巷道破壞機理與支護形式的選擇與應用

【摘 要】現重點討論巷道的破壞機理及其支護類型和適用條件。

【關鍵詞】巷道；破壞機理；支護類型

1.巷道的破壞機理

1.1巖石的原始應力狀態

開采以前，巖層都處于原始應力狀態。垂直方向上由于上覆巖層的作用形成垂直應力δ1，在垂直應力作用下，巖塊A要沿三個相互垂直的方向（X，r，Z方向）產生變形，而受到相鄰巖體對巖塊側向變形的約束面產生側向應力δ2，δ3；一般認為水平方向上的條件是一致的而且都是由于垂直應力δ1所引起的，所以：

δ1=δ2=δ3=λyH

式中，δ2δ3—側向應力，N/m2；λ—側壓系數，取決巖塊所處力學狀態；H—巖缺所在位置距地表的深度，m。需要指出的是，巖層中的原始應力除重力應力外，還有可能存在的構造應力、溫度應力和膨脹應力等。采動前存在于巖層的原始應力是采動后礦山壓力的來源。

1.2巷道囤巖的應力分布

1.2.1采動、采動空間和圍巖

在巖體中開掘巷道和進行回采工作，稱為對巖體的采動，采動所形成酌空間稱為“采動空間”，采動空間周圍的巖體稱為圍巖，采動空間上方的巖層稱頂板，下方的巖層稱底板，兩側的巖體稱為兩幫。

A采動空間；a 頂板；b，d 兩幫； c 底板

1.2.2巷道的應力分布

采動后圍巖的原始平衡狀態遭到破壞，各部分應力將重新分布，應力重新分布的結果是頂板的兩端出現應力集中區，應力分布。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。結果在其底部出現拉應力，當拉應力超過限度，頂板巖層遭到破壞，圍巖應力的重新分布促使巖層產生新的運動。

1.3自然平衡拱的形成及破壞

當開掘井下巷道或采出煤炭后，頂板被暴露出來，好像—根梁一樣承受著上下巖石的壓力。如果不及時進行支護，經過一段時間，梁將向下彎曲，靠近巷道頂板的巖石產生拉應力，當拉應力超過巖石所能承受的極限時，巖石將產生裂隙；并隨著裂隙不斷增加；巖石開始破碎、脫落下來，其冒落范圍不斷向上發展，最后形成一個巖拱就不再冒落了，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，該壓力超過兩幫巖石強度時，就要產生裂隙，并向巷道內塌落或片幫，巷道兩幫塌落使巷道寬度增大，自然平衡拱也隨之擴大；直到形成新的自然平衡拱。這時，巷道支架柱腿承受兩幫巖石垮落所產生水平推力，這個力就是巷道的側壓。巷道產生的側壓達到新的平衡后，頂板巖石的壓力仍然通過兩幫傳給底板。當底板巖石。較軟時，底板受壓后，巷道的下底部分將鼓起，稱為底壓。沒有足夠的力維護側壓、底壓，巷道將遭到破壞。

綜上所述，掘進巷道時就做好支護工，防止頂板冒落、片幫和底鼓。因此，在掘進巷道過程中，針對巷道圍巖的巖性情況適當選擇恰當的支護類型是十分重要的。

2.巷道的支護類型及其適用條件

2.1巷道的支護類型

根據井下開采的需要，巷道的位置和用途可分為三類即：開拓巷道、準備巷道和回采巷道。三類巷道的支護根據其圍巖特性、位置、服務年限又有所不同，常見的巷道支護有木支護，鋼筋混凝土支護，料石混凝土砌碹，金屬支架和錨噴支護，其中錨噴支護目前應用最為廣泛。

2.2支護類型的適用條件

支護的作用在于改善圍巖穩定狀況和控制圍巖運動發展速度，以維護安全的工作空間。

支護方式的選擇，決定圍巖的穩定狀況，對受工作面采動影響小的巷道，可采用沉縮量小的剛性支護，如井下運輸大巷井底事場一些開拓巷道。對受采動影響大的不穩定巷道，應選用可縮性支護，如采區的準備巷道和回采巷道。

2.2.1木支架

這種支護形式在煤礦掘進生產中比較常見，而且歷史很悠久，主要結構是梯形棚子，常見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，這種方法最簡單。它可以在各種地壓條件下使用。

木棚子的架設質量要求較嚴格，有一點架設不好，將影響棚子支護效果，因此架設時要認真仔細作業，不能馬虎，以免留有后患。

木支護的優點是重量輕，容易加工架設，具有一定的強度和可縮性，其缺點是易燃易腐回收復用率低，維護費用高。為了節約木材盡量少用或不用木材支護。

2.2.2金屬支架

金屬支架具有堅固耐用、防火、架設方便、可回收復用等優點，可做永久支護和臨時支護。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。采用金屬支架支護時，可根據巷道的服務年限，選用鋼筋混凝土背板或木背板。

在地壓較大，尤其是動壓較大的巷道中，使用金屬拱形支架比較理想，它的缺點是重量較大，搬運和修理不方便，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

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

在地壓較大或不均勻地區，拱頂或墻上會出現拉應力，而料石及混凝土等均為脆性材料，它們的抗拉強度都很小（較比抗壓強度），為使碹體不被拉壞，在這些地區應采取針對性措施，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，防止圍巖風化和通風阻力小等優點。但它施工工藝復雜，屬隱蔽工程，管理困難，速度慢，勞動強度大，常有局部空頂作業的情況，易出現頂板人身事故，成本較高。一般只在井筒附近才使用這種支護。

2.2.4錨噴支護

（1）支護原理。錨桿支護是新興的一種支護形式。錨桿支護與一般支架不同，已不是消極地承受巷道的圍巖壓力，而是把圍巖錨固起來，形成支架與圍巖共同作用的受力整體，從而減少圍巖變形防止圍巖冒落。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固穩定的巖層上，在非層狀巖層中，錨桿町將巷道周圍的巖塊彼此拉緊使其形成一個拱。

（2）錨桿的種類。a.木錨桿結構簡單，容易制造、成本低，但錨固力小（10kN左右）使用期限短，一般用于圍巖壓力不大，服務年限不長（1s左右）的巷道，如果經過防腐處理，町服務2—3a。b.壓縮木錨桿錨固力比普通木錨桿大，如果進行防腐處理，使用期限可達5a以上。c.金屬楔縫式錨桿的優點是結構簡單：工作可靠。缺點是使用后一般不能回收，巖層較軟時不能使用。d.金屬倒楔式錨桿的錨固力一般可達40kN以上，適用于服務年限3a以上的巷道，如果服務年限很長，鉆眼孔中最好注入水泥砂漿。e.藥卷錨桿的錨固力比倒楔式還要大，可達50kN以上，因此它被廣泛地應用于各類巷道支擴中。唯一的缺點是藥卷的浸泡程度不好掌握，初期錨固力低。I：鋼絲繩砂漿錨桿結構簡單制造容易，成本低，可利用廢舊鋼絲繩做原料，錨固力大。缺點是不能立即產生實錨力。如果將鋼絲繩砂漿錨桿配合噴漿使用，可用在服務年限較長的主要巷道和硐室，、此外，它還可用來防止巷道底鼓。

（3）錨桿支護的優點。錨桿支護與其它支護方式相比，其優點是：堅固、耐用、安全可靠，巷道維護量少；施工藝簡單，勞動強度低；可緊跟掘進工作面便于組織，掘進支護平行作業和一次成巷；有利于實現快速掘進和支護機械化；可縮小巷道斷面約10%-20%，節省大量建筑材料，掘進費用低。它的缺點是人工打頂板眼困難。單純的錨桿支護，不能防止圍巖的風化和脫落。為此錨桿支護最好和噴漿（或噴射混凝土）支護聯合使用。有時與掛金屑網和噴漿共同使用以達到支護的目的。

3.結論

綜上所述，采動前存在于巖層中的原始應力是采動后礦山壓力的來源，開掘后巷道的應力發生變化重新分布。而支護的作用在于改善圍巖穩定狀況和控制圍巖運動發展速度，以維護安全的生產空間。所以，巷道的支護是必要的。在井下掘進中，針對工作現場的實際，確定使用正確的支護方式，既能很好地支護巷道，保證正常的安全生產，又能避免不必要的浪費。