地下工程课程设计暗斜井碎胀软岩支护设计

《地下工程课程设计暗斜井碎胀软岩支护设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地下工程课程设计暗斜井碎胀软岩支护设计（33页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、土木建筑学院课 程 设 计 说 明 书课程名称： 地 下 工 程 设计题目：煤矿760m暗斜井碎胀软岩支护设计专业(方向)：土木工程（岩土工程）班级：08级2班设 计 人： 指导教师： 土木建筑学院2011年 7 月 4 日课程设计任务书专业（方向）：土木工程（岩土） 班级： 2008级2班 学 生 姓 名： 学号： 一、 课程设计题目：煤矿-760m暗斜井碎胀软岩支护设计 二、 原始资料： 1、煤矿-760m暗斜井工程概况 2、地质条件 3、巷道破坏状况 三、 设计应解决下列主要问题： 1、巷道破坏机理分析 2、支护方案选择 3、支护参数设计 四、 设计图纸： 1、巷道支护设计断面图 五、命

2、题发出日期： 2011.7.4 设计应完成日期： 2011.7.15 设计指导人（签章）： 日期： 年 月 日指导教师对课程设计评语 指导教师（签章）： 日期： 年 月 日目 录（小二、黑体）1 原始条件（小三宋体、1.5倍行距） 5 1.1 暗斜井工程概况 51.2 地质条件 5 1.3 围岩状况分析71.4 围岩破坏情况72 巷道破坏机理分析11 2.1岩体自身属性 11 2.2环境因素13 2.3支护结构 203 支护设计 22 3.1支护原则确定 22 3.2支护方案选择23 3.3支护参数计算294结语 32 参考文献321原始条件1.1暗斜井工程概况新河矿暗斜井净断面图某煤矿地面标

3、高+45m。-760水平暗斜井包括轨道、皮带、回风三条暗斜井。其中回风暗斜井全长851.83m，倾角250；轨道暗斜井全长960m，倾角220；胶带暗斜井全长996m，倾角210；-760m水平三条暗斜井设计断面均为直墙半圆拱形，支护方式为锚带网，其中锚杆直径为18mm、长为2m的等强金属螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800mm800mm，金属网为直径4.5mm、网孔100mm100mm的冷拔丝焊结而成。三条暗斜井掘进300m左右时，其中回风和轨道暗斜井破坏最为严重，后经修复，目前仍处于不稳定状态。1.2 地质条件-760m水平三条暗斜井均位于坡刘庄保护煤柱内，其中向北邻近一采区，向东北邻近工业广场

4、保护煤柱，当三条暗斜井即回风暗斜井、轨道暗斜井及胶带暗斜分别到达大约-430、-456和-512水平时，将穿越嘉祥支三大断层，该断层倾角300，落差在120m600m之间，预计断层附近断裂构造将较为发育，也有可能伴生其它构造，另外，由于对嘉祥支三大断层勘探资料较少，对断层的赋水性、导水性、断层带的宽度、充填状况、胶结程度等还有待于进一步查明，或者当工程快接近该断层时，用打超前钻孔的办法详细查明断层的赋存状况，以便为采取有针对性的措施提前作好准备。总之，-760m水平三条暗斜井将绝大部某煤矿地面标高+45m。-760水平暗斜井包括轨道、皮带、回风三条暗斜井。其中回风暗斜井全长851.83m，倾角

5、250；轨道暗斜井全长960m，倾角220；胶带暗斜井全长996m，倾角210；-760m水平三条暗斜井设计断面均为直墙半圆拱形，支护方式为锚带网，其中锚杆直径为18mm、长为2m的等强金属螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800mm800mm，金属网为直径4.5mm、网孔100mm100mm的冷拔丝焊结而成。三条暗斜井掘进300m左右时，其中回风和轨道暗斜井破坏最为严重，后经修复，目前仍处于不稳定状态。-760m水平三条暗斜井均位于坡刘庄保护煤柱内，其中向北邻近一采区，向东北邻近工业广场保护煤柱，当三条暗斜井即回风暗斜井、轨道暗斜井及胶带暗斜分别到达大约-430、-456和-512水平时，将穿越嘉祥支

6、三大断层，该断层倾角300，落差在120m600m之间，预计断层附近断裂构造将较为发育，也有可能伴生其它构造，另外，由于对嘉祥支三大断层勘探资料较少，对断层的赋水性、导水性、断层带的宽度、充填状况、胶结程度等还有待于进一步查明，或者当工程快接近该断层时，用打超前钻孔的办法详细查明断层的赋存状况，以便为采取有针对性的措施提前作好准备。总之，-760m水平三条暗斜井将绝大部分在3煤顶板岩层中掘进，预计到达-750m水平左右时可能穿过3煤并进入底板岩层中。1.3围岩状况分析-760m水平三条暗斜井所穿越的岩层从下往上为细砂岩、3煤、粉砂岩、中砂岩、泥岩、细砂岩、泥岩等等，而目前掘进实际揭露的顶底板及

7、围岩却为泥质软岩，平均坚固性系数在3左右，其特征是易吸湿、易膨胀、易解体、易剥落以及塑性流变性能大等特征，这是泥岩类中属于质量最差、最难控制的一类泥质软岩。根据现场实际观测、岩样初步实验及数码照片的仔细研究，得出了两点初步结论：（1）三条暗斜井目前已揭露的围岩属于标准的不良地层，其特点是：易吸湿、易膨胀、易解体、易剥落以及塑性流变大等特点，对该类围岩有效控制变形难。（2）三条暗斜井的围岩经过定量的划分，属于类围岩，该类围岩的力学特点是：不稳定、无自稳能力或自稳时间很短；其破坏方式为：易冒顶、易片帮、易底臌、并随时间的延续会发生较大的塑性流变变形。1.4 围岩破坏状况-760m水平三条暗斜井几乎

8、是平行掘进，各条掘进进尺大约都在300m左右，比较这三条暗斜井围岩破坏状况可以发现，胶带暗斜井围岩破坏状况稍轻，回风暗斜井和轨道暗斜井破坏状况却极为严重，后经修复加固之后，目前仍处于极不稳定状态。目前暗斜井的破坏状况如图1图4所示。图1 760m水平回风暗斜井距掘进工作面5m处顶板破坏状况根据现场的实际考察和对图14的分析研究，暗斜井围岩的破坏状况具有以下特点：（1）爆破后，若支护不及时，顶板岩层便发生大面积的冒落，其冒落高度还有待于进一步观测。图23为顶板岩层在及时支护的情况下，在不到几天的时间里，顶板便发生了严重变形，下沉量达半米之多，同时还出现了喷层剥落及钢筋裸露等现象，并伴有35cm宽

9、的顶板断裂缝隙，断缝深度有待测试。（2）两帮变形也极为严重，在没有及时支护的情况下，将出现大面积的塌落或滑塌。图4为及时支护之后两帮的变形和破坏情况，虽然没有出现大面积的整体滑塌现象，但却出现了向临空间的整体移动，使得两帮的相对移近量近一米，这样已严重影响了行人安全和设备的正常运转。（3）底板变形破坏极为严重，即底臌量大，截止到目前为止，底板累计底臌量已达近一米，出现了道轨扭曲，行人台阶松动变位等现象。图5为最近卧底之后在不到几天的时间里所表现出现的破坏状况，可见底板变形仍处于极不稳定状态，并随着时间的延续还在继续发展，其性质具有塑性流变性。总之，-760m水平暗斜井无论是顶板、底板、还是两帮

10、其矿压显现都极为严重，这种矿压显现将不同于一般的矿压显现，它还具有随着时间的延续而表现出来的塑性流变性。所以，针对这种特殊性质的矿压显现，必须采取一种特种支护体系，才能长期而有效的控制住暗斜井变形破坏。图2 760m水平回风暗斜井掘进工作面泥岩结构状况图3 760m水平回风暗斜井右帮围岩破坏状况图4 760m水平回风暗斜井底臌及侧帮破坏状况2巷道破坏机理分析所谓围岩的破坏机理是指引起围岩破坏的根本原因，它所涉及的因素是多方面的，即有环境因素（自重应力、构造应力等），又有周边采动影响因素，还有支护设计、施工工艺等方面的因素，所以研究围岩的破坏机理是非常复杂的。但这里面存在着一种因果关系，即围岩破

11、坏是果，引起围岩破坏的是因，由果推因是完全有可能的，只要找到了引起围岩破坏的原因，即机理，就有可能采取更有针对性的措施来控制围岩的变形和破坏，从而达到治理的目的。主要从三个方面分析-760m水平暗斜井围岩破坏的机理。2.1岩体自身属性2.1.1岩体的物理化学性质该暗斜井围岩属于泥质软岩巷道,平均坚固系数在3左右,特征为易吸湿，易膨胀，易解体，易剥落以及塑形流变性能大，属于类围岩。该类围岩的力学特点是：不稳定、无自稳能力或自稳时间很短；其破坏方式为：易冒顶、易片帮、易底臌、并随时间的延续会发生较大的塑性流变变形。岩性是影响围岩稳定性的最基本因素，是物质基础。6由于矿物组成，岩石结构构造的不同，不

12、同岩石的物理力学性质差别很大。岩石中含有一定量的泥质、伊利石、蒙脱石。这决定了岩体的岩性，属于塑性围岩，主要包括各类粘土质岩石、破碎松散岩石以及某些易于吸水膨胀的岩石，通常具有风化速度快，力学强度低以及遇水易于软化，崩解等不良性质，因此对巷道围岩稳定性最为不利。怕风、怕水、怕震，煤层顶底板岩石都非常松软破碎，易风化。具有可塑性、膨胀性、崩解性、塑性流变性。巷道围岩岩性为泥岩, 且松散、破碎, 层理、节理和裂隙发育, 易风化、水解、臌胀和软化, 泥质和炭质胶结,岩体和岩块的强度均很低, 自稳时间短, 属于典型的松散破碎膨胀型软岩巷道。无自稳能力。2.1.2岩体的力学性能岩体中泥质矿物成分和结构面

13、决定了软岩的力学特性。显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点。可塑性是由于岩体受力后片架状结构的泥质矿物发生滑移或泥质矿物亲水性引起的。节理化岩体是由于结构面滑动和扩容引起的，高应力软岩大多是上述两种原因共同引起的。软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象，其膨胀机理有：内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下，产生片状解体。膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合体在水作用下，膨胀应力不均匀造成的崩裂。节理化软岩的崩解则是在工程力的作用下，由于裂隙发育不均匀造成局部张力引起的崩裂

14、。高应力软岩则有可能多种崩解机制同时存在。软岩的流变性是指软岩受力变形过程中与时间有关，包括塑性流动，粘性流动，结构面闭合和滑移变形。膨胀性软岩主要是泥质矿物发生粘性流动，在工程力作用下，达到一定极限后，开始塑性变形；节理化软岩流变性主要指结构面的扩容和滑移；高应力软岩流变性多为诸形式的不同组合。岩石变形在应力状态不变的情况下不断增长，处于蠕变状态；或在约束变形条件下，软岩的强度随时间变化而降低。软岩的易扰动性指由于软岩软弱裂隙发育，吸水膨胀等特性，导致软岩抗外部环境扰动的能力极差。对卸荷松动、施工震动等极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。5泥岩、细砂岩和粉砂岩等的单轴饱和抗压强度

15、5Mpa15Mpa之间，甚至更低，内摩擦角很小，按坚固性系数分类，其f ，特别是泥质软岩，单轴抗压强度低于10 MPa，属于标准工程软岩巷道。结构面属于次生结构面，岩体的抗压强度同样不能满足岩体在高应力条件下自稳4。2.1.3岩体的自身结构岩体结构面密集程度高，大部分属于张开型结构面，80%以上结构面属于次生结构面，即原生结构面和构造结构面由于风化等非地质条件后天形成的强度极低的结构面，结构面间有粘性充填物，结构面尺寸小，分布密集而无规律，有剪胀现象，结构面内摩擦角为2030，内聚力0.050.10MPa，为松散结构，裂隙十分发育属于各向异性结构，这样，岩体的自身结构，决定了必须有一个完善的支

16、护体系来稳定巷道1。2.2环境因素2.2.1自重应力1任何地下工程都将受到上覆岩层自重应力的影响，并同时引起相应的水平应力，软岩巷道的破坏表现出明显的与深度有关而与方向无关的特点。随着开采深度的增加，上覆岩层自重应力有增大的趋势。巷道所处地层越深,巷道所受围岩静压就越大，巷道变性破坏变得越发严重，而破坏的方向性不甚明显，这些特征往往表现为重力机制起作用的扩容膨胀，顶板自重应力计算方法如下: =H760m35kN/m=26.6MPa4远远超过了泥质软岩的饱和单轴抗压强度，因此必须采取有效的支护措施才能维持巷道的稳定。2.2.2构造应力场 三条暗斜井均穿越嘉祥支三大断层，则必有构造应力场存在。 构

17、造应力场是指由于地质构造运动而产生的地质构造应力在空间上的分布规律。地壳运动形成的断层褶皱潜藏着巨大的构造应力，靠近或位于这些构造带的地下工程一旦开挖，这些应力必将释放并重新分布。在应力重新分布过程中，巷道支护体系必将受力，且更要承受残余构造应力的影响，这是引起巷道失稳、变形破坏的重要因素之一。1 岩层在巷道成形时，应力状态从三维向二维转变，在构造应力作用下，有极易发生破坏而产生非线性弹塑性变形，这是一种与时间有关的变形。这种变形往往导致软岩支护的宏观破坏，特征是方向性破坏明显，破坏程度与深度无关。该构造应力以水平应力为主，巷道两帮及底板的破坏极为明显。-760m 暗斜井穿越三大断层（落差12

18、0600m）中，断层在形成过程中又形成若干个大大小小的次生小断层及节理，这也是造成硐室与巷道工程失稳的因素之一。 图1 构造引力膨胀机制 gouzao在构造应力场和重力场的联合作用下，形成上图所示三种区域，塑性区的出现改变了围岩的应力状态，这种变化对支护来讲具有两个力学效应:围岩中切向应力和径向应力降低，减小了作用于支护体上的荷载应力集中区向深层偏移，减小了应力集中的破坏作用。在巷道两帮发生应力集中时，两帮岩石处于极不利的单轴受力状态条件，极易产生片帮破坏而直墙半圆拱的塑性区域，区域变形形态，如下图所示10 2.2.3底板受力分析4在巷道底板不稳定的情况下，在巷道底板以上岩层的重力下，巷道的重

19、力作用下，巷道底板产生塑性滑移，其塑性滑移线如图所，底板塑性滑移线及分区示意图据此可以简化得出底板支护荷载计算模型，根据这些模型确定底鼓处理方法：采用封闭式支架及混凝土反拱。采用反拱来防治隧道底鼓是一种普遍的方法。一般在实施混凝土反拱的同时，应加强隧道顶极和两壁的支护，以形成整体的支护。2.2.4施工（1）爆破掘进中的错误操作由于管理上的愿因及操作素质问题，“多打眼少装药原则”没有得到规范实施，并且由于缺少准确试验数据，以致措施中的爆破图表难以在现场实施，结果巷道围岩破坏,围岩自身的承载力大大降低；同时巷道形成凸凹不平，使巷道支护力远低于设计值，在这种情况下，巷道凸起的地方就会首先破坏。没有达

20、到光面爆破的要求，超挖或欠挖尺寸超过了规范要求，给支护造成了很大的困难。 假帮(顶)后空洞假帮(顶)后留下的空洞给围岩的破坏提供了空间，无支护的围岩向该空间不断移动，最终使空洞附近锚杆失效,导致巷道破坏。（2）支护顺序的错误。先打锚杆挂网，后喷浆，再注浆是普遍做法，施工方便，然而这种做法极不合理。第一是围岩风化破碎，使围岩自身的承载力降低；第二使打锚杆时，围岩容易片落，使托盘、网不贴岩面，托盘对围岩没有紧固力，使锚杆初期支护作用大打折扣，围岩初期变形加大，锚喷支护体系有效支护期缩短；第三是软岩极易风化，如果喷浆时间太晚，外层围岩已经破碎剥落，围岩破坏向里层层传递，最终使锚杆随岩体一起移动，失去

21、锚固作用。（3）施工质量差。偷工减料，不按要求施工主要表现在两个方面：一是锚杆间距过大，喷层厚度不足，造成支护能力达不到设计要求；二是以次充好，或减少水泥配比，或配料搅拌不均匀，使喷层的刚度和柔韧度受到不同程度的减弱，不但使支护体不能承受设计要求的荷载，而且也不能承受设计要求的变形量，致使巷道过早的遭到破坏。（4）没有把握好最佳支护时间段。图3 最佳支护时间 图4 最佳支护时段最佳支护时间是指可以使围岩压力与工程支护力之和达到最大的时间，其意义如图3所示。而在工程实践中，最佳支护时间的确定非常困难，因此提出了最佳支护时间段的定义，意义及取值如图4示。对于该高应力软岩暗斜井支护来讲，要允许出现稳

22、定塑性区，严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志就是最佳支护时间Ts。Ts前出现的变形称稳定变形，对应的塑性区称稳定塑性区。所以最佳支护时间的力学含义就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏时所对应的时间，而对最佳支护时间段的把握直接决定支护的功能能否最大限度的发挥，以及支护与围岩的耦合程度。所以这也是围岩破坏机理之一。12.2.5工程偏应力1暗斜井开挖以后，围岩应力发生了较大的变化，切向应力在岩壁附近出现局部集中现象，越远则越接近原岩应力状态。同时，一个巷道在开挖，对旁侧相邻巷道，围岩有影响。这种影响在巷道围岩中任一点的应力状态可用二阶应力张量表示，此应力张量可分解为两部分：球

23、形应力张量和偏应力张量。球形应力张量不变引起形变，它是一种三向均压状态。偏应力张量引起巷道围岩变形破坏，因此工程开挖引起的偏应力局部集中是软岩巷道变形破坏的重要有原因之一。而三条暗斜井平行同时掘进，以及巷道断面形状为直墙半圆拱，决定了偏应力张量的一个相比将是决定性的。2.2.6地下水的影响1该暗斜井围岩岩体中地下水的存在、活动状况，既影响围岩的应力状态，又影响围岩的强度。结构面中的空隙水压力的增大能减小结构面上的有效正应力，因而降低岩体沿结构面的抗滑强度：地下水对含有蒙脱石、伊力石、高岭石等粘土矿物成分的膨胀岩层产生软化，泥化作用，使之产生显著的体积膨胀、崩解和溶解等。当在含水岩层中开挖巷道时

24、，围岩稳定首先受到地下水的影响，作为一种动水压力作用使支护(如喷层等)难度增大。而一旦支护体形成，增加了支护体变形和破坏的可能性。另一方面，地下水的泄出，增加了其与其它泥质岩体的接触机会，使泥质软岩中有膨胀潜能的矿物急剧膨胀，最终会造成暗斜井变形不能满足使用要求。特别是暗斜井两帮在受到地下水的作用后，支护会慢慢失效，巷道两帮发生近似整体向内平移的变形，巷道两帮的移近量大于顶板下沉量。2.3支护结构2.3.1喷射混凝土喷射混凝土强度太低，厚度太薄，喷层厚度不均局部的喷层太薄,支护必然最脆弱，最先遭到破坏，导致支护系统的最终失效，从而使暗斜井失修。而且光面爆破效果不佳，在不连续的地方会产生明显的应

25、力集中现象，使是不稳定塑性区不断扩大，从而破坏，完全没有起到封闭围岩的效果。2.3.2暗斜井的支护形式过于单一没有根据巷道的形式，地质围岩条件，合理的选择支护形式。单一的采用锚网带的支护方式难以控制围岩的连续变形，围岩松动圈与锚杆网带无法形成稳定的平衡拱，在地下水以及破碎围岩的共同影响下，松动圈不断过大，造成巷道顶板，两帮，底板形成难以恢复的连续恶性循环破坏，必须采取有效的综合支护措施，按照合理的顺序，一次支护让压, 围岩体受力达到较低变形速率下的力学平衡, 充分发挥围岩承载力; 二次大刚度高强度支护, 减少巷道岩体偏应力, 使巷道围岩切向应力相对降低, 径向应力相对升高, 应力状态优化, 促

26、进围岩应力向稳定应力状态转化。62.3.3未重视底板支护6对于该暗斜井，由于底板并未采取有效的支护稳定底板，封闭底板，在构造应力，围岩偏应力，以及地下水及其产生的的动水压力，静水压力的共同影响下。使压力沿板底释放，底臌严重并使两帮底角向内空收敛，造成两帮的破坏失修。2.3.4支护构件设计不合理(1)金属网。金属网做为锚、网、喷支护的重要组成部分，其主要作用是维护锚杆间比较破碎的岩石，防止岩块的掉落；提高锚杆支护的整体效果，抵抗锚杆间破碎岩块的碎胀压力，提高对围岩的支撑能力；在喷射混凝土内可提高混凝土的柔性，防止喷射混凝土开裂掉块。冷拔丝焊接而成的钢筋网在提高强度的同时，塑性变形能力大大降低，屈

27、服强度降低，韧性降低，与围岩的耦合变形能力能力降低，为发挥其支护能力，便会屈服破坏。金属网直径偏小，网格尺寸偏大，无法使围岩在稳定状态下释放变形能，充分发挥围岩的自承能力。钢筋网相互之间搭接长度小，质量差，致使钢筋网整体性差，联网不合格致使金属网从连接处拉断，使支护体不完整,形成弱点、线,使围岩产生移动空间而发生破坏。 （2）锚杆。锚杆间排距大，不能形成有限的平衡稳定的压缩拱，锚杆间岩石是锚、网、喷支护破坏的起始点。而从维护锚杆间松动岩块稳定性的角度出发，小的锚杆间排距较为有利。等强度金属螺纹钢锚杆，强度高，锚固力大，但锚杆刚度过大，没有用树脂或水泥锚固剂作全长锚固，造成变形能力差，造成锚杆附

28、近应力高度集中，在共同作用的过程中，无法实现支护体与围岩的一体化，荷载的均匀化，支护体与围岩无法达到刚度耦合的要求，变形不协调，同时，没有在围岩结构面部连续的关键部位（如直墙半圆拱的两件部位，底板两脚等部位）采取特殊的支护措施，加强支护，致使相关围岩个别部位发生有害的变性损伤，结构耦合的要求同样无法满足。3支护设计3.1支护原则确定3.1.1技术先进对于支护技术，应当采用目前最为先进，最为有效，施工最为快捷，方便的支护技术，例如，采用钢纤维喷射混凝土，预应力锚索，自钻式锚杆，高强预拉力锚杆，小孔径高强预应力锚索，高强让压锚杆10,等先进的支护构构件与技术。3.1.2安全可靠在支护施工中，安全始

29、终要放在最高位置，必须提起高度重视，在施工中要做到一丝不苟，将每一个支护构件准时安装到位，通风安全，施工安全，支护施工顺序，支护时间确定，排水防水，瓦斯的排出与爆炸预防措施，均要在确定时严格遵照规范，确保安全可靠。3.1.3经济合理巷道没米的支护成本随着支护方法的变化有较大的浮动，而巷道总长达到2500m以上，每米支护成本的变化对支护成本的节省有重要意义，所以在安全可靠合理的前提下，必须是支护成本达到最低，以节省经济开支，提高煤矿整体利润，具体做法是在锚杆锚索的选用，混凝土的使用量，喷射层厚度的确定组合等许多方面达到最佳组合，并且加快施工进程，使支护成本达到最低，而支护又能维持巷道长期未定服务

30、的优化组合。3.1.4操作简便在支护过程中须有一定的让压变形时间，以使围岩的自承能力达到最大，因此必须提高施工效率，加快施工速度。由此可以得出，必须使支护操作简便，以加快施工速度，减少施工支护成本，相应的采取机械化施工，优化施工组合与支护顺序。3.1.4支护与软岩的耦合1（1）强度耦合 充分释放膨胀能等非线性能量，最大限度的保护围岩承载能力，实现强度耦合；（2）刚度耦合 在围岩与支护体共同作用过程中实现支护一体化、荷载均匀化，实现刚度耦合；（3）结构耦合 在结构面不连续变形，而支护体不连续变形的特殊位置采取相应的关键部位支护措施，实现结构耦合。综上所述，支护体应具有充分的柔度以适应围岩大变形，

31、同时又具有足够的强度恰到好处地、及时地限制围岩发生有害的变形损伤。3.1.5全面考虑 对症下药在支护设计过程中，需综合考虑以上各个设计原则，结合工程实际，采取相应最有效的支护措施，达到最佳的组合，实现技术先进，安全可靠，经济合理，操作简便以及支护体与围岩的耦合，并在实践过程中不断根据实际情况优化整合，使支护达到最优。3.2支护方案选择3.2.1传统支护方案的缺点与不足(1)矿用工字钢金属棚10l 是一种被动支护形式，巷道变形量大、修复困难；l 顶板易离层、棚梁上方形成的煤层破碎区，易自然发火；l 支护劳动强度大，施工速度慢，支护成本高。(2)新奥法支护1l 是一种被动支护形式，被动等稳；l 适

32、用于地质条件优良地应力低的巷道支护；l 只能调动浅部围岩的强度，对高应力软岩支护效果差；（3）原支护方案l 围岩自承能力没有得到充分发挥；l 支护形式单一，支护体与软岩刚度强度不耦合；l 支护构件的选取不尽合理；l 没有形成有效的平衡拱；（4）单一的锚注或预应力锚索支护l 松动圈围岩中，围岩松动破裂范围普遍大于锚杆长度，因而锚杆不能够把破碎围岩锚固在稳定岩层中；l 当巷道或硐室断面较大时，其轮廓线上的曲率半径较大，特别是位于拱基线以上的破碎围岩，锚杆支护的组合拱效应并不明显，而且组合拱的强度往往也不能保持围岩的稳定；l 锚固范围外的破裂岩体，在膨胀过程中对锚固部分的岩体和锚杆施加较大的压剪力，

33、在工程中往往发生锚杆挤出、锚杆间破碎围岩松动掉落等现象，最终导致发生冒顶事故；3.2.2可用的先进支护方案（一）方案一：锚、喷、网、索、注联合支护方案支护机理7l 改变松动圈内围岩松散破碎、整体性差的状况，以提高围岩的整体性和强度；l 充分利用松动圈外较稳定岩体的抗破坏能力和巷道松动圈内破裂岩体，一起抵抗围岩的变形失稳，并且对围岩内侧提供较强的应力和位移约束，限制围岩表面的过大变形；l 锚注支护可以使破碎围岩保持较好的整体性、较高的承载力和较强的让压与抗变形能力;l 预应力锚索通过施加较高的预应力，可以对围岩施加外部应力和位移约束，相当于提高了围岩的侧向围压，从而可以提高松动圈内围岩的强度，而

34、其独有的长度优势，则可以达到充分利用深部围岩强度，以增加松动圈内破裂岩体抗破坏、抗变形的能力；l 锚注和预应力锚索支护结合使用，可以满足高应力软岩巷道中软弱破碎围岩的支护要求。而且锚注和预应力锚索支护结合使用时，两者不仅可以单独起作用，还可以对围岩形成多重连续的加固区，如下图所示，从而使破碎围岩和完整岩体形成一个有机的整体，使破碎围岩的受力更加有利，从而使其转化为变形破坏可控的稳定围岩。锚注与预应力锚索加固结构图71- 预应力锚索；2-注浆锚杆；3-喷网层；4-锚杆压力拱；5-注浆扩散范围；6-锚索压力拱区（二）方案二：扩大断面二次支护方案支护机理8l 扩大断面二次支护即掘进采用锚喷支护，断面

35、扩大沿边扩大100200mm，施工中对巷道进行观测，当锚喷层出现变形，裂纹时上二次支护，即架设刚性支架或再锚喷一次。一般能使巷道道保持稳定。，第一次支护变形或破坏将卸去部分应力，膨胀量将大幅减少。再上刚性支架，将阻止围岩继续变形，这就是所谓先让后抗；l 最佳二次组合支护时段，其原理是既要使围岩变形能得到有效释放，又要使初次支护能力得到充分发挥。当围岩放压曲线与支护系统让压曲线相交时，所对应的时间为最佳二次组合支护时间。此时，围岩放压在优化意义上达到了充分大，又保护了围岩强度，同时，支护体让压在优化意义上也达到了充分大；l 采用二次支护后,巷道抗压能力明显加强;同采用其他支护方式相对比,不需要后

36、期维修,减少了维修量;巷道支护稳定,顶板没有开裂的现象,提高了安全性;在服务年限长的巷道,能够确保巷道的服务年限；l 二次支护适应了深部原始地应力释放的特点。深部原始地应力较大,巷道开挖初期,地应力急剧释放,此时围岩变形速率大,趋于不稳定状态;当地应力释放到一定程度,变形速率下降,围岩趋于基本稳定,再进行二次支护后,使支护获得了较小的支撑力,保证了支护体系的完整。3.2.3支护方案的最终确定2 采用方案二，扩大断面二次支护，因为暗斜井软岩巷道服务年限很长，围岩变形量大，具有流变性，为了防止在使用过程中，巷道空间因围岩变形而变小，无法正常使用，因而确定使用该方案。基本思想为：封闭围岩、提高威严强

37、度、预留变形和加固底角。具体方案如下：（1） 光面爆破，预留100mm的变形；（2） 初喷钢纤维混凝土封闭围岩，底板做成刚劲混凝土反底拱，并预留注浆孔；（3） 选定最佳支护时间，安装顶锚杆；（4） 挂钢丝网；（5） 安装帮锚杆；（6） 喷钢纤维混凝土，厚度25mm，以保证注浆压力和注浆效果；（7） 打锚索孔，安装锚索，并将锚索用锚索梁连接；（8） 打注浆锚杆孔，安装注浆锚杆，注浆；（9） 复喷钢纤维混凝土80mm，复注浆，作为永久支护。3.3支护参数计算由于暗斜井的围岩属于V类围岩，松动圈的厚度为200300cm4,属于大松动圈，所以在计算支护参数时，应采用组合拱理论10，该理论认为：在拱形巷

38、道围岩的破裂区中安装锚杆后，形成一个较大厚度和较高的强度承压拱，以承受荷载。3.3.1支护参数的理论计算（1）锚杆参数 锚杆长度 由下式确定 L=N（1.1+W/10）9 L锚杆有效长度，m； N围岩影响系数，类围岩取1.3； W巷道跨度，取4m. 数据代入后得： L=1.3（1.1+0.4）=1.95m 锚杆直径 由下式确定： d=L/110 d锚杆直径，mm; L锚杆有效长度，据计算为1950mm。 则d=195011018mm 锚杆间排距 由下式确定： A0.5L A锚杆间排距，mm； L锚杆有效长度，据计算为1950mm； 则 A0.51950=975mm （2）组合拱厚度 由下式确定

39、： b（LtgA)/tgLA9b组合拱的厚度； L锚杆的长度； a锚杆的间排距； 锚杆对破裂岩体的压力角，经试验知接近45。 b=1950-975=975mm 按工程实践，组合拱的厚度应在1m以上。 （3）锚索参数 锚索长度 由下式确定： L=KLp+L1+L29 L锚索长度，m； K安全系数，取3.0；Lp围岩松动圈厚度，取2.5m；L1锚索锚入松动圈以外稳定围岩的厚度，取0.3m；L2锚索外露长度，取0.2m。则： L=3.02.5+0.3+0.2=8.1m锚索直径取1822mm。锚索间排距2m3m3.3.2一次支护参数的最终确定（1）钢纤维喷射混凝土。初喷厚度50mm。 材料要求：钢纤维

40、：喷射用钢纤维除满足韧度系数力学性能要求外，还必须满足搅拌不结团和喷射不堵管的要求(规格：1=30mm，d=05mm，钢丝冷拉而成，两端有弯钩，每3O一5O根用水溶性胶合剂粘结成一束钢纤维束，钢纤维束遇水后即迅速分散)。砂：中粗砂，模度细数大于25，用5mm筛网过筛。粗骨料：最大粒径为lOmm的连续级配骨料，机制骨料应用5mm和lOmm筛网分别筛去石粉和大粒径骨料。水泥：525号普通硅酸盐水泥(或更高标号)速凝剂：水灰比04的净浆试验满足初凝小于5min，终凝小于lOmin； 减水剂：高效减水剂(根据需要添加)。3 （2）锚杆。 顶板：20MnSiII级建筑用螺纹钢锚杆，直径20mm、长240

41、0mm，锚固力30t左右，树脂药卷全长锚固，间排距700mm700mm，外露长度150mm。 两帮：普通螺纹钢锚杆,长度2. 2 m, 直径20 mm, 间排距700 mm 700mm, 端头锚固, 每根锚杆使用两根长度为600 mm的树脂锚固剂锚固, 两帮拱基线处的锚杆应向顶板倾斜30, 为了控制底鼓, 两底角锚杆应向底板倾斜45, 其余帮锚杆与两帮岩面垂直。5端头锚固。螺母: 六方等强快速安装螺母 托板: M 型托板, 140mm130mm8mm。 注浆锚杆：注浆孔间排距1400mm2000mm，注浆孔直径30mm，深度2500mm，注浆压力1.5MPa。采用纯水泥砂浆，注浆水灰比1.2:

42、1。由于膨胀型软岩巷道在掘进早期就出现较大变形，围岩裂隙非常发育，因此注浆施工可在锚、网、索、带支护完成之后立即进行。注浆施工一半滞后掘进迎头710m进行。 （3）金属网。直径4.5mm、网孔80mm80mm的冷拉丝焊接而成。 （4）锚索。采用注浆锚索，直径17.8mm，钻孔直径32mm，长度8000mm，树脂锚固长度1400mm，间排距取2000mm。锚索梁: 选用16# 槽钢, 沿巷道轴向布置,长度为1. 6m, 通过两根锚索悬吊至顶板, 形成组合锚索结构。3.3.3二次支护二次支护包括复喷钢纤维混凝土和复注浆。复喷混凝土厚度80mm。复注浆需根据围岩的变形情况具体确定，主要针对变形较严重

43、的地段，注浆工艺同前所述。依据现场监测的结果，确定二次支护滞后迎头60天。4 结语（1）极软岩巷道围岩松散破碎，围岩中含有大量的蒙脱石、高岭石、高岭石、伊利石等膨胀性矿物成分，支护难度大采用砌碹或锚、网、喷等支护方式不能保证巷道长期稳定，影响矿井安全生产。采用扩大断面二次支护即锚、喷、网、索、注联合支护技术，巷道维护情况将大大改善。（2）高地应力极软岩巷道围岩控制的关键是提高巷道掘进早期的支护强度、注浆加固围岩和适时的二次支护。（3）根据工程现场条件，优化支护参数，降低支护成本是支护技术有待于进一步改进、探索、研究的问题。参考文献 1何满潮，孙晓明，等. 中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南

44、. 北京：科学出版社，2004.2李树清，李达军. 锚、喷、网、索、注联合支护技术在极软岩巷道中的应用. 湖南科技大学，2008.3崔明宇. 浅谈钢纤维混凝土及施工工艺. 中铁十三局集团有限公司.4王渭明，杨更社等. 岩石力学. 中国矿业大学出版社. 2010.5闫文德，薄福利等. 松散破碎型软岩巷道支护技术研究. 盛源矿业有限公司. 6宋晓辉. 锚固加固软岩巷道机理及合理注浆时间的确定. 山东科技大学硕士论文. 2008.7张伟. 深井高应力软岩巷道支护技术实验研究. 山东科技大学硕士论文.2007.8 张向东，张树光，刘松，等. 锚杆支护配套技术与施工. 北京：中国计划出版社，2003.9袁亮等. 软岩巷道支护参数的确定. 煤矿支护.2002年第二期.10乔卫国. 地下工程授课资料. 山东科技大学土建学院. 2011. 在此对教授在本设计中对学生的辛勤指导与无私帮助表示诚挚的感谢。33