巷道破壞機(jī)理與支護(hù)形式的選擇

1 巷道的破壞機(jī)理

1.1 巖石的原始應(yīng)力狀態(tài)

開(kāi)采以前，巖層都處于原始應(yīng)力狀態(tài)，垂直方向上由于上覆巖層的作用形成垂直應(yīng)力.，在垂直應(yīng)力作用下，巖塊A要沿三個(gè)相互垂直的方向（x，y，z方向）產(chǎn)生變形，而受到相鄰巖體對(duì)巖塊側(cè)向變形的約束面產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力，一般認(rèn)為水平方向上的條件是一致的而且都是由于垂直應(yīng)力.所引起的，所以：

δ1=δ2=δ3=λyh

式中，δ2δ3——側(cè)向應(yīng)力，N/m2；λ——側(cè)壓系數(shù)，取決巖塊所處力學(xué)狀態(tài)；H——巖塊所在位置距地表的深度，m.需要指出的是，巖層中的原始應(yīng)力除重力應(yīng)力外，還有可能存在的構(gòu)造應(yīng)力、溫度應(yīng)力和膨脹應(yīng)力等。采動(dòng)前存在于巖層的原始應(yīng)力是采動(dòng)后礦山壓力的來(lái)源。

1.2 巷道囤巖的應(yīng)力分布

1.2.1 采動(dòng)、采動(dòng)空間的圍巖。在巖體中開(kāi)掘巷道和進(jìn)行回采工作，稱(chēng)為對(duì)巖體的采動(dòng)，采動(dòng)所形成酌空間稱(chēng)為“采動(dòng)空間”，采動(dòng)空間周?chē)膸r體稱(chēng)為圍巖，采動(dòng)空間上方的巖層稱(chēng)頂板，下方的巖層稱(chēng)底板，兩側(cè)的巖體稱(chēng)為兩幫

l.2.2 巷道的應(yīng)力分布，采動(dòng)后圍巖的原始平衡狀態(tài)遭到破壞，各部分應(yīng)力將重新分布，應(yīng)力重新分布的結(jié)果是頂板的兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。其中頂板各巖層將因失去支撐面，在自重的作用下，彎曲下沉。結(jié)果在其底部出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)限度，頂板巖層遭到破壞，圍巖應(yīng)力的重新分布促使巖層產(chǎn)生新的運(yùn)動(dòng)。

1.3 自然平衡拱的形成及破壞當(dāng)開(kāi)掘井下巷道或采出煤炭后，頂板被暴露出來(lái)，好象一根梁一樣承受著上下巖石的壓力。如果不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，梁將向下彎曲，靠近巷道頂板的巖石產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)巖石所能承受的極限時(shí)，巖石將產(chǎn)生裂隙；并隨著裂隙不斷增加，巖石開(kāi)始破碎、脫落下來(lái)，其冒落范圍不斷向上發(fā)展，最后形成一個(gè)巖拱就不再冒落了，這種拱叫自然平衡拱。

巷道形成自然平衡拱后，巷道兩幫將承受集中的壓力，該壓力超過(guò)兩幫巖石強(qiáng)度時(shí)，就要產(chǎn)生裂隙，并向巷道內(nèi)塌落或片幫，巷道兩幫塌落使巷道寬度增大，自然平衡拱也隨之?dāng)U大，直到形成新的自然平衡拱。這時(shí)，巷道支架柱腿承受兩幫巖石垮落所產(chǎn)生水平推力，這個(gè)力就是巷道的側(cè)壓。巷道產(chǎn)生的側(cè)壓達(dá)到新的平衡后，頂板巖石的壓力仍然通過(guò)兩幫傳給底板。當(dāng)?shù)装鍘r石較軟時(shí)，底板受壓后，巷道的下底部分將鼓起，稱(chēng)為底壓。沒(méi)有足夠的力維護(hù)側(cè)壓、底壓，巷道將遭到破壞。

綜上所述，掘進(jìn)巷道時(shí)就做好支護(hù)工作，防止頂板冒落、片幫和底鼓。因此，在掘進(jìn)巷道過(guò)程中，針對(duì)巷道圍巖的巖性情況適當(dāng)選擇恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)類(lèi)型是十分重要的。

2 巷道的支護(hù)類(lèi)型及其適用條件

2.1 巷道的支護(hù)類(lèi)型

根據(jù)井下開(kāi)采的需要，巷道的位置和用途可分為三類(lèi)即：開(kāi)拓巷道、準(zhǔn)備巷道和回采巷道。三類(lèi)巷道的支護(hù)根據(jù)其圍巖特性、位置、服務(wù)年限又有所不同，常見(jiàn)的巷道支護(hù)有木支護(hù)，鋼筋混凝土支護(hù)，料石混凝土砌碹，金屬支架和錨噴支護(hù)，其中錨噴支護(hù)目前應(yīng)用最為廣泛。

2.2 支護(hù)類(lèi)型的適用條件

支護(hù)的作用在于改善圍巖穩(wěn)定狀況和控制圍巖運(yùn)動(dòng)發(fā)展速度，以維護(hù)安全的工作空間。

支護(hù)方式的選擇，決定圍巖的穩(wěn)定狀況，對(duì)受工作面采動(dòng)影響小的巷道，可采用沉縮量小的剛性支護(hù)，如井下運(yùn)輸大巷井底車(chē)場(chǎng)一些開(kāi)拓巷道。對(duì)受采動(dòng)影響大的不穩(wěn)定巷道，應(yīng)選用可縮性支護(hù)，如采區(qū)的準(zhǔn)備巷道和回采巷道。

2.2.1 木支架

這種支護(hù)形式在煤礦掘進(jìn)生產(chǎn)中比較常見(jiàn)，而且歷史很悠久，主要結(jié)構(gòu)是梯形棚子，常見(jiàn)有親口棚子和鴨嘴棚子兩種。親嘴棚子頂梁與立柱的連接為相互咬合的親口接合形式，這種方法最簡(jiǎn)單。它可以在各種地壓條件下使用。

木棚子的架設(shè)質(zhì)量要求較嚴(yán)格，將影響棚子支護(hù)效果，因此架設(shè)時(shí)要認(rèn)真仔細(xì)作業(yè)，不能馬虎，以免留有后患。

木支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，容易加工架設(shè)，具有一定的強(qiáng)度和可縮性，其缺點(diǎn)是易燃易腐回收復(fù)用率低，維護(hù)費(fèi)用高。為了節(jié)約木材盡量少用或不用木材支護(hù)。

2.2.2 金屬支架

金屬支架具有堅(jiān)固耐用、防火、架設(shè)方便、可回收復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，可做永久支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)。金屬支架所用的鋼材有槽鋼，廢舊鋼軌，礦用工字鋼和“u”型鋼等。采用金屬支架支護(hù)時(shí)，可根據(jù)巷道的服務(wù)年限，選用鋼筋混凝土背板或木背板。

在地壓較大，尤其是動(dòng)壓較大的巷道中，使用金屬拱形支架比較理想，它的缺點(diǎn)是重量較大，搬運(yùn)和修理不方便，初期投資大。目前金屬支架大部分用于煤巷，尤其是綜合機(jī)械化采煤的大斷面順槽更適宜拱形金屬支架。

2.2.3 石材支護(hù)

石材支護(hù)是指用料石（磚、混凝土或鋼筋混凝土等）砌筑的拱形支架，由基礎(chǔ)、墻和拱頂三部分組成。

在地壓較大或不均勻地區(qū)，拱頂或墻上會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，而料石及混凝土等均為脆性材料，它們的抗拉強(qiáng)度都很小（較比抗壓強(qiáng)度），為使碹體不被拉壞，在這些地區(qū)應(yīng)采取針對(duì)性措施，如鋼筋混凝土砌碹等。

料石砌碹能抵抗較大的靜壓力，具有防火隔水，防止圍巖風(fēng)化和通風(fēng)阻力小等優(yōu)點(diǎn)。但它施工工藝復(fù)雜，屬隱蔽工程，管理困難，速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，常有局部空頂作業(yè)的情況，易出現(xiàn)頂板人身事故，成本較高。一般只在井筒附近才使用這種支護(hù)。

2.2.4 錨噴支護(hù)

1）支護(hù)原理

錨桿支護(hù)是新興的一種支護(hù)形式。錨桿支護(hù)與一般支架不同，已不是消極地承受巷道的圍巖壓力，而是把圍巖錨固起來(lái)，形成支架與圍巖共同作用的受力整體，從而減少?lài)鷰r變形防止圍巖冒落。在層狀巖層中，錨桿可把薄層的巖石錨合起，形成組合梁，錨桿還可以把松軟圍巖牢固懸吊在堅(jiān)固穩(wěn)定的巖層上，在非層狀巖層中，錨桿可將巷道周?chē)膸r塊彼此拉緊使其形成一個(gè)拱。

2）錨桿的種類(lèi)：①木錨桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造、成本低，但錨固力?。?0kN左右）使用期限短，一般用于圍巖壓力不大，服務(wù)年限不長(zhǎng)（1a左右）的巷道，如果經(jīng)過(guò)防腐處理，可服務(wù)2～3a。②壓縮木錨桿錨固力比普通木錨桿大，如果進(jìn)行防腐處理，使用期限可達(dá)5a以上。③金屬楔縫式錨桿的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作可靠。缺點(diǎn)是使用后一般不能回收，巖層較軟時(shí)不能使用。④金屬倒楔式錨桿的錨固力一般可達(dá)4OkN以上，適用于服務(wù)年限3a以上的巷道，如果服務(wù)年限很長(zhǎng)，鉆眼孔口中最好注入水泥砂漿。⑤藥卷錨桿的錨固力比倒楔式還要大，可達(dá)50kN以上，因此它被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)巷道支擴(kuò)中。唯一的缺點(diǎn)是藥卷的浸泡程度不好掌握，初期錨固力低。⑥鋼絲繩砂漿錨桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造容易，成本低，可利用廢舊鋼絲繩做原料，錨固力大。缺點(diǎn)是不能立即產(chǎn)生實(shí)錨力。如果將鋼絲繩砂漿錨桿配合噴漿使用，可用在服務(wù)年限較長(zhǎng)的主要巷道和硐室。此外，它還可用來(lái)防止巷道底鼓。

3）錨桿支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。錨桿支護(hù)與其它支護(hù)方式相比，其優(yōu)點(diǎn)是：堅(jiān)固、耐用、安全可靠，巷道維護(hù)量少；施工工藝簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低；可緊跟掘進(jìn)工作面便于組織，掘進(jìn)支護(hù)平行作業(yè)和一次成巷；有利于實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)和支護(hù)機(jī)械化；可縮小巷道斷面約10%～20%，節(jié)省大量建筑材料，掘進(jìn)費(fèi)用低。它的缺點(diǎn)是人工打頂板眼困難。單純的錨桿支護(hù)，不能防止圍巖的風(fēng)化和脫落。為此錨桿支護(hù)最好和噴漿（或噴射混凝土）支護(hù)聯(lián)合使用。有時(shí)與掛金屬網(wǎng)和噴漿共同使用以達(dá)到支護(hù)的目的。

3 結(jié)論

綜上所述，采動(dòng)前存在于巖層中的原始應(yīng)力是采動(dòng)后礦山壓力的來(lái)源.開(kāi)掘后巷道的應(yīng)力發(fā)生變化重新分布。而支護(hù)的作用在于改善圍巖穩(wěn)定狀況和控制圍巖運(yùn)動(dòng)發(fā)展速度，以維護(hù)安全的生產(chǎn)空間。所以，巷道的支護(hù)是必要的。在井下掘進(jìn)中，針對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際，確定使用正確的支護(hù)方式，既能很好地支護(hù)巷道，保證正常的安全生產(chǎn)，又能避免不必要的浪費(fèi)。

[責(zé)任編輯：張濤]