井巷-第八章 特殊條件下的巷道施工

1、第八章 特殊條件下的巷道施工,與淺部穩(wěn)定地層相比較 ，深部地層具有應(yīng)力高、巖體松軟、膨脹性較大、自穩(wěn)定能力極差等特點(diǎn)；若揭開含有瓦斯煤層時，常會發(fā)生煤與瓦斯突出事故。通常將具有上述特點(diǎn)的巷道稱為特殊巷道。,簡言之，特殊巷道：處于高應(yīng)力地層中、圍巖松軟且具有膨脹性、自穩(wěn)能力極差、具有瓦斯突出危險的巷道。通常分為軟巖、松軟巖巷道和具有煤與瓦斯突出危險巷道兩大類。,§8.1 軟巖巷道施工,1、 軟巖巷道的變形特征,軟巖巷道開挖中

2、，最突出的一個特點(diǎn)：就是圍巖松動范圍大，圍巖變形速度快，變形量大，若支護(hù)不及時或支護(hù)不合理時，軟巖巷道的圍巖往往會發(fā)生過量變形，以致使支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生大量破壞。,其圍巖變形主要具有如下特征：,一、軟巖巷道變形呈蠕變變形三階段規(guī)律，并具有明顯的時間效應(yīng)。初期來壓快，變形量大，若此時不加以控制，很快就會發(fā)生巖塊冒落、巷道破壞；如果此時采用不能適應(yīng)軟巖大變形特性的剛性支架，則支架也會很快被壓壞（進(jìn)而可能會導(dǎo)致巷道的破壞）。,因此，在此狀況下支護(hù)時

3、，必須根據(jù)軟巖的變形特點(diǎn)，既要對變形加以控制（防止巷道破壞），又要允許軟巖有一定的變形（釋放一部分能量）。即應(yīng)采用具有彈性性質(zhì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。,⑴ 巖石蠕變的概念,蠕變：在應(yīng)力不變的情況下，巖石的變形隨時間而增長的現(xiàn)象。,巖石蠕變有兩種類型：穩(wěn)定型蠕變 非穩(wěn)定型蠕變,①穩(wěn)定型蠕變： 在恒定應(yīng)力作用下，巖石變形速率隨時間遞減，最終趨于零，一般發(fā)生在較小應(yīng)力下或硬巖中。,②非穩(wěn)定型蠕變： 巖石在恒定應(yīng)力作用下，巖石

4、變形隨時間不斷增長，直至破壞。一般發(fā)生在軟弱巖石或應(yīng)力較大狀態(tài)下。,⑵ 蠕變曲線變化特征,巖石的蠕變特性曲線可分為三個階段：,Ⅰ階段：初期蠕變 應(yīng)變－時間曲線向下彎曲，應(yīng)變速率由大變小。屬彈性變形。如果應(yīng)力驟降到零，則為瞬時彈性變形，而后隨時間慢慢退到應(yīng)變?yōu)榱?，這時無永久變形，材料仍保持彈性。,Ⅱ階段：等速蠕變 應(yīng)變－時間曲線近似直線，應(yīng)變隨時間呈近于等速增長，出現(xiàn)塑性。如果把應(yīng)力驟降到零，則會出現(xiàn)永久變形。

5、,Ⅲ階段：加速蠕變 應(yīng)變－時間曲線向上彎曲，其應(yīng)變速率加快直至破壞。,并非所有的蠕變都能出現(xiàn)等速蠕變階段，只有蠕變過程中結(jié)構(gòu)的軟化和硬化達(dá)到動平衡，蠕變速率才能保持不變。,二、軟巖巷道圍巖變形有明顯的空間效應(yīng)。即軟巖在距離掘進(jìn)破巖工作面一倍寬的地方就基本上不受掘進(jìn)工作面的影響和擾動。 軟巖巷道的變形隨掘進(jìn)深度的增加而加大，巷道的所在深度不僅對圍巖的變形和穩(wěn)定狀態(tài)有明顯的影響，而且其影響程度要比巖層的堅(jiān)硬度大得多。

6、在不同應(yīng)力的作用下，軟巖巷道的變形具有明顯的方向性。,三、多表現(xiàn)為巷道四周受壓，且為非對稱性。不僅頂板下沉量大，易冒落，同時也有可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的底鼓現(xiàn)象，并常伴隨有兩幫劇烈位移，以致引發(fā)兩幫破壞，頂板塌落。 尤其是黏土層，由于浸水崩解和泥化所引起的底鼓更為嚴(yán)重。,四、軟巖巷道的自穩(wěn)定能力極差，圍巖變形對應(yīng)力擾動和環(huán)境變化非常敏感。 當(dāng)軟巖巷道受到鄰近開掘施工或修復(fù)巷道、水的浸蝕，爆破震動等影響或擾動時，都會引起巷道

7、圍巖變形的急劇增長。,由于上述特性，松軟圍巖的自穩(wěn)時間通常很短，有的頂板一暴露就立即冒落。松軟圍巖的自穩(wěn)能力主要與圍巖暴露面的形狀、面積、巖體的殘余強(qiáng)度、原巖應(yīng)力、以及掘進(jìn)施工工藝有關(guān)。 通常情況下的巷道圍巖自穩(wěn)能力與圍巖的巖性、巷道的斷面形狀有關(guān)。,因此，必須掌握軟巖的變形特性，才能合理確定巷道位置，選擇合理的掘進(jìn)施工方式和支護(hù)方式及措施，進(jìn)而充分利用圍巖與支護(hù)相互作用，有效提高巷道圍巖的自穩(wěn)時間，加快掘進(jìn)進(jìn)度，降低施工成

8、本。,2、軟巖巷道治理技術(shù),由前面討論可知，僅從施工技術(shù)和工藝方面采取措施，是無法解決軟巖巷道施工及后期維護(hù)等困難問題。因此，必須運(yùn)用系統(tǒng)工程的思想綜合指導(dǎo)軟巖巷道施工的全過程。 即要從巷道的勘察、選址、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測等方面全方位地采取措施，對每一個環(huán)節(jié)都要從有效提高巷道的整體性、自穩(wěn)能力方面來考慮，做出科學(xué)合理的決策，采取合理的措施：,一、要充分了解和掌握詳盡的地質(zhì)資料,井巷工程的掘進(jìn)施工以及后期的工作環(huán)境都是處于地下巖

9、體內(nèi)，因此，井巷的安全性、經(jīng)濟(jì)性、正常使用功能等都與所處的地質(zhì)環(huán)境和條件密切相關(guān)。,由于巷道的開掘，破壞了巖土體的原始平衡狀態(tài)和條件，引起巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，絕大多數(shù)的圍巖都會因之產(chǎn)生各種形式的變形、破壞，嚴(yán)重時甚至可以延伸影響到地表。,所以，在井巷建設(shè)前期，必須深入細(xì)致的進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，摸清基本地質(zhì)、地形、地貌情況和巖體的基本工程特性，特別是工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力場狀態(tài)以及主要巖層的巖性條件，還要盡量獲取與工程相關(guān)

10、的各種資料，并對各類資料做出科學(xué)的分析和正確的評價。,二、選擇合理的巷道位置,合理選擇巷道位置是保證巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵措施之一。選址巷道位置時應(yīng)重點(diǎn)考慮如下幾個方面：,⑴ 盡量把巷道布置在強(qiáng)度大、遇水膨脹性小、地質(zhì)構(gòu)造和水文條件簡單、巖性比較堅(jiān)硬的巖層內(nèi)。在同一巷道內(nèi)，即使圍巖性質(zhì)只有微小的差異，巷道壓力也會顯現(xiàn)出明顯的差別。,,⑶ 盡量避免巷道在空間上重疊、密集交叉，硐室群的施工應(yīng)根據(jù)所處的地質(zhì)環(huán)境和條件，尤其考慮對巷道穩(wěn)定性的

11、影響，優(yōu)化選擇施工順序和施工方法。,⑷ 應(yīng)使主要巷道避免受到采動壓力的影響?；夭晒ぷ鳡顟B(tài)對采區(qū)巷道的變形與破壞影響最大。煤層開采以后，其底板巖石大巷圍巖的壓力會明顯提高，這是造成煤層底板巖石大巷破壞的主要原因。因此，應(yīng)把巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)為最好。,三、選擇合理的巷道斷面形狀,由于松軟巖層的地質(zhì)情況非常復(fù)雜，使巷道的受力狀態(tài)也非常復(fù)雜。因此，合理選擇有利于維護(hù)松軟巖層巷道的穩(wěn)定的斷面形狀尤為重要。,斷面形狀的選擇主要是根

12、據(jù)地壓的大小和作用方向。 ⑴ 若地壓較小，選用直墻半圓拱形巷道是合理的； ⑵ 若巷道周圍均受到很大的壓力，選擇圓形巷道為宜； ⑶ 若垂直方向的壓力很大而水平方向的壓力較小，選用直立橢圓形斷面或近似橢圓形斷面是比較合理的； ⑷ 若垂直方向壓力較小而水平壓力很大，宜選擇曲墻或矮墻半圓拱帶底拱，其高跨比小于1的斷面，或平臥橢圓形斷面。,四、選擇合理的破巖方法,在松軟巖層巷道中掘進(jìn)施工時，破巖

13、方式的選擇應(yīng)以保持圍巖的穩(wěn)定和整體性、不破壞或少破壞巷道圍巖為原則。,如果條件允許，最好選擇全斷面機(jī)械破巖方式；如果采用風(fēng)鎬等機(jī)械方式破巖能滿足進(jìn)度要求，則可選擇機(jī)械破巖方式；如果選用爆破方式破巖，在應(yīng)采用光面爆破技術(shù)。,光面爆破：是一種能充分利用和有效控制爆炸能量、對圍巖破壞較小的破巖方法。該方法能使巷道成型規(guī)整、圍巖穩(wěn)定、最大限度地減少危巖和炮震裂縫，提高巷道自身承載能力，既能在很大程度上保證施工安全，又可以提高支護(hù)效果。因此，光面

14、爆破是采用錨噴支護(hù)的前提和基礎(chǔ)，也是錨噴支護(hù)頂板控制的關(guān)鍵。,五、采用合理的支護(hù)方式,在軟巖巖層中的巷道一經(jīng)掘出，如果不及時加以控制，則圍巖的變形會發(fā)展很快，甚至在圍巖的深處也會產(chǎn)生不同程度的位移，以致可能出現(xiàn)圍巖碎裂、流變、垮塌。,對此，支護(hù)應(yīng)當(dāng)以“強(qiáng)化圍巖、整體承載、允許變形、適當(dāng)讓壓、控制巷道斷面”為原則。通過支護(hù)加強(qiáng)巷道圍巖的整體性，提高巷道圍巖的整體承載性能；,通過合理的支護(hù)來抵制壓力、釋放壓力，有效控制巷道的整體變形。支護(hù)結(jié)

15、構(gòu)應(yīng)具有“先柔后剛”的特性，一般需要二次支護(hù)。二次支護(hù)的作用在于進(jìn)一步提高巷道的穩(wěn)定性和安全性，因此，二次支護(hù)應(yīng)采用剛度較大的結(jié)構(gòu)形式。,六、 預(yù)防和治理底鼓,軟巖巷道，特別是在具有膨脹性巖層中巷道，通常會發(fā)生底鼓現(xiàn)象。底鼓是造成巷道破壞的重要原因。凡是在軟巖中掘巷施工時，若不治理底板就實(shí)施支護(hù)，其結(jié)果往往是底板先行嚴(yán)重鼓起，而后兩幫失穩(wěn)，最后頂板冒落，直至巷道全部破壞。因此，在軟巖巷道施工中，必須注重和加強(qiáng)對底鼓的預(yù)防和治理。,巷道所

16、處位置的軟巖巖層地應(yīng)力增大、巖石強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)松散、礦井水浸蝕、采動壓力的影響、破巖施工的擾動、地質(zhì)結(jié)構(gòu)性態(tài)、圍巖暴露時間的長短等，都是造成巷道底鼓的原因。因此，應(yīng)首先查清造成底鼓的主要原因再確定合理的治理措施和方案,常見的幾種底鼓類型，參見本教科書 P298。,七、加強(qiáng)水的治理,地下水的賦存與活動，既影響圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，又影響圍巖的強(qiáng)度，進(jìn)而影響巷道的穩(wěn)定。水對軟弱巷道圍巖的影響尤其嚴(yán)重。因此在巷道施工和后期使用過程中都必須加強(qiáng)對水的綜

17、合治理。,八、 加強(qiáng)巷道圍巖監(jiān)測,監(jiān)測和測試是軟巖巷道在施工過程中和后期使用中必須實(shí)施的重要環(huán)節(jié)和施工內(nèi)容的重要組成部分。由于在施工的每個作業(yè)環(huán)節(jié)中都存在著不確定因素，圍巖的應(yīng)力和位移的變化也存在許多不可預(yù)見性，因此，巷道施工監(jiān)測就顯得尤其重要。,施工監(jiān)測的主要目的：在于為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；監(jiān)測巷道圍巖狀態(tài)，控制圍巖變形；監(jiān)測支護(hù)效果，確定二次支護(hù)的時間等。,在施工過程中，需要監(jiān)測的主要信息： 圍巖表面及其深部的位移、應(yīng)

18、力變化、圍巖與襯砌（錨噴層）之間的接觸壓力、襯砌內(nèi)部的應(yīng)力、頂板離層、底板起鼓、錨桿（索）受力狀態(tài)等。對應(yīng)力大的礦井，還應(yīng)量測構(gòu)造應(yīng)力場的狀態(tài)。,3、 軟巖巷道支護(hù)技術(shù),一、 初始（一次）支護(hù),軟巖巷道每一個施工段開掘成形后，要立即進(jìn)行一次支護(hù)。,一次支護(hù)的主要目的：在于加固圍巖，提高圍巖的自承載能力，同時，允許圍巖在可有效控制范圍內(nèi)釋壓變形，以適應(yīng)軟巖的力學(xué)特性。,因此，初始支護(hù)應(yīng)按照圍巖與支架共同作用的原理，選用剛度適宜、具有一定柔

19、性或可縮性的支護(hù)結(jié)構(gòu)。錨噴網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)能與圍巖形成密切結(jié)合的結(jié)構(gòu)體，并允許圍巖有一定的變形，是一種較為理想的初始支護(hù)方式。,目前，松軟巖層巷道的錨噴網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)有：錨網(wǎng)噴、桁架錨網(wǎng)噴、鋼筋梯錨網(wǎng)噴、鋼帶錨網(wǎng)噴等多種形式。 在膨脹性圍巖或破碎易冒圍巖中施工時，都應(yīng)先噴速凝混凝土30～50mm厚，及時保護(hù)和封閉圍巖；然后再打錨桿眼，設(shè)錨桿掛網(wǎng)，再噴一次混凝土30～40mm厚將網(wǎng)覆蓋。,二、 二次支護(hù),一次支護(hù)的根本作用是加固并提高圍

20、巖的整體性和自穩(wěn)能力，同時允許圍巖在保證巷道安全的條件下釋放變形能。 在圍巖變形穩(wěn)定后，為保證巷道長時間的穩(wěn)定和生產(chǎn)服務(wù)期的安全，應(yīng)當(dāng)給巷道圍巖提供最終的支護(hù)強(qiáng)度和剛度，就是要進(jìn)行二次支護(hù)，同時也起到了一定的安全儲備作用。,二次支護(hù)滯后一次支護(hù)的時間，稱之為二次支護(hù)時機(jī)，是實(shí)現(xiàn)二次支護(hù)效果的關(guān)鍵所在。因此，必須加強(qiáng)對巷道圍巖的監(jiān)測，并待圍巖變形穩(wěn)定后，把握最佳時機(jī)進(jìn)行二次支護(hù)。二次支護(hù)要與一次支護(hù)密貼結(jié)合，共同承受圍巖壓