礦山巷道維護(hù)原理和支護(hù)技術(shù)

巷道維護(hù)原理和支護(hù)技術(shù)第一節(jié)無(wú)煤柱護(hù)巷一、護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性留設(shè)煤柱一直是煤礦中傳統(tǒng)的護(hù)巷方法，傳統(tǒng)的留煤柱護(hù)巷方法是在上區(qū)段運(yùn)輸平巷和下區(qū)段回風(fēng)平巷之間留設(shè)一定寬度的煤柱，使下區(qū)段平巷避開(kāi)固定支承壓力峰值區(qū)（圖7-1）。煤柱的寬度一般為10～30m。圖7-1留煤柱護(hù)巷示意圖（一）煤柱的載荷1．煤柱載荷的估算煤柱上的總載荷為：(7-1)式中p—煤柱上的總載荷，kN；B—煤柱寬度，m；δ—采空區(qū)上覆巖層垮落角；γ—上覆巖層平均容重，kN／m3。煤柱單位面積的平均載荷即平均應(yīng)力：(7-2)圖7-2計(jì)算煤柱載荷示意圖2．煤柱寬度的理論計(jì)算（7-3）（7-4）（二）煤柱的應(yīng)力分布1．一側(cè)采空煤柱（體）的彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力的分布假設(shè)采空區(qū)周?chē)拿褐w）處于彈性變形狀態(tài)，煤柱的垂直應(yīng)力σy的分布如圖7-3中1所示。σy隨著與采空區(qū)邊緣之間距離x的增大，按負(fù)指教曲線(xiàn)關(guān)系衰減。在高應(yīng)力作用下，從煤體（煤柱）邊緣到深部，都會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)（靠采空區(qū)側(cè)應(yīng)力低于原巖應(yīng)力的部分稱(chēng)為破裂區(qū)）、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)（圖7-3）。彈塑性變形狀態(tài)下，煤柱（體）的垂直應(yīng)力σy的分布如圖7-3中2所示。圖7-3煤柱（體）的彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力分布1—彈性應(yīng)力分布；2—彈塑性應(yīng)力分布；Ⅰ—破裂區(qū)；Ⅱ—塑性區(qū)；Ⅲ—彈性區(qū)應(yīng)力升高部分；Ⅳ—原始應(yīng)力區(qū)支承壓力峰值與煤體（煤柱）邊緣之間的距離x0的方程式為：（7-5）式中K—應(yīng)力增高系數(shù)；p1—支架對(duì)煤幫的阻力；M—煤層開(kāi)采厚度；C—煤體的粘聚力；φ—煤體的內(nèi)摩擦角；f—煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)；ξ—三軸應(yīng)力系數(shù)，。在生產(chǎn)實(shí)際中，x0的變化范圍為3～20m，一般為5～12m。應(yīng)力降低區(qū)寬度的變化范圍為2～7m，一般為3～5m。2．兩側(cè)采空煤柱的彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力的分布兩側(cè)均已采空的煤柱，其應(yīng)力分布狀態(tài)主要取決于回采引起的支承壓力影響距離L及煤柱寬度B，主要有三種類(lèi)型：①B＞2L時(shí)（圖7-4），煤柱中央的載荷為均勻分布，且為原巖應(yīng)力γH。由于煤柱邊緣應(yīng)力集中，煤柱從邊緣到中央，一般仍將出現(xiàn)破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、以及原巖應(yīng)力區(qū)。②2L＞B＞L時(shí)，在煤柱中央由于支承壓力的疊加，應(yīng)力大于γH，沿煤柱寬度方向應(yīng)力呈馬鞍形分布，彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布見(jiàn)圖7-5。③B＜L時(shí)，兩側(cè)邊緣的支承壓力峰值將重疊在一起，煤柱中部的載荷急劇增大，應(yīng)力趨向于均勻分布（圖7-6）。受兩側(cè)采動(dòng)影響時(shí)，K值可達(dá)到4～5以上，在煤柱中央可能因長(zhǎng)期處于塑性流動(dòng)狀態(tài)而遭到嚴(yán)重破壞。圖7-4煤柱寬度很大時(shí)彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力分布圖7-5煤柱寬度較大時(shí)彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力分布ⅠⅠ—破裂區(qū)；Ⅱ—塑性區(qū)；Ⅲ—中部為原巖應(yīng)力的彈性區(qū)（彈性核）Ⅰ—破裂區(qū)；Ⅱ—塑性區(qū)；Ⅲ—應(yīng)力升高的彈性區(qū)（彈性核）圖7-6寬度較小時(shí)煤柱的塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力分布Ⅰ—破裂區(qū)；Ⅱ—塑性區(qū)；Ⅲ—彈性區(qū)（彈性核）二、老頂結(jié)構(gòu)與沿空巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)系與采場(chǎng)相比沿空巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)具備以下特征：在巷道整個(gè)服務(wù)時(shí)期，隨著回采工作面不斷向前推進(jìn)，上覆巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式有所不同，通過(guò)巷道頂板對(duì)沿空巷道圍巖穩(wěn)定的影響方式和程度差異懸殊。同時(shí)，掘進(jìn)巷道再次擾動(dòng)上覆巖層結(jié)構(gòu)引起應(yīng)力重新分布，形成更復(fù)雜的迭加支承壓力。沿空巷道沿相鄰區(qū)段采空區(qū)邊緣布置，頂板巖層處于采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)固支邊與鉸結(jié)邊之間，其頂板巖層斷裂成弧形三角板。沿空巷道跨度較小，工作面老頂巖層結(jié)構(gòu)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響最顯著，與巷道頂板下沉變形基本一致。沿空巷道條件下，老頂一般可視為亞關(guān)鍵層。圖7-8采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖三、沿空掘巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律（一）沿傾斜方向支承壓力分布規(guī)律煤層開(kāi)采沿傾斜方向支承壓力帶形成后，隨著遠(yuǎn)離回采工作面和時(shí)間的延續(xù)，會(huì)逐漸地趨向緩和與均化，最終成為穩(wěn)定的殘余支承應(yīng)力。煤體和圍巖的強(qiáng)度對(duì)支承壓力分布曲線(xiàn)有很大影響，煤層頂?shù)装鍨楸容^堅(jiān)硬的砂巖時(shí)，隨著工作面推進(jìn)傾斜方向支承壓力峰值逐漸降低，峰值位置移動(dòng)不明顯（圖7-9a）。煤層頂?shù)装鍨楸容^軟的泥質(zhì)頁(yè)巖和較破碎的砂質(zhì)頁(yè)巖時(shí)，隨著工作面推進(jìn)傾斜方向支承壓力分布曲線(xiàn)逐漸向煤體深處轉(zhuǎn)移，峰值逐漸降低，影響范圍擴(kuò)大（圖7-9b）。ab圖7-9回采工作面傾斜方向支承壓力分布a—煤層頂?shù)装鍨樯皫r；b—煤層頂?shù)装鍨槟噘|(zhì)頁(yè)巖或較破碎的砂質(zhì)頁(yè)巖表7-1回采巷道保持穩(wěn)定狀態(tài)的護(hù)巷煤柱寬度值B/m圍巖性質(zhì)巷道埋藏深度/m200300400500600700比較穩(wěn)定182124273033中等穩(wěn)定192430354247不穩(wěn)定243039485358（二）沿空掘巷的礦壓顯現(xiàn)1．沿空掘巷的圍巖應(yīng)力和圍巖變形沿空掘巷之前，處于極限平衡狀態(tài)下煤體的殘余支承壓力分布（圖7-10中1）。沿空掘巷破壞了原有平衡，圖7-10中2。2．窄煤柱巷道的圍巖應(yīng)力和圍巖變形窄煤柱巷道是指巷道與采空區(qū)之間保留5～8m寬的煤柱。巷道掘進(jìn)前，采空區(qū)附近沿傾斜方向煤體內(nèi)應(yīng)力分布（圖7-11中1）。窄煤柱巷道掘進(jìn)位置一般剛好處于殘余的支承壓力峰值下。巷道掘進(jìn)后窄煤柱遭到破壞而卸載，引起煤柱向巷道方向強(qiáng)烈移動(dòng)。巷道另一側(cè)的煤體，由原來(lái)承受高壓的彈性區(qū)，衍變?yōu)槠屏褏^(qū)、塑性區(qū)；隨著支承壓力向煤體深處轉(zhuǎn)移，煤體也向巷道方向顯著位移，最終應(yīng)力分布狀態(tài)如圖7-11中2所示。圖7-10沿空掘巷引起煤幫應(yīng)力重新分布圖7-11窄煤柱護(hù)巷引起煤幫應(yīng)力重新分布1—掘巷前的應(yīng)力分布；2—掘巷后的應(yīng)力分布1—掘巷前的應(yīng)力分布；2—掘巷后的應(yīng)力分布Ⅰ—破裂區(qū)；Ⅱ—塑性區(qū)；Ⅲ—彈性區(qū)應(yīng)力增高部分；Ⅰ—破裂區(qū)；Ⅱ—塑性區(qū)；Ⅲ—彈性區(qū)應(yīng)力增高部分；Ⅳ—原巖應(yīng)力區(qū)Ⅳ—原巖應(yīng)力區(qū)沿空掘巷的三種方式①完全沿空掘巷就是上區(qū)段采動(dòng)影響穩(wěn)定后，緊貼上區(qū)段廢棄的巷道，在煤層邊緣的煤體內(nèi)重新掘進(jìn)一條巷道，如圖7-12所示。②留小煤墻沿空掘巷方式的特點(diǎn)是上區(qū)段采動(dòng)影響穩(wěn)定后，巷道不緊貼上區(qū)段采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，而是在巷道與采空區(qū)之間留設(shè)1～3m的隔離小煤墻(圖7-13)。圖7-12完全沿空掘巷圖7-13留小煤墻沿空掘巷L(fēng)Z-滯后掘進(jìn)距離LZ-滯后掘進(jìn)距離四、沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)1．采動(dòng)時(shí)期的受力狀況沿空留巷是在上區(qū)段工作面采過(guò)后，通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)或采用其它有效方法，將上區(qū)段工作面運(yùn)輸平巷保留下來(lái)，供下區(qū)段工作面回采時(shí)作為回風(fēng)平巷。由于老頂?shù)膭×一顒?dòng)，引起沿空巷道巷道煤幫和巷道支護(hù)體發(fā)生劇烈變形。受力狀況與用煤柱維護(hù)的巷道有明顯的差別。沿空留巷的圍巖應(yīng)力，除與煤幫的支承壓力和直接頂?shù)妮d荷有關(guān)外，主要取決于規(guī)則移動(dòng)帶巖層中塊體B取得平衡之前，引起的附加載荷。圖7-14傾斜長(zhǎng)壁沿空留巷1—沿空保留巷道，2—巷旁支護(hù)帶3—復(fù)用后廢棄的巷道2．沿空留巷的頂板下沉規(guī)律①工作面前方20～40m處煤層上覆巖層開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，但下沉速度很小，為巖層起始沉降期。②煤層開(kāi)采后，垮落帶巖層冒落，規(guī)則移動(dòng)帶巖層及上覆巖層急劇沉降，在工作面后方10～20m處，下沉速度達(dá)到最大。在工作面后方0～60m范圍內(nèi)，巖層的下沉量占最終下沉量的80％左右，稱(chēng)為巖層強(qiáng)烈沉降期。③在工作面后方約60m以外，規(guī)則移動(dòng)帶及上覆巖層沉降速度日漸衰減，在工作面后方100m左右，巖層運(yùn)動(dòng)基本穩(wěn)定。這個(gè)時(shí)期內(nèi)巖層的下沉量占最終下沉量的15％左右，稱(chēng)為巖層沉降衰減期。④如果直接頂板冒落能夠填滿(mǎn)采空區(qū)，使老頂處于平衡狀態(tài)，采動(dòng)期間沿空留巷的頂板下沉量與煤層采厚呈正比關(guān)系，一般為采高的10％～20％，基本上屬于“給定變形”。沿空巷道的頂板往往明顯地向采空區(qū)方向傾斜，傾角一般為30～60。五、沿空留巷巷旁支護(hù)形式1．巷旁支護(hù)的作用巷旁支護(hù)是指巷道斷面范圍以外，與采空區(qū)交界處架設(shè)的一些特殊類(lèi)型的支架或人工構(gòu)筑物。它的作用主要有：控制直接頂?shù)碾x層和及時(shí)切斷直接頂板，使垮落矸石在采空區(qū)內(nèi)充填支撐老頂，減少上覆巖層的彎曲下沉。減少巷內(nèi)支護(hù)所承受的載荷，保持巷道圍巖穩(wěn)定。同時(shí)為了生產(chǎn)安全，及時(shí)封閉采空區(qū)，防止漏風(fēng)和煤炭自燃發(fā)火，避免采空區(qū)內(nèi)有害氣體逸出。2．巷旁支護(hù)的類(lèi)型和適用條件傳統(tǒng)的巷旁支護(hù)主要有：木垛支護(hù)、密集支柱支護(hù)、矸石帶支護(hù)、混凝土砌塊支護(hù)等方式。整體澆注巷旁充填技術(shù)在煤層頂板、底板之間澆注充填材料，形成密實(shí)的整體。3．整體澆注巷旁充填技術(shù)(1)低水材料巷旁充填(2)高水材料巷旁充填第二節(jié)巷道圍巖卸壓一、跨巷回采進(jìn)行巷道卸壓1．跨巷回采卸壓的機(jī)理煤層開(kāi)采以后，在煤層底板中形成一定范圍的應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。位于煤層底板的巷道，若處于應(yīng)力增高區(qū)，將承受較大的集中應(yīng)力而遭到破壞；處于應(yīng)力降低區(qū)，則易于維護(hù)。根據(jù)采礦工作面不斷移動(dòng)的特點(diǎn)以及巷道系統(tǒng)優(yōu)化布置的原則，可在巷道上方的煤層工作面進(jìn)行跨采，使巷道經(jīng)歷一段時(shí)間的高應(yīng)力作用后，長(zhǎng)期處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)?？绮傻男Ч饕Q于巷道與上方跨采工作面的相對(duì)位置，即巷道與上部回采煤層間的法向距離Z，巷道與上部回采煤層煤柱（體）邊緣的水平距離X?？缦锘夭傻膽?yīng)用及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律（1）回采工作面縱跨巖石集中平巷（2）回采工作面橫跨石門(mén)平巷（3）工作面跨越上山回采工作面跨越上山回采時(shí)，是否保留區(qū)段煤柱及跨越上山回采的順序不同，對(duì)上山巷道的礦山壓力顯現(xiàn)影響極大。常見(jiàn)的跨越上山回采方式有以下三種：①上山一側(cè)的采煤工作面，在另一側(cè)的采煤工作面距上山較遠(yuǎn)時(shí)就跨越上山，下區(qū)段工作面回采時(shí)將區(qū)段間保留煤柱全部回收。②跨采方法同上，但區(qū)段間保留煤柱。③一側(cè)工作面先采至上山煤柱處停采，然后另一側(cè)工作面再跨越上山回采，保留區(qū)段煤柱。二、巷道圍巖開(kāi)槽卸壓及松動(dòng)卸壓1．巷道周邊開(kāi)槽（孔）對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響在巖體中開(kāi)掘巷道后，在地應(yīng)力較高，圍巖較松軟的情況下，圍巖破壞的范圍比較大。導(dǎo)致高的集中應(yīng)力向未遭破壞的圍巖深部轉(zhuǎn)移，在巷道周邊的圍巖形成應(yīng)力降低區(qū)。這種方式的卸壓過(guò)程是以巷道周邊巖體的完整結(jié)構(gòu)被破壞為代價(jià)的，在卸壓的同時(shí)巷道圍巖的塑性變形區(qū)范圍以及該區(qū)內(nèi)遭破壞巖體的塑性變形、擴(kuò)容膨脹變形明顯增大。采用邊界元法對(duì)巷道周邊切縫前后圍巖中的應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。在圓形巷道側(cè)壓系數(shù)λ＝0.5條件下，巷道周邊不切縫、兩幫切縫、頂?shù)浊锌p、頂?shù)准皟蓭屯瑫r(shí)切縫四種情況，巷道周邊切向應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果如圖7-15所示。切縫部位周邊圍巖中切向應(yīng)力顯著降低，巷道其它部位的切向應(yīng)力也有一定程度的降低。圖7-15切縫對(duì)圓形巷道周邊應(yīng)力分布的影響1—無(wú)切縫；2—兩幫切縫；3—頂?shù)浊锌p；4—兩幫及頂?shù)淄瑫r(shí)切縫2．巷道圍巖開(kāi)槽（孔）卸壓法的應(yīng)用鉆孔卸壓的機(jī)理與開(kāi)槽卸壓基本相同，鉆孔卸壓的效果主要取決于孔徑、孔距、孔深等參數(shù)。一般情況下，鉆孔直徑為150～350mm，鉆孔間距為鉆孔直徑的1.5～1.7倍，孔深為6～10m。卸壓應(yīng)盡可能緊跟掘進(jìn)工作面，滯后距離一般不宜超過(guò)5～10m；或者超前回采工作面，削弱回采工作面超前支承壓力的影響。在巷道圍巖中開(kāi)槽，不僅使支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)；卸壓槽（縫）還為巷道圍巖變形提供了補(bǔ)償空間，從而使巷道圍巖變形量減小。通常采用垂直切槽防治底臌，卸壓效果主要決定于卸壓槽的寬度b、深度h，對(duì)于中硬巖層，槽寬b＝200～300mm，對(duì)于軟巖層b＞200～300mm。3．巷道圍巖松動(dòng)爆破卸壓法的應(yīng)用利用鉆孔孔底藥壺爆破方法進(jìn)行限制性爆破，在圍巖體中形成一個(gè)連續(xù)的松散、破碎帶，將支承壓力峰值轉(zhuǎn)移到圍巖深部。同時(shí)，已經(jīng)松散、破碎的圍巖體具有緩沖墊層作用。確定松動(dòng)爆破技術(shù)參數(shù)應(yīng)以不破壞巷道與松散、破碎帶之間的圍巖完整性和支架的穩(wěn)定性為原則。鉆孔松動(dòng)爆破卸壓技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外煤礦進(jìn)行了大量實(shí)踐，取得較好效果。圖7-20為我國(guó)蘆嶺礦采用鉆孔松動(dòng)爆破卸壓的鉆孔布置。單純依靠松動(dòng)爆破卸壓，一般來(lái)說(shuō)效果是不理想的，如果將松動(dòng)爆破卸壓與松動(dòng)圈的圍巖加固結(jié)合起來(lái)，則可以取得很好的巷道維護(hù)效果。加固的方法可以采用水泥注漿、化學(xué)注漿、錨噴支護(hù)、支架支護(hù)等。松動(dòng)爆破卸壓-加固的方法已在我國(guó)煤礦中獲得廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)表明，卸壓-注漿方法可使巷道底板巖石的移近量平均減小90％，松動(dòng)爆破與打封混凝土反拱聯(lián)合控制巷道底臌也取得了同樣效果。三、利用卸壓巷硐進(jìn)行巷道卸壓利用卸壓巷硐卸壓方法的實(shí)質(zhì)是，在被保護(hù)的巷道附近（通常是在其上部、一側(cè)或兩側(cè)），開(kāi)掘?qū)ｉT(mén)用于卸壓的巷道或硐室。轉(zhuǎn)移附近煤層開(kāi)采的采動(dòng)影響，促使采動(dòng)引起的應(yīng)力分布再次重新分布，最終使被保護(hù)巷道處于開(kāi)掘卸壓巷硐而形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。1．在巷道一側(cè)布置卸壓巷硐2．在巷道頂部布置卸壓巷硐寬面掘巷卸壓寬面掘巷卸壓通常用于薄煤層的巷道，巷道掘進(jìn)時(shí)把巷道兩側(cè)6～8m寬的煤采出，將掘巷過(guò)程中挑頂、臥底的矸石充填到巷道兩側(cè)采出的空間，在煤幫與矸石充填體、矸石充填體與巷道之間分別留有1m和1～0.5m寬的空隙。巷道掘出后，周邊產(chǎn)生的集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移到離巷道較遠(yuǎn)的煤幫，巷道位于應(yīng)力降低區(qū)；煤幫與矸石充填體之間的空隙，作為煤體變形的補(bǔ)償空間。對(duì)維護(hù)巷道穩(wěn)定有很好效果。四、掘前預(yù)采的應(yīng)用掘前預(yù)采是底板巷道尚未開(kāi)掘之前，在預(yù)定掘巷位置上方的煤層中，先布置工作面進(jìn)行回采。待開(kāi)采引起的巖層移動(dòng)穩(wěn)定以后，在采空區(qū)下部底板巖層中開(kāi)掘巷道（圖7-16），巷道不僅應(yīng)與煤層底板保持一定的垂距Z，而且與上部工作面煤體邊緣也應(yīng)保持一定的水平距離X。掘前預(yù)采與跨越回采相比，改變了巷道的應(yīng)力基礎(chǔ)環(huán)境，巷道從掘進(jìn)開(kāi)始在整個(gè)服務(wù)期間一直處于預(yù)采工作面所形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，完全避免了開(kāi)采影響。因此，掘前預(yù)采是效果最理想的卸壓方法。掘前預(yù)采卸壓技術(shù)在前蘇聯(lián)煤礦曾用于生產(chǎn)，我國(guó)個(gè)別礦區(qū)也進(jìn)行過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)。掘前預(yù)采的實(shí)踐表明，此項(xiàng)卸壓技術(shù)可使巷道圍巖變形量減小4／5～5／6。前蘇聯(lián)煤礦曾在采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)和維護(hù)巷道也取得了令人滿(mǎn)意的效果。圖7-16掘前預(yù)采巷道布置示意圖第三節(jié)巷道金屬支架一、巷道支架支護(hù)原理1．巷道金屬支架的工作特性從總的規(guī)律看，巷道上覆巖體的重量由巷道支架承擔(dān)的僅占1％～2％，其余的完全由巷道周?chē)鷰r體承受。研究表明，巷道支架的工作特征與一般地面工程結(jié)構(gòu)有著根本性區(qū)別，支架受載的大小不僅取決于本身的力學(xué)特性（承載能力、剛度和結(jié)構(gòu)特征），而且與其支護(hù)對(duì)象—圍巖本身的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，也就是“支架-圍巖”相互作用關(guān)系。2．“支架-圍巖”相互作用的基本狀態(tài)①當(dāng)巷道頂板巖石與上覆巖層離層或脫落時(shí)，支架僅受到離層或脫落巖石自重壓力作用，支架處于給定載荷狀態(tài)。②當(dāng)巷道頂板巖石與上覆巖層沒(méi)有離層或脫落時(shí)，支架的受載和壓縮變形將取決于上覆巖層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種情況下僅靠支架本身的支撐力無(wú)法阻止上覆巖層的運(yùn)動(dòng)，只有當(dāng)上覆巖層下沉過(guò)程中受到采空區(qū)已冒落矸石或充填物阻擋時(shí)，支架的收縮變形才能停止，這時(shí)支架處于給定變形狀態(tài)。3．“支架-圍巖”相互作用原理現(xiàn)有的各種巷道支架，在“支架-圍巖”力學(xué)平衡系統(tǒng)中，只能承擔(dān)極其有限的一小部分載荷，支架在圍巖內(nèi)部應(yīng)力平衡關(guān)系中所起的作用是微小的，更不能企圖依靠支架去改變上覆巖層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。然而支架的這個(gè)微小的支撐力又是極其重要和必不可少的，支架的工作阻力，尤其是初撐力在一定程度上能相當(dāng)有效地抑制直接頂板離層，控制圍巖塑性區(qū)的再發(fā)展和圍巖的持續(xù)變形，保持圍巖的穩(wěn)定。因此，巷道支架系統(tǒng)必須具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和一定的可縮性，才能有效地控制和適應(yīng)圍巖的變形。ab圖7-17“支架—圍巖”相互作用力學(xué)模型圖7-18支架與圍巖的相互作用關(guān)系a—給定載荷狀態(tài)b—給定變形狀態(tài)A—彈塑性階段B—松動(dòng)破裂階段4．“支架-圍巖”相互作用原理的應(yīng)用（1）實(shí)行二次支護(hù)當(dāng)巷道圍巖達(dá)到穩(wěn)定前變形量較大，延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，需要開(kāi)巷后進(jìn)行一次支護(hù)。及時(shí)封閉和隔離圍巖，防止圍巖暴露面上個(gè)別危石掉落，同時(shí)對(duì)圍巖初期移動(dòng)給以一定程度的限制。一次支護(hù)允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，圍巖變形和能量釋放到一定程度后，進(jìn)行二次支護(hù)。二次支護(hù)應(yīng)在初次支護(hù)尚未失效，圍巖移近速度已經(jīng)很小的適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行。（2）采用柔性支護(hù)金屬可縮性支架不僅對(duì)圍巖的變形產(chǎn)生一定阻力，本身還具有可縮性，避免支架?chē)?yán)重變形和損壞。支架在允許圍巖有限變形繼續(xù)釋放能量同時(shí)，仍具有足夠的工作阻力，既能適應(yīng)圍巖的變形，又能控制圍巖的變形，充分發(fā)揮支架的支護(hù)效果。（3）強(qiáng)調(diào)主動(dòng)支護(hù)采用具有一定初始工作阻力的金屬支架，加大巷道圍巖的圍壓，提高巷道圍巖的強(qiáng)度，減輕支架承受的載荷。進(jìn)行巷道支架壁后充填和噴射混凝土，改善支架受力狀態(tài)和圍巖賦存環(huán)境，提高支架和圍巖的承載能力。二、巷道金屬支架（一）礦用支護(hù)型鋼圖7-19新U25型鋼斷面圖abc圖7-20雙槽形夾板式連接件a—上限位連接件；b—中間連接件；c—下限位連接件1—上限位塊2—下限位塊（二）U型鋼可縮性支架圖7-21四節(jié)多鉸摩擦可縮支架結(jié)構(gòu)圖7-22U型鋼拱梯形可縮性支架斷面參數(shù)1—U型鋼；2—鉸結(jié)點(diǎn)；3—耳卡式連接件圖7-23馬蹄形可縮性支架圖7-24圓形可縮性支架第四節(jié)巷道錨桿及錨噴支護(hù)一、錨桿種類(lèi)和錨固力錨桿是錨固在巖體內(nèi)維護(hù)圍巖穩(wěn)定的桿狀結(jié)構(gòu)物。對(duì)地下工程的圍巖以錨桿作為支護(hù)系統(tǒng)的主要構(gòu)件，就形成錨桿支護(hù)系統(tǒng)。單體錨桿主要由錨頭（錨固段）、桿體、錨尾（外錨頭）、托盤(pán)等部件組成。1．錨桿的分類(lèi)①機(jī)械錨固式錨桿包括脹殼式錨桿、倒楔式錨桿、楔縫式錨桿 。②粘結(jié)錨固式錨桿包括樹(shù)脂錨桿、快硬水泥卷錨桿、水泥砂漿錨桿。=3*GB3③摩擦錨固式錨桿包括縫管式錨桿、水脹式管狀錨桿等。 按桿體錨固段長(zhǎng)短可分為端頭錨固、全長(zhǎng)錨固和加長(zhǎng)錨固。按錨桿桿體的工作特性分為剛性錨桿、有限可拉伸及可拉伸錨桿。按錨桿作用特點(diǎn)可分為主動(dòng)式錨桿和被動(dòng)式錨桿。按制造錨桿桿體的材料可以劃分出木錨桿、竹錨桿、金屬錨桿、（鋼筋）混凝土錨桿以及聚酯錨桿等。2．錨桿的錨固力錨桿支護(hù)通過(guò)錨入圍巖內(nèi)部的桿體，改變圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)。它的受力狀況以及它對(duì)圍巖的作用方式比棚式支架復(fù)雜得多。國(guó)標(biāo)GBJ86-85將錨固力定義為錨桿對(duì)圍巖的約束力。（1）根據(jù)錨桿對(duì)圍巖的約束方式定義錨固力①托錨力：托錨力包括安裝錨桿時(shí)，通過(guò)擰緊螺母產(chǎn)生的錨桿托板對(duì)圍巖的預(yù)緊力，水脹式管狀錨桿桿體縱向收縮，使托盤(pán)對(duì)圍巖產(chǎn)生預(yù)緊力；以及錨桿托板阻止圍巖向巷道內(nèi)位移時(shí)，對(duì)圍巖施加的徑向支護(hù)力。②粘錨力：粘結(jié)劑將圍巖與錨桿粘結(jié)成整體，由于圍巖深部與淺部變形的差異，錨桿通過(guò)粘結(jié)劑對(duì)圍巖施加粘結(jié)力來(lái)抑制圍巖變形。粘錨力就是錨桿桿體的軸力。摩擦錨固式錨桿通過(guò)桿體與圍巖之間摩擦力對(duì)圍巖施加錨固力來(lái)抑制圍巖變形。③切向錨固力：圍巖體的變形大多從巖體的弱面開(kāi)始的，在圍壓作用下圍巖沿弱面滑動(dòng)或張開(kāi)。錨桿體貫穿弱面，限制圍巖沿弱面滑動(dòng)或張開(kāi)，這種限制力稱(chēng)為切向錨固力。（2）根據(jù)錨桿的錨固作用階段定義錨固力①初錨力：安設(shè)錨桿時(shí)，人為地對(duì)錨桿進(jìn)行拉張而使錨桿具有的作用于圍巖的力稱(chēng)為初錨力。②工作錨固力：錨桿安設(shè)后，圍巖變形，錨固劑發(fā)揮粘結(jié)作用；或者桿體與圍巖之間摩擦力制約圍巖變形，此時(shí)錨桿對(duì)圍巖的作用力為工作錨固力。③殘余錨固力：當(dāng)圍巖表面和深部的相對(duì)變形量超過(guò)錨固劑的極限變形量以后，錨固劑破壞工作錨固力喪失。但由于已破壞的錨固劑仍具有殘存粘結(jié)強(qiáng)度，鉆孔圍巖、破壞的錨固劑、錨桿桿體之間存在摩擦力，錨桿對(duì)圍巖仍具有約束力，稱(chēng)為殘余錨固力。二、錨桿支護(hù)理論（1）懸吊理論懸吊理論認(rèn)為：錨桿支護(hù)的作用是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，增強(qiáng)較軟弱巖層的穩(wěn)定性。對(duì)于回采巷道經(jīng)常遇到的層狀巖體，錨桿的懸吊作用如圖7-38a所示。如果巷道淺部圍巖松軟破碎，頂板出現(xiàn)松動(dòng)破裂區(qū)，錨桿的懸吊作用是將這部分易冒落巖體錨固在深部未松動(dòng)的巖層上（圖7-38b）。ab圖7-25錨桿支護(hù)懸吊作用a—堅(jiān)硬頂板錨桿的懸吊作用；b—軟弱頂板錨桿的懸吊作用（2）組合梁理論如果頂板巖層中存在若干分層，組合梁理論認(rèn)為錨桿的作用一方面提供錨固力增加各巖層間的摩擦力，阻止巖層沿層面繼續(xù)滑動(dòng)，避免出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯(cuò)動(dòng)，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖成一個(gè)較厚的巖層(圖7-26)。圖7-26層狀頂板錨桿組合梁（3）組合拱（壓縮拱）理論組合拱理論認(rèn)為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿，從桿體兩端起形成圓錐形分布的壓應(yīng)力區(qū)，如果錨桿間距足夠小，各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體相互交錯(cuò)，在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶，即壓縮拱。壓縮拱內(nèi)巖石徑向、切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖強(qiáng)度得到提高，支承能力相應(yīng)增大（圖7-27）。（4）最大水平應(yīng)力理論最大水平應(yīng)力理論由澳大利亞學(xué)者W.J.Gale提出。該理論認(rèn)為礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響。且有三個(gè)特點(diǎn)：①與最大水平應(yīng)力平行的巷道受水平應(yīng)力影響最小，頂?shù)装宸€(wěn)定性最好。②與最大水平應(yīng)力成銳角相交的巷道，其頂?shù)装遄冃纹茐钠蛳锏滥骋粠?。③與最大水平應(yīng)力垂直的巷道受水平應(yīng)力影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。圖7-27錨桿組合拱（壓縮拱）原理圖7-28最大水平應(yīng)力原理（5）圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論的要點(diǎn)如下：①巷道錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；②巷道錨桿支護(hù)可以提高錨固體力學(xué)參數(shù)（E、C、φ），改善被錨固巖體的力學(xué)性能；③巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)域的巖體則處于破碎區(qū)或處于上述兩個(gè)或三個(gè)區(qū)域中，相應(yīng)地錨固區(qū)域的巖石強(qiáng)度處于峰后強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度。錨桿支護(hù)使巷道圍巖特別是處于峰后區(qū)圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化，提高峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度；④煤巷錨桿支護(hù)可以改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力；⑤巷道圍巖錨固體強(qiáng)度提高以后，可減少巷道周?chē)扑閰^(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。（6）巖體錨固系統(tǒng)理論三、錨桿（一）機(jī)械式錨桿圖7-29竹、木楔縫式錨桿a—木楔縫式錨桿b—竹楔縫式錨桿1—硬木內(nèi)楔2—木桿體；3—木托板；4—硬木外楔；5—竹桿體（二）摩擦式錨桿摩擦式錨桿是通過(guò)鋼管與孔壁之間的摩擦作用達(dá)到錨固的目的，多為全長(zhǎng)錨固式。主要包括縫管錨桿和水力膨脹錨桿。圖7-30縫管錨桿圖7-31水力膨脹錨桿（1）縫管式錨桿縫管錨桿（圖7-30）的桿體是一根全長(zhǎng)縱向開(kāi)縫的長(zhǎng)鋼管，錨尾端部焊有φ6～8mm圓鋼彎成的擋環(huán)。桿體直徑30～45mm，開(kāi)縫寬度10～15mm，壁厚度2～3mm。鋼管打入比管徑小1～3mm的鉆孔后，鋼管的彈性使其外壁與鉆孔巖壁擠緊并產(chǎn)生沿管全長(zhǎng)的徑向應(yīng)力和軸向摩擦力，阻止圍巖變形。為便于沖擊安裝，錨頭部分制成圓錐形。縫管錨桿的錨固力主要取決于開(kāi)縫管的長(zhǎng)度、開(kāi)縫管與錨孔的徑差、鉆孔直徑、開(kāi)縫管材質(zhì)和安裝質(zhì)量，錨固力一般為50～70kN。（2）水力膨脹錨桿水力膨脹錨桿（圖7-31）是一種壁厚為2mm，直徑為41mm的鋼管被折疊成直徑為25～28mm的異形鋼管，裝入直徑33～39mm的鉆孔內(nèi)，高壓水注入鋼管內(nèi)，使鋼管沿全長(zhǎng)膨脹并壓緊鉆孔孔壁，依靠管壁與孔壁的摩擦力和擠壓力實(shí)現(xiàn)支護(hù)巷道的目的。與此同時(shí)管體的膨脹伴隨著縱向收縮，使托盤(pán)緊貼巖面產(chǎn)生預(yù)緊力。水力膨脹錨桿的主要特點(diǎn)是錨桿的錨固力隨圍巖性質(zhì)變化不大，只要保持足夠的充液壓力，水力膨脹錨桿的錨固性能基本上與圍巖性質(zhì)無(wú)關(guān)。這是水力膨脹錨桿優(yōu)于其它各種錨桿的重要特性，對(duì)于松散、破碎圍巖的支護(hù)尤其重要。（三）粘結(jié)式錨桿粘結(jié)式錨桿主要分為樹(shù)脂錨桿、快硬水泥卷錨桿和水泥砂漿鋼筋錨桿，其中樹(shù)脂錨桿是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的錨桿支護(hù)形式。1．樹(shù)脂錨桿樹(shù)脂錨桿由錨固劑（樹(shù)脂膠囊）、桿體、托盤(pán)和螺母等組成。（1）錨固劑表7-2不同型號(hào)錨固劑的凝膠時(shí)間型號(hào)特性凝膠時(shí)間/min固化時(shí)間/min備注CK超快0.5～1.0≤5在20±1℃環(huán)境溫度下測(cè)定K快速1.5～2.5≤7Z中速3.0～4.0≤12CM超慢60～120≤150表7-3樹(shù)脂錨固劑主要技術(shù)參數(shù)性能指標(biāo)抗壓強(qiáng)度≥60MPa剪切強(qiáng)度≥35MPa容重1.9～2.2g/cm3彈性模量≥1.6×104MPa粘結(jié)強(qiáng)度混凝土＞7MPa，螺紋圓鋼＞16MPa振動(dòng)疲勞壽命＞800萬(wàn)次泊松比≥0.3貯存期≥9個(gè)月適用環(huán)境溫度－30～60℃表7-4樹(shù)脂錨固劑與常見(jiàn)巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度巖石砂巖頁(yè)巖煤粘結(jié)強(qiáng)度／MPa5～83.5～5.51～2（2）錨桿桿體錨桿桿體是錨桿的主體，桿體材質(zhì)及表面結(jié)構(gòu)直接影響錨固范圍內(nèi)對(duì)圍巖支護(hù)阻力的大小。依照桿體屈服強(qiáng)度σs將錨桿分為三類(lèi)：σs＜340MPa，為普通錨桿；340MPa≤σs＜600MPa，為高強(qiáng)度錨桿；σs≥600MPa，為超高強(qiáng)度錨桿。圖7-32端頭錨固式錨桿受力特征圖7-33全長(zhǎng)錨固錨桿錨固力分布1—內(nèi)錨頭；2—托板1—托錨力作用區(qū)；2—剪錨力作用區(qū)錨桿桿體表面粗糙程度直接影響錨桿與圍巖之間的剪切特征和相互作用力的傳遞。螺紋鋼桿體表面有波紋節(jié)，桿體表面凸紋與粘結(jié)體間發(fā)生相對(duì)變形產(chǎn)生剪切力；粘結(jié)體楔塊的變形產(chǎn)生膨脹作用，使垂直于桿體的約束力增大，也導(dǎo)致錨桿剪錨力增大。試驗(yàn)表明：螺紋鋼錨桿的拉拔力達(dá)到圓鋼錨桿的4～5倍。單向無(wú)縱筋左旋螺紋鋼桿體攪拌樹(shù)脂時(shí)左旋螺紋推動(dòng)樹(shù)脂擠向孔內(nèi)，增加樹(shù)脂的密實(shí)程度，增大錨桿錨固能力。全長(zhǎng)錨固錨桿桿體一般選用左旋無(wú)縱筋螺旋鋼筋。無(wú)縱筋左旋螺紋鋼桿體、普通螺紋鋼桿體、無(wú)縱筋右旋螺紋鋼桿體錨固力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7-49。桿體直徑均為20mm，錨固段長(zhǎng)度300mm。（3）錨桿托板與螺母①托板通過(guò)擠壓圍巖表面提供托錨力，使圍巖處于三向受力狀態(tài)，明顯改善巷道圍巖受力環(huán)境。尤其是托錨力在錨桿施加預(yù)緊力后立即發(fā)揮作用，約束圍巖變形。②托板受載后將力傳遞給錨桿桿體，增大錨桿剪錨力，限制圍巖節(jié)理面的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，充分發(fā)揮錨桿對(duì)圍巖節(jié)理面的加固作用。第五節(jié)軟巖巷道圍巖變形規(guī)律及其支護(hù)技術(shù)一、軟巖的基本屬性1．軟巖的概念軟巖定義分為地質(zhì)軟巖和工程軟巖。（1）地質(zhì)軟巖地質(zhì)軟巖是指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層的總稱(chēng)。（2）工程軟巖工程軟巖是指在巷道工程力作用下，能夠產(chǎn)生顯著變形的工程巖體。巷道工程力是指作用在巷道工程巖體上的力的總和，工程軟巖的定義