許廠莊煤礦1.2Mta新井設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】

許廠莊煤礦1.2Mta新井設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,許廠莊,煤礦,mta,設(shè)計,cad,圖紙,文檔 專 題 部 分 軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究 摘要：軟巖巷道支護(hù)問題，歷來是巷道工程的難題，國內(nèi)外大批學(xué)者通過理論研究、試驗(yàn)研究和實(shí)例分析取得了大量的研究成果和理論。本文詳細(xì)介紹了軟巖的概念、分類等，分析了軟巖具有的松、散、軟、弱四種不同屬性，結(jié)合我國煤礦開采實(shí)際情況，闡述了軟巖巷道控制的基本理論，系統(tǒng)介紹了軟巖巷道基于錨桿、梁、網(wǎng)、混凝土的基本支護(hù)技術(shù)，論述了一些行之有效的軟巖巷道施工的支護(hù)技術(shù)實(shí)例，并簡單介紹了新奧法在我國煤礦軟巖巷道支護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用及創(chuàng)新發(fā)展，為煤礦及其它行業(yè)提供了合理的技術(shù)借鑒。 0 引言 軟巖巷道的圍巖控制和巷道維護(hù)是世界礦業(yè)和巖石力學(xué)的難題之一，也是目前國外急需解決的問題之一。隨著礦山開采條件的復(fù)雜化，軟巖支護(hù)問題所涉及到的工程領(lǐng)域越來越多，問題也越來越復(fù)雜。我國煤層賦存條件復(fù)雜，軟巖在近半數(shù)礦井都有賦存。隨著采深的增加，原巖應(yīng)力水平不斷提高，當(dāng)采深超過圍巖軟化臨界深度后，圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形、難支護(hù)現(xiàn)象，圍巖原有的弱面進(jìn)一步擴(kuò)展，產(chǎn)生新的節(jié)理、裂隙，甚至松動、破碎，圍巖進(jìn)一步惡化，給巷道維護(hù)帶來極大困難，這就給地下工程圍巖穩(wěn)定性研究提出了新的課題——軟巖工程問題。 為解決或降低這一問題對煤礦生產(chǎn)和其他巖土工程所造成的不利影響，國內(nèi)外與巖土工程相關(guān)的各個領(lǐng)域，都投入了大量的人力和物力進(jìn)行軟巖支護(hù)等方面的研究工作。通過大量的工程實(shí)踐人們認(rèn)識到改善圍巖的結(jié)構(gòu)性能充分發(fā)揮圍巖的自承能力，是一條維護(hù)圍巖穩(wěn)定的有效途徑，特別是對松軟破碎難以支護(hù)的巷道。近30年來，隨著“新奧法”隧洞施工理念、錨噴加固技術(shù)、注漿加固技術(shù)等在世界范圍內(nèi)的廣泛推廣，人們對軟巖及軟巖巷道的圍巖變形規(guī)律和壓力特征的認(rèn)識都上升到了一個新的階段，與軟巖特性及軟巖巷道圍巖變形規(guī)律和壓力特征相適應(yīng)的許多支護(hù)和加固措施也應(yīng)運(yùn)而生，尤其是基于“新奧法”的“三錨”支護(hù)（錨噴、錨索、錨注）是較為成功和典型的技術(shù)。 1軟巖巷道綜述 1.1軟巖的概念 1.地質(zhì)軟巖 目前，人們普遍采用的軟巖定義基本上可歸于地質(zhì)軟巖的范疇，按地質(zhì)學(xué)的巖性劃分，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，該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖等單軸抗壓強(qiáng)度小于25 MPa的巖石，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)。國際巖石力學(xué)會將軟巖定義為單軸抗壓強(qiáng)度（σc）在0.5～25 MPa之間的一類巖石［1］，其分類依據(jù)基本上是依強(qiáng)度指標(biāo)。 2.工程軟巖 工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。目前流行的軟巖定義強(qiáng)調(diào)了軟巖的軟、弱、松、散等低強(qiáng)度的特點(diǎn)，同時應(yīng)強(qiáng)調(diào)軟巖所承受的工程力荷載的大小，強(qiáng)調(diào)從軟巖的強(qiáng)度和工程力荷載的對立統(tǒng)一關(guān)系中分析、把握軟巖的相對性實(shí)質(zhì)。 該定義的主題詞是工程力、顯著變形和工程巖體。工程巖體是軟巖工程研究的主要對象，是巷道、邊坡、基坑開挖擾動影響范圍之內(nèi)的巖體，包含巖塊、結(jié)構(gòu)面及其空間組合特征。工程力是指作用在工程巖體上的力的總和，它可以是重力、構(gòu)造殘余應(yīng)力、水的作用力和工程擾動力以及膨脹應(yīng)力等；顯著塑性變形是指以塑性變形為主體的變形量超過了工程設(shè)計的允許變形值并影響了工程的正常使用，顯著塑性變形包含顯著的彈塑性變形、粘彈塑性變形，連續(xù)性變形和非連續(xù)性變形等。此定義揭示了軟巖的相對性實(shí)質(zhì)，即取決于工程力與巖體強(qiáng)度的相互關(guān)系。當(dāng)工程力一定時，不同巖體，強(qiáng)度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為硬巖的力學(xué)特性，強(qiáng)度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學(xué)特性；對同種巖石，在較低工程力作用下，表現(xiàn)為硬巖的變形特性，在較高工程力的作用下則可能表現(xiàn)為軟巖的變形特性。 1.2軟巖的基本屬性 從地質(zhì)軟巖角度講，軟巖具有松、散、軟、弱四種不同屬性。所謂“松”，是指巖石結(jié)構(gòu)疏散，密度小，孔隙度大；“散”，是指巖石膠結(jié)程度很差或有未膠結(jié)的顆粒狀巖層；“軟”，是指巖石強(qiáng)度很低，塑性大或粘土礦物質(zhì)易膨脹；“弱”，則指受地質(zhì)構(gòu)造的破壞，形成許多弱面，如節(jié)理、片理、裂隙等破壞了原有的巖石強(qiáng)度，易破碎，易滑移冒落，但其巖石單軸抗壓強(qiáng)度還是較高的。 從工程軟巖的角度，軟巖具有兩個基本力學(xué)屬性：即軟化臨界荷載和軟化臨界深度。 1.軟化臨界荷載 巖石的蠕變試驗(yàn)表明，當(dāng)所施加的載荷小于某一載荷水平時，巖石處于穩(wěn)定變形狀態(tài)，當(dāng)所施加的載荷大于該載荷水平時，巖石的應(yīng)變不斷增加，產(chǎn)生不穩(wěn)定變形。這一載荷水平稱為軟巖的軟化臨界載荷。巖石種類一定時，軟化臨界荷載是確定的，施加的載荷水平低于軟化臨界荷載時，巖石處于硬巖范疇，施加的載荷水平高于軟化臨界荷載時，巖石稱為軟巖。 2.軟化臨界深度 與軟化臨界荷載相對應(yīng)地存在軟化臨界深度。對特定礦區(qū)，軟化臨界深度是客觀存在的。當(dāng)巷道埋深大于某一開采深度時，圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形；當(dāng)巷道埋深小于該開采深度時，巷道圍巖不出現(xiàn)明顯變形。這一臨界深度稱軟化臨界深度。 軟化臨界載荷和軟化臨界深度可以相互推求，不考慮工程擾動力的影響，在無構(gòu)造殘余應(yīng)力的礦區(qū)，其關(guān)系為： （1-2-1） 式中 Hc——軟化臨界深度，m； σc——軟化臨界載荷，MPa； γi——上覆巖層第i層巖層體積力，kN/m3； H——上覆巖層總厚度，m； hi——上覆巖層第i層巖層厚度，m； N——上覆巖層層數(shù)。 1.3軟巖巷道的特征 開掘在松散軟弱巖層中的各種巷道，最明顯的特征是地壓顯現(xiàn)都比較劇烈，巷道維護(hù)困難，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 1.圍巖的自穩(wěn)時間短、來壓快 所謂自穩(wěn)時間，就是在沒有支護(hù)的情況下，圍巖從暴露起到開始失穩(wěn)而冒落的時間。軟巖巷道的自穩(wěn)時間僅為幾十分鐘到幾個小時，巷道來壓快，要立即支護(hù)或超前支護(hù)，方能巷道圍巖不致冒落。 巷道圍巖的自穩(wěn)時間長短主要取決于圍巖強(qiáng)度和地壓大小，同時也和巷道的斷面形狀、掘進(jìn)方法、巷道所處的位置等有關(guān)。 2.圍巖變形量大、速度快、持續(xù)時間長 軟巖巷道的突出特點(diǎn)就是圍巖變形速度快、變形量大、持續(xù)時間長。一般軟巖巷道掘進(jìn)后的第1~2 d，變形速度少的5~10 mm/d，多的達(dá)50~100 mm/d；變形持續(xù)時間一般25~60 d，有的達(dá)半年以上仍不能穩(wěn)定。 軟巖巷道的圍巖變形量，在支護(hù)良好的情況下，其均勻變形量一般達(dá)到60~100 mm以上，大的甚至300~500 mm；如果支護(hù)不當(dāng)，圍巖變形量大，300~1000 mm以上的變形量是司空見慣的。上述特點(diǎn)是軟巖巷道最突出的特征。 3.圍巖的四周來壓、底鼓明顯 在較堅硬巖層中，圍巖對支架的壓力主要來自頂板，中硬巖層圍巖對支架的，壓力來自于頂板和兩幫，但在松軟巖層巷道中則四周來壓、底鼓明顯。松軟巖層由于結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低，很難支撐上覆巖層的重量，圍巖在自重壓力（γH）作用下，以垂直變形為主，垂直變形中又以底鼓為主。 底鼓明顯是軟巖巷道的明顯特征，如果巷道沒有底鼓或底鼓不明顯，圍巖就不是軟巖。軟巖巷道四面來壓，如果底板不支護(hù)，將出現(xiàn)一個支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱帶，巷道破壞就是首先從不設(shè)防的底板開始，又因底鼓導(dǎo)致兩幫移近和失腳，直至片幫冒頂，巷道全部破壞。 4.圍巖遇水膨脹、變形加劇 圍巖一般都含有親水性很強(qiáng)的蒙脫石、伊利石等粘土礦物的巖石，這些巖石遇水后軟化，體積急劇膨脹，因而變形更加劇烈，產(chǎn)生很大的膨脹壓力。 5.普通的剛性支護(hù)普遍破壞 軟巖巷道變形大、持續(xù)時間長，普通剛性支護(hù)所承受的變形壓力大，施工后很快就發(fā)生破壞，必須再次或多次翻修后巷道才能使用。這是剛性支護(hù)不適應(yīng)軟巖巷道變形規(guī)律的必然結(jié)果。 1.4軟巖巷道支護(hù)困難原因分析 造成軟巖巷道地壓顯現(xiàn)劇烈，支護(hù)困難的原因是多方面的，最主要的原因有以下幾個方面。 1.軟巖成巖年代晚，膠接程度差 我國軟巖礦區(qū)主要分布在開采新生界第三紀(jì)褐煤和開采中生界上侏羅紀(jì)的褐煤礦區(qū)。如吉林的舒蘭礦區(qū)、琿春礦區(qū)，遼寧的沈北礦區(qū)，內(nèi)蒙古的元寶山礦區(qū)、山東龍口礦區(qū)等。這些礦區(qū)煤層頂?shù)装鍘r石都非常松軟破碎，易風(fēng)化，因此怕風(fēng)、怕水、怕震。 2.巖石強(qiáng)度低 煤礦軟巖多為泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖等，單向抗壓強(qiáng)度都比較低。單向抗壓強(qiáng)度是多少才屬于松軟你丫那，目前仍有爭論。根據(jù)大量工程實(shí)踐，多數(shù)人主張以200 MPa為界。即普氏巖石堅固性系數(shù)f<2為松軟巖層。關(guān)于凝聚力C一般指小于0.3 MPa，內(nèi)摩擦角φ一般指小于50°。由于巖石強(qiáng)度低，表現(xiàn)在圍巖松散、軟弱，在中等或稍高應(yīng)力水平狀態(tài)下就能產(chǎn)生較大的圍巖變形，支護(hù)困難。 3.節(jié)理發(fā)育，巖石破碎 有些礦區(qū)，雖然巖石強(qiáng)度很高，但由于節(jié)理比較發(fā)育，巖石破碎，支護(hù)也十分困難。所以，在巖塊強(qiáng)度高的節(jié)理化地層中，也可能表現(xiàn)出軟巖特征。 4.圍巖應(yīng)力水平高 巖石強(qiáng)度低是形成軟巖的重要因素，但只是問題的一個方面。巖石強(qiáng)度的高低是一個相對的概念，它與地應(yīng)力密切聯(lián)系。如果巖石強(qiáng)度低，但地應(yīng)力絕對值也低，就表現(xiàn)不出軟巖特征。我國黃土地層中的窯洞，可以在不支護(hù)的情況下長期保持穩(wěn)定，黃土強(qiáng)度雖然低，窯洞支護(hù)卻很容易；相反，在高強(qiáng)度的地層中，由于水平應(yīng)力高，也會表現(xiàn)出軟巖的特征來。圍巖應(yīng)力水平高，表現(xiàn)在三個方面： （1）巷道埋深大 我國立井的平均深度在20世紀(jì)50年代低于200 m，90年代平均已達(dá)600 m；生產(chǎn)礦井平均開采深度1980年為228 m，到了1995年達(dá)到428 m，一些老礦區(qū)開采深度多在500~700 m，開灤趙各莊礦生產(chǎn)水平已愈千米。隨著開采深度的增加，一些原本穩(wěn)定性較好的圍巖也顯現(xiàn)出軟巖的特征。 （2）構(gòu)造應(yīng)力大 有些礦區(qū)開采深度雖然不深，地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力卻很大，金川礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果顯示，在埋深480 m的二礦特富礦和大理巖中測得最大主應(yīng)力分別達(dá)到32 MPa、50 MPa，龍首礦240 m埋深的富礦體中，測得34.4 MPa的最大主應(yīng)力，若換算成自重應(yīng)力場，相當(dāng)于埋深1200~2000 m，所以在金川礦區(qū)，一些強(qiáng)度很高的巖層（超基性巖、混合巖、破碎結(jié)構(gòu)花崗巖等）也變成了軟巖。 （3）集中應(yīng)力作用 工作面前方支撐壓力集中系數(shù)高達(dá)3~6倍，跨采巷道、煤柱下巷道、受臨近巷道掘進(jìn)影響的巷道等，其巷道圍巖均承受一定的集中壓力，從而使圍巖由穩(wěn)定狀態(tài)過渡到軟巖狀態(tài)。 5.巖石吸水膨脹 遇水膨脹地層，多含蒙脫石、伊利石、高嶺石等粘土礦物成分，親水后產(chǎn)生顯著地體積膨脹，巷道開挖在這種軟巖地層中，若治水措施不當(dāng)極難支護(hù)。 吸水膨脹性巖層分布在我國煤礦沉積的幾個主要成煤年代，古生代軟巖層以海相沉積為主，巖石的組成主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖和頁巖，膠結(jié)程度好，粘土礦物以高嶺石、伊利石為主，蒙脫石較少，吸水膨脹性相對較差；中生代軟巖層以陸相沉積為主，和古生代巖層相比，成巖時間短，膠結(jié)程度差，粘土礦物以伊利石和伊蒙混層礦物為主，有較強(qiáng)吸水膨脹性；伴隨著褐煤的開發(fā)，新生代第三紀(jì)膨脹性軟巖越來越多，該年代地層成巖時間短，膠結(jié)程度差，表現(xiàn)為松、散、軟、弱的結(jié)構(gòu)特征，粘土礦物以蒙脫石為主，親水性強(qiáng)、易風(fēng)化，遇水易解體成軟泥，膨脹性最為顯著，如山東龍口、遼源梅河、大雁、廣西那龍軟巖礦區(qū)等。 軟巖特征顯現(xiàn)明顯的，大多出現(xiàn)在巖石強(qiáng)度低而地應(yīng)力又高的條件下，往往還伴有一定的吸水膨脹性。例如淮南礦務(wù)局潘集礦區(qū)泥巖，巖石強(qiáng)度低，埋深大，松動圈Lp=2.84 m，膨脹性大；謝橋礦軟泥巖，松動圈Lp>3.0 m，極易吸水膨脹，它們的支護(hù)都極為困難。 1.5軟巖巷道圍巖變形力學(xué)機(jī)制和變形規(guī)律 1.軟巖巷道圍巖變形力學(xué)機(jī)制 按照軟巖的自然特征、物理化學(xué)性質(zhì)，以及在工程力的作用下產(chǎn)生顯著變形的機(jī)理，將軟巖分為膨脹性軟巖（也稱低強(qiáng)度軟巖）、高應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖和復(fù)合型軟巖四種類型（見表1-1-1）。從理論上分析軟巖巷道圍巖變形力學(xué)機(jī)制，可分為三種形式，物化膨脹類型（也稱低強(qiáng)度軟巖）、應(yīng)力擴(kuò)容類型、結(jié)構(gòu)變形類型。 表1-1-1 軟巖類型及變形特征 軟巖類型 泥質(zhì)含量 單軸抗壓強(qiáng)度σc/MPa 塑性變形特點(diǎn) 膨脹性軟巖（低強(qiáng)度軟巖） ＞25% ＜25 結(jié)構(gòu)松散軟弱，膠結(jié)程度差，在工程力作用下，沿片架狀硅酸鹽粘土礦物產(chǎn)生滑移，遇水顯著膨脹 高應(yīng)力軟巖 ≤25% ≥25 遇水發(fā)生少許膨脹，在高應(yīng)力狀態(tài)下，沿片架狀粘土礦物發(fā)生滑移 節(jié)理化軟巖 少含 低～中等 沿節(jié)理等結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移、擴(kuò)容等塑性變形 復(fù)合型軟巖 含 低～高 具有上述某種組合的復(fù)合機(jī)制 （1）膨脹變形機(jī)制 膨脹巖含有蒙脫石、高嶺土和伊利石等強(qiáng)親水粘土礦物，這幾類礦物由于其晶體結(jié)構(gòu)特殊，能將水分子吸附在晶層表面和晶層內(nèi)。 （2）應(yīng)力擴(kuò)容變形機(jī)制 變形機(jī)制與力源有關(guān)，軟巖在構(gòu)造應(yīng)力、地下水、重力、工程偏應(yīng)力作用下，巖體產(chǎn)生破壞變形，微裂活動迅速加劇，形成拉伸破壞和剪切面。 （3）結(jié)構(gòu)變形機(jī)制 變形機(jī)制與硐室結(jié)構(gòu)和巖體結(jié)構(gòu)面的組合特征有關(guān)。 2.軟巖巷道圍巖變形規(guī)律 （1）軟巖巷道圍巖變形的影響因素 巖石本身的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度及膠結(jié)物的性能、膨脹性礦物的含量等巖石性質(zhì)是影響軟巖巷道圍巖變形的內(nèi)部因素。 自重應(yīng)力、殘余構(gòu)造應(yīng)力、工程環(huán)境和施工的擾動應(yīng)力，特別是諸應(yīng)力的疊加狀況和主應(yīng)力的大小、方向是影響巷道圍巖變形的主要外部因素。 膨脹性軟巖浸水后顆粒表面水膜增厚、間距加大、連結(jié)力削弱，體積急劇增大，同時引起巖石內(nèi)部應(yīng)力不均。因此，地下水和工程用水對膨脹軟巖危害性很大。 對擾動的敏感是軟巖的特性之一，臨近巷道施工、采面回采對軟巖巷道圍巖變形的影響較明顯。 軟巖具有明顯的流變特性，時間也是不可忽略的影響因素。 （2）軟巖巷道圍巖變形規(guī)律 軟巖巷道圍巖變形具有明顯的時間效應(yīng)。表現(xiàn)為初始變形速度很大，變形趨向穩(wěn)定后仍以較大速度產(chǎn)生流變，持續(xù)時間很長。如果不采取有效的支護(hù)措施，由于圍巖變形急劇增大，勢必導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。 軟巖巷道多表現(xiàn)為環(huán)向受壓，且為非對稱性。軟巖巷道不僅頂板變形易冒落，底板也產(chǎn)生強(qiáng)烈底鼓，并引發(fā)兩幫破壞頂板坍塌。 軟巖巷道圍巖變形隨巷道埋深增加而增大，存在一個軟化臨界深度，超過軟化臨界深度變形量急劇增加。 軟巖巷道圍巖變形在不同的應(yīng)力作用下，具有明顯的方向性。巷道自穩(wěn)能力差，自穩(wěn)時間短。 2軟巖巷道的支護(hù)原理 2.1軟巖巷道深部圍巖力學(xué)形態(tài)變化 由于巷道開挖，破壞了原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖應(yīng)力產(chǎn)生了重新分布，隨著時間發(fā)展和空間位置的變化，應(yīng)力和應(yīng)變又處于不斷調(diào)整狀況中。北京科技大學(xué)方祖烈教授進(jìn)行了以圍巖不同深度徑向應(yīng)變值隨時間變化的實(shí)驗(yàn)、實(shí)測，如圖2-1-1所示。 圖2-1-1圍巖不同深度徑向應(yīng)變隨時間和空間變化情況 從2-1-1圖上可以清楚看到圍巖以自承能力為主的穩(wěn)定過程。 (1)在0~2.5 m范圍內(nèi)，C、φ值大幅度下降，松弛變形十分明顯，這范圍即我們常說的松動圈（或叫松弛帶）。 (2)在縱深2.5~6 m范圍內(nèi)，圍巖處于壓縮狀態(tài)，出現(xiàn)壓密區(qū)，這是圍巖開始向穩(wěn)定方向轉(zhuǎn)化的重要標(biāo)志。這個壓密區(qū)形成承載圈，一方面對6 m以外圍起支撐作用，另一方面對松弛帶起保護(hù)作用。 (3)在6～9 m區(qū)段范圍，圍巖初期壓縮狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃谂蛎洜顟B(tài)，并且應(yīng)變值收斂穩(wěn)定在0.008左右。 (4)在9～12 m區(qū)段范圍，圍巖由后期膨脹狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為后期壓縮狀態(tài)?？偟内厔萑允菈嚎s、膨脹交錯產(chǎn)生，并隨深度增加逐步衰減。 總之，在圍巖縱深12 m范圍內(nèi)最終出現(xiàn)二個壓密區(qū)，一個膨脹、一個松弛（松動）區(qū)。壓密區(qū)實(shí)際上是承載圈，支撐著絕大部分地應(yīng)力，它在圍巖穩(wěn)定過程中起著關(guān)鍵作用。 圖2-1-1所顯示的深部圍巖力學(xué)形態(tài)變化的重要意義，在于從理論和實(shí)踐上說明了圍巖主要以自承能力為主，充分說明了提高圍巖自身強(qiáng)度，即提高圍巖C、φ值的極端重要性。正是基于這種認(rèn)識，才使主動加固圍巖的錨噴支護(hù)得到了極大發(fā)展，它正逐步取代傳統(tǒng)支護(hù)而成為主要的支護(hù)形式。 2.2軟巖巷道支護(hù)原理 松軟巖層巷道支護(hù)的著眼點(diǎn)應(yīng)放在充分利用和發(fā)揮自承能力上。支護(hù)原理是：根據(jù)巖層不同屬性，不同地壓來源，從分析地壓活動基本規(guī)律人手，運(yùn)用信息化設(shè)計方法，使支護(hù)體系和施工工藝過程不斷適用圍巖變形的活動狀態(tài)，以達(dá)到控制圍巖變形，維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的。 具體的說，有以下幾個方面： 必須改變傳統(tǒng)的單純提高支護(hù)剛度的思想，支護(hù)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度應(yīng)與加固圍巖、提高圍巖自承能力相結(jié)合，與圍巖變形及強(qiáng)度相匹配，實(shí)踐證明，單純提高支護(hù)剛度的方法是難以奏效的； 必須采取卸壓、加固與支護(hù)相結(jié)合的方法，統(tǒng)籌考慮、合理安排，對高地應(yīng)力區(qū)，要卸得充分，對大變形區(qū)，要讓得適度，對松散破碎區(qū)，要注意整體加固，對巷道圍巖整體要支護(hù)??； 進(jìn)行圍巖變形量測，準(zhǔn)確地掌握圍巖變形的活動狀態(tài)，根據(jù)量測結(jié)果進(jìn)行反饋，以確定二次支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，確定補(bǔ)強(qiáng)時間，再次支護(hù)時間和封底時間； 樹立綜合治理、聯(lián)合支護(hù)、長期監(jiān)控的支護(hù)思想體系。 對松軟巖層巷道支護(hù)，必須樹立綜合治理的觀念，方可達(dá)到預(yù)期效果，主要應(yīng)考慮以下幾方面： (1)巷道位置的選擇，最好是選在工程地質(zhì)條件好，工程量又少的地段，并注意避免空間效應(yīng)；巷道軸線方向和最大主應(yīng)力方向平行或小角度相交。 (2)巷道斷面形狀要適應(yīng)地應(yīng)力分布特點(diǎn)，一般應(yīng)使巷道周邊圓滑，防止應(yīng)力集中，設(shè)計的斷面尺寸要考慮變形后斷面尺寸的要求。 (3)施工工藝，應(yīng)盡理減少對圍巖的震動，并應(yīng)及時封閉圍巖，防止風(fēng)化。 (4)巷道底板和水的治理，對巷道整體穩(wěn)定性具有重要意義，可采用底板注漿或打錨桿辦法來提高其自身強(qiáng)度，采用疏水、導(dǎo)水措施確保工作面及整個巷道不存水。 (5)支護(hù)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、施工工藝要密切注意和圍巖變形狀態(tài)相匹配。 2.3軟巖巷道的支護(hù)原則 早期的支護(hù)理論沿用地面結(jié)構(gòu)工程原理設(shè)計支護(hù)參數(shù)，圍巖是支護(hù)的對象，支護(hù)只是人工構(gòu)筑的承載結(jié)構(gòu)而已。然而，現(xiàn)代巖石力學(xué)揭示，巖石破裂后具有殘余強(qiáng)度，松動破裂圍巖仍具有相當(dāng)高的承載能力，圍巖既是支護(hù)壓力的根源，又是抵抗平衡原巖應(yīng)力的承載體，而且是主要的承載結(jié)構(gòu)體。支護(hù)的作用在于維護(hù)和提高松動圍巖的殘余強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖的承載能力。因而，在軟巖巷道支護(hù)中，要遵循以下幾方面原則： 1．維護(hù)和保持圍巖的殘余強(qiáng)度的原則 一般軟巖，在經(jīng)受水或者風(fēng)化影響后，強(qiáng)度將降低，所以開巷后應(yīng)及時噴射混凝土以封閉巖面，防止圍巖風(fēng)化潮解，減少圍巖強(qiáng)度的損失；施工過程中的光面爆破等技術(shù)措施，有利于保持圍巖的強(qiáng)度。 2．提高圍巖殘余強(qiáng)度的原則 提高圍巖殘余強(qiáng)度有三個技術(shù)途徑： (1)提高支護(hù)阻力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。開巷后應(yīng)盡快完成支護(hù)的主體結(jié)構(gòu)，使圍巖由2向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為3向應(yīng)力狀態(tài)，從而提高圍巖的殘余強(qiáng)度。 (2)用錨桿支護(hù)加固圍巖。實(shí)驗(yàn)證明，錨桿能利用其錨固力將破碎圍巖錨固起來，恢復(fù)和提高破裂圍巖的殘余強(qiáng)度，形成具有較高承載能力和可塑性的錨固層。錨桿錨固力大、密度高，這種加固作用就越明顯。 (3)注漿加固。破碎嚴(yán)重的巖體，單純依靠錨桿加固不能滿足要求時，應(yīng)考慮注漿加固，這是提高松動破碎圍巖強(qiáng)度最有效的方法。注漿方式可以采用單獨(dú)注漿或者采用外錨內(nèi)注的“錨注式”錨桿。 3．充分發(fā)揮圍巖的承載能力的原則 充分發(fā)揮圍巖的承載能力，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： (1)圓形巷道原則。軟巖巷道中，圓形巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力最大（均勻應(yīng)力場），采用圓形斷面有利于提高圍巖的承載能力，改善支護(hù)效果。巷道斷面形狀的確定應(yīng)盡量考慮適應(yīng)圍巖應(yīng)力場特點(diǎn)。 (2)全斷面支護(hù)原則。軟巖巷道支護(hù)所承受的荷載主要是圍巖的變形壓力，它來自于巷道的四周，包括巷道底板。如果底板不支護(hù)，它就是支護(hù)的一個薄弱點(diǎn)，很容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，降低整個巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，導(dǎo)致支護(hù)失敗。所以，軟巖巷道底板必須予以支護(hù)。 (3)可縮性支護(hù)原則。軟巖巷道中，圍巖變形壓力是支護(hù)的主要荷載，普通剛性支護(hù)（砌碹支護(hù)、普通錨噴等）難以適應(yīng)，在大的變形壓力作用下很快就會破壞，使圍巖處于事實(shí)上的無支護(hù)狀態(tài)，不發(fā)揮圍巖的承載能力；對于可縮性支護(hù)，當(dāng)變形壓力超過圍巖的承載能力后，支架可縮讓壓，這一過程是減少支護(hù)受力，讓圍巖發(fā)揮亙大承載能力的過程，所以，軟巖巷道支護(hù)的主體結(jié)構(gòu)必須是可縮性支護(hù)，如錨噴網(wǎng)支護(hù)和U型鋼可縮性支架等。 (4)二次支護(hù)原則。 理論和實(shí)踐都已證明，軟巖巷道采用一次強(qiáng)阻力剛性支護(hù)來維護(hù)圍巖是不能成功的，因?yàn)樗贿m應(yīng)軟巖巷道初期變形量大、變形速度快的特點(diǎn)。為適應(yīng)軟巖的變形特征，應(yīng)采取二次支護(hù)成巷的方法。一次支護(hù)主要是加固圉巖，提高其殘余強(qiáng)度，在不產(chǎn)生過度膨脹、剪脹變形的條件下，利用可縮性支護(hù)控制圍巖變形卸壓。二次支護(hù)要在圍巖變形穩(wěn)定后適時完成，給巷道圍巖提供最終支護(hù)強(qiáng)度和剮度，以保持巷道較長時間的穩(wěn)定性和安全儲備。二次支護(hù)時機(jī)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。 2.4軟巖巷道錨噴網(wǎng)支護(hù)機(jī)理 錨噴網(wǎng)（或叫錨網(wǎng)噴）支護(hù)作為軟巖巷道的主要支護(hù)手段，已被廣大工程技術(shù)界所公認(rèn)。探討錨噴網(wǎng)支護(hù)機(jī)理就顯得尤為重要。 2.4.1單體錨桿的作用機(jī)理 1.單體錨桿的作用機(jī)理 一般認(rèn)為普通錨桿沒有預(yù)應(yīng)力，比較好的狀態(tài)下安裝的初張力只有20 kN左右；實(shí)測表明，由于爆破震動和錨桿桿體的變形等原因，錨桿的安裝初張力在1～2 d內(nèi)會明顯降低，直至下降到零。 普通錨桿只有當(dāng)圍巖變形之后才能產(chǎn)生支護(hù)力，假設(shè)松動圈Lp=0，巖石長期處在彈性狀態(tài)下，則錨頭與墊板間圍巖變形量只有百分之幾個毫米，尚未產(chǎn)生能使錨桿實(shí)際上受力的變形，圍巖的變形已經(jīng)完成，錨桿應(yīng)力將始終為零或者很低；只有在松動圈產(chǎn)生，錨頭a與錨尾b之間發(fā)生一定量(8～15 mm)的相對膨脹變形之后，錨桿的工作阻力才能達(dá)到30 kN以上，使錨桿處于工作狀態(tài)。圍巖的這一膨脹過程，正是錨桿應(yīng)力增加，進(jìn)入實(shí)際工作狀態(tài)的過程。如果巖層是松動圈Lp<0.4 m的類圍巖，錨頭與錨尾之間的相對伸長量小，所安設(shè)的錨桿事實(shí)上將不會產(chǎn)生支護(hù)作用。 圖2-4-1是單體錨桿受力過程示意圖，圖中箭頭方向表示錨桿段受力的方向。其中(a)圖是端頭錨固式錨桿的應(yīng)力狀態(tài)，錨桿應(yīng)力將隨著a-b間巖石變形的增大而增大，當(dāng)松動圈發(fā)展到b點(diǎn)時，錨桿的應(yīng)力達(dá)到最大。 圖(b)是全長錨固式錨桿的應(yīng)力狀態(tài)，桿體應(yīng)力方向的中性點(diǎn)c點(diǎn)位置在松動圈的邊界上；隨著松動圈的發(fā)展，錨桿中應(yīng)力的中性點(diǎn)c也不斷地向深部轉(zhuǎn)移，當(dāng)松動圈達(dá)到錨桿外端部b點(diǎn)時，錨桿應(yīng)力值最大。所以對于普通非預(yù)應(yīng)力錨桿，只有當(dāng)松動圈達(dá)到一定值后，錨桿才能處于受力工作狀態(tài)；錨桿越長，松動圈越大，錨桿應(yīng)力值越大。 圖2-4-1 單體錨桿受力過程示意圖 2.松軟巖層中錨桿的工作過程 在軟巖巷道中，伴隨著開巷后圍巖松動圈的發(fā)展，錨桿錨入巖體后受到圍巖碎脹變形力的作用而承受拉力。一般松軟巖層往往在開巷后1～3個月時間才能形成穩(wěn)定的松動圈，錨桿安裝完成后，將經(jīng)歷剩余松動圈發(fā)展的全過程。 如圖2-4-1(c)，假如錨桿安裝時松動圈已發(fā)展到c點(diǎn)位置，在松動圈由c點(diǎn)向d點(diǎn)——穩(wěn)定松動圈最終邊界發(fā)展時，將有兩部分巖石膨脹使錨桿應(yīng)力不斷增長：第一是松動圈由c點(diǎn)發(fā)展到b點(diǎn)其間所產(chǎn)生的體積膨脹變形；第二是a-c間松動圍巖的持續(xù)膨脹變形，因?yàn)槠屏芽p的擴(kuò)張過程滯后于松動圈的擴(kuò)展，后續(xù)松動圈發(fā)展所產(chǎn)生的碎脹變形力，將推動先期形成松動圈內(nèi)巖塊的滑移和破裂縫的擴(kuò)張。這兩部分變形使錨桿受到拉伸，產(chǎn)生工作阻力，反過來錨桿又以該阻力對圍巖產(chǎn)生壓力，限制圍巖過度膨脹。 在這個過程中錨桿的作用是不使圍巖產(chǎn)生有害變形。一旦松動圈超過b點(diǎn)，則此點(diǎn)外的碎脹力將作用在由錨桿控制的破裂巖體——我們稱之為“破裂巖體錨固體”之上，此時支護(hù)的強(qiáng)度決定于錨固體強(qiáng)度特性和巷道（支護(hù)結(jié)構(gòu)）的形狀。 2.4.2錨桿的組合拱支護(hù)原理 1．錨固層與組合拱概念 在軟巖巷道中，伴隨著開巷后圍巖松動圈的發(fā)展，錨桿錨人巖體后因受到圍巖碎脹變形力的作用而受到拉伸，反過來，錨桿對圍巖產(chǎn)生壓應(yīng)力。松動巖體中，在單根錨桿約束下可以形成一個錐形的壓密區(qū)，群體錨桿若以適當(dāng)?shù)拈g距布置，錨桿群在圍巖中形成的雙錐體壓縮區(qū)相互交叉重迭，則能夠形成一個連續(xù)的、相互重合的層狀錨固體，通常稱之為“錨固層”。當(dāng)巷道形狀為直線時，該“錨固層”是墻；拱形斷面則呈拱形，稱之為破裂巖體“組合拱”，見圖2-4-2。錨固層的厚度，與錨桿長度和間排距有關(guān)，其間有下列公式的對應(yīng)關(guān)系。 (a)錯固層 (b)組合拱 圖2-4-2 群體錨桿形成的“錨固層”和“組合拱” b=Ltga-atga 式中 b——錨固層厚度，cm； L——錨桿的有效長度，cm; a——錨桿的間排距，cm。 a——錨桿對破裂巖體的控制角．模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)a=43°，一般取a≈45°，代入上式有： b=L—a 2．錨桿的組合拱支護(hù)原理 (1)組合拱結(jié)構(gòu)承載能力估算。 在松軟圍巖中，若按照懸吊理論確定支護(hù)參數(shù)，所定錨桿將因過長而失去普遍應(yīng)用價值?；趯﹀^固體力學(xué)性能的認(rèn)識，在大松動圈內(nèi)可以用小于松動圈厚度的錨桿，將破裂圍巖錨固起來，提高其殘余強(qiáng)度，形成具有一定承載能力和可塑性的組合拱結(jié)構(gòu)體，用來承受地壓、維護(hù)圍巖。 組合拱的承載能力與組合拱厚度、圍巖強(qiáng)度、錨桿應(yīng)力等因素有關(guān)，錨桿錨固力越大，破裂圍巖殘余強(qiáng)度的提高幅度就越大。組合拱所能承受的荷載，可根據(jù)斷面形狀分別按相應(yīng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)原理“直墻拱形結(jié)構(gòu)”或“厚壁筒”計算。 圓形巷道組合拱支護(hù)能力，可以用拉麥公式近似估算： p=σz2（1-Ra2（Rb+b）2） 式中 p——組合拱徑向承載能力； σz——破碎巖體錨固體強(qiáng)度。一般取原巖強(qiáng)度的70%～80%，σz=0.7～0.8 Ra。 Ra——原巖單軸抗壓強(qiáng)度； b——組合拱厚度； Rb——組合拱內(nèi)半徑，Rb=R0+a/2； a——錨桿間排拒； R0——巷道凈半徑。 單位長度組合拱的承載能力q為： q=2πRbp 特別指出的是，上述兩公式所得巷道組合拱的承載能力q數(shù)值，是在半徑r=R0+a/2+b徑向深度圍巖的承載力與錨桿支護(hù)能力之和，它與通常計算的支架承載力不同，支架承載力只是支架本身結(jié)構(gòu)的承載力，未包括圍巖的承載力。如果沒有錨桿加固破裂圍巖，上述公式中的以只是較低的殘余強(qiáng)度。 一般將q數(shù)值與間距相同的同形狀的U型鋼可縮支架支護(hù)能力相比，要求q是后者的2～3倍以上。 軟巖巷道錨網(wǎng)支護(hù)工業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合理設(shè)計錨桿支護(hù)的巷道收斂量較外部支撐式支架的巷道收斂量要小得多，有時相差近一個數(shù)量級（全封閉U鋼支架除外），由此說明，錨桿支護(hù)具有較強(qiáng)的支護(hù)強(qiáng)度及控制圍巖變形的能力。 (2)錨桿支護(hù)可縮性分析。 錨桿支護(hù)可縮性表現(xiàn)在三個方面：實(shí)測證實(shí)，普通1.6m錨桿，在巖性比較軟弱的條件下，不僅錨桿尾端隨巷道表面圍巖位移而位移，而且其錨固的錨頭端，也隨著深部巖體的位移而位移，一般如果表面位移量為lOOmm，圍巖深處錨頭的位移量常達(dá)70～85mm，錨桿桿體伸長量只有15～30mm，巷道收斂并未全部作用于錨桿之上；破碎巖石錨固體本身具有可塑性已為試驗(yàn)所證實(shí)；使用高延伸率材質(zhì)的可塑性錨桿或者是結(jié)構(gòu)可拉伸的可縮性錨桿。 軟巖巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)工業(yè)試驗(yàn)證明，當(dāng)巷道均勻收斂400mm時，仍處于良好的維護(hù)狀態(tài)，錨桿支護(hù)具有良好的可縮性。 3.噴層、鋼筋網(wǎng)支護(hù)作用分析 軟巖錨桿支護(hù)，錨桿形成的錨固層組合拱是支護(hù)的主要承載結(jié)構(gòu)，噴層和金屬網(wǎng)的作用是維護(hù)該組合拱的存在，防止它因巖塊冒落而失效。錨桿對松動圍巖的控制范圍是有限的，其控制角a=43°～45°，因此在相鄰的4根錨桿之間，存在一個四角錐形體的非錨固松弛帶（圖2-4-2），其間任意一塊破裂巖塊的掉落，都將危及錨桿控制范圍內(nèi)的錨周巖塊；一旦錨桿錨固體內(nèi)的破碎巖塊也掉落，錨桿將會因松弛而失去錨固力，原來均勻封閉的組合拱就會變薄或失效，造成錨桿支護(hù)失敗。 對于錨桿間的松弛區(qū)內(nèi)的巖石，必須用噴層和金屬網(wǎng)予以支護(hù)。軟巖巷道圍巖變形量大，脆性的噴層很快會開裂破壞，金屬網(wǎng)或鋼筋網(wǎng)的敷設(shè)，不僅可以支護(hù)錨桿間的碎石，提高噴層的抗變形能力，而且又將單個錨桿連接成為一個整體的錨桿群，增強(qiáng)了錨桿支護(hù)的總體穩(wěn)定性，同時也可以使錨桿間的松弛圍巖部分地進(jìn)入支護(hù)狀態(tài)。 軟巖巷道噴層支護(hù)的首要作用是及時封閉圍巖，防止圍巖風(fēng)化潮解；同時作為臨時支護(hù)，在其保護(hù)下進(jìn)行錨桿安裝的施工作業(yè)。對錨桿間松弛圍巖的支護(hù)，主要依靠金屬網(wǎng)，因?yàn)樵诖笞冃螖D壓作用下，噴層的支護(hù)能力較弱. 4.吸水膨脹型及復(fù)合型軟巖錨噴網(wǎng)支護(hù)原則 這兩種類型的軟巖有別于單純碎脹型軟巖，這里特別強(qiáng)調(diào)對地層水、工程水、空氣中水分的處理。作好治理與轉(zhuǎn)化工作。 支護(hù)的首要任務(wù)是防水、治水，將潮濕空氣與圍巖隔離開來，防止圍巖風(fēng)化、潮解，減少巖體強(qiáng)度的降低。對于這類軟巖，如若制水得當(dāng)，膨脹性軟巖可以轉(zhuǎn)化為較易支護(hù)的碎脹型軟巖；經(jīng)轉(zhuǎn)化后的膨脹性軟巖，如果松動圈不大，支護(hù)的阻力并不是一定要很大。 復(fù)合型軟巖，既有圍巖的吸水膨脹性變形，又產(chǎn)生了較大的松動圈，剪脹變形和巖石的吸水膨脹性變形都比較大，須采用防水和支護(hù)阻力較強(qiáng)的可塑性支護(hù)措施；復(fù)合型軟巖巷道施工之后一定要加強(qiáng)維護(hù)，因?yàn)樵诩裘涀冃瘟ψ饔孟?，一般用來防水的噴層很快就會開裂破壞，必須及時補(bǔ)噴，這與碎脹型軟巖的要求略有不同。 3軟巖巷道支護(hù)技術(shù) 3.1軟巖巷道支護(hù)技術(shù)概述 軟巖巷道支護(hù)，正如前面所談到的，并不是單一的支護(hù)可以奏效的，也不是一次支護(hù)最終可以實(shí)現(xiàn)的，必須采用聯(lián)合支護(hù)的方式。由于全國各礦區(qū)軟巖性質(zhì)多種多樣，井下地質(zhì)條件及生產(chǎn)條件多變，加上施工習(xí)慣也不盡相同，因此，軟巖巷道的支護(hù)形式也是多種多樣的。歸納起來，主要有下列各種形式： 錨桿噴射混凝土支護(hù)（簡稱錨噴支護(hù)）； 錨桿、金屬網(wǎng)、噴射混凝土支護(hù)（簡稱錨網(wǎng)噴支護(hù)）； 錨桿、金屬網(wǎng)、鋼架、噴射混凝土支護(hù)(簡稱錨網(wǎng)噴架支護(hù))； 錨桿、噴射混凝和錨索聯(lián)合支護(hù)（簡稱錨噴索支護(hù)）； 錨桿、金屬網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護(hù)（簡稱錨網(wǎng)索支護(hù)）； 錨桿、粱、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)（簡稱錨梁網(wǎng)支護(hù)）； 錨桿、金屬網(wǎng)、可縮性金屬支架聯(lián)合支護(hù)（簡稱錨網(wǎng)架支護(hù)）； 錨桿、金屬網(wǎng)、桁架支護(hù)（簡稱錨網(wǎng)桁支護(hù)）； 錨、梁、網(wǎng)、噴、注漿聯(lián)合支護(hù)； 可縮性金屬支架； 錨、網(wǎng)、噴、碹聯(lián)合支護(hù)（碹指料石砌碹、現(xiàn)澆混凝土碹、預(yù)制混凝土弧板碹。多用于二次支護(hù)）。 大量的工程實(shí)踐證明，錨噴、錨網(wǎng)噴、錨網(wǎng)以及可縮性金屬支架、錨索等都是軟巖巷道支護(hù)有效的支護(hù)手段。有時可單獨(dú)使用，有時可相互配合聯(lián)合使用，都有大量成功的施工實(shí)例。 錨桿、噴射混凝土、金屬網(wǎng)、可縮性金屬支架、錨索等在軟巖巷道支護(hù)體系中，各有各的作用。 （1)錨桿：大量實(shí)踐證明，錨桿在軟巖巷道支護(hù)中起主導(dǎo)作用，它能承受大部分地壓， 防止圍巖松動破壞，并有一定的可縮性，可隨巷道圍巖同時收縮變形，而不失去支護(hù)能力。 (2)噴射混凝土：噴射混凝土最突出特點(diǎn)是與圍巖密貼，在巖面暴露之后能即時噴射施工，將圍巖加以封閉，從而消除水、潮濕空氣以及風(fēng)化對巖體的不利影響，減少圍巖強(qiáng)度下降，達(dá)到間接提高圍巖強(qiáng)度的目的。噴射混凝土能將圍巖表面的凹凸不平處填平，形成一個光滑曲面，消除因巖面不平引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而避免應(yīng)力集中所造成的圍巖破壞。 (3)網(wǎng)：主要有鐵絲網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)及塑料網(wǎng)。它的主要作用是防止錨桿間的松軟巖石垮落，同時在噴射混凝中鋪設(shè)金屬網(wǎng)可改善噴射混凝土的性能，使噴射混凝由脆性結(jié)構(gòu)變?yōu)槿嵝越Y(jié)構(gòu)，防止圍巖變形較大時，噴層過早的開裂失效。 （4）可伸縮金屬支架：在松軟破碎或采動影響的巷道，可縮性金屬支架是與錨噴（網(wǎng)）支護(hù)相配套的一種常用二次支護(hù)方式，也可以單獨(dú)使用。目前使用最多的是U型鋼拱形可縮性支架和封閉形可縮性支架，其結(jié)構(gòu)比較簡單，承受力較大，可縮性較好，與錨噴（網(wǎng)）一次支護(hù)配合使用，會收到艮好的支護(hù)效果。它是我國煤礦巷道支護(hù)的另一種重要發(fā)展方向。 （5）錨索：錨索可以使由錨網(wǎng)（梁）支護(hù)形成的錨固巖體，懸吊于上部堅硬穩(wěn)定的巖層中，避免巷道頂板離層及巷道頂板整體下沉或跨落。錨網(wǎng)（梁）索組合支護(hù)方式已經(jīng)逐漸成為今年來對松軟巖層巷道重要的支護(hù)方式。 軟巖巷道支護(hù)形式的選擇，必須根據(jù)巷道的用途、服務(wù)年限、圍巖狀況、地應(yīng)力大小等因素確定。一般情況下，服務(wù)年限長的軟巖開拓巷道和硐室以及變形地壓為主的其他巷道，要及時封閉圍巖，多采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，對于以松碎為主的回采巷道多選用錨網(wǎng)梁或與錨索相配合的聯(lián)合支護(hù)，亦可用可縮性金屬支架。 3.2錨桿 1.錨桿及其種類 (1)錨桿：錨固巖體，維護(hù)圍巖穩(wěn)定的桿狀結(jié)構(gòu)物。 (2)錨桿組成：錨桿一般由錨桿桿體、錨固頭（段）、托板、托梁等組成。 錨桿桿體：其材料有竹、木、鋼筋、螺紋鋼、玻璃鋼等。 錨固頭（段）：有機(jī)械錨固型、粘結(jié)錨固性和磨擦錨固型。按錨固頭（段）的長度不同，可分為端頭錨固和全長錨固兩大類。 托板：托板又稱墊板或托盤。它是錨桿支護(hù)的重要部件。有木托板、鑄鐵托板、鋼板、托板等。 托梁：托梁的作用是將兩根以上的錨桿相互聯(lián)結(jié)起來，形成組合錨桿群體系，更有效的支護(hù)圍巖。主要有鋼板粱、W型鋼帶、鋼筋梁等。 (3)錨桿的分類：錨桿的名稱目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，有的以材質(zhì)命名，如竹錨桿、木錨桿、玻璃鋼錨桿；有的以粘結(jié)材料命名，如樹脂錨桿、水泥錨桿、砂漿錨桿；有的以結(jié)構(gòu)命名，如倒楔錨桿、漲殼錨桿；有的以其外形命名，如縫管錨桿；也有以其作用機(jī)理命名，如水力膨脹式錨桿等。錨桿分類如圖3-2-1所示，各種錨桿優(yōu)缺點(diǎn)如表3-2-1所示。 圖3-2-1 錨桿類型劃分圖 表3-2-1 各種類型錨桿的主要優(yōu)缺點(diǎn) 錨 桿 類 型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 端頭錨固類 機(jī)械錨桿型 安裝迅速，及時承載 對深部圍巖要求高 粘結(jié)錨固型 易加工，制造簡單 對深部圍巖要求一般 全長錨固類 機(jī)械錨桿型 易安裝，及時承載 易腐蝕，錨固強(qiáng)度易衰減和喪失 粘結(jié)錨固型 適用范圍廣，樹脂錨固劑承載速度快、錨固力大 樹脂錨固成本高，樹脂易燃、有毒 2．管縫式錨桿 管縫式錨桿是美國70年代研制成功的，采用美國1018號鋼制作，其屈服應(yīng)力280～439 MPa；或采用4130號鋼，其屈服應(yīng)力為421~701 MPa，大致相當(dāng)于我國45號鋼或低合金鋼。目前國內(nèi)用45號或16號鉻鉬鋼等低合金鋼板加工，多用卷壓成型的加工工藝，錨桿長度1. 2～1.5 m，或1.8～2.0 m，或更長一些。鉆孔直徑通常為34.9 mm。因管徑大于孔徑，需用風(fēng)鉆（前端裝特制頂具）或其他機(jī)具強(qiáng)行頂入錨桿孔中，依靠優(yōu)質(zhì)鋼管的彈性變形恢復(fù)力而與孔壁緊緊擠壓，在桿體全長產(chǎn)生摩擦錨固力。錨固力取決于多種參數(shù)，通?？蛇_(dá)50～70 kN，如縫管錨桿頭部加一對楔子，錨固力可達(dá)90kN?？p管錨桿結(jié)構(gòu)見圖3-2-2。 圖3-2-2 管縫式錨桿 這種錨桿靠摩擦力實(shí)現(xiàn)全長錨固，適用范圍廣泛，尤其適用于軟巖及巷道掘進(jìn)中變形較大、位移量較大的圍巖中。在錨桿受圍巖橫向位移力時，錨固力更大，而且不易折斷。在普通巖體中使用效果也較好。 3．樹脂錨桿 樹脂錨桿由樹脂藥包和錨桿桿體兩部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖3-2-3和圖3-2-4。 樹脂錨桿的頭部粘結(jié)在錨桿眼內(nèi)，其錨固力達(dá)60kN以上。樹脂金屬錨桿的頭部加工成反螺旋麻花形或其他形狀，便于攪拌樹脂藥包。樹脂藥包用塑料袋包裝，樹脂錨固劑根據(jù)其凝固固化時間，有超快的CK型，有快速的K型，有中速的Z型和慢速的M型，對于不同金屬桿體與基材的錨固力見表3-2-2。 1—堵頭；2—聚乙烯外袋；3—不飽和聚酯 樹脂；4—玻璃管；5—固化劑加填料 圖3-2-4 樹脂錨桿樹脂藥包 a—頂端為劈叉式；b—頂端為平頭式 1—桿體；2—擋圈；3—劈叉式麻花頭； 4—平頭式麻花頭；5—托板；6—螺母 圖3-2-3 樹脂錨桿體結(jié)構(gòu) 樹脂錨桿的錨固力總是大于桿體強(qiáng)度極限值，設(shè)計不同的錨固長度均能達(dá)到可靠的錨固效果，大量錨固力實(shí)測結(jié)果，都是桿體延伸或螺紋拉斷，錨頭不動或有很少位移，實(shí)踐證明錨固可靠性百分之百。根據(jù)工業(yè)應(yīng)用實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，每支樹脂錨固劑對于不同金屬桿體與基材的錨固力列于表3-2-2，供施工參考。 表3-2-2 錨固力測試數(shù)據(jù) 被錨基材 桿體規(guī)格材質(zhì) 250號混凝土 砂巖 頁巖 煤 磚砌體 Φ16A3圓鋼 60~70 60~70 40~50 35~45 35~45 Φ1616Mn螺紋鋼 70~80 70~80 40~50 35~45 35~45 Φ20A3圓鋼 70~85 70~80 — — — Φ28A3圓鋼 100~120 90~100 — — — 4.水泥錨桿 水泥錨桿由桿體和水泥藥卷組成。水泥錨桿的桿體有鋼質(zhì)、竹質(zhì)及木質(zhì)3種。鋼質(zhì)桿體有端部彎曲式、小麻花式、普通麻花式、端盤式和回收式等。端部彎曲式、小麻花式適于打入安裝，普通麻花式適于旋轉(zhuǎn)攪人安裝，端盤式適用沖壓安裝。竹桿體有端尖式和鋸齒式，木錨桿有端錐式和端扁式，均適合打入安裝。 水泥藥卷按結(jié)構(gòu)形式有實(shí)心式和空心式；按吸水方式有浸水式和自備水式；按錨固方式有端錨式和全長錨固式。水泥固化劑的配比和成分也有所不同。這些內(nèi)容在原煤炭部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水泥錨桿卷式錨固劑(MT210—90)中均有明確規(guī)定。 5.錨桿 木錨桿包括普通木錨桿和壓縮木錨桿。普通木錨桿直徑一般38 mm、長1200~1800 mm。錨桿安裝到位后，一般在孔口的錘擊作用下，內(nèi)楔塊劈進(jìn)錨桿體桿端的楔縫并錘大氣楔塊，將錨桿固定，從而實(shí)現(xiàn)對圍巖的支護(hù)作用。 木錨桿結(jié)構(gòu)簡單、易加工、成本低，施工安裝方便，但其錨固強(qiáng)度和錨固力較低，一般錨固力在10 KN左右。對錨桿不做防腐處理的服務(wù)年限只要1年左右。 壓縮錨桿直徑一般為38 mm、長1530~1753 mm。錨桿安裝后能吸收水分、使桿體膨脹而充滿整個錨桿孔，實(shí)現(xiàn)全長錨固錨固力為20 KN左右。 6.錨桿 竹錨桿包括竹片錨桿和百夾竹錨桿。竹片錨桿是用22號鉛絲箍成圓形桿體，兩端至鐵箍距離稍大于楔子長度，楔子和墊板均用木材制作。竹片錨桿錨固力不夠穩(wěn)定，錨固力略低于普通木錨桿。百夾竹錨桿是用Φ20 mm~Φ25mm百夾竹，截取所需長度（1500 mm左右），破成對開，經(jīng)防腐處理后在竹心中灌以1:2的水泥砂漿；桿體兩端留下木楔長度，用鉛絲捆扎一道，加上鑄鐵墊板，兩端插入用硬木加工的圓錐形木楔，其錨固力可達(dá)20 KN。竹錨桿的使用范圍與普通錨桿相同。在盛產(chǎn)竹材的地區(qū)充分利用當(dāng)?shù)刭Y源、以竹代木可大大降低支護(hù)成本。 7.內(nèi)注式注漿錨桿 在不穩(wěn)定煤巷中，錨桿支護(hù)所能提高的圍巖強(qiáng)度達(dá)不到支護(hù)所需的強(qiáng)度要求時，過分加大錨桿長度，既不經(jīng)濟(jì)，也不實(shí)用。如果在錨桿支護(hù)基礎(chǔ)上，向圍巖中注入漿液，不僅能將松散巖體膠結(jié)成整體，而且還可以將端頭錨固變成全長錨固，提高圍巖強(qiáng)度及圍巖的自撐力。 對穿過斷層破碎帶、淋水帶的超前注漿，巷道注漿加固要求一定初錨力和需控壓注漿的巷道，可采用可控壓內(nèi)注漿錨桿，其結(jié)構(gòu)見圖3-2-5。 1—進(jìn)漿管；2—逆止閥；3—錨桿螺母；4—托盤；5—止?jié){塞；6—錨桿體；7—活塞； 8—分漿管；9—彈簧；10—水泥藥卷擋板；11—錨桿尾；12—倒楔 圖3-2-5 可控式內(nèi)注式注漿錨桿結(jié)構(gòu)圖 對于不考慮初錨力、不需控壓注漿的巷道施工、修復(fù)和加固，可采用普通內(nèi)注式注漿錨桿，其結(jié)構(gòu)如圖3-2-6所示。 圖3-2-6 普通內(nèi)注式注漿錨桿結(jié)構(gòu)圖 8.其他錨桿 目前已經(jīng)用于巷道和硐室支護(hù)的錨桿種類很多，可適用于不同地層和工程支護(hù)的需要，如脹殼式錨桿、水力膨脹式錨桿、可伸長錨桿、快硬水泥錨桿等等，在此不再詳細(xì)介紹。 3.3噴射混凝土 1.噴射混凝土的分類 噴射混凝土是將一定配比的水泥、砂子、石子和速凝劑的拌和物，通過混凝土噴射機(jī)，以壓縮空氣為動力，沿著管路壓送到噴嘴處，與水混合后，以較高的速度(30～120 m/s)噴射到巖石上，凝結(jié)硬化后而形成的一種支護(hù)形式。噴射混凝土作為地下工程的一種支護(hù)方式，已得到日益廣泛的應(yīng)用。 根據(jù)噴射工藝的不同，分成干式噴射混凝土、潮式噴射混凝土、濕式噴射混凝土及SEC噴射混凝土。 根據(jù)噴射混凝土的組成，可分為一般噴射混凝土與纖維增強(qiáng)噴射混凝土。 （1）干式噴射混凝土 將水灰比小于0.25的水泥、砂子、石子混合料和粉狀速凝劑按一定比例混合，由人工或機(jī)械攪拌均勻后，利用干式混凝土噴射機(jī)，以壓縮空氣為動力，經(jīng)輸料管輸送到噴嘴處，與一定量的壓力水混合后噴射到受噴面上。如果用專用的快凝錨噴水泥，則可不加速凝劑。這種工藝簡單、易操作、輸送距離長（平均可達(dá)150～200 m），但粉塵大、回彈率高是其致命的弱點(diǎn)。 （2）潮式噴射混凝土 將水灰比在0.25～0.5間的混合料（潮料和粉狀速凝劑）按一定比例混合后，由人工或機(jī)械攪拌均勻，利用潮式噴射機(jī)，以壓縮空氣為動力，經(jīng)輸料管輸送至噴嘴處與補(bǔ)充的壓力水混合后噴射于受噴面上。潮噴輸料管不宜太長，不宜使用早強(qiáng)水泥，但粉塵和回彈率都比干噴小得多。 （3）濕式噴射混凝土 將水泥、砂子、石子、水按一定比例配合后攪拌成混凝土（水灰比一般為0.5左右、塌落度13 cm左右），用泵（擠壓泵或柱塞泵）將攪拌好的混凝土經(jīng)輸料管壓送至噴嘴處，與液體速凝劑相混合，借助壓風(fēng)補(bǔ)充的能量將混凝土噴射到受噴面上。濕噴粉塵少、回彈低、混凝土強(qiáng)度高。但噴射工藝較復(fù)雜，對集料和外加劑的要求較高，混凝土輸送距離較短（一般不超過50 m）。 （4）水泥裹砂噴射混凝土 簡稱SEC噴射混凝土，是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種新型混凝土噴射工藝。其實(shí)質(zhì)是用水泥裹住砂粒并調(diào)制成砂漿，泵送并與干式噴射機(jī)輸送的干集合料相混合、經(jīng)噴嘴噴射到受噴面上。水泥裹砂噴射混凝土的特點(diǎn)是粘結(jié)性能好，粉塵少（一般為2～l0 mg／m），回彈量小，混凝土強(qiáng)度高，輸送距離長，一次噴厚大（可達(dá)10～40 mm），有淋水時易于噴敷。但噴射工藝較干噴、潮噴和濕噴都復(fù)雜，是干噴與濕噴相結(jié)合的噴射新工藝。 （5）纖維噴射混凝土 目前，國外使用最多的是鋼纖維噴射混凝土，在松軟、破碎圍巖和特殊地下工程中獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。 鋼纖維噴射混凝土是在普混凝土中，摻入適量的鋼纖維后形成的一種新型復(fù)合材料，它改變了普通混凝土的脆性特點(diǎn)，具有高強(qiáng)度、大變形及破壞后仍存在較高殘余強(qiáng)度的特點(diǎn)，使噴射混凝土的韌性、抗彎、抗剪強(qiáng)度、耐用系數(shù)和疲勞極限等都得到極大改進(jìn)。其柔性大大超過了普通混凝土，抗彎強(qiáng)度約增加50%~100%，抗壓強(qiáng)度提高約30%~50%，韌性比一般混凝土提高數(shù)倍。 纖維噴射混凝土的強(qiáng)度，依摻入纖維的種類、形狀、規(guī)格、數(shù)量的變化而不同。在摻量不變時，增強(qiáng)效果隨著纖維的長細(xì)比的增大而愈佳。纖維噴射混凝土，一般都有利用現(xiàn)有噴射混凝土設(shè)備和施工工藝，即在上述的干式、潮式、濕式和SEC噴射混凝土中，摻入適量的纖維而纖維增強(qiáng)噴射混凝土。 2.噴射混凝土支護(hù)作用原理 (1)支撐作用。 噴射混凝土支護(hù)具有良好的物理力學(xué)性能。特別是抗壓強(qiáng)度較高，可達(dá)200 kg/cm2以上，因此能起支撐地壓作用。又因其中摻有速凝劑，使混凝土凝結(jié)快，早期強(qiáng)度高，緊跟掘進(jìn)工作面起到及時支撐圍巖的作用，有效地控制了圍巖的變形和破壞。 (2)充填作用。由于噴射速度很高，混凝土能及時地充填圍巖的裂隙、節(jié)理和凹穴的巖石，大大提高了圍巖的強(qiáng)度。 (3)隔絕作用。噴射混凝土層封閉了圍巖表面，完全隔絕了空氣、水與圍巖的接觸，有效地防止了風(fēng)化潮解而引起的圍巖破壞與剝落;同時，由于圍巖裂縫中充填了混凝土，使裂隙深處原有的充填物不致因風(fēng)化作用而降低強(qiáng)度，也不致因水的作用而使得原有的充填物流失，使圍巖保持原有的穩(wěn)定和強(qiáng)度。 (4)轉(zhuǎn)化作用。由于前三個作用的結(jié)果，不僅提高了圍巖的自身支撐能力，而且使混凝土層與圍巖形成了一個共同工作的力學(xué)統(tǒng)一體，具有把巖石荷載轉(zhuǎn)化為巖石承載結(jié)構(gòu)的作用。從根本上改變了支架消極承壓的弱點(diǎn)。 3.4網(wǎng) 在松軟巖層掘進(jìn)巷道，最常用、最有效的支護(hù)形式是錨網(wǎng)、錨網(wǎng)噴、錨梁網(wǎng)、錨網(wǎng)索，都離不開網(wǎng)。它是錨桿支護(hù)系列的重要組成部分。 1.網(wǎng)的作用及種類 一、網(wǎng)的作用 (1)維護(hù)錨桿間比較破碎的巖石，防止巖塊的掉落。 (2)提高錨桿支護(hù)的整體效果，抵抗錨桿間破碎巖塊的碎脹壓力，提高支護(hù)對圍巖的支撐能力。 (3)在噴射混凝土內(nèi)可提高混凝土的柔性，防止噴射混凝土開裂掉塊。 二、網(wǎng)的種類 (1)按網(wǎng)格形狀可分為經(jīng)緯網(wǎng)和菱形網(wǎng)。 (2)按制作工藝分為焊接網(wǎng)和編織網(wǎng)。 (3)按材料分為鐵絲網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)與塑料網(wǎng)。 2.金屬網(wǎng) 一、對金屬網(wǎng)的要求 (1)與混凝土粘結(jié)好，能使噴射混凝土層開裂的 (2)網(wǎng)片整體好，可增加噴層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 (3)加工方便，成本低廉。 (4)具有一定的可彎曲性，便于與巷道形狀相吻合。能卷捆或折疊，便于運(yùn)輸。 (5)具有和錨桿支護(hù)相配套的強(qiáng)度，能抵抗一定的圍巖壓力。 二、網(wǎng)的規(guī)格及適用條件 (1)鐵絲網(wǎng) 一般用聲3～4mm的鍍鋅鐵絲編織而成。 經(jīng)緯網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸一般為20 mm×20 mm～60 mm×60 mm。其作用是防止松動巖塊掉落，但對圍巖主動支護(hù)能力差。 菱形網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為40 mm×40 mm～l00 mm×l00 mm。由于菱形網(wǎng)具有強(qiáng)度高，連接方便等優(yōu)點(diǎn)，目前逐步代替經(jīng)緯網(wǎng)。 鐵絲網(wǎng)由于強(qiáng)度較低，多用于一般軟巖和錨噴網(wǎng)支護(hù)中。 (2)鋼筋網(wǎng) 鋼筋網(wǎng)是由鋼筋焊接而成。一般為經(jīng)緯網(wǎng)。 ①小網(wǎng)格鋼筋網(wǎng)：規(guī)格為直徑4 mm的冷拔鋼筋，網(wǎng)格為40 mm×40 mm。實(shí)踐證明，在松軟破碎的煤（巖）層中這種網(wǎng)應(yīng)用效果很好。 ②大網(wǎng)格鋼筋網(wǎng)：它由受力筋和分布筋構(gòu)成。橫向筋一般為受力筋，直徑8～l0 mm，縱向筋一般直徑6 mm；網(wǎng)格l00 mm×l00 mm。這種網(wǎng)強(qiáng)度和剛度都比較大，可有效地增加錨桿支護(hù)的整體效果，適用于大變形、高地應(yīng)力巷道。 3.塑料網(wǎng) 塑料網(wǎng)是用礦用聚丙烯塑料帶編成。該塑料帶是一種新型高強(qiáng)材料，具有抗燃燒、抗 靜電性能，與直徑6 mm低碳鋼絲物理力學(xué)性能對比如表3-4-1。 表3-4-1 聚丙烯塑料帶主要物理力學(xué)性能 品種 相對密度 拉斷力（KN） 延伸率（%） 抗腐蝕性 埋入混凝土中使用期 塑料帶 0.9 3.0 25 耐腐蝕 ＞10 a 低碳鋼絲 7.9 2.5 12 易腐蝕 ≤10 a 對聚丙烯塑料帶進(jìn)行抗老化試驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)溫度在-40～100℃范圍內(nèi)變化時，各種性能無顯著變化。為增加塑料帶與混凝土的粘結(jié)力，可將塑料帶表面壓成螺紋狀。 4.塑料網(wǎng)錨噴支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用 在淮南新莊孜礦5-2石門采用塑料網(wǎng)錨噴支護(hù)技術(shù)獲得顯著成效。 該石門埋深640 m，夾在由大斷層派生的兩個小斷層之間，穿過的巖層有泥巖、砂質(zhì)泥巖、頁巖、砂巖及煤。巖石的抗壓強(qiáng)度20～49.5 MPa，屬親水性膨脹軟巖。 巷道斷面為馬蹄形，凈寬為5.6 m，高4.2 m，斷面積22.09 m2。塑料網(wǎng)長5 m、寬1.3 m，15.0 mm×15.0 mm網(wǎng)孔。錨桿采用樹脂錨桿，長1.9 m，直徑16 mm，間排距為600 mm×600 mm。 施工中采用上下臺階式施工工藝，上臺階開挖后先支護(hù)腰線上部，待掘進(jìn)20m后，再開挖及支護(hù)下半部。一掘一噴，光面爆破，激光指向，機(jī)械裝巖，塑料網(wǎng)錨噴支護(hù)。 施工過程中如下： 在光面爆破后，迅速噴射混凝土30 mm（初噴），封閉圍巖。 安裝可伸縮式樹脂錨桿，它的可伸縮量為200 mm以上，初錨固力50 kN以上。鋪塑料網(wǎng)、鋼錨條，然后再上墊板并擰緊螺母。 鋪設(shè)塑料網(wǎng)與錨桿安裝交替進(jìn)行，塑料網(wǎng)與塑料網(wǎng)的搭接長度為l00 mm；錨條用46 mm圓鋼焊成，沿巷道環(huán)向每3排錨桿安裝一錨條，沿巷道走向每2排錨桿安裝一錨條，錨條的長度均為1.4 m。掛好網(wǎng)、安裝錨條后，再噴30 mm混凝土，使噴射混凝土厚度達(dá)到60 mm，構(gòu)成塑料網(wǎng)混凝土柔性噴層，完成第一次支護(hù)。 當(dāng)巷道表面相對位移值降到0.2 mm/d以下時，再噴射混凝土，使總厚度達(dá)到200～250 mm，完成永久支護(hù)。 巷道掘出后，進(jìn)行了巷道收斂量的觀測，經(jīng)230