軟巖巷道支護技術(shù)論文(2)
軟巖巷道支護技術(shù)論文
軟巖巷道支護技術(shù)論文篇二
軟巖巷道支護技術(shù)綜述
【摘 要】軟巖巷道支護是煤礦巷道支護的難點和重點，文章對軟巖巷道支護理論與支護技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展狀況進行了綜述。
【關(guān)鍵詞】軟巖巷道;支護;新奧法;松動圈理論;高預(yù)應(yīng)力、強力支護理論
軟巖巷道圍巖強度低，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，軟巖巷道支護是煤礦巷道支護的難點和重點。下面就軟巖巷道的支護理論和技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展狀況進行介紹。
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)驗的基礎(chǔ)上，提出了一種新的隧道設(shè)計施工方法，稱為新奧地利隧道施工方法(New Austrian Tunneling Method)，簡稱為新奧法(NATM)，目前已成為地下工程的主要設(shè)計施工方法之一。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 如果要求用圍巖來支護隧道，則必須盡可能維持圍巖強度。因此，要盡可能防止圍巖松動和大范圍變形。松動和變形會引起圍巖強度逐漸衰減，為了維持圍巖強度，應(yīng)根據(jù)時間和圍巖應(yīng)力變化，選擇適當?shù)闹ёo手段。
1.3 為了選擇最佳承載環(huán)結(jié)構(gòu)，必須正確估計時間對圍巖特性的影響(或?qū)鷰r與襯、砌共同體特性的影響)。為此，要求進行初期實驗室試驗，特別是洞內(nèi)位移量測試驗。其中最重要的參數(shù)是巖石類別、直立自穩(wěn)時間及變形速度。
1.4 襯砌和永久支護必須是薄殼型，以減小襯砌受彎機會，從而減少撓曲斷裂。其必要強度靠鋼筋網(wǎng)、鋼拱架和錨桿達到，而不是加厚襯砌或支護截面。
1.5 從應(yīng)力重新分布考慮，最好的開挖方式是全斷面掘進。
1.6 隧洞的主要承載部分是圍巖。圍巖的強度主要取決于單個巖塊之間的摩擦力，因此，必須盡一切可能防止圍巖的松動，保持圍巖的原有抵抗力。
1.7 支護的目的是為了更好地發(fā)揮和促進圍巖的承載作用，以及在巖體中建立承載環(huán)。
2 聯(lián)合支護理論
聯(lián)合支護技術(shù)是在新奧法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其觀點可以概括為：對于巷道支護，一味強調(diào)支護剛度是不行的，特別是對于松軟巖土圍巖要先柔后剛，先抗后讓，柔讓適度，穩(wěn)定支護。由此發(fā)展起來的支護形式有錨噴網(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)合支護技術(shù)。
3 軸變論
我國于學(xué)馥教授在20世紀50年代提出“軸變論”理論，它是運用連續(xù)介質(zhì)和靜力學(xué)方法提出來的理論，其基本要點如下：
3.1 地應(yīng)力是引起圍巖變形破壞的根本作用力，所以強調(diào)把工程所處的實測地應(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出現(xiàn)像太沙基和普羅托吉雅夫理論所說的垮落拱。調(diào)整圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)可以使本來會破壞的巷道不破壞。
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 松動圈理論
松動圈理論是由中國礦業(yè)大學(xué)董方庭教授提出的，其主要內(nèi)容是：凡是堅硬圍巖的裸露巷道，其圍巖松動圈都接近于零，此時巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在，但并不需要支護。松動圈越大，收斂變形越大，支護難度就越大。因此，支護的目的在于防止圍巖松動圈發(fā)展過程中的有害變形。
錨噴支護機理：根據(jù)圍巖松動圈支護理論，錨噴支護的機理和支護參數(shù)應(yīng)以松動圈的大小來確定。由于圍巖松動圈產(chǎn)生過程中的碎脹力是支護的對象，因而可按分類表將其合并為3種情況，以理論方法確定錨噴支護的參數(shù)。
4.1 小松動圈支護機理。當L=0～40 cm時，稱為小松動圈。當L=0時，意味著開巷后圍巖只有彈塑性變形，其變形量小，變形時間短，因此不存在支護問題。
4.2 中松動圈支護機理。當L=40～150 cm時，稱為中松動圈。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 大松動圈支護機理。當L>150 cm時，稱為大松動圈，屬軟巖。L=150 cm是圍巖松動圈支護理論劃分為軟巖的界線。該類巖石地壓顯現(xiàn)特征為壓力大，2～3層料石碹常被壓壞，圍巖變形量大，變形時間長，支護不成功時底鼓嚴重。對于這類圍巖，必須選用較強的支護才能防止底鼓。
5 高預(yù)應(yīng)力、強力支護理論
21世紀初，我國煤炭科學(xué)研究總院的康紅普等人提出了高預(yù)應(yīng)力、強力支護理論。該理論主要針對高應(yīng)力巷道圍巖變形的流變性、擴容性和沖擊性提出。
5.1 理論要點
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、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等擴容變形，屬于不連續(xù)變形;二是圍巖的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形，屬于連續(xù)變形。由于結(jié)構(gòu)面的強度一般比較低，因此開巷以后，不連續(xù)變形先于連續(xù)變形。合理的巷道支護形式是，大幅度提高支護系統(tǒng)的初期支護剛度與強度，有效控制圍巖不連續(xù)變形，保持圍巖的完整性，同時支護系統(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)力錨桿支護主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴容變形，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)力錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護剛度，即使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)所需要支護系統(tǒng)提供的剛度。支護系統(tǒng)剛度小于臨界支護剛度，圍巖將長期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài);相反，支護系統(tǒng)的剛度達到或超過臨界支護剛度，圍巖變形得到有效抑制，巷道處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。支護剛度的關(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。當錨桿預(yù)應(yīng)力達到一定數(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 錨桿支護對巷道圍巖石的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形、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 對于高應(yīng)力巷道，應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強力錨桿組合支護，應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。
5.2 該理論提出的錨桿支護形式和參數(shù)選擇原則
針對高應(yīng)力巷道條件，為了充分發(fā)揮錨桿主動支護作用，提出以下設(shè)計原則：
5.2.1 一次支護原則。錨桿支護應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護，以及巷道維修。
5.2.2 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。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，通過托板、鋼帶等構(gòu)件實現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴散，擴大預(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。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度)、剛度(提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長或全長錨固)，保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度。
5.2.4 臨界支護剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護剛度，如果支護剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設(shè)計錨桿支護系統(tǒng)的剛度應(yīng)大于I臨界值。
參考文獻
[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.軟巖巷道支護理論與應(yīng)用.河北煤炭，2009(4).
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