軟巖巷道支護(hù)技術(shù)論文(2)
軟巖巷道支護(hù)技術(shù)論文
軟巖巷道支護(hù)技術(shù)論文篇二
軟巖巷道支護(hù)技術(shù)綜述
【摘 要】軟巖巷道支護(hù)是煤礦巷道支護(hù)的難點(diǎn)和重點(diǎn),文章對軟巖巷道支護(hù)理論與支護(hù)技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述。
【關(guān)鍵詞】軟巖巷道;支護(hù);新奧法;松動圈理論;高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論
軟巖巷道圍巖強(qiáng)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(hù)是煤礦巷道支護(hù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。下面就軟巖巷道的支護(hù)理論和技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)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(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了一種新的隧道設(shè)計(jì)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(jì)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(hù)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(hù)隧道,則必須盡可能維持圍巖強(qiáng)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(qiáng)度逐漸衰減,為了維持圍巖強(qiáng)度,應(yīng)根據(jù)時(shí)間和圍巖應(yīng)力變化,選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)手段。
1.3 為了選擇最佳承載環(huán)結(jié)構(gòu),必須正確估計(jì)時(shí)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(jìn)行初期實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),特別是洞內(nèi)位移量測試驗(yàn)。其中最重要的參數(shù)是巖石類別、直立自穩(wěn)時(shí)間及變形速度。
1.4 襯砌和永久支護(hù)必須是薄殼型,以減小襯砌受彎機(jī)會,從而減少撓曲斷裂。其必要強(qiáng)度靠鋼筋網(wǎng)、鋼拱架和錨桿達(dá)到,而不是加厚襯砌或支護(hù)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(jìn)。
1.6 隧洞的主要承載部分是圍巖。圍巖的強(qiáng)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(hù)的目的是為了更好地發(fā)揮和促進(jìn)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(hù)理論
聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是在新奧法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其觀點(diǎn)可以概括為:對于巷道支護(hù),一味強(qiáng)調(diào)支護(hù)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(hù)。由此發(fā)展起來的支護(hù)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(hù)技術(shù)。
3 軸變論
我國于學(xué)馥教授在20世紀(jì)50年代提出“軸變論”理論,它是運(yùn)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(diǎn)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(qiáng)調(diào)把工程所處的實(shí)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(jiān)硬圍巖的裸露巷道,其圍巖松動圈都接近于零,此時(shí)巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在,但并不需要支護(hù)。松動圈越大,收斂變形越大,支護(hù)難度就越大。因此,支護(hù)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(hù)機(jī)理:根據(jù)圍巖松動圈支護(hù)理論,錨噴支護(hù)的機(jī)理和支護(hù)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(hù)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(hù)的參數(shù)。
4.1 小松動圈支護(hù)機(jī)理。當(dāng)L=0~40 cm時(shí),稱為小松動圈。當(dāng)L=0時(shí),意味著開巷后圍巖只有彈塑性變形,其變形量小,變形時(shí)間短,因此不存在支護(hù)問題。
4.2 中松動圈支護(hù)機(jī)理。當(dāng)L=40~150 cm時(shí),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(hù)機(jī)理。當(dāng)L>150 cm時(shí),稱為大松動圈,屬軟巖。L=150 cm是圍巖松動圈支護(hù)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(shí)間長,支護(hù)不成功時(shí)底鼓嚴(yán)重。對于這類圍巖,必須選用較強(qiáng)的支護(hù)才能防止底鼓。
5 高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論
21世紀(jì)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(qiáng)力支護(hù)理論。該理論主要針對高應(yīng)力巷道圍巖變形的流變性、擴(kuò)容性和沖擊性提出。
5.1 理論要點(diǎn)
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(kuò)容變形,屬于不連續(xù)變形;二是圍巖的彈性變形、峰值強(qiáng)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(qiáng)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(hù)形式是,大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度,有效控制圍巖不連續(xù)變形,保持圍巖的完整性,同時(shí)支護(hù)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(hù)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(kuò)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(shí)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(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)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(hù)系統(tǒng)提供的剛度。支護(hù)系統(tǒng)剛度小于臨界支護(hù)剛度,圍巖將長期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài);相反,支護(hù)系統(tǒng)的剛度達(dá)到或超過臨界支護(hù)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(hù)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(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)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(hù)對巷道圍巖石的彈性變形、峰值強(qiáng)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(hù)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(qiáng)力錨桿組合支護(hù),應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞,避免二次支護(hù)和巷道維修。
5.2 該理論提出的錨桿支護(hù)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(hù)作用,提出以下設(shè)計(jì)原則:
5.2.1 一次支護(hù)原則。錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形,避免二次或多次支護(hù),以及巷道維修。
5.2.2 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素,是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動支護(hù)還是主動支護(hù)的參數(shù),只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動支護(hù),才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)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(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散,擴(kuò)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(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強(qiáng)度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強(qiáng)度)、剛度(提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長或全長錨固),保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下,降低支護(hù)密度,減少單位面積上錨桿數(shù)量,提高掘進(jìn)速度。
5.2.4 臨界支護(hù)剛度原則。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度,如果支護(hù)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(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度應(yīng)大于I臨界值。
參考文獻(xiàn)
[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(hù)理論與應(yīng)用.河北煤炭,2009(4).
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