3煤、粉砂巖、中砂巖、泥巖、細(xì)砂巖、泥巖等等，而目前掘進(jìn)實(shí)際揭露的頂?shù)装寮皣鷰r卻為泥質(zhì)軟巖，平均鞏固性系數(shù)在3左右，其特征是易吸濕、易膨脹、易解體、易剝落以及塑性流變性能大等特征，這是泥巖類中屬于質(zhì)量最差、最難控制的一類泥質(zhì)軟巖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)、巖樣初步實(shí)驗(yàn)及數(shù)碼照片的仔細(xì)研究，得出了兩點(diǎn)初步結(jié)論：〔1〕三條暗斜井目前已揭露的圍巖屬于標(biāo)準(zhǔn)的不良地層，其特點(diǎn)是：易吸濕、易膨脹、易解體、易剝落以及塑性流變大等特點(diǎn)，對(duì)該類圍巖有效控制變形難。〔2〕三條暗斜井的圍巖經(jīng)過定量的劃分，屬于Ⅴ類圍巖，該類圍巖的力學(xué)特點(diǎn)是：不穩(wěn)定、無自穩(wěn)能力或自穩(wěn)時(shí)間很短；其破壞方式為：易冒頂、易片幫、易底臌、并隨時(shí)間的延續(xù)會(huì)發(fā)生較大的塑性流變變形。1.4圍巖破壞狀況-760m水平三條暗斜井幾乎是平行掘進(jìn)，各條掘進(jìn)進(jìn)尺大約都在300m左右，比擬這三條暗斜井圍巖破壞狀況可以發(fā)現(xiàn)，膠帶暗斜井圍巖破壞狀況稍輕，回風(fēng)暗斜井和軌道暗斜井破壞狀況卻極為嚴(yán)重，后經(jīng)修復(fù)加固之后，目前仍處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。目前暗斜井的破壞狀況如圖1—圖4所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際考察和對(duì)圖1～4的分析研究，暗斜井圍巖的破壞狀況具有以下特點(diǎn)：〔1〕爆破后，假設(shè)支護(hù)不及時(shí)，頂板巖層便發(fā)生大面積的冒落，其冒落高度還有待于進(jìn)一步觀測(cè)。圖2～3為頂板巖層在及時(shí)支護(hù)的情況下，在不到幾天的時(shí)間里，頂板便發(fā)生了嚴(yán)重變形，下沉量達(dá)半米之多，同時(shí)還出現(xiàn)了噴層剝落及鋼筋裸露等現(xiàn)象，并伴有3～5cm寬的頂板斷裂縫隙，斷縫深度有待測(cè)試?！?〕兩幫變形也極為嚴(yán)重，在沒有及時(shí)支護(hù)的情況下，將出現(xiàn)大面積的塌落或滑塌。圖4為及時(shí)支護(hù)之后兩幫的變形和破壞情況，雖然沒有出現(xiàn)大面積的整體滑塌現(xiàn)象，但卻出現(xiàn)了向臨空間的整體移動(dòng)，使得兩幫的相對(duì)移近量近一米，這樣已嚴(yán)重影響了行人平安和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?！?〕底板變形破壞極為嚴(yán)重，即底臌量大，截止到目前為止，底板累計(jì)底臌量已達(dá)近一米，出現(xiàn)了道軌扭曲，行人臺(tái)階松動(dòng)變位等現(xiàn)象。圖5為最近臥底之后在不到幾天的時(shí)間里所表現(xiàn)出現(xiàn)的破壞狀況，可見底板變形仍處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，并隨著時(shí)間的延續(xù)還在繼續(xù)開展，其性質(zhì)具有塑性流變性?？傊?，-760m水平暗斜井無論是頂板、底板、還是兩幫其礦壓顯現(xiàn)都極為嚴(yán)重，這種礦壓顯現(xiàn)將不同于一般的礦壓顯現(xiàn)，它還具有隨著時(shí)間的延續(xù)而表現(xiàn)出來的塑性流變性。所以，針對(duì)這種特殊性質(zhì)的礦壓顯現(xiàn)，，必須采取一種特種支護(hù)體系，才能長期而有效的控制住暗斜井變形破壞。2、暗斜井工程破壞機(jī)理分析所謂圍巖的破壞機(jī)理是指引起圍巖破壞的根本原因，它所涉及的因素是多方面的，即有環(huán)境因素〔自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等〕，又有周邊采動(dòng)影響因素，還有支護(hù)設(shè)計(jì)、施工工藝等方面的因素，所以研究圍巖的破壞機(jī)理是非常復(fù)雜的。但這里面存在著一種因果關(guān)系，即圍巖破壞是果，引起圍巖破壞的是因，由果推因是完全有可能的，只要找到了引起圍巖破壞的原因，即機(jī)理，就有可能采取更有針對(duì)性的措施來控制圍巖的變形和破壞，從而到達(dá)治理的目的。主要從三個(gè)方面分析-760m水平暗斜井圍巖破壞的機(jī)理。巖體自身屬性:包括三個(gè)因素，一是巖體的物理化學(xué)性質(zhì)〔巖石中含有一定量的泥質(zhì)、伊利石和蒙脫石〕，二是巖體的力學(xué)性能，三是巖體的自身結(jié)構(gòu)〔結(jié)構(gòu)面的性狀以及結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的切割程度〕。巖體的物理化學(xué)性質(zhì)〔巖石中含有一定量的泥質(zhì)、伊利石和蒙脫石〕砂巖砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，由50%以上粒徑介于的砂粒膠結(jié)而成;按砂粒的礦物組成,可分為石英砂巖,長石砂巖和巖屑砂巖等;按砂粒粒徑的大小,可分為粗粒砂巖,中粒砂巖和細(xì)粒砂巖;根據(jù)膠結(jié)物的成分,可分為硅質(zhì)砂巖,鐵質(zhì)砂巖,鈣質(zhì)砂巖及泥質(zhì)砂巖幾個(gè)亞類;硅質(zhì)砂巖的顏色淺,強(qiáng)度高;抵抗風(fēng)化的能力強(qiáng);泥質(zhì)砂巖一般呈黃褐色,吸水性大,易軟化,強(qiáng)度和穩(wěn)定性差;鐵質(zhì)砂巖常呈紫紅色或棕紅色,鈣質(zhì)砂巖呈白色或灰白色,強(qiáng)度和穩(wěn)定性介于硅質(zhì)與泥質(zhì)砂巖之間.砂巖分布很廣,易于開采加工,是工程上廣泛采用的建筑石料.

粉砂巖:粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu),常有清晰的水平層理,礦物成分與砂巖近似,但粘土礦物的含量一般較高,主要由粉砂膠結(jié)而成,結(jié)構(gòu)較疏松,強(qiáng)度和穩(wěn)定性不高.〔1〕頁巖：由粘土脫水膠結(jié)而成,以粘土礦物為主,大局部有明顯的薄層理,呈頁片狀,可分為硅質(zhì)頁巖,粘土質(zhì)頁巖,砂質(zhì)頁巖,鈣質(zhì)頁巖及碳質(zhì)頁巖;除硅質(zhì)頁巖強(qiáng)度稍高外,其余巖性軟弱,易風(fēng)化成碎片,強(qiáng)度低,與水作用易于軟化而喪失穩(wěn)定性.〔2〕泥巖：成分與頁巖相似,常成厚層狀,以高嶺石為主要成分的泥巖,常呈灰白色或黃白色,吸水性強(qiáng),遇水后易軟化;以微晶高嶺石為主要成分的泥巖,常呈白色,玫瑰色或淺綠色,外表有滑感,可塑性小,吸水性高,吸水后體積急劇膨脹.

粘土巖夾于堅(jiān)硬巖層之間,形成軟弱夾層,浸水后易于軟化滑動(dòng).〔3〕蒙脫石類：蒙脫石類礦物的結(jié)晶格架與高嶺石類不同，它的晶胞是由兩個(gè)硅氧四面體層夾一個(gè)鋁氫氧八面體層組成，為2:1型〔或稱三層型〕結(jié)構(gòu)單位層，那么其相鄰晶胞之間以相同的氧離子相連，只有分子鍵連接，且具有電性互斥作用。因此，其各晶胞之間的連接不僅極弱，且不穩(wěn)固，晶胞建議與移動(dòng)。水分子很容易在晶胞之間侵入，吸水時(shí)晶胞間距變寬，晶格膨脹，失水時(shí)晶格收縮。所以蒙脫石類粘土礦物于水作用很強(qiáng)烈，在土粒外圍形成很厚的水化膜，當(dāng)蒙脫石含量較多時(shí)，膨脹性和壓縮性等將都很大，強(qiáng)度那么劇烈變化?！?〕伊里石、水云母類：伊里石、水云母類的晶胞與蒙脫石同屬于2:1型結(jié)構(gòu)單位層，不同的是其硅氧四面體中的局部Si4-離子常被Al3+、Fe3+所置換，因而在相鄰晶胞間將出現(xiàn)假設(shè)干一價(jià)正離子K+以補(bǔ)償晶胞中正電荷的缺乏，并將相鄰晶胞連接。所以伊里石、水云母類的結(jié)晶格架沒有蒙脫石類那樣活動(dòng)，其親水性及對(duì)土的工程性質(zhì)影響界于蒙脫石和高嶺石之間。土中次生SiO3和倍半氧化物Al2O3，和Fe3O4等礦物的膠體活動(dòng)性、親水性及對(duì)土的工程性質(zhì)影響，一般比粘土礦物要。膠體膨脹機(jī)制在煤礦的軟巖中，有些軟巖并不含蒙脫石、伊里石，也具有膨脹性。軟巖一般是泥質(zhì)巖類，根本上時(shí)黏粒的集合體。相鄰的黏粒比擬靠近時(shí)，各自形成的水化膜會(huì)有一局部重疊起來，形成公共水化膜。當(dāng)各自水化膜加厚時(shí)，公共水化膜消失，水膠連接力消失，軟巖產(chǎn)生膨脹而進(jìn)入塑性。由于固體軟巖黏粒周圍有公共強(qiáng)結(jié)合水膜，故其硬度很大；吸水膨脹后公共強(qiáng)結(jié)合水化膜消失，黏粒的弱結(jié)合水膜加厚而出現(xiàn)公共假設(shè)結(jié)合水膜，這時(shí)軟巖變成塑性狀態(tài)；當(dāng)黏粒進(jìn)一步吸水膨脹，公共弱結(jié)合水膜隨水化膜的加厚并趨于消失，隨之出現(xiàn)了黏粒之間的自由水，那么軟巖進(jìn)入黏流狀態(tài)和液化狀。巖體自身結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)碎裂結(jié)構(gòu)巖體中節(jié)理、裂隙發(fā)育、常有泥質(zhì)充填物質(zhì)，結(jié)合力不強(qiáng)，其中層狀巖體常有平層面的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)體塊度不大，巖體完整性破壞較大。其中鑲嵌結(jié)構(gòu)巖體因其結(jié)構(gòu)體為硬質(zhì)巖石，上具有較高的變形模量和承載力，工程地質(zhì)性能上好；而層狀碎裂結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)巖體那么變形模量、承載能力均不高，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。軟巖的空隙頗為發(fā)育，由于大量孔隙和裂隙的存在積水的外表張力，產(chǎn)生了毛細(xì)壓力，使地下水通過軟巖中的微小空隙通道吸入。其上升的高度和速度取決于它的孔隙、有效粒徑、空隙中吸附空氣和水的性質(zhì)以及濕度等。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)毛細(xì)高度為零至幾厘米，砂土那么在數(shù)十厘米之間，而黏土可達(dá)數(shù)百厘米。因此，在整個(gè)毛細(xì)帶內(nèi)，事實(shí)上為軟巖的進(jìn)一步化學(xué)膨脹和膠體膨脹準(zhǔn)備了條件。正是由于這種毛細(xì)作用，才使水通過毛細(xì)空隙向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。所謂毛細(xì)作用，實(shí)質(zhì)上就是指水與軟巖固體間的吸引力同水與空氣界面的外表張力二者的相互作用。環(huán)境因素從自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、施工〔爆破參數(shù)、支護(hù)順序、施工質(zhì)量〕等影響因素分析。圍巖壓力松動(dòng)壓力松動(dòng)的巖體或者施工爆破所破壞的巖體等在自重的作用下，掉落在洞室上的壓力稱為松動(dòng)壓力。實(shí)際上，松動(dòng)壓力就是局部巖石的重量直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力，所以松動(dòng)壓力本質(zhì)上應(yīng)視作松動(dòng)荷載。因此洞頂上的壓力特別大，而兩側(cè)稍小，底部一般沒有。產(chǎn)生松動(dòng)壓力的原因有地質(zhì)因素和施工因素兩方面。松動(dòng)壓力在各種地層中都可能出現(xiàn)在松散、破碎和完整性很差的巖層中開挖洞室，如果不做支護(hù)，洞頂巖體可能會(huì)塌落，最終形成拱形而穩(wěn)定下來，。拱形與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間巖石的重量就是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的松動(dòng)壓力。在堅(jiān)硬巖層中，如果層理、節(jié)理裂隙切割具有不利的組合，這將使局部巖體破裂成型形成松動(dòng)壓力。施工程序?qū)λ蓜?dòng)壓力的開展也有決定性的影響。爆破是引進(jìn)巖層松動(dòng)的主要原因，松動(dòng)區(qū)的大小受鉆孔布置、炸藥種類和裝藥量所控制。在破碎巖層中，松動(dòng)壓力的大小決定與臨時(shí)支護(hù)的種類。形變壓力松動(dòng)壓力是以重力的形式作用在洞室支護(hù)上的壓力。而形變壓力那么完全不同，重力并不是造成圍巖壓力的主要原因。巖體在重力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下，由于洞室的開挖將產(chǎn)生圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)，這才是產(chǎn)生變形壓力的真正原因。當(dāng)巖體開挖后，圍巖進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，并逐漸向洞內(nèi)產(chǎn)生變形，當(dāng)進(jìn)行了支護(hù)后，支護(hù)將限制巖體產(chǎn)生向內(nèi)的變形而產(chǎn)生壓力。因此，所謂的形變壓力是支護(hù)阻止了巖體的變形，巖體作用在支護(hù)上的力。由于二次應(yīng)力狀態(tài)超過巖體的強(qiáng)度極限時(shí)，洞室周圍將產(chǎn)生塑性區(qū)，此時(shí)，支護(hù)阻止了巖體塑性區(qū)所產(chǎn)生的塑性變形，而形成了塑性形變壓力。顯然，如果地層最初處于彈性狀態(tài)，成洞后的二次應(yīng)力狀態(tài)仍然保持彈性狀態(tài)，那么圍巖是穩(wěn)定的，而且洞內(nèi)不需要有支護(hù)結(jié)構(gòu)，于是地層壓力現(xiàn)象不顯現(xiàn)出來。但是有時(shí)為了工程使用上的需求，也會(huì)進(jìn)行襯砌，此時(shí)襯砌會(huì)限制一定量的圍巖彈性變形，由此，而產(chǎn)生彈性變形壓力。因此，為了正確理解形變壓力，必須克服過去將地層壓力只作為荷載理解的傳統(tǒng)觀念。形變壓力的分布情況，取決于側(cè)壓力系數(shù)的大小，當(dāng)=1或圍巖處于潛塑狀態(tài)時(shí)，圍巖壓力主要來自于四周的均布?jí)毫?；?dāng)>1時(shí)這主要是由于水平構(gòu)造應(yīng)力所引起的，圍巖壓力主要來自于洞室的兩側(cè)；當(dāng)<1時(shí)，圍巖壓力主要來自拱腰至側(cè)壁間。膨脹壓力在粘土質(zhì)頁巖或凝灰?guī)r之類的巖體中開挖洞室，無論在地層的深部或淺部，洞室四周的圍巖往往產(chǎn)生很大的變形，圍巖向洞內(nèi)鼓脹，但不是其整體性，因而表現(xiàn)為頂板懸垂、兩幫突出以及底板隆起，這就是膨脹現(xiàn)象。膨脹現(xiàn)象中最常見的是底鼓。禮俗在泥質(zhì)或煤質(zhì)頁巖中開挖的巷道，經(jīng)常由于膨脹而壓壞支架，甚至使用各種方式加強(qiáng)的支架也發(fā)生破壞現(xiàn)象，由于洞室膨脹而產(chǎn)生的壓力就是膨脹壓力。關(guān)于膨脹壓力產(chǎn)生的原因，目前認(rèn)為主要是由于巖石本身的物理力學(xué)特性和地下水的影響，。實(shí)際資料說明，發(fā)生膨脹的巖石絕大多數(shù)含有粘土質(zhì)且有較大塑性的巖土介質(zhì)，這種巖石骨料一般很細(xì)〔以下〕，呈鱗片狀。在骨料間毛細(xì)管的彎液面作用，使鱗片間的距離結(jié)構(gòu)有很大的吸水能力。當(dāng)吸水后，由于鱗片的彎液面作用，使鱗片間的距離變化或者位置改變，結(jié)果表現(xiàn)為體積膨脹。開挖巷道產(chǎn)生的應(yīng)力重分布的影響，對(duì)巖石的原狀結(jié)構(gòu)有很大擾動(dòng)，并且由于自由面的形成，改變了巷道附近地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在壓力差作用下，使地下水容易向巷道空間滲透和運(yùn)動(dòng)。上述因素都增加了地下水的影響，因而巷道圍巖就更容易造成膨脹現(xiàn)象。因此，在這種塑性較大的巖體中開挖洞室時(shí)，應(yīng)特別注意地下水因素，做好排水措施。同時(shí)要做到：快速開挖，及時(shí)支撐，及時(shí)襯砌，使巖體性質(zhì)及地應(yīng)力狀態(tài)不至過多變化。如有超挖，回填塊石及砂礫石，然后澆灌襯砌，必要時(shí)設(shè)置仰。構(gòu)造應(yīng)力在地質(zhì)歷史時(shí)期，煤系地層經(jīng)歷了多期地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用，巖層本身以彈性變形的形式存儲(chǔ)了變形能。一旦地層中掘進(jìn)巷道，這些變形能以變形的形式向臨空區(qū)釋放，宏觀上表現(xiàn)為巖層的擴(kuò)容膨脹。另外，巖層在巷道形成時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)從三維向二維轉(zhuǎn)變，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，又極易發(fā)生破壞而產(chǎn)生非線性彈性變形。這是一種與時(shí)間有關(guān)的變形。這種變形往往導(dǎo)致軟巖支護(hù)的宏觀破壞，其特征是方向性破壞明顯，破壞程度與深度無關(guān)。構(gòu)造應(yīng)力一般以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，在構(gòu)造應(yīng)力顯著的地區(qū)，巷道兩幫的破壞往往頗為明顯，其力學(xué)模式：2.3支護(hù)結(jié)構(gòu)目前暗斜井的支護(hù)是采用錨桿支護(hù)，其方法是正確的，但圍巖的嚴(yán)重破壞卻反映了支護(hù)參數(shù)、支護(hù)強(qiáng)度以及其它一些輔助措施是與圍巖的承載能力不相匹配的，這就需要進(jìn)行研究和改良。深埋洞室的松散圍巖壓力計(jì)算:普氏理論的即算公式：自然平衡拱拱軸線方程確實(shí)定：為了求得洞頂?shù)膰鷰r壓力，首先必須確定自然平衡拱拱軸線方程的表達(dá)式，然后求出洞頂?shù)焦拜S線的距離，確定平衡拱內(nèi)的巖體的自重。先假設(shè)拱軸線是一條二次曲線，在拱軸線上任取一個(gè)點(diǎn)M〔x,y〕，根據(jù)假設(shè)條件拱軸線不能承受拉力的條件，那么所有的外力對(duì)M點(diǎn)的彎矩為零。即式中Q──自然平衡拱上部巖體的自重所產(chǎn)生的均布荷載;T──作用在自然平衡拱拱頂截面處的水平壓力;x,y──任意一點(diǎn)M的x,y坐標(biāo)。上述方程中有連個(gè)未知數(shù)，還需建立一個(gè)方程才能求得其解。由靜力平衡方程可知，方程中的水平推力與作用在拱腳的水平推力數(shù)值相等，方向相反，即T=。由于拱腳很容易產(chǎn)生水平位移，進(jìn)而改變整個(gè)拱的內(nèi)力分布，因此普氏認(rèn)為拱腳的水平位移必須滿足以下要求：，其中f為鞏固系數(shù)。即作用在拱角處的水平推力必須小于或等于垂直反力反力所產(chǎn)生的最大摩擦力，以便保持拱腳的穩(wěn)定。此外，普氏為了平安，又將這最大摩擦力降低了一半，令=，代入公式可得拱軸線的方程為：顯然，拱軸線方程是一條拋物線。根據(jù)此公式可求得拱軸線上任意一點(diǎn)的高度。當(dāng)x=,y=b時(shí)可得式中b──拱的矢高，即為自然平衡拱的最大高度； ──自然平衡拱的計(jì)算跨度，按計(jì)算簡圖中的幾何關(guān)系，由下式求得：根據(jù)上式，可以很方便的求出自然平衡拱的最大圍巖壓力。計(jì)算過程：=15~5，取==1.9+3.25tan(-)=,軟化臨界荷載軟巖的入編實(shí)驗(yàn)說明，當(dāng)所施加的荷載小于某一荷載水平時(shí)，巖石處于穩(wěn)定的變形狀態(tài)，蠕變曲線趨于某一變形值，隨時(shí)間延伸而不再變化；當(dāng)所施加的荷載大于某一臨界荷載水平時(shí)，巖石呈現(xiàn)明顯的塑性變形加速現(xiàn)象，即產(chǎn)生不穩(wěn)定變形，這一荷載稱為軟巖的軟化臨界荷載，即能使巖石產(chǎn)生明顯變形的最小荷載。當(dāng)巖石種類一定時(shí)，其軟化臨界荷載是客觀存在的。當(dāng)巖石所受荷載水平低于軟化臨界荷載時(shí)，該巖石屬于硬巖范疇；當(dāng)巖石所受的荷載水平高于該巖石的軟化臨近荷載時(shí)，那么表現(xiàn)出軟巖的大變形特性，此時(shí)該巖石被視為軟巖。經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算公式為:式中：-巖石單周抗壓強(qiáng)度，Mpa;K-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)〔膨脹性軟巖K=0.3~0.5，高應(yīng)力軟巖K=0.5~0.7，節(jié)理化軟巖K=〔。圍巖為軟巖=15~5Mpa,K=0.3~0.8那么=1.5~12Mpa；V類圍巖性：，那么巖石應(yīng)力超過了軟化臨近荷載，巖石呈現(xiàn)明顯的塑性變形加速現(xiàn)象，即產(chǎn)生不穩(wěn)定變形。錨桿長度確定錨桿長度可按公：式中：──錨桿長度，m──錨桿外漏長度〔一般取〕，m──錨桿的有效長度，m──錨桿錨固長度〔一般取m〕,m錨桿的有效長度〔〕確實(shí)定方法為靜壓直墻半圓拱巷道根據(jù)采場(chǎng)礦壓力論研究的結(jié)果，在這里給出老頂在煤壁內(nèi)斷裂線距煤壁的距離〔〕的經(jīng)驗(yàn)值從而可以減少計(jì)算上的麻煩。具體如下：當(dāng)采深<200m時(shí)，=0~2；當(dāng)采深在200~400之間時(shí)，=2~5m；當(dāng)采深>400m時(shí)，=5~8m。由上算的h=2.6~,取=6~那么錨桿間排距確實(shí)定錨桿按等間距排列，即〔錨桿間距〕=〔錨桿排距〕，根據(jù)沒跟錨桿所承當(dāng)?shù)闹ёo(hù)荷載，那么可以確定錨桿的間排距：式中：──等距排列時(shí)的錨桿間排距，m；──單桿錨桿的極限破斷力，KN；P──巷道各部位支護(hù)荷載，，其中K──支護(hù)平安系數(shù)〔k取值范圍為〕；──巷道頂板支護(hù)荷載，；──巷道幫部支護(hù)荷載，；──巷道頂板承載長度〔m〕,巷道形狀不同，其取值為直墻圓拱形巷道：──頂板荷載計(jì)算范圍內(nèi)巖體重量〔KN〕，根據(jù)巷道形狀、巷道類型的差異，取值不同，其中：直墻圓拱巷道：直墻半圓拱形巷道：=c──幫部荷載計(jì)算范圍內(nèi)巖體重量〔KN〕，巷道形狀不同，其取值不同：計(jì)算過程：頂：幫：底板受力分析在巷道底板不穩(wěn)定的情況下，在巷道底板以上巖層的重力下，巷道的重力作用下，巷道底板產(chǎn)生塑性滑移，其塑性滑移線如圖所，底板塑性滑移線及分區(qū)示意圖據(jù)此可以簡化得出底板支護(hù)荷載計(jì)算模型，根據(jù)這些模型確定底鼓處理方法：采用封閉式支架及混凝土反拱。采用反拱來防治隧道底鼓是一種普遍的方法。一般在實(shí)施混凝土反拱的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)隧道頂極和兩壁的支護(hù)，以形成整體的支護(hù)。組合拱錨桿參數(shù)的計(jì)算組合拱近似為兩端固定支撐的三次超靜定結(jié)構(gòu)，其承受的圍巖荷載均布與拱軸線上，計(jì)算簡圖如圖：組合拱荷載為拱頂破碎巖體的松動(dòng)壓力，荷載高度為對(duì)應(yīng)的荷載集度q：式中、──圍巖平均容重與松散荷載高度；、──噴射混凝土容重與厚度；b──錨桿縱向間距；K──平安系數(shù)，取。噴射混凝土的容重可取那么單桿錨桿錨固力Q為;按組合拱理論錨桿長度和間排距和按下式計(jì)：式中b──組合拱厚度，m；──錨桿的有效長度，m；──錨桿在松散巖體中的控制角；a──錨桿的間排距，m；錨桿間排距按計(jì)〔對(duì)于破裂體較平安〕那么根據(jù)上式，如果按常用錨桿和間排距,那么組合拱厚度將為，相當(dāng)于層的料石碹拱，并且還具有料石拱所不具有的可能性，滿足了軟巖支護(hù)要求。取錨桿間排距取,組合拱厚度取,那么；3支護(hù)設(shè)計(jì)支護(hù)設(shè)計(jì)原那么本著技術(shù)先進(jìn)、平安可靠、經(jīng)濟(jì)合理、操作簡便的原那么開展進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。由于軟巖巷道工程地質(zhì)條件比擬復(fù)雜，而且其支護(hù)相比照擬困難，因此，首先應(yīng)遵循軟巖礦井總體巷道布置設(shè)計(jì)原那么，從總體設(shè)計(jì)上主動(dòng)回避軟巖，戰(zhàn)略上主動(dòng)盡量少的通過軟巖設(shè)計(jì)。軟巖礦井總體巷道布局設(shè)計(jì)原那么主要包括:地應(yīng)力原那么；深度原那么；巖層優(yōu)化原那么；斷面優(yōu)化原那么；強(qiáng)度優(yōu)化原那么。地應(yīng)力原那么對(duì)于工程地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)明顯的礦井，弄清地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布狀況后，進(jìn)行礦井總體巷道布局設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)應(yīng)盡量減少垂直最大構(gòu)造應(yīng)力方向的井巷，防止將過多巷道垂直于較大應(yīng)力方向，改為垂直最小構(gòu)造應(yīng)力方向，即將主要巷道布置成平行主地應(yīng)力〔拉伸向〕，以使巷道維持狀態(tài)良好，防止井巷因地應(yīng)力影響，產(chǎn)生失穩(wěn)、破壞。2〕主要硐室群應(yīng)盡量避開地質(zhì)構(gòu)造附近，避開構(gòu)造應(yīng)立及地質(zhì)構(gòu)造剩余應(yīng)力對(duì)軟巖巷道的支護(hù)的作用。3)總體布局設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于實(shí)在不能避開地應(yīng)力影響的井巷，應(yīng)考慮圍巖與支護(hù)之間應(yīng)力傳遞的緩解及均化，以保證支護(hù)的完整與穩(wěn)定。深度原那么軟巖礦井開拓布置時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤層底板等高線、深埋〔或賦存等深線〕選擇井口的位置，同時(shí)決定主要開采水平深度。通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查或相鄰采區(qū)巷道支護(hù)變形破壞狀況調(diào)查分析，確定巷道圍巖的軟化臨界深度后，應(yīng)盡量將礦井開采水平提高，改上山開采為下山開采。同時(shí)，礦井主要開采水平及井底硐室群〔井底車場(chǎng)、泵房變電所等〕布置在軟化臨近深度以上。如果地質(zhì)條件不允許，也應(yīng)當(dāng)盡量提高水平標(biāo)高，以減輕重力場(chǎng)應(yīng)力對(duì)軟巖支護(hù)作用。巖層優(yōu)化原那么對(duì)于軟巖礦井來講，并不是所有的巖層都是軟巖。同時(shí)，對(duì)于某一深度來講，雖然某些巖層已處于軟化臨近深度以下，但并不是所有巖層都進(jìn)入軟化臨近深度以下，即使所有巖層都處于軟化臨近荷載之下，由于巖體強(qiáng)度不同，其軟巖特性的表現(xiàn)程度也不同。因此在進(jìn)行主要水平大巷等永久巷道及硐室群布置時(shí)，應(yīng)盡量布置在沒有進(jìn)入軟巖狀態(tài)的巖層，或盡量在確定的開采垂深內(nèi)，尋找一層厚度較大、賦存穩(wěn)定、強(qiáng)度大于垂直集中應(yīng)力水平或相對(duì)較高的巖層內(nèi)?？臻g優(yōu)化原那么空間優(yōu)化原那么包括巷道空間位置的優(yōu)化和巷道形狀的優(yōu)化?！?〕弄清巷道圍巖的力學(xué)特性后，在進(jìn)行巷道空間布置時(shí)，相互之間應(yīng)保持足夠的距離，減小因工程施工產(chǎn)生工程應(yīng)力的疊加效應(yīng)，防止對(duì)以施工巷道的穩(wěn)定性造成破壞。對(duì)于密集的巷道群，在空間布置上應(yīng)力求減少相互的擾動(dòng)影響，以使巷道處于最正確維護(hù)狀態(tài)?！?〕在確定巷道斷面形狀時(shí)，在滿足通風(fēng)、行人、排水、維修等工藝使用上的要求的同時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體圍巖條件，選擇適宜的斷面形狀，使巷道處于圍巖結(jié)構(gòu)較好的條件下，同時(shí)，盡量減少巷道應(yīng)斷面形狀不當(dāng)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中。強(qiáng)度優(yōu)化原那么由于某些巷道布置的無可選擇性，使得有些巷道不得不布置在軟巖中，此時(shí)，要針對(duì)不同的軟巖類型，對(duì)圍巖進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化。〔1〕對(duì)于富含蒙脫石及伊-蒙脫礦物的膨脹型軟巖，可在圍巖外表填放生石灰，除吸潮預(yù)防上述礦物吸水膨脹外，還可借助及、交換改性、降低膨脹作用，相應(yīng)提高圍巖強(qiáng)度?！?〕對(duì)于節(jié)理、裂隙較為發(fā)育的松散型節(jié)理化軟巖，由于其滲透性較強(qiáng)，可以采用壓力注漿，將松散巖體固結(jié)，提高黏聚力，增大圍巖強(qiáng)度。水泥漿液、水玻璃-水泥砂漿混合液、化學(xué)要將都是十分有效地固結(jié)劑。對(duì)于節(jié)理、裂隙較為發(fā)育的破碎及底強(qiáng)度節(jié)理化軟巖，可以通過大注漿錨桿，前提高軟巖的凝聚力，增大抗剪、抗拉強(qiáng)度。對(duì)于節(jié)理化軟巖來講，應(yīng)適時(shí)支護(hù)，防止圍巖過度變形、流變而使圍巖受損傷，使剩余強(qiáng)度降低，造成破碎、塌落無法支撐的局面?！?〕對(duì)于高應(yīng)力軟巖來講，由于其巖體本身強(qiáng)度較高，只是圍巖本身所處的較高的應(yīng)力環(huán)境，使得其進(jìn)入軟巖狀態(tài)，因此應(yīng)在充分釋放其變形能的根底上，充分利用圍巖本身強(qiáng)度，適時(shí)支。新掘暗斜井支護(hù)設(shè)計(jì)方案選擇與比擬方案一、噴射混凝土支護(hù)方案在開挖后的洞室中，為承受山巖或其它荷栽的壓力，保證圍巖穩(wěn)定，防止圍巖風(fēng)化，封堵滲水、漏水和保證建筑物的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，往往需要在建筑物的開挖壁面上，進(jìn)行加固處理。采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，是加固處理的一種形。澆注永久井壁的質(zhì)量是保證整個(gè)井筒施工質(zhì)量的重要一環(huán)，必須保證到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和規(guī)格，并且不漏水。為此，施工時(shí)要注意以下幾點(diǎn):〔1〕立模模版要嚴(yán)格按中、邊線對(duì)中操平，保證井壁的垂直度、圓度和凈直徑。在掘進(jìn)工作面襯壁時(shí)，先將矸石整平，鋪上托盤或砂子，立好模版后，用撐木固定于井幫。采用高空灌注時(shí)，在砌壁底盤上架設(shè)承托結(jié)構(gòu)。為防止?jié)补鄷r(shí)模版微量錯(cuò)動(dòng)，模版外徑應(yīng)比井筒設(shè)計(jì)凈徑大50mm.對(duì)于液壓滑模版，施工時(shí)要注意滑模盤的扭轉(zhuǎn)和傾斜，以及爬桿的彎曲。必須經(jīng)常檢查模盤的中心位置和水平度?！?〕澆灌和搗固澆搗要對(duì)稱分層連續(xù)進(jìn)行，每層厚為宜，隨澆隨搗，如時(shí)間間隔較長，混凝土已有一定的強(qiáng)度時(shí)，要把上部表層鑿成毛面，用水沖洗，并鋪上一層水泥漿后，在進(jìn)行灌注。人工搗固時(shí)，要使外表出現(xiàn)薄漿。用振搗器振搗時(shí)，振搗器要插入下層。澆搗時(shí)，井筒淋水會(huì)使水泥漿流失而井壁質(zhì)量降低。因此，對(duì)于上部已襯砌好的永久井壁段的淋水，如果水量較大，可采用壁后注漿；淋水較小時(shí)，用截水?dāng)r截，然后排至地面或?qū)е辆?。?duì)于未襯砌壁段，用混凝土臨時(shí)支護(hù)封堵，或埋設(shè)導(dǎo)水管導(dǎo)出。對(duì)涌水集中的含水層，也可設(shè)置擋水板或截水槽將水集中排出。〔3〕井壁接茬井段間的接縫質(zhì)量直接影響井壁的整體性及防水性。接縫位置應(yīng)盡量避開含水層。為增大接縫處的面積及施工方便，接茬一般為斜面。常用的為全斷面斜口和窗口接茬法，斜口法用于拆卸式模版施工；窗口法用于活動(dòng)模版施工，窗口間距一般為2m左右。接茬在模版關(guān)嚴(yán)。對(duì)于少量出水的接縫可用快凝水泥或五礬防水劑封。方案二：錨、噴、網(wǎng)、索、注聯(lián)合支護(hù)方案錨噴網(wǎng)索注聯(lián)合支護(hù)與傳統(tǒng)剛性支護(hù)相比擬具有強(qiáng)度大,效果好,通過礦壓觀測(cè)可知,采用錨噴網(wǎng)索注聯(lián)合支護(hù)的巷道頂板下沉量及兩幫移近量均小于剛性支護(hù)巷道,且支護(hù)效果好,巷道得到有效維護(hù),減少了巷道的維修量,工人的勞動(dòng)強(qiáng)度減輕,保證工作面快速推進(jìn),降低了支護(hù)本錢和維護(hù)費(fèi)用?！?)錨桿支護(hù)使支護(hù)體與圍巖共同承載,它支護(hù)及時(shí),在大斷面、小煤柱、受地質(zhì)構(gòu)造影響及圍巖破碎的巷道中使用能發(fā)揮很好的支護(hù)效果?！?〕在錨桿和錨索施工時(shí),施加一定的預(yù)緊力,錨桿不小于30kN,錨索不小于70kN,相當(dāng)于支架的初撐力,能大幅度地提高圍巖的剩余強(qiáng)度并在巷道周圍形成合拱,有效阻止頂板彎曲下沉,底板錨桿和底角錨桿能有效防止底鼓,使頂?shù)装灞M快趨于穩(wěn)定,是軟巖煤巷較為適宜的支護(hù)形〔3)在受采動(dòng)影響較大時(shí),打中點(diǎn)柱或可縮性U型鋼支架超前支護(hù),確保巷道平安使用?！?〕軟巖回采巷道聯(lián)合支護(hù)對(duì)水的防治十分重要,要做到有水必治,無水必防,用水必管,積水必排,才能更好地提高聯(lián)合支護(hù)的效果。方案三：擴(kuò)大斷面二次支護(hù)方案所謂擴(kuò)大斷面二次支護(hù)即掘進(jìn)采用錨噴支護(hù)，斷面擴(kuò)大沿用邊擴(kuò)大100—200mm，施工中對(duì)巷道進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)錨噴層出現(xiàn)變形，裂紋時(shí)上二次支護(hù)，即架設(shè)剛性支架或再錨噴一次。一般能使巷道道保持穩(wěn)定。其機(jī)理在十當(dāng)初始?jí)毫Υ?、變形量大時(shí)硬抗是困難的，第一次支護(hù)變形或破壞將卸去局部應(yīng)力，膨脹量將大幅減少。再上剛性支架，將阻止圍巖繼續(xù)變形，這就是所謂先讓后抗。最正確二次組合支護(hù)時(shí)段，其原理是既要使圍巖變形能得到有效釋放，又要使初次支護(hù)能力得到充分發(fā)揮。當(dāng)圍巖放壓曲線與支護(hù)系統(tǒng)讓壓曲線相交時(shí)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為最正確二次組合支護(hù)時(shí)間。此時(shí)，圍巖放壓在優(yōu)化意義上到達(dá)了充分大，又保護(hù)了圍巖強(qiáng)度，同時(shí)，支護(hù)體讓壓在優(yōu)化意義上也到達(dá)了充分大。采用二次支護(hù)后,巷道抗壓能力明顯加強(qiáng);同采用其他支護(hù)方式相比照,不需要后期維修,減少了維修量;巷道支護(hù)穩(wěn)定,頂板沒有開裂的現(xiàn)象,提高了平安性;在效勞年限長的巷道,能夠確保巷道的效勞年限。二次支護(hù)適應(yīng)了深部原始地應(yīng)力釋放的特點(diǎn)。深部原始地應(yīng)力較大,巷道開挖初期,地應(yīng)力急劇釋放,此時(shí)圍巖變形速率大,趨于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)?shù)貞?yīng)力釋放到一定程度,變形速率下降,圍巖趨于根本穩(wěn)定,再進(jìn)行二次支護(hù)后,使支護(hù)獲得了較小的支撐力,保證了支護(hù)體系的完整。采用方案二：錨、噴、網(wǎng)、索、注聯(lián)合支護(hù)方案錨噴支護(hù)必須緊跟開挖工作面，，應(yīng)先噴后錨，噴射混凝土厚度不應(yīng)小于50mm；噴射作業(yè)中，應(yīng)有人隨時(shí)觀察圍巖變化情況。錨桿施工應(yīng)在噴射混凝土終凝3h后進(jìn)行。該支護(hù)方案的主要方法是:在高性能預(yù)拉力錨帶網(wǎng)索根本支護(hù)的根底上,采取增長錨桿長度、增加頂板錨索數(shù)量、增補(bǔ)錨索、打注漿錨桿、噴漿封閉圍巖，簡稱錨注聯(lián)合支護(hù)方。錨注聯(lián)合支護(hù)施工工藝:臨時(shí)支護(hù)初噴→打頂錨桿眼→安