国内外复杂地质条件下井巷掘进与支护技术修改

国内外复杂地质条件下井巷掘进与支护技术1.1 概述随着施工技术和施工设备的发展，地下工程中针对软、破、富水岩层中的井巷掘进工艺有了很大的进展。三门峡铝土矿将遇到砂卵石强含水层、松散松软层、风化带碎裂层、构造破碎带、节理裂隙强发育带和强含水层等复杂岩层中的井巷工程建设问题。1.2 平巷施工掘进技术1.2.1松软岩层中的巷道施工金属矿山的岩层地质条件一般是较好的，但在一些矿山的巷道施工过程中，也常碰到一些断层破碎带、溶洞和含水流沙层等复杂地质条件，对巷道施工影响很大。在这样的地段，如果仍采用一般的掘进施工是难以通过的。1）松软岩层的物理特征松软岩层一般是指岩体破碎和岩性软弱的岩层，具有松、散、软、弱等属性。(1)“松”系指岩石结构疏松、密度小、孔隙度大的岩层。(2)“散”指岩石胶结程度很差或指未胶结的颗粒状岩层。(3)“软”是指岩石强度低、塑性大或较土矿物质易膨胀的岩层。(4)“弱”指受地质构造的破坏，形成许多弱面；如节理、片理、裂隙等破坏了原有岩体的强度，极易破碎，易滑移冒落的不稳定岩层，但其单轴抗压强度还是较高的。2） 松软岩层类型(1)受构造运动强烈影响和强风化的地带，如接触破碎带、断层破碎带、层间错动带、挤压破碎带、风化带等，基本呈散体结构；表现特征为总体强度低，稳定性差；其破坏形态表现为片帮、掉块或塌陷。 (2)软弱流变岩体，是指围岩塑性大，且延续时间长的岩体，如第三纪以来的沉积岩和其他一些岩体。在地压较大或埋藏较深时，常常表现出明显的流变特性，变形量大而且有较长的蠕变时间；破坏状态一般表现为顶板下沉、底板鼓起、两帮内挤等。(3)以含黏土矿物为主的某些岩体，从成分上看主要含有蒙脱石、绿泥石、高岭土等。其主要特点是对水敏感，一般是脱水风干后爆裂或崩解，遇水膨胀或软化。在施工实践中，有时会发生以上几种岩层同时出现的情况，这时其破坏性状态就更为复杂。3） 松软岩层的主要力学特征(1)岩层胶结程度差，怕风、怕水、怕震是它的共同特点。(2)强度低：松软岩层强度低，凝聚力小，内摩擦角小。(3)具有明显的流变性，表现为在初期变形速度快，变形量大，蠕变持续时间长。(4)遇水崩解或膨胀。 (5)易受爆破震动的影响。4） 松软岩层巷道的维护在松软岩层中巷道施工，掘进较容易，维护却极其困难，采用常规的施工方法和支护形式、支护结构，往往不能奏效。因此，研究在松软岩层中巷道的维护问题便成为井巷施工的关键问题。(1) 基本原则巷道维护问题不能只看作是支护结构和材料的选择问题，而应把支护和巷道周围岩体当作互相作用的力学体系来考虑。应首先分清地压的类型，摸清围岩压力活动规律，采用不同的支护原则和维护方法，采取综合措施使巷道在服务年限内保持稳定。(2) 主要技术措施a 采用喷锚支护或注浆法加固围岩在来压快的软岩中宜推广管缝式或楔管式摩擦锚杆、水泥卷锚杆；在动压软岩巷道中钢纤维喷射混凝土支护有广阔的前途。在破碎、裂隙发育或含水岩层中采用注浆加固，使水泥浆或化学浆注满裂隙，提高整体性，并可封水堵水。b 选择合理的巷道断面形状和高宽尺寸比例在这种岩层中巷道断面形状以采用曲线形全封闭支护为宜。应根据原岩应力与巷道断面形状和高宽尺寸比的关系确定，如当水平应力为主时，应采用宽度大于高度的横椭圆形，反之为竖椭圆形。c 分次支护，合理选择二次支护时间选择巷道支护时间关系到支架的强度和可缩量大小。对变形大的岩体一般要分两次支护。一次支护要紧跟工作面掘进及时施作，通常喷锚支护最有效。等围岩位移趋于稳定时，再上二次支护。二次支护刚度要较大的，故总的支护原则是先柔后刚。围岩位移趋于稳定的时间，不仅取决于岩体本身的物理力学性质，而且与一次支护的刚度密切相关，因此它的变动范围很大。为了保证二次支护的效果，最好是根据围岩位移速度和位移量的测量数据来确定二次支护的时间。如金川二矿区，一般在第一次支护后120d实施第二次支护；张家洼铁矿则为30d。d 设置回填层在一次支护与二次支护之间充填一层泡沫混凝土或低标号混凝土或砂子，可产生两种作用：(1)提供径向应力以稳定巷道周边岩石，使支护的应力重新分布。(2)起衬垫作用，避免在最终(二次)支护上产生集中载荷。e 加强巷道底板管理在软岩巷道，特别是在具有膨胀性围岩中掘进巷道，多数是要发生底鼓的。防止底鼓的措施一般是用砌块砌筑底拱，也有用锚杆加固的。f 重视涌水的处理采取排水、疏干措施，使巷道不积水，防止对围岩溶蚀、软化、膨胀作用。总之，要解决松软岩层巷道维护问题，一般都采用综合治理的办法，全面考虑上述技术措施，但是在保证巷道稳定的条件下，也可只采用其中一些措施。5） 松软岩层巷道的施工方法岩石由于受到地质构造变动的影响，如断层、褶曲等，节理、裂隙发育，形成松散破碎带。极易造成片帮、冒顶事故。应根据具体情况，选择合理的支护形式和施工方法。常用的施工方法有锚喷法和短段掘砌法，在大断面硐室中常用导硐法；在岩层松软破碎，随掘随冒的情况下，常用撞楔法，在有大量涌水的破碎带，需要先注浆堵水，再用普通施工法通过。 一、锚喷法(一)适用条件在无水或有少量涌水的松散破碎带，不论巷道断面大小，均可采用。（二）施工要点1.采用浅眼作业方式，循环进尺不超过8001000毫米为宜。2.采用底部掏槽，少打眼，少装药，以及光面爆破或预裂爆破等措施，减少对围岩的震动。 3.放炮后立即初喷一层2030毫米掺有速凝剂的水泥砂浆，直至迎头，即锚喷紧跟迎头。严重破碎地带在喷浆后，还应补设锚杆或金属网。 4.根据设计，在工作面后方，按一次成巷要求进行永久支护。5.在松散破碎带应采用锚固性能好，锚固力大的锚杆，如树脂锚杆或钢丝绳砂浆锚杆等。二、短段掘砌法在仍采用整体式石材或混凝土支护的巷道，穿过松散破碎带时常采用该法。施工时，随掘随砌将支架尽量跟到迎头，工作面取消临时支护，掘砌段距一般12米，不宜过长。1.2.2巷道通过断层及岩石破碎带的施工方法1）超前导硐边刷边支法这个方法可用于石门穿过松软的煤层，或稳定性很差的岩层和断层破碎带等处。其施工顺序如图1所示。图1 超前导硐边刷边支施工法1-导硐；2-小木支架；3-纵梁；4-撑柱；5-旋顶；6-岩柱 为了尽量减少岩石暴露面，永久支护(料石碹)要紧跟掘进工作面，同时，在巷道掘进时先掘进小断面导硐，并及时架设小水棚。待导硐掘离旋头2.5m时即停止掘进，随即以长2.8m的纵梁二、三根，托于导硐顶梁之下，其一端搭于已砌好的碹顶上。另一端(紧靠工作面)用撑柱打紧，此时即可将木支架的棚腿拆除(图1-a)。然后分别依次刷大导硐两帮的拱部，随刷大随架设纵梁护顶，纵梁的架设方法同前(图l-b、c)。待拱部刷完并用支架控制住后，再开始沿底板由巷道两帮同时掘进，掘完后随即砌墙(图1d)。待墙砌至拱基线时，即在岩柱上稳立碹胎、安放模板，进行砌碹工作，随砌随拆除护顶纵梁(图1e)。待拱顶合拢后；再除去岩柱(图1f)，此时便完成了一个掘砌循环。 采用这种掘进方法，由于围岩很不稳定，只能放小炮或用风镐掘进。此外，砌拱顶时，如遇拆除纵梁即可能发生顶岩冒落，那么纵梁就只好不拆除，砌入碹后。这种施工方法工序繁多，进度较慢。但如工人技术熟练，能严格按照技术操作规程进行控顶，仍不失为一种较可靠的施工方法。2）撞楔法1适用条件 严重塌冒，且被破碎岩石所充满的巷道，冒落物以小块、细碎岩石为主，特大块岩石较少。2施工方法(图2)(1)撞楔长度视棚子间距而定，一般为1.52.5米，前端削尖，便于插入岩堆。使用材料多为直径100120毫米的圆木或半圆木，也可以用厚50毫米以上的木板，也可以用废旧钢轨或其它型钢做掩楔。为避免木材在撞击中劈裂，应当用铁皮包裹前端，用铁丝缠紧尾部。(2)加固工作面尚完好的支架，如打顶桩、上拉条、与后面支架用钢丝绳或大绳剃紧、架设顺抬棚等措施。(3)从最前端的支架顶梁的一角开始，依次打入排掩楔，撞楔捅入岩堆的深度，应稍大于设计棚间距。打完撞楔后，先清两帮矸石，并立柱腿、掏顶、上梁，再划背板和荆条。最后，清理中问岩堆，至此一循环结束。如此进行，直至穿过冒落区。(4)在施工中，一般不用爆破。(5)当冒落物呈松散细粒状态时（如煤、页岩)，必须用荆条将支架顶帮划严背紧，以免泄漏矸石，形成空帮、空顶，造成二次冒落，压垮支架。 图2 撞楔法施工1-撞楔；2-木支架3）穿梁护顶法 1适用条件 巷道虽塌冒严重，但冒落区项板在一定时间内尚能保持平衡状态。 2施工方法(图3)(1)加固工作面尚完好的支架，并做好材料的准备工作。冒落区附近的堆积物要清理干净，安全出口必须畅通无阻。(2)在原有支架的最前方并排架设一对棚子，用拉条拉紧，打上顶桩，使其稳固不动。(3)利用冒落区顶板暂时稳定的时机，顺巷道方向架设两根以上过梁。过梁后端搭在支架上，搭接长度应大于200毫米；前端搭在岩堆上，应垫有方木或荆笆。然后用拉条将过梁与支架固定之，以防过梁滚动。(4)在过梁上迅速搭设木垛接顶。若顶板冒落过高，木垛难以接顶时，可在木垛上堆以成捆的荆条，其厚度不得少于35层。(5)在超前支架的掩护下，架设木支架，直至穿过塌冒区。(6)在超前支架上搭设木剁时，要设专人观测顶板变化情况，发现顶帮来压时，人员要迅速撤到安全地点。工作面应保持肃静，以保证工作安全。图3 穿梁护顶法施工1-过梁；2-木垛；3-木支架；4-顶桩4）人工假顶法1.适用条件 当巷道严重塌冒其它方法难以通过时，可采用此法。 2.施工方法 (1)紧靠冒顶区砌筑厚400毫米的片石隔墙，封闭冒落区。 (2)用小型地质钻机向冒落区打注浆孔。 (3)先向冒落区注入砂子，充填冒落区岩石空隙，以节约浆液。 (4)注入水泥和水玻璃浆液，在冒落区圃结岩石形成人工假顶。为避免浪费浆液，采甩低压注浆为宜。(5)打开片石封闭墙，在人工固结的假顶掩护下，采用短段掘砌法，穿过冒落岩堆。每段长11.2米。图4 人工假顶法施工1-砂堆；2-注浆管；3-片石墙；4-注浆泵5）撞楔、喷射混凝土联合支护法 巷道通过断层破碎带或大冒顶区时，采用常规的方法施工，既少慢差费，又不安全，而采用撞楔、喷射混凝土联合支护法，不但在技术上可行，而且经济合理、安全可靠。某矿往巷道掘进渡过大冒顶区时，采用了如下的施工方法如图5所示：首先沿巷道已架好的钢拱支架之上，按间距300mm向冒落区依次打入22根1.2m长的1518kg/m的钢轨橛子处理钢轨橛子之间的浮矸后，即用喷射混凝土封顶并封住上部1/3工作面的浮矸，以防止浮矸下滑。与此同时，用喷射混凝土喷射已架好的钢拱支架处的两侧墙。喷厚400mm，使钢拱支架被喷射混凝土覆盖。此后停止一班作业，待混凝土达到一定强度后，掏出巷道两侧浮矸，按800mm棚距架上钢拱支架，出净钢轨橛子下的矸石后，重复沿刚架好的钢拱支架向冒顶区打钢轨橛子护顶依次循环，渡过了长1.8m冒顶高度达14m的大冒顶区。图5 撞楔、喷射混凝土联合支护处理大冒顶施工示意图1-钢拱；2-钢轨；3-已砌的3m料石碹；4-断层；5-六D煤层6）刻槽支柱法该法又称刻槽架厢法，其实质是先在岩面上刻槽子架支柱的办法，即根据采矿留矿柱的原理，在工作面中间留一倾斜岩柱，而在岩柱顶部和岩柱两侧刻一条宽O.60.8米的槽子，在槽内先架设好支架，然后再挖岩柱，便使工作面推进一个循环(见图6)(一)适用条件岩石比较软可用风镐和铁楸，再或放小炮即可挖掘的松软岩石，且工作面不允许有暴露面的情况下，可考虑用此法掘进。(二)施工方法步骤 首先在工作面两侧用风镐挖槽(宽为O.8米)及柱窝，并在槽内支好棚腿而后再挖横粱槽，架上横粱，最后挖掉留下的岩柱，背好背扳即告完成一个循环。图6 刻槽支柱法7）铁道送梁法本法的实质是用特制的卡子，将二根重量为24kg/m以上的钢轨吊挂在已支好的棚粱下面，并延伸至工作面为托梁：其上架设木块或板皮的木垛，在工作面上造成一个安全的工作空间。 (一)适用条件 当工作面顶板较松软时，冒落也较高，无法进入工作面窥探冒落情况。如放碴过多，则处理时间长，且给以后的回填工作造成很大困难。根据情况分析，仍有继续冒落的趋势，而难以使用穿梁护顶等方法掘进时，采用铁道送粱法临时维护出一个工作面空间是适宜的。 用两根46米长的24公斤/米的钢轨，分别用特制的U形梁卡，卡吊在靠近工作面已架设好的棚梁下的两端。钢轨前端伸出1米左右，将碴耙出空隙，即放上新的棚梁，在棚梁上用板皮等背紧，以免出碴或打撞楔时棚梁发生滚动。然后出碴立棚腿（见图7）。具体步骤：放炮后经检查认为安全时，开始松开粱卡，向前移动钢轨，其伸出之长短，根据棚子决定。然后将定好中线的棚梁放在钢轨上，先进行找正，可用木楔调整钢轨的高低，合乎规格后，将梁卡拧紧，经检查梁的位置等没有问题后，将棚梁上部的空隙用背板背紧，而后便出碴，最后立棚腿支承棚梁。一次循环工作即告结束。图7 铁道送梁法(二)注意事项1.有大块占据橱梁的位置时，可用放小炮的方法处理，要小心谨慎。 2.如顶压很大，可以增加钢轨数目和缩小棚距。 8）锚喷支护法 过去人们认为它只能用于比较稳之的围岩，但近几年来通过大量的实践证明，它不仅能用在稳定性较差的围岩，而且在断层破碎带、风化岩石带都可应用，并且效果很好。如围岩不稳定，或极易风化，在掘进工作面推进暴露出新的围岩后，先喷射一层混凝土即可很快地封闭暴露面，阻止其风化和暂缓围岩的变形或松动，然后再打锚杆加固之。 在非常破碎，断层带多、掘进后随时都有冒落危险的地段施工，可用打超前锚杆的方法。1.2.3在稳定或不稳定含水岩层中的施工在含水岩层中，特别是在涌水量很大的含水流砂层或破碎带中掘进巷道，施工是很困难的。在掘进含水量很大的流砂层和破碎带的实践中总结的“治流砂，必须先治水”的经验表明，掘进含水层时，治水工作是很重要的。一般说来，治水主要有两个途径：一是疏(放水)，二是堵。或者是疏堵结合，根据具体情况，以疏为主或以堵为主。所谓疏，是用钻孔或放水巷道放水，以降低穿过岩层的水位，即使用降水漏斗将水降至巷道底板水平以下，从而使掘进工作在已疏干的岩层中进行。堵，就是采用注浆的方法，堵住流水进入巷道的裂隙或空洞，使巷道通过的岩层与水源隔绝，造成无水或少水，达到改善掘进条件的目的。 1）人工降低水位的几种方法(一)不稳定含水层的钻孔放水法 当巷道顶部赋存有不稳定的含水岩层时，可采用此法。 在巷道顶板钻孔的放水法，其成本远比地面钻孔降低水位方法为低。当条件适宜时应首先考虑采用这种方法。(二)坚硬的含水层钻孔放水法在金属矿山中，巷道掘进有时遇到涌水量很大的溶洞性的石灰岩或极坚硬的含水岩层，也可采用打钻孔放水的方法。人工造成降水漏斗，降低巷道通过岩层的水位标高，实际上达到疏干的目的。 岩层不太稳定时，为防止孔壁破坏，可在靠含水层的一段内安设保孔管。当钻孔中的涌水量已经不大及动水压力降至12个大气压时，即可开始在含水岩层带内掘进。但有时动水压力虽已降低，而涌水量并未减少时，则可安设水泵进行抽水。 实践表明，如果在坚硬岩层内水力沟通的良好情况下，采用钻孔降低水位法是有效的。 (三)巷道放水降低水位法 金属矿山中有几个矿山采用这种方法人工地降低了水位，疏干了巷道所穿过的含水岩层，顺利地通过了流砂层，效果颇好。人工降低水位法对含水岩层，特别是对含水流砂层的掘进，是一项有效的措施和方法。此外，根据水文地质情况，估计在巷道前进方向将碰到有压力的涌水时，钻凿超前探水钻孔，不仅对疏水很有必要，同时，也是保证施工安全的必不可少的安全措施。 2）注浆堵水法 本法的实质是将注浆材料以浆液通过注浆设备压入岩石裂隙或孔隙中去，以封闭透水通道，然后以普通施工方法或一般破碎带的施工方法掘进巷道。巷道注浆可分为预注浆和壁后注浆两种。预注浆是在含水段未通过前构筑止水墙预埋孔口管，钻孔注浆。壁后注浆是在巷道通过含水段，其墙或拱部有出水点，为改善巷道工作条件和保护巷道壁而进行的。通常在出水点处预埋导水管、用双凝胶泥加以固牢进行双液顶水注浆。国外在巷道注浆施工中采用专用注浆机组，可用于预注浆和壁后注浆，在不稳定含水砂层中，如用注浆法达到堵水和加固两个目的，通常沿巷道轮廓线均匀打入若干导管，通过环形总干管实行一次注浆，可取得良好效果。巷道注浆施工中，应严格保证止水墙的密封牲，特别是拱顶部应与整体混凝土拱顶联为整体，严格防止拱顶跑浆。一般应采取预埋孔口管，防止孔口管与止水墙固结不牢发生跑浆，甚至在高压下将孔口管拉出为改善工作面条件，应对造浆工作平台附近采取专门通风措施。1.2.4膨胀性地层的施工某些泥质页岩、泥质胶结的砂岩、铝土质页岩、凝灰岩、蒙脱石、伊利石、膨润土以及及某些变质岩、第三纪泥质胶结的岩石等极易吸水崩解成泥，体积膨胀。在地压的作用下，岩体变形大，且有一定延续性，产生蠕变，使巷道发生变形、底鼓，直至破坏。各地根据岩石膨胀情况不同，有不同的施工方法。1）圆碹法(以沈北煤田为例)(一)地质条件 属于严重膨胀性泥质页岩地层，该岩层具在较强的吸水性和较大的塑性，岩层含水率1O20，遇水膨胀率为410。掘进工作面暴露面积越大、时间越长，越易产生片帮、冒顶和底鼓，以至围岩缓慢向内移动。(二)施工方法施工中特别应保证：随掘随砌，尽量减少围岩暴露时间；减少超挖，充填密实，减少对围岩的扰动，断绝水流对岩层的侵蚀。具体作法如下：1短段掘砌一次成巷，段长11.3米，不设临时支架，仅用812厘米，长1.5米的刹杆护顶，数量视断面大小而定，一般68根。2掘进时，用两台风镐同时掏槽(图8部分)，掏出1.2米，架设两根刹杆。刹杆一端插入迎头岩石，一端搭在碹头上。再用风镐刷帮(图8部分)，达到设计规格后再架设刹杆。最后清底(图8部分)。掘进时，应严格按照设计规格施工，随时用样板尺检查，不得超挖。图8 圆碹法掘进1-刹杆；2-圆碹3支护材料为料石，巷道形状为圆形。当净直径小于3米时，壁厚300毫米；净直径大于3米时，壁厚400毫米；断面较大的硐室或交岔点采用壁厚500600毫米的双层料石；每块重3040公斤。 4砌碹时(图9)，首先立底样板(用812毫米钢筋制成)，然后由中心向两侧同时砌筑。当砌至轨道水平时，留两块突出长度为100毫米的料石，以便架设碹胎，模板。由两侧继续同时向上砌筑，保证砂浆饱满，随砌随撤除刹杆，并将壁后充填密实。5在地压较大的区域可加木砖，使圆碹有一定可缩性。沿走向的巷道每2030米留一条510毫米的沉降缝，石门应每隔1020米留一条510毫米的沉降缝。图9 圆碹法砌碹1-前探刹杆；2-水沟；3-碹胎2）可缩性支架法仅用于膨胀性不大，或非永久性巷道。当地压增大时，利用支架的可缩性缓冲地压；当地压过大，支架变形严重时，可返修支架，卸去荷载。有的岩层经几次卸载后，地压则趋于稳定。3）锚喷法 目前，将锚喷支护用于膨胀性不大的岩层中，一般采取锚喷紧跟迎头，向底板安设钢丝绳砂浆锚杆，铺混凝土底等措施防止或控制底鼓；而在严重膨胀性岩层中采用锚喷支护还有待于进一步摸索经验。1.2.5巷道底鼓的施工控制底鼓的方法基于两个原则：第一是减轻巷道周围岩层中的应力；第二是阻止底板移动。1. 巷道壁充填在巷道和未采煤柱之间的巷道壁填充，是传统的控制方法。霍伯斯和詹金斯等人用按比例缩小的模型证实了这个原则的正确性。这种充填大约要3米长，重要的是搞好齐肩部位的支护，否则，采用充填方法的优点便会被顶板下沉的增加所抵消。2.未开采巷道的开槽在理论上，这个方法是把侧翼地层压力支点移到煤体深处而使巷道周围应力减少的有效措施。但该方法应用有限，因为在顺槽巷道条件下（空间狭窄，巷道两边有永久支架）实施起来有困难。3.用锚杆加固底板底板通常是成层的，因而适合于用锚杆加固。木锚杆一般用于巷道范围内的垂直钻孔，而钢锚杆则用于斜孔，锚入两帮下面的地层中。在各种各样的地质条件下所作的试验表明，成功地加固软弱底板并不一定要求它具有层状构造。底板岩层经过加固以后增加了抗弯强度。4.闭合支架 圆形和椭圆形巷道可使用这种支架，以达到控制底板的目的，但是这种支架成本高，只能在特殊环境下用于某些主巷。在联络巷道不允许使用，在英国煤矿用得很少。5.在充填带上安装巷道拱形支架 这项技术化在比利时卡姆平煤田的深井中被普遍使用，其实质是把拱形支架安装在巷道两侧填充带上面的槽沟里，充填带可以是废石的或术质的。除了自动内在的让压性以外，底板层的压力分布大大改善，因而底板扰动被限制到最小。还有一个优点是高质量的肩下充填带支架有助于地压横跨巷道，并能阻止底板粘土流动。1.2.6穿过溶洞的施工在石灰岩层中掘进，常遇见溶洞，特别在江南煤田中尤为突出。溶洞有干水、含水，大、小之分。含水的大溶洞对施工危害极大，易造成透水事故；充填有大量土石的溶洞，则易造成塌冒；干小溶洞对施工影响较小。1）干、小溶洞的施工溶洞情况：溶洞长7米与巷道一侧墙基重合，洞顶与洞底均为狭窄的支洞，下部为可塑状充填物，并积水深达2米。见图10.施工方法： 1抽干积水，清除上部稀泥及基岩表面溶蚀部分。2基底夯填厚400毫米碎石垫层，并用混凝土灌注墙基础。3砌筑边墙，墙后500毫米内用浆砌片石回填，其余部分用干砌片石回填。 图10 1-溶洞；2-浆砌片石；3-干砌片石；4-浆砌片石；5-混凝土基础；6-400毫米厚碎石垫层；7-充填物2）水溶洞的施工溶洞情况：巷道穿越溶洞，有流量不大的水流自顶部流向底部。见图11。图11 1、2-溶洞；3-干砌片石；4-浆砌片石；5、6-钢管；7-水沟；8-横向水沟施工方法：1.边墙两边各设一根钢管，将水引入墙底横向水沟，再经巷道水沟排出。2用浆砌片石和干砌片石充填，并留出引水通道。3）大溶洞的施工溶洞情况：巷道穿越溶洞，溶洞长12米，深度大于60米，充填有粘土、石灰岩碎片，呈可塑性至流动状态。见图12.施工方法：l，左侧墙靠近基岩，采用石砌拱跨越溶洞，如图中AA剖面。石砌拱承受左侧墙荷载，拱下砌不承重墙，向充填物中打入木桩加固墙基础。 2右侧用钢筋混凝土托梁跨过溶洞，托梁两端的混凝土柱座落在基岩上，如图中BB剖面。托梁承受拱部荷载，托梁下侧墙承受溶洞内充填物侧压力，基础加固措施同左墙。3行车轨道部分用钢筋混凝土梁跨越之。图 121-混凝土托梁；2-钢筋混凝土托梁；3-石砌类；4、5-混凝土柱；6-浆砌片石墙基础；7-木桩1.2.8超前锚杆的施工1）超前围壁锚咬支护设计的依据超前围壁锚喷支护的设计结构超前围壁锚喷支护设计结构由三部分组成，如图13所示。 图13 a超前围壁锚杆；b径向加固锚杆；c围岩；d混凝土喷层(1) 围壁锚杆：采用直径为1925mm、长度为510m的螺纹钢或圆钢制成。为增加锚固力在前端焊上50mm长的双钢筋锚头。为把围壁锚杆的外露端锚头用径向加固锚杆固定在围岩上，使围壁锚杆与围岩成为整体结构，将外露端弯成环形。(2)径向加固锚杆：用6丝一股直径为lOmm，长度为3.6m的旧钢丝绳制作而成。锚杆对折成U型间距400700mm紧紧的锚固在围岩内。(3)混凝土喷层：采用500号硅酸盐水泥、粗工程砂和粒径515mm的碎石。以1：2：2的配合比配制成混凝土。用混凝土喷浆机喷成1OOmm厚的喷层。结构方式：根据围岩破碎程度及围岩的物理力学性质，围壁锚杆间距为400700mm。为使超前围壁锚杆与径向加固锚杆互相连接成为共同承载的整体结构，径向加固锚杆必须对折成U型，双头锚周在围岩内并把超前围壁锚杆紧紧地固定在顶板上，成为超前围壁锚杆外露部分的一个铰接交点。这样径向加固锚杆把超前围壁锚杆固定在围岩表面形成一个完整而且连续的网状结构。2）超前围壁锚喷支护施工 由于超前围壁锚喷是一项新技术，因此施工方法和施工程序是在实验过程中不断完善的。施工工艺如下： (1)打超前围壁锚杆孔。首先沿巷道周边，按设计要求均匀布置超前围壁锚杆孔。并与巷道轴线向外5角打超前围壁锚杆。孔直径为50mm，孔深为510m，间距为500700mm。 （2）安装超前围壁锚杆。先把19mm(34in)塑料软管插入孔底，用压风或水将锚杆冲洗干净。再将成品围壁锚杆插到孔底。最后用注眼器和19mm(34in)软管将1：1的干硬性的水泥沉砂浆把孔注满注实。 （3)打锁口径向加固锚杆。在超前围壁锚杆安装后，应立即对外露端打上径向加固锚杆，使超前围壁锚杆成为外露端由径向加固锚杆固定在围岩上，另一端固定在孔内的简支梁结构。锁口径向锚杆要对折U型穿入超前围壁锚杆外露端杆圆环内。(4)封闭锁口。打完径向锁口锚杆后，立即将锁口喷100mm厚混凝土，使围岩得到完全封闭。(5)掘进方法。超前围壁支护的井巷掘进与普通掘进方法基本相同。其不同点是：必须严格按光爆要求施工，严防震裂围岩，其次必须按边掘边锚喷的正规循环作业要求施工，掘lm,成巷1m。当掘进到围壁锚杆还剩lm时，停止掘进，开始重新打下个循环的超前围壁锚杆孔。 1.2.9注浆法加固破碎岩石在巷道掘进中可采用预注浆法和后注浆法加固岩石。预注浆法用于裂缝发育的岩石，在巷道掘进前采用；后注浆法用于支架被破坏的巷道以及由于打眼放炮产生了裂缝的岩石。 注浆孔的深度取决于加固带的需要厚度，注浆孔的数量则取决于水泥浆从孔向外扩散的半径。加固带的厚度按岩石强度特性和巷道横截面尺寸而定；扩散半径按被加固岩石的吸收能力和注浆压力而定。根据IO.B.布尔柯夫(库兹涅茨矿井建设科研所)的研究资料，岩体中岩石的强度在注水泥浆后有所增加：砂岩增加5070，粉砂岩和泥质岩增加24倍。岩体中岩石强度的增大使支架荷载减小2/34/5,而在岩石与支架一起变形的情况下，支架荷载可减小3/45/6（取决于岩石破碎带的大小和加固带的厚度）。由此可见，采用加固注浆法的结果，岩石的强度和稳定性都大大提高。图14为注浆流程图。 图14 注浆工艺流程图1.3 平巷支护技术1.3.1 平巷临时支护技术1）金属拱形临时支护采用石材、混凝土整体式支架的巷道，多在掘进后先架设临时支架，以防止掘进与砌碹之间这一段距离的顶、帮岩石的垮落。临时支架多采用金属拱形支架，它用的材料以1518kg/m的钢轨或其他型钢制作，支架间距一般为0.81m。金属拱形临时支架分为无腿的和带腿的两种。金属拱形无腿临时支架常用的形式如图15、16所示。这种支架适用于岩层中等稳定没有侧压的拱形巷道中。 图15 无腿金属拱形临时支架 图16 金属拱形带腿临时支架1-钢轨拱梁；2-托梁；3-钢轨橛子 1-拱梁；2-顶托；3-拱肩；4-钢轨橛子；5-棚腿；6-连接板；7-拉杆；8-棚腿垫板带腿的金属拱形临时支架，是在元腿拱梁上再加装可拆装的棚腿，如图所示。这种支架多用在围岩压力较大，顶、帮围岩均不稳定的巷道中。2）锚喷支护凡有条件的巷道，都应优先选用喷锚做临时支护。这种临时支护在爆破后应紧跟迎头，及时封闭围岩，防止岩石松动和垮落。其施工方法简单易行，便于实现机械化，且安全可靠，既是临时支护，又可以作为永久支护的一部分。1.3.2 平巷永久支护技术1）支架支护一、木支架木支架所用的材料一般称为坑木。坑木的直径一般为1622cm。过去使用较多的支架，它的重量较轻，具有一定的强度，加工容易，特别适应于多变的地下条件，构造上可以作成刚性的，也可以作成有较大可缩性的，当地压突然增加时木支架还能发出声响。木支架重量轻加工容易，适应多变的地质条件，但强度有限，不能防火，很易腐朽，风阻很大，并且不能阻水和防止围岩风化。 木支架一般可使用在地压不大，断面较小和服务年限较短的圆采巷道。也可用于局部巷道维修和巷道掘进的临时支护。二、钢筋混凝土支架混凝土支架可分为两大类。一类是普通混凝土支架，另一类为预应力混凝土支架。预应力钢筋混凝土支架与普通钢筋混凝土支架相比，其优点是构件强度大，断面尺寸小，节约材料，减轻重量，降低成本。 混凝土支架结构及适用条件普通混凝土支架和预应力混凝土支架结构如图 17、18所示。均由一根顶梁和两根柱腿组成。其构件截面几何形状，前者为矩形，后者为工字形。均为亲口接头，梁腿结合处垫防腐木板或胶皮。图17 普通钢筋混凝土支架 图18 工字型断面预应力钢筋混凝土支架顶梁 钢筋混凝土支架背帮顶常用钢筋混凝土背板。背板有板形和槽形两种。两种混凝土支架均适应于地压稳定，服务年限长及断面小于12m2的巷道。但均应避免用于受采动影响的巷道。两者也不应混合使用。 钢筋混凝土支架的架设 钢筋混凝土支架为永久性支架不宜直接跟着掘进工作面储用。一般靠近工作面3050m用临时金属支架直接跟到迎头 钢筋混凝土支架用作永久支护，一般多在掘进工作面后方一定距离内拆除临时支架后架设。拆除支架时要逐架拆除，巷道帮顶要划严背紧，并要加固好暂未拆除的临时支架。三、金属支架金属支架强度大、体积小、坚固、耐久、防火，在构造上可以制成各种形状的构件，虽然初期投资大些，但可以回收复用。 所以，金属支架是一种优良的坑木代用品。 刚性金属支架 刚性支架适用于围岩比较稳定，变形较小，压力不太大的巷道，否则将造成支架的严重变形和损坏，巷道断面急剧缩小，乃至多次进行翻修，甚至难以使用。可缩性金属支架 支架在具有可缩性的同时还应有一定的工作阻力，才能做到既适应围岩的变形又能减缓围岩的变形，在保持巷道围岩的稳定中充分发挥支架的承载作用。 支架的可缩性要靠装置连接件来达到，而要保证支架具有一定的工作阻力除了合理设计支架架型、结构、选择适宜的材料外，连接件的力学性能起着重要的作用。在一定意义上说，连接件的力学性能决定支架的力学性能。因此，连接件是可缩性金属支架的关键部件，对于拱形、梯形、封闭形支架都是如此。 1梯形支架 1)支架材料金属梯形支架用的型钢有钢轨、矿用工字钢和普通工字钢等。当前井下多使用矿用工字钢，也有少量应用轻型钢轨，但由于钢轨材料性脆，不宜作支护材料用，因此，在支护材料选用上一般不予考虑。目前使用的矿用工字钢有9号、11号和12号3种规格，这3种规格的工字钢已正式列为国家产品，成批生产。矿用工字钢具有翼缘宽、高度小、腹板厚的特点，稳定性能好，能够较好地适应井下复杂多变的地质力学条件。梯形支架有两种类型，一种为梯形刚性支架，另一种为梯形可缩性支架。两种类型的支架在我国均已形成支架系列。梯形刚性支架在我国的巷道金属支架系列中采用两种型号的矿用工字钢，包括15种规格。见图19、20. 图19 梯形刚性支架 图20 梯形可缩性支架梯形可缩性支架在我国的巷道金属支架系列中采用两种矿用工字钢(1l号和12号)和两种U型钢(25U和29U),包括15种规格。表1 梯形支架的力学特性及适用条件序号支架架型主要力学特性适用条件1梯形刚性支架不可缩承载力较小围岩较稳定，变形量较小，在200mm左右，多用于巷道净断面小于lOm2的炮采工作面两巷及综采工作面的回风平巷2梯形可缩性支架垂直可缩承载能力较小围岩较稳定，顶压较大，侧压较小，多用于巷道净断面小于lOm2的炮采工作面及综采工作面回风平巷其顶底板相对移近率在10%35之间2、拱形支架金属拱形支架可分为二类，即普通金属拱形支架和U型钢拱形支架。前者多采用普通工字钢、矿用工字钢或轻型钢轨制造，没有可缩性，一般仅作巷道临时支护和锚喷-支架巷道联合支护用。后者采用U型钢制造，具有可缩性，多用于地压大、受采动影响显著的采区巷道。U型钢的种类很多，两根型钢搭接后按上下型钢接触的定位方式，分别有耳定位、腰定位和底定位等几种，我国设计的18U和25U型钢是腰定位，29U和36U型钢是耳定位。根据理论上分析和现场实际使用的情况，耳定位比腰定位的效果好。 表2 U型钢拱架可缩性支架的力学性能及适用条件 序号支架架型主要力学特性适用条件1半圆拱可缩性支架（见图21）承载能力较大，特别是在均匀受压时回采巷道和与集中胶带机道连通的石门，围岩压力较大、较均匀或有一定侧压，顶底板相对移近率在lO35之间2三心拱直腿可缩性支架（见图22）承载能力较大，特别是在顶压受压时回采巷道和与集中胶带机道连通的石门，围岩压力较大，特别是顶压较大，顶底板相对移近率在lO35之间3三心拱曲腿可缩性支架（见图23）承载能力较大，抗侧压能力较大回采巷道和与集巾胶带机道的石门，围岩压力较大，压力较均匀，顶压和侧压均较大，顶底板相对移近率在1035之间 图21 4节半圆拱直腿可缩性支架 图22 5节三心拱直腿可缩性支架图23 4节三心拱曲腿可缩性支架3.封闭曲线形可缩性支架 当巷道处在地质构造影响区、断层带和极不稳定岩层中且受到二次采动影响的条件下，巷道围岩变形量大底臌严重，这时应采用封闭曲线形可缩性支架圆形、方环形等。表3 封闭曲线可缩性支架的力学特性及适用条件序号支架架型主要力学特性适用条件1圆形可缩性支架承载能力大，抗底臌和两帮移近量的能力大，特别是在均压时围岩松软，移近量大，底臌和两帮移近量较严重，在使用非封闭支架时，围岩移近率3035，于压力较均匀、并在回风平巷使用时更为有利2方环型可缩性支架承载能力大，抗底臌和两帮移近量的能力大，特别是在肩压大，压力不太均匀时围岩松软，移近量大，底鼓和两帮移近量严重，在使用非封闭式支架时，围岩移近率3035，其压力不太均匀，并在回风平巷使用时更为有利4.U型钢可缩性支架连接件 可缩性巷道支架最主要的特点是在支架构件不损坏的前提下，支架的净断面可以缩小，以此来减缓围岩对支架的压力，这种特性主要是靠支架的接头来实现的，支架的关键部件是接头处的连接件。支架的工作阻力、稳定性和可缩性，支架的使用年限和效果，很大程度上都取决于连接件的工作状况(与支架的架设质量和受力状态有关)。而连接件的形式、材质、螺母扭矩的大小，型钢搭接长度等，都是影响接头滑移阻力和支架可缩性的重要因素。四、其他支护措施为了改善巷道支架的受力状况，使支护效果更加良好，除了合理地设计、制造和使用支架外，还必须采取一系列行之有效的支护措施。主要有：安设底座、背板和拉杆，进行壁后充填等。 一、拉杆采用拉杆的目的是为了加强支架的稳定性，对于受采动影响的巷道和倾斜巷道，拉杆的作用更为突出。拉杆沿巷道纵向在架与架间布置，将两架支架连结起来，每一支架节布置12根，拉杆的抗拉强度一般应为50KN。图为角钢拉杆。图24 角钢拉杆1-拉杆；2-始段；3-终段二、支架壁后充填壁后充填的主要目的是使支架受载条件好，提高其承载能力并减小围岩的移近量，壁后充填堵塞空洞后也避免了瓦斯的积聚。支架后面充填区域的布置有两种方式：一种是布置塑料袋或纸袋，充填液注入袋内；另一种是预先铺设背板（隔板），充填完毕后卸下背板。 三、底座在柱腿底部，一般均要焊上矩形或方形钢板，称为底座，以降低底板比压，防止柱腿过多地插入底板，避免支架阻力过低。有时底板特别松软，还需在柱腿下加上木垫或料石垫等，以提高支架的工作阻力。四、背板一般金属支架都要设置背板。简易的背板一般采用木板，荆条棍、荆笆等制作，为了保证质量，可使用钢筋网背板，混凝土背板。图25为波兰使用的钢筋网背板，它是由不同直径钢筋纵横点焊而成。每块宽度为500mm，长度由巷道支架间距的大小来确定。在围岩特别松软破碎时也可增加金属网。图25 钢筋网背板2）喷混凝土支护 喷射工艺 喷射混凝土按其施工工艺分为两种：一种是干式喷射，即水泥、砂、石的干拌和料在喷头处与水混合，然后喷射到岩面上；另一种是湿式喷射，即干拌和料在搅拌机中与水混合，再经喷头喷射出去。干式喷射是目前使用最多的，它的主要问题是回弹率高、粉尘大、作业条件差。湿式喷射回弹和粉尘都较少，但易堵管。喷层厚度的确定喷层厚度一般为50-150mm，最厚不超过200mm。喷射混凝土的适用条件除了大面积渗漏水、岩层错动、岩层与混凝土起不良反应等情况外，一般说来，纯喷射混凝土适用于中等稳定的块状结构围岩及部分稳定性稍差的碎裂结构围岩。喷射施工中存在的问题：(1)回弹及回弹物的利用。应采取措施减少回弹，并重视回弹物的利用。(2)粉尘。目前，国内广泛采用干式喷射工艺，易产生粉尘。装干料或设备密封不良时，也会产生粉尘，使作业条件恶化，解决的主要途径：使用湿式喷射机，改喷干料为喷潮料，采用水泥裹砂法工艺，在喷头处设双水环，在上料口安装吸尘装置，适当降低喷射风压，以及加强通风、稀释粉尘浓度等。(3)围岩涌水的处理。处理的原则是：以排为主，排堵结合，先排后喷，喷注结合(4)喷层收缩裂缝的控制。由于喷射混凝土水泥用量大，含砂量较高，喷层又是大面积薄层结构，加入速凝剂后迅速凝结，这就使混凝土在凝结期的收缩量大为减少，而硬化期的收缩量明显增大，结果混凝土层往往出现有规则的收缩裂缝，从而降低了喷射混凝土的强度和质量。3）锚杆支护锚杆支护实质上是把锚杆安装在巷道的围岩中，使层状的、块状的、软质的岩体以不同的形态得到加固，形成一个完整的支护结构，提供一定的支护抗力，共同阻抗其外部围岩的位移和变形。 一般浇筑混凝土属于常刚度支护结构；锚杆支护则属于柔性大的非线性变刚度的支护结构，常称为柔性支护。其余支护结构则介于两者之间。 井巷支护，要求施工初期尽早地进行支护，但又要具有一定的柔性，使之与围岩一起有控制的变形，调整围岩的应力，达成稳定的平衡，而锚杆支护正好具备这一重要特性。 锚杆支护提供及时的合适的支护抗力，使围岩由双向应力状态转化为三向应力状态，提高并加固了围岩强度，增强了围岩的稳定性和自承能力；通过有控制的变形、位移和一定范围的塑性区，调整围岩应力分布和支护抗力的大小，从而达到支护的技术经济合理性。二、锚杆的分类 锚杆种类划分的方法较多，目前国内外多按锚固长度分类，按锚固方式分类。现有锚杆按锚固长度可划分为两大类，即集中（端头）锚固类锚杆和全长锚固类锚杆。两类锚杆按锚固方式可分为两种型式，即机械锚固型和粘结锚固型。锚杆的结构类型很多，下面介绍国内常用的几种。1钢筋或钢丝绳砂浆锚杆：全长锚固型，设计锚杆力3050KN。它结构简单，加工方便，成本较低，应用较广。但不能立即承载，不能回收复用。2金属倒楔式锚杆：这种锚杆是端头锚固型，理论上可以回收复用安装后可以立即承载，结构简单，易于加工，设计锚固力为40kN。3木锚杆：木锚杆结构简单，制作方便，价格便宜，但易腐朽，设计锚固力10kN左右。4树脂锚杆：现在使用的树脂锚杆多为端头锚固型5快硬水泥锚杆：快硬水泥锚杆成本低，材料来源广。 6快硬膨胀水泥锚杆7管缝式锚杆：全长锚固型锚杆。管缝式锚杆对地层横向错动有良好适应能力，钻孔变弯曲，锚固会更牢。这种锚杆的成本较高，不能回收复用，但锚固性能好，锚固力大。8可伸缩式锚杆：在松软、破碎、膨胀性围岩中，可采用可伸缩式锚杆。这种锚杆能与围岩变形相协调，使围岩有一个卸压过程。表4 巷道顶板锚杆基本支护形式与主要参数巷道类别围岩稳定状况基本支护形式主要参数非常稳定整体砂岩、石灰岩类岩层：不支护其他岩层：单体锚杆端头锚固：杆体直径：16mm杆体长度：1618m间排距：0812m设计锚固力：6480kN稳定顶板较完整：单体锚杆顶板较破碎：锚杆+网端头锚固：杆体直径：1 618 mm锚杆长度：1620m间排距：081O m设计锚固力：6480 kN中等稳定顶板较完整：锚杆+钢筋梁，或桁架顶板较破碎：锚杆+“W”型钢带(或钢筋梁)+网，或增加锚索；桁架+网，或增加锚索端头锚固：杆体直径：1 618mm锚杆长度：1822m间排距：0610m设计锚固力：6480kN全长锚固：杆体直径：1822 mm锚杆长度：1824m间排距：O610m不稳定锚杆+“W”型钢带+网，或增加锚索；桁架+网，或增加锚索全长锚固：杆体直径：1822 mm锚杆长度：182.0m间排距：061O m极不稳定顶板较完整：锚杆+金属可缩支架，或增加锚索；顶板较破碎：锚杆+网+金属可缩支架，或增加锚索；底鼓严重：锚杆+环形可缩支架全长锚固：杆体直径：l 824 mm锚杆长度：2O26m间排距：0610m注：巷道帮锚杆支护形式与主要参数视地应力大小、巷帮煤(岩)强度、节理状况、护巷煤柱尺寸、巷道断面与是否切割等，参照顶板锚杆确定。 对于复合顶板，破碎围岩，易风化、潮解、遇水膨胀围岩，可考虑在基本支护形式基础上增加锚索加固或注浆加固、封闭围岩等措施。锚杆各构件强度应与相应锚固力匹配。 顶板较完整指节理、层理的分级为、级；顶板较破碎指、级。4）联合支护联合支护的形式主要有以下几种：(1)各种锚杆支护的联合锚杆在巷道支护中的作用是不同的，可分为超前锚杆、围