巷道掘進(jìn)圍巖縱向變形分析與支護(hù)技術(shù)

王維學(xué)

(山西陽煤集團(tuán)南嶺煤業(yè)有限公司，山西 太原 030400)

引言

巷道開挖期間對周圍巖體的影響范圍較大，尤其是接近掌子面的巖體變形大，速度快，因此若在破碎地帶進(jìn)行開挖巷道，需進(jìn)行超前支護(hù)，確保施工安全。依據(jù)巷道掘進(jìn)圍巖縱向變形模型強(qiáng)度準(zhǔn)則，對巷道開挖時圍巖縱向變形進(jìn)行彈塑性分析，以及巷道圍巖縱向變形的關(guān)系，進(jìn)而可以求得距離開挖面每一截面處的塑性區(qū)半徑和圍巖變形，對巷道進(jìn)行及時有效的支護(hù)，保證巷道穩(wěn)定。

1 開挖面空間效應(yīng)

巷道的形成需要工人在原來的巖層上進(jìn)行作業(yè)，內(nèi)部的巖層始終保持著平衡的力度。但是伴隨著巷道的建設(shè)巷道的內(nèi)部受力狀況就會發(fā)生改變，使得原先的平衡狀態(tài)變得失衡，讓巖層更容易發(fā)生斷掉、崩塌的風(fēng)險。巷道周邊的巖層石壁受力并不是線性的，如果這個時候工人將作用力施與圍巖，并且作用力逐漸增大圍巖就會發(fā)生變形。變形的圍巖會逐漸受到破壞，這是由于巖層周邊的存在面還會受到兩端力度的影響，讓圍巖保持一段時間的靜止?fàn)顟B(tài)。煤巷支護(hù)工作的質(zhì)量對整體礦產(chǎn)資源的開采具有重要的作用，它是開采工作順利展開的必備環(huán)節(jié)和重點(diǎn)任務(wù)，為了讓我國的礦產(chǎn)開采行業(yè)具有更好的發(fā)展未來，許多專家和技術(shù)人員在不斷地加強(qiáng)研究，試圖找到更加合適的支護(hù)技術(shù)，防止巖層坍塌，保護(hù)工作人員的身體健康。但是大多數(shù)人研究的支護(hù)技術(shù)只是關(guān)注如何支撐更加堅固，卻忽視了找尋巖層的受力原理，讓巖層趨于平衡，所以這些技術(shù)的實(shí)際效用都比較低。所以本文從巖層的受力狀況分析，試圖找到平衡性能的支護(hù)技術(shù)，提高巷道掘進(jìn)的效率和質(zhì)量。

2 巷道掘進(jìn)圍巖縱向變形分析

2.1 巷道掘進(jìn)應(yīng)力及變形特征分析

舉例來說，煤炭資源開采是最常見的開采工作，一家煤礦企業(yè)的采煤工作面巷道掘進(jìn)為具體事件，分析巷道上層以及周邊巖層的受力狀況。工人結(jié)合煤炭開采的地質(zhì)環(huán)境與周圍的氣候，再結(jié)合受力因素，運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段確定相關(guān)的開采模型，該模型的大小是固定的，它的長為100m，寬為10m，高位110m，其中包含了數(shù)值較多的單元個體易捷建設(shè)節(jié)點(diǎn)。最后員工根據(jù)先進(jìn)的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行精確的衡量。

2.2 未支護(hù)狀態(tài)下力學(xué)模型

對于支護(hù)技術(shù)的研究，我們可以先從未支護(hù)狀態(tài)開始確定巖層的力學(xué)模型，再根據(jù)其實(shí)際的受力確定支護(hù)技術(shù)。具體做法如下：首先我們做出這樣的假設(shè)即開采巷道的形狀是圓形的。航道周邊的巖層和上層的巖層具有一些孔隙，該空隙分布較為均勻，一般呈相同的方向排列，巖層不會發(fā)生變動，是比較固定的塑性體，具有比較高的堅硬度。建立好模型后有關(guān)人員需要檢查模型是否符合Mohr-Coulomb原則，巷道變形的影響因素有很多，其中最為主要的便是巖層受力不均。巷道挖掘后的受力加上巷道挖掘前的受力是整體的應(yīng)力，我們可以借助以下公式進(jìn)行表示[σ]=[σ0]+[σ′]。其次，巷道開挖面的截面力是根據(jù)空間大小的效應(yīng)轉(zhuǎn)化的，所以具體計算巷道的各項數(shù)據(jù)需要結(jié)合空間、作用力、以及間距，綜合分析得出具體的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式，找到煤炭巷道挖掘支護(hù)技術(shù)的普遍規(guī)律。支護(hù)力與應(yīng)力兩者之間是成反比例關(guān)系的，在開始挖掘之前巖層的內(nèi)部是沒有任何變化的，這時候p1=p2，伴隨著項目工作任務(wù)的開展，支護(hù)力會逐漸地縮小，巖層的形狀也會隨之發(fā)生改變。

3 巷道掘進(jìn)圍巖縱向變形的支護(hù)技術(shù)

3.1 支護(hù)狀態(tài)下力學(xué)模型

在完成費(fèi)支護(hù)狀態(tài)下的力學(xué)模型后，員工可以按照這一狀態(tài)下的圖紙進(jìn)行挖掘，巷道巖層的作用力大概有2.175MPa，最初的挖掘面需要使用1.82MPa，前者和后者之間大概有百分之八點(diǎn)六的差距。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)我們可以得到巷道的深度，不同的路段需要的深度是不一樣的，沉降量也各不相同，舉例來說，巷道的終點(diǎn)處需要20mm的沉降量，如果是掌子面，則需要6.2mm，大概占終點(diǎn)處沉降量的30%多。除此之外巷道的挖掘位置也要選擇合適的距離，采煤工作面要與前移和后移保證有一定量的接近，開掘前方的位移一定要在掌子面處的位移之下，只有這樣才能讓巷道具有更合適的空間范圍。挖掘的巷道尺寸也要根據(jù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格規(guī)劃，伴隨著支護(hù)技術(shù)的加入其半徑要在1m之下，此外巷道的半徑還要根據(jù)巖層的性能進(jìn)行合適的界定。

3.2 掘進(jìn)支護(hù)方案

針對巷道挖掘面臨的問題我們可以采取以下方式進(jìn)行支護(hù)，按照國家要求的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范挑選支護(hù)使用的設(shè)備規(guī)格，其中對于錨桿來說要使用335號，大約長2.4m，間距為1.1m，此外其材質(zhì)是左旋無縱筋螺紋鋼，為了讓錨桿更具穩(wěn)定性，可以在錨桿上增加兩個樹脂材質(zhì)的錨固。錨固的力度要選擇合適的范圍，最好大于105KN，其擰緊力要保值在300KN至400KN之間。錨索也同樣要選擇合適的尺寸，最好它可以保持大于1860MPa的破斷強(qiáng)度。此外其他性能也要符合標(biāo)準(zhǔn)如鋼筋梯梁與互頂構(gòu)件，前者焊接的距離要保證80mm，后者護(hù)網(wǎng)也要保證100mm的間距，同時網(wǎng)面尺寸4.4m×1.2m，網(wǎng)孔尺寸50mm×50mm都要嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)。

3.3 支護(hù)效果

所有支護(hù)任務(wù)完成之后，挖掘工人需要對相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)做出完整的監(jiān)測。該項工作的嚴(yán)格落實(shí)有助于保障開采員工的生命安全，維護(hù)企業(yè)的收入盈利。舉例來說如果巷道的監(jiān)測結(jié)果如下：巷道的頂層和底層出現(xiàn)了斷層，隨著挖掘深度的加大，斷層逐漸消失。巷道的其他數(shù)據(jù)表現(xiàn)如下：在4.6mm處事巷道的淺層區(qū)域，在巷道的深層部位是2.9mm，兩者之和是7.5mm。很明顯，頂層的數(shù)值偏低，有可能是因?yàn)椴捎昧溯^高強(qiáng)度的錨桿錨索。根據(jù)作業(yè)過程中出現(xiàn)的位移來看，巷道周邊的巖層已經(jīng)發(fā)生了變形。支護(hù)的錨桿、錨索有效的發(fā)揮了作用，讓巷道的兩端和頂層保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，提高了支護(hù)的質(zhì)量。

結(jié)束語

綜上所述，巷道掘進(jìn)對圍巖的影響范圍屬于在縱向方向上，觀察開挖巷道地表的監(jiān)測點(diǎn)距開挖面，地表沉陷開始趨于穩(wěn)定，而未開挖巷道地表的監(jiān)測點(diǎn)距掌子面開始受到開挖影響從而進(jìn)入沉陷狀態(tài)；在橫向方向上，地表沉降自巷道中線向兩側(cè)逐漸減小，且距巷道中線越遠(yuǎn)，沉降量越小。所以，加強(qiáng)巷道掘進(jìn)圍巖縱向變形的支護(hù)技術(shù)尤為重要。