柔性支护在软岩巷道中的应用.pdf

柔性支护在软岩巷道 中的应用 北京 科技 大 学 苎 至一 弓 t [ 摘 要] 奉文基过对西 再门羲矿戟岩支护的 理论 分折和宴厮工程比较， 升 绍秉性支 护喷譬 罔 美鞠 咝／ ， 荔逼友 ／ ／ 美键词 软岩 柔性支护 喷锚阿 ， 致 ／ 、一／‘ f 1 概 述 西石门铁矿南采区为一缓倾斜中厚矿 体 ．矿体 顶板 为灰岩 ，底扳 为闶长岩 、蚀 变 闪长 岩 和 矽卡 岩 ，而直 接底 扳绝大 部分 为矽卡岩 ，其厚度从0 ～2 0 m不等 ．平均厚 度5 ～8 m 。组成矽 卡 岩 的主要 矿 物 中的蒙 脱石 ．绿泥石 ，金云母 ． 蛭石等 。不仅强 度低 ，而 且 基本上 为片状及 鳞 片状的 集合 体 ．含 水 率 为 2 ～6 ，密度 2 ． 7 t ／ m’ ． 单轴抗压强度3 2 MP a．遇水及遇震后极易 软化 ，碎化 。从矽卡岩的一些物理力学性 质及工程开挖实践表 明 ． 该岩不属软岩中 的塑流膨胀围岩 ， 其特点是 含有较多的膨 胀性矿物 如蒙脱石等 和很高的牯粒 ， 胶 粒含量 ．围岩 自稳的时间很短或完全不能 自稳 ．极易发生严重的挤出性变形破坏 。 由于西石 门铁矿南采区采用 的两种采矿方 法均为有底柱崩落法 ．达两种采矿方法的 大部分工 程 ，如电耙道和堑沟巷道等均布 置在矽卡岩中 。因此 ， 对于这种软弱岩体 进行有效地支护是至美重要的 。 2 支护方法的选择 从 1 9 8 7 年 到1 9 9 0 年 ，在西 石 门铁矿 南 区的矽 卡岩巷 道 中 ，均采用 混凝土 整体 衬 砌的支护 ， 衬厚0 ． 3 m 。 在南区1 2 0 n水平的 1 0 个采场 耙道 中有3 个在落矿之前由于衬 体的破坏而进行二次套檀 ． 有5 条耙道在落 矿后 不久 出 了少部分 矿 耙 道 冒落 ，致 使相 当一 部分矿石 无法采 出 ．通过 调查分 析 后认识 到 ，这种 支护 对于软岩巷 道有两 个严重的不足 ； 1 在软岩 中 ． 0 ． 3 m厚的混凝土衬砌 的 支 护体刚 度较大 ．岩 体 自身与混 凝土衬砌 之 间的支 承能力不 能很好 匹配 ，致使 在岩 体 大变形 时先将 混凝土 衬砌 压 坏 ，紧接 着 岩体 自身也破坏 2 混凝土衬砌很难完全与巷道顶板接 顶 ．致使岩体和混凝土衬砌被围岩压力分 别各个 击破丽破坏 ．在巷道 中 ．岩体 的 P i u特征 曲线如 图1 所示 ． P i 为径 向荷 载 ， 1 1 为径 向变形 ．图1 中Pi 轴上的起点 为 巷 道 开 挖 时 的 应 力 ．Pc a 为支 护 抗 力 ． Uo A 为支 护前 巷 道壁 的位 移 ， U _ 为支 护 体的位移 ． UO B 为支护巷道周边的位移 ， 当巷道 周边 位 移到 达B点时 ．出现 失稳 垮 冒现象 ．因此 ， 合 理的支护曲线应为AC 线 ，当支护体 刚度太大 假如不变形 ． 其 承 受的压力为从 ， 大大 的超过 了其在平 衡点承受的荷载C B．而剐度太小时则起不 到支护的作用 A F ． 支护时间也是一个重 要 的因素 ，如 支护 的太 晚 ．也起不 到 支撑 秉性支护在较岩巷蕾中的应用 算长寿 一 l 1 一 维普资讯 的作 用 GH． Pi 应力 图1 巷道中岩体P i U 特征曲线[ 图2 巷 道支 护Pi u曲线 “ A一穗麓 忖瑚 ， B一喷射撬釜 土 0一罐秆 支护 ， D一盒属支粲 巷道 支护 的 各类P i U 曲线如 图2 所 示 。图中有四种形式的支护 ， 其 中混凝土 衬砌支护 刚度最大 ，金属支架支护 刚度最 小 ．而 喷射混凝土和锚杆支护刚度较小 。 属柔 性 支 护 ．我们 认 为 ，对 于 矽卡 岩这样 的软弱岩 体 。 采用柔 性支护无论从理论上 讲 。 还是经过实际的检验 ， 都是 台理的 ． 因此 ， 我们选用喷锚网支护 ． 3 喷锚 网支护的参数计算 3 ． 1 锚杆的选择 为 了选 择 适 于矽 卡 岩 巷 道 维 护 的 锚 杆 ， 对四种锚杆作 了拉拔试 验 ， 见表1。 表 1 中看 出 ，水泥砂 浆锚杆 的锚 固力撮 大 ， 其它三种锚杆的锚固力最小 。由于矽 卡 岩遇水 膨胀 ，在有节 理 裂隙 的地 方极 易 发生 错动 等 原 因 ，采 用全 长锚 固的 锚 杆较 为适 宜 。它能有 效 地 防止 岩体 在沿 着锚 杆 不同深度的位置沿裂 隙而错动变形 以至于 冒落 ，从 而保 持巷 道 的稳定 。因此我 们采 用具有 全 长锚 圃力 的 管缝 式锚 杆 和 水泥 砂 浆锚杆 。绝 太 多数地 段采 用管缝 式 锚杆 。 这是 由于管 缝 式锚杆 有较 大 的垫 板 ，再加 上 耙道 的许 多地 方需 要 压焊 好 的双 筋条 ， 这种 锚杆 的 托板 效应 可 使具有 不 稳定 岩 块 的巷道保持其暂时的稳定性 。 表1 各种型式锚杆的拉拔试验 3 ． 2 锚杆参数的计算 采用组合粱为主的理论 ， 依靠锚杆的 作用将软弱破碎的岩体挤压锚 固成整体 ， 把 属于荷 载的不 稳定 岩 体 。转 化 为稳定 的 承 载 结构 。因 此取 锚杆 的 长度 L_ J L h⋯ h 为承载岩体的高度 m， 由下式计算m ht B 式 中B一一巷道 宽度 2 ． 2 m ； R MR一一岩体工程分级指数 ， 其取值 一 1 2 一 有色矿山 1 9 9 3 4 维普资讯 可 按 z ’ T ’Bi e ni a ws k i 的岩 体 工 程 分 类 参数 及评分 标准 得到“ ’ ． 对 于矽 卡岩 可获 得基 本 分3 9 见 表2 ． 由于 节 理 状 态 与 巷 道 工 程 的 倾 角 一 般 为 2 0 4 5 。 ，应扣 除 1 0 分 ，故此 ．最 后总 得分 为2 9。我们 可求 得h ． 为1 ． 5 6 2 m ．最 终取 锚 杆长度 为L1 ． 6 m 。 表2西石门磅卡岩体稳定性圈3 一喷射混凝土厚度计算简圈 h／ 堡 蔓 曼 一 旦√ 4 R。6 Pi 1 ． 5 ～2 ． 0 r 艮 一r 。 式中K一压力增 大系数 ， 取3 ． 5 R， 一 一混 凝 土 抗 拉 强 度8 8． 2 1 0 ‘． Pa； Pi 一 一喷层 设 计支 护抗力 ，喷 层的 径 向 应 力 为 1 ． 5 ～ 2． 0 倍，最 小 支 护 抗 力Pi 。 i 。 r -一岩体密度2 7 0 0 k g ／ m’ r ． 一 一巷道半径1 ． 1 m； R． 一一最 大 塑性 区半径 ，可取 支护 抗力 ． P i 0． 近似确定 盼嘣 ， 嘞， ，言 鲁鬻 ，等 式 中n 一原 岩应 力 ， 1 0 MP a ； C一粘 结力 ， 1 ． 5 MP a ； ∞一内摩 擦角 ， 3 0 。 求 得 R。 一 1 ． 71 2m ．Pi 2 r R。 一 r 。 3 ． 2 4X1 0 ’ Pa 最 后 可求 得h0 ． 1 1 5 m ． 选h0 ． 1 2 ～0 ． 1 5 m 。 3 ．4 钢筋闷参数的计算 将锚 杆 间的 钢筋 同喷 射混 凝土 与橙动 岩 体看作 构成一组台 梁 ，每 l m范围 内钢筋 的总截 面积为 锚杆的 阿度可 由下式“ ， 来 确定 ； ●●。●_。。。。__●。一 s ／ 0 ．6 T 。。 √ 。 r h 。 式 中s _ 一 锚 杆的 间距 m ； T ． 一单 根锚 杆 的锚 固力 ，由拉拔 试 验 得 出 k g 取 r - 一 岩体 的密度 k g ／ m’。 将 Tc 55 0 0kgf，r 27 0 0kg／ m 。 ， h1 ． 5 6 2 m代人上式可求得S O ．8 8 4 6 m 。 由于还 有 喷射混 凝 土和 钢筋 阿 的支护 ．锚 杆 间距的取值可适 当放宽一些 ，最终锚杆 间距取 值 为0 ． 8 m x0 ． 8 m～ 1 ． O m x1 ． O m 。 3 ． 3 喷 射混 凝土厚度的计算 计 算简 图见图3． 将锚 杆看作支 点 ， 跨 度 为S 的杆间岩体 ，近似为一岩粱 。两锚 杆 间 可 能 出 现 的 松 动 岩 体 的 最 大 高 度 为8 ／ 2。设一 般松动岩体 的高 度为最大高 度 的 1 ／ 3，即高 为s ／ 6 的岩 体 ，与厚 为h 的 喷 层 ，近似构 成一 组台粱 。这样 ，由对应 的 最 大 的弯 曲应 力 ，满 足不 大于 喷 射混凝 土 的设计抗拉强度R I ， 可求得 喷射混凝土的 厚 度h 为“ ’ 维普资讯 、 3 Kp Pi S 。 “ ’i 石 干 面 五 _ i 式 中口 一 一 钢 筋 设 甘 抗 拉 强 度， 2 3 5 M Paj钢 筋 网 的 间距 a r t _ d “ ，取 钢筋直径d；0 ． 0 0 8 m ．钢筋 霄酌层数 n1 ～2。将 相 应 的 参 数 代 人 以上 两式 可 求得钢 筋网 的间距 为0 ． 3 3 m ， 选0 ． 3 m。 ． 4 喷锚网的实施及其效果 用上述计算 的参数 进行支护 时 ，尚需 根据巷 道岩性的实际变 化 ．部分参数进行 适 当调 整 。如在矽卡岩和蚀变闪长岩等软 弱破碎 的 电耙道 中 ．采 用 两 次喷 锚 网支护 fi P n 2 ，每 次钢 筋 网的问距 为0 ． 4 m 。在 其它较 好的岩体 如闪长岩 中 ．采用一次 喷锚 网 。从 1 9 9 0 年下 半 年到 现在 ，总 共支 护 了2 0 个 采场 耙 道，其 中矽 卡 岩 和蚀 变 闪长岩 型 耙道 1 6 个 ．除 三个 采 场 均在 软弱 破 碎的 矽 卡岩 中 ，在 出 了大部分 矿石后 ． 耙道塌 冒外 ， 其 它1 7 个耙道均获得 了很好 的效 果 ，目前有 1 1 个 采 场仍在 回采 或采 准 之 中 与混凝 土衬 砌 支护相 比 ，其耙 道 的 稳定性有 了明显的改善 ． 从而使矿山的回 采各个工序得以顺利进行 。 三 条塌 冒的耙道 的详 细 调查 证 明 ，除 了该耙道的岩体本身的稳同性极差外 ． 频 繁 的 二次 破 碎爆破 的 动 态影 响也是 造成 耙 道 塌 冒的 主 要 原 因 ．特 别 到 了 出矿 的后 期 ．由于二 次爆破 动 载 的重复 作 用 ．使 电 耙 道 中一些 部位 的喷射 混凝土 钢筋 网脱 落 ． 最后导致该部位 的整个桃形矿柱的塌 冒 ．对此 ，目前也正 在研究探索如何维护 在动载下软岩巷道的稳定性问题 。 参考资料 ⋯T‘ Bi e n i a w e k iRo c k Me c h a n i c s De s n h Mi n i ． ng a nd Tunne l i ng ,1 9 8 4 “’ B． H G． Br a dy , R．T． 丑r 口帅 ．Roc kM 自 c ha ni c s f or Unde r g r o un d M i ni ng ． 1 9 85 ． 26 0一 2 91 ． ” ’ T ．R． 斯塔西 - C, H． 佩吉 ． 地下岩石力 学宴 用手册 ． 攥炭 工业出艘杜 ，1 9 9 m 责任编辑黄燮中 上接第3 2 页 老矿 山发展生产 、提高效益必须坚定 不移地依靠新技术 、 新设备 ．竖井是矿山 的咽喉工程 ．因而在设计中应充分考虑矿 山的 技术 、设 备状况 ，现有生 产系统特 点 ， 采用先进技术 、 设备 ，因地制宜地选 取最优方案 ．如副井提升设备将多绳摩擦 轮提机安在坑内 ，以井筒和稠 室取代钢筋 混 凝土 井塔 ，几 年的运 行实践 证 明 ，状况 良好 ， 技术上 可行而又节 省 了投资 ． 责任编辑王家骧 上接第3 9 页 要因素 。执行机构中接触药液的阀体 、 管 道 、球 珠等 采用高 抗腐蚀 塑料 或不锈钢 制做 ．阀体线圈应有防蚀套 ． 控制主机应 采取抗干扰措施 。 此外 ． 完簧操作检查制度也是 电子给 药机正常运行的重要保证 。在药箱和药管 进 口处 应 设 隔渣 网 ，及 时 清除 药 渣 以免堵 塞或影响流量精疫 。 应经常校正标定 ， 做 到合理准确加药 。应避免药费 时 跑冒滴漏造 成电磁阀线 圈腐蚀 ．这样 ．电子给药机方 能充分发挥作用和效益 。 参考文献 略 责任编辑李怀先 维普资讯