李輝
摘 要:煤礦的礦坑、礦井周圍的巖層容易被破壞,軟巖巷道的安全支護顯得尤為重要。如果采挖的深度繼續(xù)加大,在應(yīng)力的作用下,地下開采容易產(chǎn)生更多的軟巖巷道安全問題。我國煤炭資源豐富,地下巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,軟巖巷道安全問題一直是威脅煤礦安全開采的因素。研究軟巖巷道的支護技術(shù)和控制技術(shù),可以為煤礦業(yè)的巷道安全提供方案,完善巷道安全理論,對煤礦施工和生產(chǎn)具有巨大的安全意義。
關(guān)鍵詞:煤礦;軟巖巷道;控制技術(shù)
前言
煤礦的安全建設(shè)與安全開采問題,一直是巷道挖掘工程的難題。文章將針對軟巖巷道的控制方式進行闡述,對比各自的特點,努力尋求一種或幾種有效的破碎軟巖巷道的控制技術(shù)。
1 軟巖概念簡述
由于研究方向不同,對軟巖主要從三個方面進行定義,第一種是從軟巖層的物理結(jié)構(gòu)—松、軟、散—進行分析。一般認為,軟巖形成時間短,膠結(jié)性差,巖體無法形成結(jié)構(gòu)一致的整體。第二種是國際通用定義,是軟巖的數(shù)字定義:單軸抗壓強度范圍是0.5-25Mpa。第三種是我國學者提出的工程定義,以“松動圈”為關(guān)鍵詞,軟巖是其厚度在1.5M以上的圍巖。
2 破碎軟巖巷道支護原理及控制機制
2.1 國外軟巖支護理論簡述
在最初的巷道研究,國外大部分學者認為,巷道上覆巖層的重量即為作用在支護結(jié)構(gòu)的壓力力量(F=γ·H),但是由于受當時技術(shù)的限制,深部地下工程較少,這個理論多為總結(jié)淺部地下工程,所以一直被認為是正確的。但是隨著深挖技術(shù)的發(fā)展,F(xiàn)=γ·H理論與最新的工程實踐存在矛盾,舊理論一度忽略了新的安全問題,所以相關(guān)學者不得不重新思考,找出解決深部巷道的支護問題,坍落拱理論應(yīng)運而生,該理論認為,破碎軟巖巷道的工程跨度與四周圍巖性質(zhì)決定了坍落拱的高度與范圍。而國外較先進的理論是數(shù)值計算理論,該理論與計算機模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用有密切聯(lián)系,利用模擬軟件的離散元法、有限單元法等,為此理論提供技術(shù)支持。技術(shù)人員創(chuàng)造了連續(xù)介質(zhì)力學方法和非連續(xù)介質(zhì)力學方法。連續(xù)介質(zhì)力學方法可以模擬巖體,需要將其等效成為一種連續(xù)固體介質(zhì),遵循固體力學的方法分析其在工程荷載下的力學特性與破壞過程。非連續(xù)介質(zhì)力學方法的理論較為復(fù)雜,涉及不連續(xù)變形分析、塊體理論等。石根華與Goodman為不連續(xù)變形分析方法建立了一整套塊體系統(tǒng)運動學理論,完整的描述了非連續(xù)面巖體的運動和變形規(guī)律。
2.2 國內(nèi)軟巖支護理論簡述
1950年代,我國學者提出軸變論:軸比變化對圍巖變形和破壞的作用理論,該理論主要研究靜力與連續(xù)介質(zhì),在當時屬于較為先進的一種理論,認為巷道圍巖破壞的根本原因是地應(yīng)力。而具有我國傳統(tǒng)文化的理論是聯(lián)合支護理論,該理論較為靈活的采取先柔后剛的方法,認為單純強調(diào)剛性支護不可取,可以先支撐再讓壓,不能一味與地質(zhì)應(yīng)力抗衡,否則一損俱損,沒有緩和余地。此理論體現(xiàn)了我國的中庸文化。當代較為先進的支護理論是關(guān)鍵部位耦合支護。該理論認為,如果巷道支護強度與周圍巖體的應(yīng)力總和不耦合,容易造成巷道破壞。該理論要求支護需要靈活,采用面和關(guān)鍵點雙重支護的方法。
對于支護理論,我國學者還提出多種觀點,大都針對巷道圍巖的形變提出的,具有各自的特點,形成了各自的理論系統(tǒng)。
3 軟巖支護的不足之處
3.1 錨桿的不足之處
在研究錨桿支護方式時,其主要參數(shù)是預(yù)應(yīng)力,如果預(yù)應(yīng)力越低,錨桿的主動性變差,強度變?nèi)酰苯訉е聡鷰r強度大幅度降低,巷道就會出現(xiàn)嚴重的塑性形變,存在重大的安全問題。錨桿的預(yù)應(yīng)力是判斷錨桿支護能力的標準,所以在設(shè)計與安裝之前,必須嚴格采集各項數(shù)據(jù),精確計算,讓錨桿發(fā)揮應(yīng)有的價值。
3.2 設(shè)計與施工存在漏洞
我國工程普遍存在“差不多”現(xiàn)象,同樣出現(xiàn)在軟巖的施工過程,如爆破范圍控制不足,導致爆破范圍超出了設(shè)計要求,產(chǎn)生蝴蝶效應(yīng):巷道的尺寸過大,與巷道的設(shè)計初衷不符,要修改設(shè)計,還要修改支護結(jié)構(gòu);爆破不足同樣不能達到預(yù)期。不管是爆破不足或者爆破超限,勉強施工建設(shè),都會造成巷道的結(jié)構(gòu)容易破碎和坍塌。在工程驗收過程,由于種種利益關(guān)系,驗收人員也抱有“差不多”心態(tài),睜一只眼閉一只眼,對標準流程視而不見,留下安全隱患。
3.3 支護設(shè)施強度不夠
地應(yīng)力是軟巖巷道的主要施加外力。在做支護之前,需要對地應(yīng)力進行準確評估,但是由于相關(guān)技術(shù)的局限和地形復(fù)雜性,時常造成地應(yīng)力估計不足,導致巷道內(nèi)部的支護設(shè)計強度不足,發(fā)生形變。在實踐中,地應(yīng)力尤為強大,即使使用了較為先進的聯(lián)合支護,也無法徹底解決巷道的變形問題。更為嚴重的是,大多巷道工程還沒竣工,早期的工程已經(jīng)出現(xiàn)形變,甚至完全不能使用了。
4 解決破碎軟巖巷道的措施
4.1 科學選擇巷道的橫截面
地下巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一條巷道承擔的壓力,不僅僅來源于頂層上的壓力,在某些巖層結(jié)構(gòu)中,側(cè)面壓力也許會高于頂壓幾倍、十幾倍甚至幾十倍。所以需要合理選擇巷道橫截面,易于維持巷道的穩(wěn)定性。可以根據(jù)地應(yīng)力的大小和方向來判斷巷道斷面,如果地應(yīng)力小,則可以選用傳統(tǒng)的拱形支護,如果地應(yīng)力較大,可以選用圓型巷道截面。另外還要單獨測試不同方向的地應(yīng)力;如果頂部壓力最大,在選用拱形或者圓形斷面的同時考慮選用立式橢圓;如果水平壓力最大,可以選用高跨比小于1的臥式橢圓形支護手段,實事求是的選擇不同方式。巷道支護工作實施的時候,可以根據(jù)軟巖的形變規(guī)律,有目的的加高、拓寬巷道的初形尺寸,避免后期的巷道圍巖形變。
4.2 加強支護強度
選擇好合適的巷道橫截面,要進一步考慮所選支護的特性,支護強度是直接解決軟巖形變的方法,其特性包含強度、彈性、伸縮性等,提高支護設(shè)施的主動支護功能,可以卸壓或者讓壓,盡快穩(wěn)定開挖后的巷道應(yīng)力。穩(wěn)定后立即涂抹、噴射混凝土,密封巖層表面,達到防止吸潮、風化脫落的目的。然后再架設(shè)具有足夠支撐力同時具有柔性的支護。達到初步穩(wěn)定后,需要利用電子儀器實時監(jiān)測支護變形,根據(jù)數(shù)據(jù)判斷一次支護能否應(yīng)對巷道形變,如果發(fā)生較大的形變,要及時加強措施,可以加密支護設(shè)備。在巷道開挖后,即使沒有發(fā)生較大的形變,也要采取二次保護措施,同一次支護要求相似,需要支護設(shè)備具有讓壓、伸縮的特性,用以緩沖應(yīng)力,達到平衡軟巖增長的壓力,到達足以避免突發(fā)形變的可能。如果隨著巷道的加長,巷道的形變坍塌風險逐漸加大,所以單一的支護方案是不夠的,建議每個3個月,要增加一次支護,用以吸收逐漸增大的應(yīng)力。
4.3 改變開鑿截面的形狀
在充分測量的基礎(chǔ)上,分析軟巖巷道頂面和兩個側(cè)面的應(yīng)力分布,采用拋物線形的端頭,可以有效避免新挖掘的巷道的發(fā)生形變甚至斷裂,同時盡早用水泥封住軟巖斷口,避免應(yīng)力過大造成斷口繼續(xù)斷裂脫落,而且通過填補層理和節(jié)理發(fā)育的軟巖縫隙,在一定程度上可以提高巷道圍巖的強度,改變松散的特性。
5 結(jié)束語
綜上所述,地下軟巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,遠遠超出人們的可預(yù)見能力,包含煤礦的開采在內(nèi),任何地下工程都要面對復(fù)雜多樣的地質(zhì)環(huán)境,需要技術(shù)人員、施工人員本著以人為本的心態(tài),科學嚴謹?shù)臏y量地下軟巖結(jié)構(gòu),盡心應(yīng)對軟巖巷道的形變。在特定的軟巖巷道建設(shè)中,要全方位采集數(shù)據(jù),分析軟巖巷道的各類不穩(wěn)定因素,做到實事求是的測量,實事求是的施工,利用先進的理論和先進的技術(shù),對煤礦的安全生產(chǎn)作出努力。
參考文獻
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