淺談井巷中的斷面設(shè)計(jì)及支護(hù)

摘要：在煤礦生產(chǎn)中巷道的斷面設(shè)計(jì)和支護(hù)是非常重要的一項(xiàng)工作。合理的巷道斷面設(shè)計(jì)不僅要充分考慮圍巖的力學(xué)特性，也要兼顧支護(hù)的力學(xué)性質(zhì)。本文筆者簡單就這個(gè)問題闡述了自己的一些看法。

關(guān)鍵詞：巷道 斷面 支護(hù)

煤礦的開采在不斷加深的情況下，巷道所處的圍巖性質(zhì)也發(fā)生著不斷的變化，也相應(yīng)的增加了開采的難度。本文深入研究了巷道斷面的設(shè)計(jì)和支護(hù)方式，進(jìn)而優(yōu)化巷道的支護(hù)方式。

一、目前煤礦巷道斷面設(shè)計(jì)的影響因素

目前我國煤礦井下使用的巷道斷面，按其輪廓線構(gòu)成可以分為折線形和曲線形兩大類。折線形主要有矩形、梯形和不規(guī)則形，而曲線形主要有圓形、馬蹄形、橢圓形、圓弧拱形、三心拱形和半圓拱形等。

在煤礦巷道掘進(jìn)中，巷道斷面的形狀主要由以下因素決定：

（1）巷道所處的位置及穿過的煤層或巖層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和性質(zhì)。

（2）作用在巷道上礦壓的大小和方向。

（3）掘進(jìn)巷道的用途以及其設(shè)計(jì)的服務(wù)年限。

（4）巷道支護(hù)所選用的支架材料和支護(hù)方式。

（5）巷道的掘進(jìn)方法以及采用的掘進(jìn)設(shè)備。

（6）生產(chǎn)成本及安全因素。

1、礦壓大小和方向

多數(shù)情況下，作用在巷道上的礦壓大小和方向、生產(chǎn)成本，在煤礦選擇巷道斷面形狀中起主要作用。頂板壓力和側(cè)向壓力均不大時(shí)，可選用矩形和梯形斷面；頂板壓力較大、側(cè)向壓力較小時(shí)選用直墻拱形巷道斷面；頂?shù)装鍓毫蛡?cè)向壓力都較大時(shí)，應(yīng)選用相對封閉的巷道斷面，如圓形或橢圓形，可以有效地控制巷道圍巖的變形。

2、巷道支架材料和支護(hù)方式

巷道支護(hù)所選用的支架材料和支護(hù)方式也在巷道斷面選擇中起到了不可或缺的作用。如果選用工字鋼支護(hù)，一般巷道斷面選用梯形斷面；對于u型鋼支護(hù)方式，則應(yīng)選用拱形、圓形或者橢圓形巷道斷面。而對于現(xiàn)在廣泛采用的從澳大利亞引進(jìn)的錨桿Ⅲ錨噴支護(hù)方式，一般適宜選用梯形巷道斷面。

3、巷道掘進(jìn)方法和設(shè)備

巷道的掘進(jìn)方法以及采用的掘進(jìn)設(shè)備對巷道斷面也有一定影響。隨著我國現(xiàn)代化的進(jìn)程，煤礦巷道的掘進(jìn)也越來越機(jī)械化。目前巖石平巷掘進(jìn)仍是鉆眼爆破法占主導(dǎo)地位，適用于任何形式的巷道斷面。這些年來，由于錨桿錨噴支護(hù)方式的廣泛采用，以及簡化巷道設(shè)計(jì)和施工的難度，現(xiàn)在巷道斷面多采用半圓拱或圓弧拱形斷面。同時(shí)，對于全斷面掘進(jìn)機(jī)組掘進(jìn)巖石平巷時(shí)，選用圓形巷道斷面則為合適和實(shí)用。

二、巷道的支護(hù)

1、預(yù)留煤柱支護(hù)

留設(shè)煤柱是傳統(tǒng)的保護(hù)巷道的方法，是在上區(qū)段運(yùn)輸平巷和下區(qū)段回風(fēng)平巷之間留設(shè)一定寬度的煤柱，使下區(qū)段平巷避開固定支承壓力峰值區(qū)。區(qū)段平巷雙巷掘進(jìn)，技術(shù)管理簡單，對通風(fēng)、運(yùn)輸、排水、安全都有利。但是煤柱損失高達(dá)10%一30%；且回風(fēng)巷受二次采動(dòng)影響，巷道維護(hù)困難，支護(hù)費(fèi)用高；煤柱支承壓力向底板傳播，不僅影響鄰近煤層的開采和底板巷道的穩(wěn)定，還成為引發(fā)沖擊地壓的隱患。煤柱寬度一般為10～30m。如圖1所示圖1

2、金屬支護(hù)

隨著錨桿錨網(wǎng)等金屬支架的廣泛應(yīng)用，巷道的支護(hù)效果取得了明顯的改善。巷道開掘后，巷道空間上方巖層的重量將由巷道支架與巷道周圍巖體共同承擔(dān)，巷道支架與圍巖體組成一個(gè)共同的承載體系。從總的規(guī)律來看，巷道上覆巖體的重量由巷道支架承擔(dān)的僅占1%～2%，其余的完全由巷道周圍巖體承受。研究表明：巷道支架的工作特性與一一般地面工程結(jié)構(gòu)有著根本性的區(qū)別。支架受載的大小不僅取決于本身的力學(xué)特性，而且與其支護(hù)巷道圍巖體的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，即“支架與圍巖”的相互作用關(guān)系。

3、可縮性支架

金屬支架的承載能力分為極限承載能力和實(shí)際承載能力。極限承載能力是指支架處于剛性狀態(tài)下所允許的最大承載能力，以支架不出現(xiàn)塑形變形為標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際承載能力是可縮性支架在收縮階段表現(xiàn)出的承載能力，由連接件和支架的工作狀況決定。一般情況下實(shí)際承載能力小于極限承載能力，實(shí)際承載能力接近極限承載能力是可縮性支架的理想工作狀態(tài)。

4、錨桿支護(hù)

錨桿是錨固在巖體內(nèi)維護(hù)圍巖穩(wěn)定的桿狀結(jié)構(gòu)物。對地下工程的“圍巖一錨桿”作為支護(hù)系統(tǒng)的主要構(gòu)件，就形成錨護(hù)支護(hù)系統(tǒng)。目前，適用于不同地質(zhì)條件、具有不同功能和用途的錨桿有數(shù)百種，錨桿支架主要有一下幾種：

（1）機(jī)械錨固式。如脹殼式錨桿、倒楔式錨桿、楔縫式錨桿。

（2）粘結(jié)式錨桿。如樹脂錨桿、快硬水泥卷錨桿、水泥砂漿錨桿。

（3）摩擦式錨固式。如縫管式錨桿、水脹式管狀錨桿等。

錨桿支護(hù)促使圍巖由載荷體轉(zhuǎn)換為承載體。盡管錨桿在不同地質(zhì)條件下作用機(jī)理有所不同，但都是在巷道周邊圍巖內(nèi)部對圍巖加固，形成圍巖承載體，有利于圍巖的穩(wěn)定。國內(nèi)外現(xiàn)場對比實(shí)驗(yàn)表明：在同一條件下錨桿支護(hù)與剛性金屬支架比較，巷道圍巖移近量減少一半左右。除了上面介紹的幾類錨桿支護(hù)方式，在實(shí)際生產(chǎn)中，還常用到組合錨桿的支護(hù)方式。一種為當(dāng)我們使用單體錨桿不能有效地控制圍巖時(shí)，常采用組合錨桿支護(hù)。將錨桿與掩護(hù)網(wǎng)、托梁聯(lián)合使用，組成一個(gè)以錨桿為主的整體承載機(jī)構(gòu)。其中錨桿一般為樹脂錨桿，金屬菱形網(wǎng)、金屬經(jīng)緯網(wǎng)、塑料網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)均可以用作掩護(hù)網(wǎng)。目前，實(shí)驗(yàn)效果較好的有以下四種：w 型鋼帶、鋼筋梯子梁、M型鋼帶、兀型輕型鋼帶。另一種為桁架錨桿支護(hù)，桁架錨桿主要由錨桿、拉桿、拉緊器、墊塊等組成，桁架錨桿的主要形式為單式和復(fù)式桁架錨桿。

其實(shí)，在煤礦生產(chǎn)中，無論采用單式或復(fù)式桁架錨桿，在頂板巖層內(nèi)部都會(huì)形成水平和豎直方向的擠壓應(yīng)力區(qū)。錨桿的錨固力和拉桿的預(yù)拉緊力，使頂板的“中性軸”下移，增加了頂板巖層的抗彎能力，減小頂板內(nèi)部及其表面的張應(yīng)力。而對于破碎頂板，桁架錨桿提供的水平壓力增大了沿巷道橫向一組裂隙的摩擦因數(shù)，提高裂隙梁的“完整性”，有利于頂板梁的成拱作用。通過拉桿可以協(xié)調(diào)錨桿之間的受力變形，將同一拉桿的若干根錨桿構(gòu)成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)。另一方面，當(dāng)頂板彎曲變形和下沉?xí)r，拉桿和傾斜錨桿的共同作用使頂板內(nèi)部及其裂隙體中產(chǎn)生更大的擠壓應(yīng)力和摩擦力，減小甚至抵消巷道頂板中部可能產(chǎn)生的拉應(yīng)力，以阻止頂板的進(jìn)一步彎曲和下沉，從而使頂板趨于穩(wěn)定。

總之，巷道斷面的選取是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果，巷道的支護(hù)方式的選擇亦是諸多因素全體作用的結(jié)果，同時(shí)更受到支護(hù)材料的力學(xué)性質(zhì)的影響。