小型煤礦大斷面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及施工

小型煤礦大斷面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及施工

考慮到整體設(shè)計(jì)、施工速度和減少礦山投資，將一些主要的運(yùn)輸?shù)缆分苯优渲媒o煤層，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)輸量大，道路段大，屬于礦山建設(shè)的重要路線。由于地質(zhì)條件的變化，一些原始設(shè)計(jì)在煤層底板和屋頂層的穩(wěn)定巖下，運(yùn)輸?shù)缆泛椭饕诵械啦荒芘渲迷谒璧膶樱仨毰渲迷诿簩又?。松軟煤層中的大斷面巷道?duì)支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、施工速度要求較高,既要求巷道在服務(wù)年限內(nèi)不變形、不破壞,又要求巷道支護(hù)成本低、速度快。松軟煤層中大斷面巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)及施工都十分困難,工程質(zhì)量也難以有效控制,在施工中易發(fā)生片幫冒頂事故,施工進(jìn)度慢,在使用中由于巷道變形開(kāi)裂、底鼓而影響生產(chǎn)。采準(zhǔn)巷道中常用的支護(hù)形式和施工方法由于允許巷道有較大的位移變形,且需經(jīng)常維護(hù),因此不適用于井底車場(chǎng)巷道、運(yùn)輸大巷及主要硐室。1拉伸煤體垮落和變形破壞機(jī)理原生松軟煤層有褐煤、貧煤;后生松軟煤層即地應(yīng)力集中區(qū)域煤層,煤層受到頂?shù)装鍘r層的擠壓或受斷層褶曲等構(gòu)造影響而造成的碎散煤體。原生松軟煤層內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)松散,水分低,密度小,致密性差,粘結(jié)力小,遇水泥化。后生松軟煤層除具有原生松軟煤層的一般物理性質(zhì)外,還表現(xiàn)為具有更大的流變性。松軟煤體的四周只要有自由面存在,就極易發(fā)生片幫冒頂,特別是巷道開(kāi)挖后,支護(hù)不及時(shí),煤體的下方形成自由面及空頂,煤體僅靠自重就會(huì)大面積垮落,若不加控制則通常按自然穩(wěn)定角一直冒落至穩(wěn)定頂板。松軟煤層在垮落破壞時(shí)沒(méi)有明顯的彈性階段,應(yīng)力重新分布的時(shí)間很短。根據(jù)有關(guān)資料,處于煤層中的大斷面巷道返修率極高,尤其是在受采動(dòng)影響和在高應(yīng)力的條件下。松軟煤層對(duì)巷道的影響除與本身的性質(zhì)有關(guān)外還和施工方法及措施有著密切的關(guān)系。如果施工方法得當(dāng),支護(hù)層和煤體間比較密實(shí),則能較快地形成新的平衡狀態(tài),這種狀態(tài)對(duì)巷道支護(hù)層的破壞最小。當(dāng)巷道與煤體間充填不密實(shí)或存在較大的空間時(shí),松軟煤體將發(fā)生蠕變乃至流變,在巷道四周形成一個(gè)松動(dòng)圈,原應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)被打破,在地壓的作用下,松動(dòng)范圍將逐步擴(kuò)展,直到破碎煤體將巷道支護(hù)層四周的空間填滿擠實(shí),但在地壓作用較明顯的地區(qū),地壓通過(guò)巷道四周松動(dòng)圈內(nèi)的固體介質(zhì)較均勻地傳遞到巷道支護(hù)層,并與松動(dòng)圈內(nèi)介質(zhì)自重應(yīng)力共同作用,也常常能使支護(hù)遭到破壞,但整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),一般不會(huì)發(fā)生大的突發(fā)事故,可采取套棚加固的措施來(lái)處理。而當(dāng)施工措施不當(dāng),出現(xiàn)大量的煤體塌落現(xiàn)象,又沒(méi)有及時(shí)處理,煤體自行剝落,直至煤層的穩(wěn)定頂板,這樣,煤層頂板下方形成大面積的自由面,在地壓作用下,應(yīng)力重新分布,造成應(yīng)力集中,煤層老頂出現(xiàn)沉降裂縫,當(dāng)變形量超過(guò)它的臨界值,就會(huì)突然斷裂,沖擊巷道支護(hù)層,造成事故,甚至引發(fā)煤體突出。2巷道頂板壓力及支護(hù)根據(jù)松軟煤層的特性和主要運(yùn)輸巷道的使用條件,要求采用剛性的支護(hù)形式,來(lái)扼制煤體的位移變形,同時(shí)又要求支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠提供較大的初始阻力。因此,巷道的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于巷道頂部煤體自重應(yīng)力和來(lái)自煤層頂板的部分壓力。支護(hù)層處于三維受力狀態(tài),受力狀態(tài)比較復(fù)雜,計(jì)算比較繁瑣。實(shí)際應(yīng)用中常將支護(hù)層的受力狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化,采用圖1所示的受力狀態(tài)對(duì)松軟煤層巷道頂板壓力進(jìn)行估算,即:q=kq0+hr(b+h),式中:q——松軟煤層巷道頂板壓力;q0——巷道所處層位的地壓,可根據(jù)巷道上覆巖層情況按有關(guān)地壓計(jì)算公式求得;k——地壓傳遞系數(shù),一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取,k=0～1;r——松動(dòng)圈內(nèi)煤巖體的平均密度;b——巷道的掘進(jìn)寬度;h——松動(dòng)圈的高度,一般取支護(hù)層至煤層老頂?shù)木嚯x。根據(jù)計(jì)算出的地壓確定合理的支護(hù)厚度,在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了減少支護(hù)厚度以節(jié)約投資和提高施工進(jìn)度,除應(yīng)采取及時(shí)支護(hù)、密實(shí)充填等技術(shù)措施外,還應(yīng)著重從以下方面完善施工工藝:(1)掘進(jìn)施工時(shí)采用超前支護(hù)或小導(dǎo)硐施工法等特殊措施,防止空頂時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成煤體塌落。(2)由于松軟煤體中大斷面巷道的支護(hù)量大,質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高,可先施工臨時(shí)支護(hù),提供給煤體一個(gè)足量的初始阻力,防止位移變形,然后再進(jìn)行永久支護(hù)。(3)對(duì)斷面特大(煤層又厚)、服務(wù)年限長(zhǎng)或地壓大的重要硐室,在支護(hù)層砌筑完畢后實(shí)行壁后注漿,以加大支護(hù)層厚度和提高整體強(qiáng)度;或?qū)ｉT(mén)對(duì)煤體進(jìn)行注漿,使碎散煤體結(jié)合成板塊結(jié)構(gòu)的整體,以提高煤體自身的抗應(yīng)變能力。3支出的形式和適用條件3.1起球泥砂墻施工料石來(lái)源廣泛、價(jià)格低、施工簡(jiǎn)便,適合就地取材和實(shí)行短段掘砌施工。料石碹初期強(qiáng)度高,又有一定讓壓能力,是松軟煤體中大斷面巷道常用的支護(hù)形式。施工中料石灰縫砂漿要飽滿,發(fā)揮其整體作用,壁后充填密實(shí)。雙料石碹抗側(cè)壓能力較差,故側(cè)壓大的礦井或墻高超過(guò)2.5m的大斷面不宜采用這種支護(hù)形式。3.2混凝土層料石混凝土聯(lián)合支護(hù)施工時(shí)分兩次立模砌碹,外層為料石,內(nèi)層為混凝土。這種支護(hù)形式利用料石碹在初期強(qiáng)度高,施工速度快且允許少量變形的特點(diǎn),混凝土碹則利用其整體性好、抗壓能力大的特點(diǎn),對(duì)頂板淋水大,側(cè)壓大的厚煤層尤其適用。3.3抗作用不適宜鋼筋混凝土支護(hù)具有強(qiáng)度高,整體性好,對(duì)各方向來(lái)壓均有較強(qiáng)的抵抗作用,是井巷工程經(jīng)常采用的重要支護(hù)形式。但這種支護(hù)方式施工速度慢,不適宜短段掘砌;由于需綁扎鋼筋,空頂時(shí)間長(zhǎng),初期強(qiáng)度低,來(lái)壓后容易壓裂。因此采用這種支護(hù)方式需采取臨時(shí)支護(hù)維護(hù)頂板。3.4擋土墻后再砌混凝土金屬支架與混凝土聯(lián)合支護(hù)即先架設(shè)金屬支架作外層支護(hù),然后套內(nèi)層混凝土碹。這種支護(hù)方式適用于地壓顯現(xiàn)快、掘砌過(guò)程中煤層極易片幫、冒落的地段。金屬支架施工速度快,具有讓壓變形、緩解消除部分應(yīng)力的作用,待壓力趨于穩(wěn)定后再砌混凝土碹。在實(shí)際施工中,金屬支架巷道的斷面要比設(shè)計(jì)的輪廓尺寸大100mm左右,留下讓壓變形、巷道斷面縮小的余地。3.5離后噴射混凝土支護(hù)在煤層較簿、地壓小的地段可以采用料石砌碹與噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)的方式。即首先施工料石碹體,待施工過(guò)一段距離后,再噴射混凝土。這種支護(hù)方式的作用機(jī)理與料石混凝土