井巷-第八章特殊条件下的巷道施工

第八章特殊条件下的巷道施工,与浅部稳定地层相比较，深部地层具有应力高、岩体松软、膨胀性较大、自稳定能力极差等特点；若揭开含有瓦斯煤层时，常会发生煤与瓦斯突出事故。通常将具有上述特点的巷道称为特殊巷道。,简言之，特殊巷道：处于高应力地层中、围岩松软且具有膨胀性、自稳能力极差、具有瓦斯突出危险的巷道。通常分为软岩、松软岩巷道和具有煤与瓦斯突出危险巷道两大类。,8.1软岩巷道施工,1、软岩巷道的变形特征,软岩巷道开挖中，最突出的一个特点：就是围岩松动范围大，围岩变形速度快，变形量大，若支护不及时或支护不合理时，软岩巷道的围岩往往会发生过量变形，以致使支护结构发生大量破坏。,其围岩变形主要具有如下特征：,一、软岩巷道变形呈蠕变变形三阶段规律，并具有明显的时间效应。初期来压快，变形量大，若此时不加以控制，很快就会发生岩块冒落、巷道破坏；如果此时采用不能适应软岩大变形特性的刚性支架，则支架也会很快被压坏（进而可能会导致巷道的破坏）。,因此，在此状况下支护时，必须根据软岩的变形特点，既要对变形加以控制（防止巷道破坏），又要允许软岩有一定的变形（释放一部分能量）。即应采用具有弹性性质的支护结构。,岩石蠕变的概念,蠕变：在应力不变的情况下，岩石的变形随时间而增长的现象。,岩石蠕变有两种类型：稳定型蠕变非稳定型蠕变,稳定型蠕变：在恒定应力作用下，岩石变形速率随时间递减，最终趋于零，一般发生在较小应力下或硬岩中。,非稳定型蠕变：岩石在恒定应力作用下，岩石变形随时间不断增长，直至破坏。一般发生在软弱岩石或应力较大状态下。,蠕变曲线变化特征,岩石的蠕变特性曲线可分为三个阶段：,阶段：初期蠕变应变时间曲线向下弯曲，应变速率由大变小。属弹性变形。如果应力骤降到零，则为瞬时弹性变形，而后随时间慢慢退到应变为零，这时无永久变形，材料仍保持弹性。,阶段：等速蠕变应变时间曲线近似直线，应变随时间呈近于等速增长，出现塑性。如果把应力骤降到零，则会出现永久变形。,阶段：加速蠕变应变时间曲线向上弯曲，其应变速率加快直至破坏。,并非所有的蠕变都能出现等速蠕变阶段，只有蠕变过程中结构的软化和硬化达到动平衡，蠕变速率才能保持不变。,二、软岩巷道围岩变形有明显的空间效应。即软岩在距离掘进破岩工作面一倍宽的地方就基本上不受掘进工作面的影响和扰动。软岩巷道的变形随掘进深度的增加而加大，巷道的所在深度不仅对围岩的变形和稳定状态有明显的影响，而且其影响程度要比岩层的坚硬度大得多。在不同应力的作用下，软岩巷道的变形具有明显的方向性。,三、多表现为巷道四周受压，且为非对称性。不仅顶板下沉量大，易冒落，同时也有可能产生强烈的底鼓现象，并常伴随有两帮剧烈位移，以致引发两帮破坏，顶板塌落。尤其是黏土层，由于浸水崩解和泥化所引起的底鼓更为严重。,四、软岩巷道的自稳定能力极差，围岩变形对应力扰动和环境变化非常敏感。当软岩巷道受到邻近开掘施工或修复巷道、水的浸蚀，爆破震动等影响或扰动时，都会引起巷道围岩变形的急剧增长。,由于上述特性，松软围岩的自稳时间通常很短，有的顶板一暴露就立即冒落。松软围岩的自稳能力主要与围岩暴露面的形状、面积、岩体的残余强度、原岩应力、以及掘进施工工艺有关。通常情况下的巷道围岩自稳能力与围岩的岩性、巷道的断面形状有关。,因此，必须掌握软岩的变形特性，才能合理确定巷道位置，选择合理的掘进施工方式和支护方式及措施，进而充分利用围岩与支护相互作用，有效提高巷道围岩的自稳时间，加快掘进进度，降低施工成本。,2、软岩巷道治理技术,由前面讨论可知，仅从施工技术和工艺方面采取措施，是无法解决软岩巷道施工及后期维护等困难问题。因此，必须运用系统工程的思想综合指导软岩巷道施工的全过程。即要从巷道的勘察、选址、设计、施工、监测等方面全方位地采取措施，对每一个环节都要从有效提高巷道的整体性、自稳能力方面来考虑，做出科学合理的决策，采取合理的措施：,一、要充分了解和掌握详尽的地质资料,井巷工程的掘进施工以及后期的工作环境都是处于地下岩体内，因此，井巷的安全性、经济性、正常使用功能等都与所处的地质环境和条件密切相关。,由于巷道的开掘，破坏了岩土体的原始平衡状态和条件，引起岩体内的应力重新分布，绝大多数的围岩都会因之产生各种形式的变形、破坏，严重时甚至可以延伸影响到地表。,所以，在井巷建设前期，必须深入细致的进行工程地质勘察，摸清基本地质、地形、地貌情况和岩体的基本工程特性，特别是工程地质和水文地质条件、地质构造、应力场状态以及主要岩层的岩性条件，还要尽量获取与工程相关的各种资料，并对各类资料做出科学的分析和正确的评价。,二、选择合理的巷道位置,合理选择巷道位置是保证巷道处于稳定状态的关键措施之一。选址巷道位置时应重点考虑如下几个方面：,尽量把巷道布置在强度大、遇水膨胀性小、地质构造和水文条件简单、岩性比较坚硬的岩层内。在同一巷道内，即使围岩性质只有微小的差异，巷道压力也会显现出明显的差别。,尽量避免巷道在空间上重叠、密集交叉，硐室群的施工应根据所处的地质环境和条件，尤其考虑对巷道稳定性的影响，优化选择施工顺序和施工方法。,应使主要巷道避免受到采动压力的影响。回采工作状态对采区巷道的变形与破坏影响最大。煤层开采以后，其底板岩石大巷围岩的压力会明显提高，这是造成煤层底板岩石大巷破坏的主要原因。因此，应把巷道布置在应力降低区或原岩应力区内为最好。,三、选择合理的巷道断面形状,由于松软岩层的地质情况非常复杂，使巷道的受力状态也非常复杂。因此，合理选择有利于维护松软岩层巷道的稳定的断面形状尤为重要。,断面形状的选择主要是根据地压的大小和作用方向。若地压较小，选用直墙半圆拱形巷道是合理的；若巷道周围均受到很大的压力，选择圆形巷道为宜；若垂直方向的压力很大而水平方向的压力较小，选用直立椭圆形断面或近似椭圆形断面是比较合理的；若垂直方向压力较小而水平压力很大，宜选择曲墙或矮墙半圆拱带底拱，其高跨比小于1的断面，或平卧椭圆形断面。,四、选择合理的破岩方法,在松软岩层巷道中掘进施工时，破岩方式的选择应以保持围岩的稳定和整体性、不破坏或少破坏巷道围岩为原则。,如果条件允许，最好选择全断面机械破岩方式；如果采用风镐等机械方式破岩能满足进度要求，则可选择机械破岩方式；如果选用爆破方式破岩，在应采用光面爆破技术。,光面爆破：是一种能充分利用和有效控制爆炸能量、对围岩破坏较小的破岩方法。该方法能使巷道成型规整、围岩稳定、最大限度地减少危岩和炮震裂缝，提高巷道自身承载能力，既能在很大程度上保证施工安全，又可以提高支护效果。因此，光面爆破是采用锚喷支护的前提和基础，也是锚喷支护顶板控制的关键。,五、采用合理的支护方式,在软岩岩层中的巷道一经掘出，如果不及时加以控制，则围岩的变形会发展很快，甚至在围岩的深处也会产生不同程度的位移，以致可能出现围岩碎裂、流变、垮塌。,对此，支护应当以“强化围岩、整体承载、允许变形、适当让压、控制巷道断面”为原则。通过支护加强巷道围岩的整体性，提高巷道围岩的整体承载性能；,通过合理的支护来抵制压力、释放压力，有效控制巷道的整体变形。支护结构应具有“先柔后刚”的特性，一般需要二次支护。二次支护的作用在于进一步提高巷道的稳定性和安全性，因此，二次支护应采用刚度较大的结构形式。,六、预防和治理底鼓,软岩巷道，特别是在具有膨胀性岩层中巷道，通常会发生底鼓现象。底鼓是造成巷道破坏的重要原因。凡是在软岩中掘巷施工时，若不治理底板就实施支护，其结果往往是底板先行严重鼓起，而后两帮失稳，最后顶板冒落，直至巷道全部破坏。因此，在软岩巷道施工中，必须注重和加强对底鼓的预防和治理。,巷道所处位置的软岩岩层地应力增大、岩石强度低、结构松散、矿井水浸蚀、采动压力的影响、破岩施工的扰动、地质结构性态、围岩暴露时间的长短等，都是造成巷道底鼓的原因。因此，应首先查清造成底鼓的主要原因再确定合理的治理措施和方案,常见的几种底鼓类型，参见本教科书P298。,七、加强水的治理,地下水的赋存与活动，既影响围岩的应力状态，又影响围岩的强度，进而影响巷道的稳定。水对软弱巷道围岩的影响尤其严重。因此在巷道施工和后期使用过程中都必须加强对水的综合治理。,八、加强巷道围岩监测,监测和测试是软岩巷道在施工过程中和后期使用中必须实施的重要环节和施工内容的重要组成部分。由于在施工的每个作业环节中都存在着不确定因素，围岩的应力和位移的变化也存在许多不可预见性，因此，巷道施工监测就显得尤其重要。,施工监测的主要目的：在于为巷道支护设计提供依据；监测巷道围岩状态，控制围岩变形；监测支护效果，确定二次支护的时间等。,在施工过程中，需要监测的主要信息：围岩表面及其深部的位移、应力变化、围岩与衬砌（锚喷层）之间的接触压力、衬砌内部的应力、顶板离层、底板起鼓、锚杆（索）受力状态等。对应力大的矿井，还应量测构造应力场的状态。,3、软岩巷道支护技术,一、初始（一次）支护,软岩巷道每一个施工段开掘成形后，要立即进行一次支护。,一次支护的主要目的：在于加固围岩，提高围岩的自承载能力，同时，允许围岩在可有效控制范围内释压变形，以适应软岩的力学特性。,因此，初始支护应按照围岩与支架共同作用的原理，选用刚度适宜、具有一定柔性或可缩性的支护结构。锚喷网支护结构能与围岩形成密切结合的结构体，并允许围岩有一定的变形，是一种较为理想的初始支护方式。,目前，松软岩层巷道的锚喷网支护结构有：锚网喷、桁架锚网喷、钢筋梯锚网喷、钢带锚网喷等多种形式。在膨胀性围岩或破碎易冒围岩中施工时，都应先喷速凝混凝土3050mm厚，及时保护和封闭围岩；然后再打锚杆眼，设锚杆挂网，再喷一次混凝土3040mm厚将网覆盖。,二、二次支护,一次支护的根本作用是加固并提高围岩的整体性和自稳能力，同时允许围岩在保证巷道安全的条件下释放变形能。在围岩变形稳定后，为保证巷道长时间的稳定和生产服务期的安全，应当给巷道围岩提供最终的支护强度和刚度，就是要进行二次支护，同时也起到了一定的安全储备作用。,二次支护滞后一次支护的时间，称之为二次支护时机，是实现二次支护效果的关键所在。因此，必须加强对巷道围岩的监测，并待围岩变形稳定后，把握最佳时机进行二次支护。二次支