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软岩巷道支护问题探讨
2011-08-04
分析了松软围岩具有强度低、膨胀性和流变性严重等特点,影响着矿井的安全生产,对 软岩巷道的支护原理、支护方法、支护原则进行探讨。
现 代 矿 业 总 第 年 期 月 第 期 软 岩 巷 道 支 护 问 题 探 讨 张 金 山 李 铭 � 内 蒙 古 科 技 大 学 � 摘 要 �分 析 了 松 软 围 岩 具 有 强 度 低 膨 胀 性 和 流 变 性 严 重 等特点 ,影 响着 矿 井的 安 全 生 产 ,对 软 岩 巷 道 的 支 护 原 理 支 护 方 法 支 护 原 则 进 行 探 讨 关 键 词�软 岩 �破 坏 特点 �巷 道 支 护 软 岩 巷 道 支 护 一 直 是 矿 业 工 程的 难 题 ,随 着矿 的 变 形状 态 ,蠕 变 曲线 趋 于 某 一 变 形值 ,随 时 间 延 伸 而不 再 变 化 �当 所 施 加 的 荷 载 大 于 该 荷 载 水 平 时 ,岩 石 出 现 明显 的 塑 性 变 形加 速 现 象 ,即 产 生不 稳 定变 形,这 一 荷 载 ,称 为 软 岩 的 软 化 临 界 荷 载 ,亦 即 能 使 井 开 采 规 模 的 加 强 和 向 纵 深 发 展,软 岩 巷 道 的 支 护 与 维 护 问 题 更 加 突 出 目 前 从 理论和 实 践 来 讲 ,软 岩 巷 道 的 支 护 大 多采 用 复 合 支 护 形式 ,如 何 在 软 岩 巷 道 中 应 用 好 这 种 支 护 形式 ,无 疑 具 有 很 大 的 研 究 价 值 岩 石 产 生明显 变 形的 最小 荷 载 当 岩 石 所 受 荷 载 水 平 低 于 临 界 荷 载 时 ,该 岩 石 属 于 硬 岩 范 畴 �当 荷 载 水 平 高 于 软 化 临 界 荷 载 时 ,岩 石 表现 出 软 岩 的 大 变 形 特 性 ,此时 称 之为 软 岩 软 岩 的 分 类 及 特 性 软 岩 的 分 类 根 据 软 岩 的 强 度 特 性 泥 质 含 量 结 构 面 特 点 等 差 异 及 其 发 生显 著 塑 性 变 形的 机理不 同 ,工 程软 岩 � �软 化 临 界 深 度 与 软 化 临 界 荷 载 相 对 应 的 一 般来 讲 ,软 化 临 界 深 度 也 存在 着软 化 临 界 深 度 可 以 分 为 化 软 岩 和 复 合 型 软 岩 软 岩 的 物 理力 学 属 性 及 其 工 程特 性 大 类 ,即 膨 胀 性 软 岩 高 应 力 软 岩 节 理 是 一 个 客 观 量 当 巷 道 的 位 置 大 于 某 一 开 采 深 度 时 ,围 岩 产 生明显 的 塑 性 大 变 形 大 地 压 和 难 支 护 的 现 象 �但 当 巷 道 位 置 较 浅 ,小 于 该 深 度 时 ,大 变 形 大 软 岩 的 物 理力 学 属 性 地 压 的 现 象 明显 消 失 界 深 度 这 一 深 度 称 之为 岩 石 软 化 临 软 岩 的 力 学 属 性 �表现 为 可 塑 性 膨 胀 性 崩 解 性 流 变 性 和 易 扰动 性 等 特 点 � 软 岩 的 可 塑 性 � 是 指 软 岩 在 工 程力 的 作用 下 ,常 常 表现 为 不 可 逆 变 形的 现 象 � 软 岩 的 膨 胀 性 �是 指 软 岩 在 物 理 化 学 力 学 等 因素 的 作用 下 ,产 生体 积 变 化 的 现 象 � 软 岩 的 崩解 性 �是 指 软 岩 在 物 理 化 学 力 学 等 因素 的 作 用 下 产 生片 状 解 体 的 现 象 � 软 岩 的 流 变 性 �是 指 软 岩 受 力 变 形过 程与 时 间 有 关 ,包括 塑 性 流 动 粘 性 流 软 岩 巷 道 变 形 破 坏 特 点 及 其 影 响 因 素 软 岩 巷 道 的 变 形破 坏 特 点 � �软 岩 巷 道 的 变 形呈 现 蠕 变 变 形三 阶 段的 规 律 ,并 且 具 有 明显 的 时 间 效应 大 ,巷 道 自 稳 能 力 很 差 ,如 果 不 加 以 控 制 很 快 就 会 发 生岩 块 冒 落 ,直 至造 成 巷 道 破 坏 如 果 用 钢 性 支 架 初 期 来 压 快 变 形量 强 行 支 护 而不 适 应 软 岩 的 大 变 形特 性 ,则 造 成 支 架 被压 坏 巷 道 垮 落 动 结 构 面 闭 合 和 滑移 变 形等 现 象 � 软 岩 的 易 扰动 性 �是 指 由 于 软 岩 软 弱 裂 隙 发 育 吸 水 膨 胀 等 特 性 , 导 致 软 岩 抗 外 界 环 境 扰动 的 能 力 极 差 的 特 性 软 岩 的 工 程特 性 � �软 岩 巷 道 多为 环 向 受 压 ,且 非 对 称 巷 道 开 挖 后 不 仅 顶 板变 形易 于 冒 落 ,底 板也 将 产 生强 烈 的 底 鼓 如 果 对 巷 道 底 鼓 不 加 以 控 制 ,则 会 出 现 严 软 岩 有 两 个 工 程特 性 �软 岩 临 界 载 荷 和 软 化 临 界 深 度 ,它 揭 示 了 软 岩 的 相 对 性 实 质 重 的 底 鼓 并 导 致 两 帮 破 坏 ,顶 板冒 落 � � 软 岩 巷 道 变 形一 般随 矿 井 深 度 加 大 而增 � �软 岩 临 界 荷 载 软 岩 的 蠕 变 试 验 表明,当 大 不 同 矿 区 不 同 地 质 条 件 下 都 存在 一 个 软 化 临 所 施 加 的 荷 载 小 于 某 一 荷 载 水 平 时 ,岩 石 处于 稳 定 界 深 度 ,超 过 临 界 深 度 ,支 护 的 难 度 明显 增 大 ,且 软 岩 巷 道 变 形在 不 同 的 应 力 作用 下 ,具 有 明显 的 方向 性 张 金 山 � 内 蒙 古 包头 市 �,男 ,内 蒙 古 科 技 大 学 矿 业 工 程学 院 ,教 授 , � �软 岩 的 失 水 和 吸 水 均 可 造 成 软 岩 发 生膨 胀 总第 期 现 代矿 业 年 月 第 期 变 形破 坏 和 泥 化 破 坏 软 岩 工 程变 形力 学 机制 软 岩 工 程变 形 破 坏 和 失 稳 的 原 因是 多方面 的 , 但 其 根 本 原 因是 其 具 有 复 杂 的 变 形力 学 机制 软 岩 的 变 形力 学 机制 大 致 可 归 纳 为 大 类 �即 物 化 膨 胀 应 力 扩 容 型 和 结 构 变 形型 �物 化 膨 胀 型 的 软 岩 变 形机制 与 软 岩 本 身 分 子结 构 的 化 学 特 性 有 关 ,其 又 有 种 类 别�分 子膨 胀 机制 胶 体 膨 胀 机制 和 毛 细 膨 胀 机制 用 力 膨 胀 力 构 造 应 力 和 工 程偏 应 力 等 �的 合 力 � , 式 中 , 为 巷 道 开 挖 后 使 围 岩 向 临 空 区 运 动 的 合 力 � 为 以 变 形的 形式 转化 的 工 程力 � 为 围 岩 的 自 承 力 � 为 工 程支 护 力 型 可 以 看 出 ,巷 道 开 挖 后 引 起 的 围 岩 向 临 空 区 运 动 的 合 力 并 不 是 由 工 程支 护 力 全 部承 担 ,而是 由 三 � 部分 承 担 首 先有 软 岩 的 弹 塑 性 能 以 变 形的 方 式 释 放 一 部分 ,即 转化 为 岩 体 形变 其 次,另 如 果 岩 体 强 度 很 高 ,即 � �应 力 扩 容 型 的 软 岩 变 形力 学 机制 与 力 源 有 种 类 别�即 构 造 应 力 机制 水 的 作用 自 重 应 一 部分 由 岩 体 自 身 承 担 关 ,有 , 则 巷 道 可 以 自 稳 对 于 软 岩 较 小 ,一 力 和 工 程偏 应 力 般 加 上 � ,巷 道 要 稳 定,必 须 进 行 工 程支 护 ,即 � �结 构 变 形型 的 软 岩 变 形机制 则 与 硐 室 结 构 为 求 工 程稳 定,通 常 � � 值 要 大 于 与 岩 体 结 构 面 的 组 合 特 性 有 关 同 一 岩 层 的 巷 道 , �的 值 优 化 的 巷 道 支 护 设 计 应 该 同 时 满 顺 层 的 巷 道 破 坏 甚 为 严 重 ,穿层 的 巷 道 破 坏 比 较 轻 微 ,原 因是 变 形受 结 构 面 的 影 响 而呈 现 各向 异 性 的 特 征 足三 的 条 件 � 趋 于 最大 � 趋 于 最大 � 趋 于 最 但 是 ,要 使 达到 最大 , 就 不 能 达到 最大 小 根 据 岩 层 层 理或 节 理的 形态 不 同 ,其 变 形力 学 机制 又 可 分 为 断层 型 软 弱 夹 层 型 层 理型 优 势 节 理型 随 机节 理型 等 变 形力 学 机制 要 同 时 使 两 者都 趋 于 最大 ,关 键 是 选 取 变 形能 释 放 的 时 间 和 支 护 时 间 软 岩 支 护 方法 软 岩 巷 道 围 岩 与 支 架 变 形的 主 要 影 响 因素 � �砌 碹 支 护 世 纪 年 代,砌 碹 支 护 曾 作 该 支 护 具 有 承 载 上 述 类 软 岩 变 形的 力 学 机制 基 本 概 括 了 软 岩 为 软 岩 巷 道 的 一 种 主 要 支 护 形式 膨 胀 变 形的 主 要 动 因,由 此可 知 影 响 巷 道 围 岩 与 支 架 变 形的 主 要 因素 有 以 下 几 种 能 力 大 稳 定性 强 等 特 点 ,并 且 在 料 石 间 夹 有 可 缩 垫 层 时 ,还 具 有 一 定的 可 缩 变 形能 力 但 是 ,由 于 碹 体 � �岩 性 因素 岩 体 本 身 的 强 度 结 构 胶 结 程 属 刚 性 支 架 ,一 般不 适 应 围 岩 变 形很 大 的 软 岩 巷 道 支 护 度 及 胶 结 物 的 性 能 膨 胀 性 矿 物 的 含 量 等 ,均 是 影 响 软 岩 巷 道 变 形的 内 在 因素 � �可 缩 性 金 属 支 架 支 护 道 围 岩 变 形较 大 ,通 常 采 用 预 留 断面 可 缩 性 金 属 支 架 支 护 我 国 目 前 采 用 的 架 型 有 �梯 形 拱 形和 环 架 型 的 选 择 应 根 据 转岩 的 变 形和 压 力 的 大 小 等 指 标确 定 � �锚 喷 支 护 由 于 松 软 岩 层 中 巷 � �工 程应 力 是 造 成 围 岩 变 形的 外 在 因素 垂 直 应 力 构 造 残 余 应 力 及 工 程环 境 和 施 工 的 扰动 应 力 ,邻 近 巷 道 施 工 采 动 影 响 等 ,特 别是 多种 应 力 的 迭 加 情 况 影 响 更 大 形 � �水 的 影 响 包括 地 下 水 及 工 程用 水 ,尤 其 适 用 于 软 岩 巷 道 锚 喷 支 护 类 型 是 对 膨 胀 岩 ,水 对 其 变 形的 影 响 极 大 ,水 不 仅 造 成 粘 土 质 岩 的 膨 胀 ,同 时 还 大 大 的 降低 了 岩 石 的 强 度 主 要 有 锚 杆 喷 射 混 凝 土 和 锚 杆 钢 筋 网 喷 射 混 凝 土 根 据 现 场 实 际 情 况 ,设 计 参 数 包括 巷 道 断面 锚 杆 类 型 和 布 置 方式 喷 层 厚 度 钢 筋 网 规 格 等 � �时 间 因素 流 变 是 软 岩 的 特 性 之一 ,巷 道 的 变 形与 时 间 密 切 相 关 � �联 合 支 护 联 合 支 护 系 指 采 用 多种 不 同 性 根 据 我 国 近 软 岩 软 岩 支 护 原 理 支 护 方 法 及 支 护 原 则 软 岩 巷 道 的 支 护 原 理 能 的 单 一 支 护 的 组 合 结 构 工 程支 护 的 经验 ,锚 喷 支 护 作为 一 次支 护 方法 ,是 联 合 支 护 的 基 础,组 成 了 各种 联 合 支 护 形式 �即 锚 喷 软 岩 巷 道 支 护 与 硬 岩 巷 道 支 护 原 理截 然 不 同 , 这 是 由 于 其 本 构 关 系 不 同 所 决 定的 原 理不 允 许 硬 岩 进 入 塑 性 ,因进 入 塑 性 状 态 的 硬 岩 将 失 去 承 载 能 力 而软 岩 巷 道 的 独 特 之处是 ,其 巨 大 的 塑 性 能 必 须 以 某 种 形式 释 放 出 来 假 设 巷 道 开 挖 后 使 围 岩 向 临 空 区 运 动 各种 力 �包括 重 力 水 作 硬 岩 巷 道 支 护 型 钢 架 联 合 支 护 ,锚 喷 弧 板联 合 支 护 等 砌 碹 联 合 支 护 和 锚 喷 软 岩 巷 道 支 护 技 术 关 键 由 于 软 岩 的 力 学 属 性 变 形力 学 机制 等 特 点 ,对 软 岩 巷 道 实 施 成 功 支 护 需运 用 三 个 关 键 技 术 � 正 张 金 山 李 铭 �软 岩 巷 道 支 护 问 题 探 讨 年 月 第 期 确 的 确 定软 岩 变 形机制 的 复 合 型 � 有 效的 将 复 合 型 转化 为 单 一 型 � 合 理的 运 用 复 合 型 变 形力 学 机 制 的 转化 技 术 � �过 程原 则 软 岩 巷 道 支 护 是 一 个 过 程,不 能 一 蹴 而就 因为 软 岩 工 程的 变 形与 破 坏 是 具 有 复 合 型 变 形力 学 机制 的 综合 症 并 发 症 ,要 对 软 岩 工 程稳 定性 实 行 有 效的 控 制 ,必 须 有 一 个 由 合 型 单 一 型 的 转化 过 程 这 一 过 程的 完 成 是 依 靠 一 系 列 对 症 下 药 的 支 护 措施 来 实 现 的 � �塑 性 圈 原 则 与 硬 岩 工 程支 护 的 指 导 思 想 不 同 ,软 岩 工 程支 护 必 须 允 许 出 现 塑 性 圈 硬 岩 工 和 由 于 软 岩 巷 道 围 岩 并 非 具 有 单 一 的 变 形力 学 机 制 ,而是 同 时 具 有 多种 变 形力 学 机制 ,即 复 合 型 变 形 力 学 机制 ,复 合 型 变 形力 学 机制 是 软 岩 巷 道 变 形和 破 坏 的 根 本 原 因 因此,单 一 的 支 护 形式 是 难 以 奏 效的 ,只 有 采 用 联 合 支 护 的 方法 ,合 理的 运 用 复 合 型 向 单 一 型 转化 的 技 术 ,即 与 软 岩 变 形过 程中 每 个 支 护 力 学 措施 的 支 护 顺 序 时 间 效果 相 联 系 ,适 合 复 合 型 变 形力 学 机制 的 特 点 ,才 能 保 证 支 护 成 功 软 岩 巷 道 工 程支 护 原 则 复 向 程支 护 是 力 求 控 制 塑 性 区 的 产 生,最大 限度 的 发 挥 围 岩 的 自 承 能 力 �而软 岩 工 程支 护 是 力 求 有 控 制 地 产 生一 个 合 理的 塑 性 圈 ,最大 限度 的 释 放 围 岩 的 变 形能 ,这 是 由 于 软 岩 的 特 性 决 定的 成 功 的 实 现 软 岩 巷 道 工 程支 护 ,关 键 在 于 设 计 结 语 思 想 及 支 护 观 念 的 更 新 和 改 变 巷 道 工 程支 护 ,必 须 坚 持 以 下 对 于 实 践 中 的 软 岩 条 原 则 对 巷 道 进 行 支 护 应 改 变 传统 的 支 护 理念 ,对 软 岩 巷 道 来 讲 ,单 纯的 刚 性 支 护 是 难 以 实 现 巷 道 的 稳 定控 制 的 目 前 来 讲 ,复 合 支 护 是 应 对 复 杂 条 件 下 软 岩 巷 道 的 一 项 基 本 措施 ,复 合 支 护 形式 的 选 择 和 支 护 参 数 的 选 取 应 该 基 于 具 体 的 实 际 情 况 而定 � �工 程优 化 原 则 软 岩 巷 道 工 程支 护 应 遵 循 工 程优 化 原 则 ,该 原 则 包括 � 巷 道 方向 优 化 原 则 , 对 于 工 程地 质 条 件 复 杂 构 造 压 力 场 明显 的 矿 井 ,在 决 定井 巷 方向 时 避 免 将 过 多井 巷 垂直 于 较 大 压 力 方 向 ,以 免 井 巷 失 稳 ,遭 到 破 坏 ,必 要 时 改 变 开 采 工 艺� 巷 道 空 间 位 置 优 化 原 则 ,巷 道 应 尽 量 在 较 硬 岩 层 中 ,以 求 得 稳 定性 好 工 程造 价 低 � 巷 道 断面 优 化 原 则 ,巷 道 几 何 形状 应 与 支 护 结 构 和 谐 配 套 ,既 要 满 足工 艺使 用 上 的 要 求 ,又 要 造 价 低 廉 ,避 免 功 能 重 叠 软 岩 巷 道 围 岩 变 形破 坏 特 点 ,决 定了 软 岩 巷 道 支 护 不 是 一 蹴 而就 的 ,一 般必 须 经历 二 次支 护 ,二 次支 护 时 间 的 选 择 也 是 非 常 重 要 的 ,其 关 系 到 二 次支 护 及 其 整 个 支 护 过 程的 成 败 与 否 参 考 文 献 [ ] ] 张 居 仁 ,王 晓 伟 ,魏 国 山 浅 谈 软 岩 巷 道 支 护 [ ] 黑 龙 江 科 技 信 息 , 何 满 潮 煤 矿 软 岩 工 程 技 术 现 状 及 展 望 [ ] 锚 杆 支 护 , �� 而增 加 造 价 同 时 合 理的 断面 形状 能 够充 分 的 保 护 , � 围 岩 的 力 学 强 度 ,降低 支 护 的 难 度 [ � � 对 症 下 药 原 则 软 岩 的 多样 性 ,决 定了 � 支 护 对 策 的 多样 性 只 有 正 确 的 确 定软 岩 的 变 形力 [ ] 薛 顺 勋 ,聂 光 国 ,姜 光 杰 软 眼 巷 道 支 护 技 术 指南 [ 煤 炭 工 业 出 版 社 , ] 北京 � 学 机制 ,找 出 造 成 软 岩 工 程变 形破 坏 的 原 因,才 能 采 取 相 应 的 支 护 措施 ,达到 软 岩 工 程与 支 护 的 稳 定 � 收 稿 日 期 � � 上 接 第 页 � 社 会 效益 分 析 节 能 改 造 效 益 分 析 安装 节 电 保 护 系 统 后 ,在 达到 节 电 效益 的 同 时 , 可 以 有 效降低 设 备 维 护 率 延 长 设 备 寿命 ,根 据 狮 子 山 铜 矿 的 实 际 工 况 ,设 备 保 护 功 效等 同 于 节 电 功 效, 节 电 保 护 系 统 的 社 会 效益 显 著 节 能 经济 效益 分 析 节 电 保 护 改 造 后 ,通 过 实 际 观 测 ,风 机的 节 电 率 达到 了 粗略 估 算 每 年 节 约 电 费 按国 际 标准节 标准煤 计 算 ,年 万 元 以 上 ,节 约 电 能 万 参 考 文 献 约 万 电 就 相 应 节 约 了 [ ] ] ] 陈 喜 山 ,梁 晓 春,李 金 属 矿 山 , 畅 金 属 矿 山 矿 井通 风 技 术 的 新 进 展 节 约 标准煤 为 [ ] � �� 通 过 节 能 改 造 ,一 方面 提 高 了 电 能 使 用 效率 ,降 低 用 电 成 本 �同 时 ,还 能 优 化 电 源 质 量 ,提 高 用 电 品 [ [ 徐 则 林 中 小 型 复 杂 矿 山 通 风 系 统 改 造 [ ] 采 矿 技 术 , �� 朱 易 春,张 继 忠 ,王 海 宁 某 金 属 矿 山 通 风 系 统 的 优 化研 究 � 质 命 有 效降低 设 备 维 护 维 修 成 本 ,延 长 设 备 使 用 寿 并 能 有 效的 滤 除 电 网 中 的 谐 波 ,有 净 化 电 网 谐 [ ] 中 国 矿 山 工 程 , � �� , 波 的 功 效 �收 稿 日 期 �
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