井巷中巷道的断面设计与支护_马华

井巷中巷道的断面设计与支护

马华，刘飞

（中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116）

摘要巷道断面的设计与支护是煤矿生产中很重要的一个环节,合理有效的巷道断面不仅要充分考虑围岩的力学特性，同时还应兼顾支护材料的力学性质。梯形、圆形、圆弧拱形、半圆拱形等巷道断面广泛应用于煤矿巷道断面设计中，工字钢、U型钢、锚杆、锚喷等支护方式在巷道支护中起了不可替代的作用，不同的巷道断面需要不同的支护方式，正确地科学地设计巷道断面和其支护方式对生产以及后续的维护工作有着重大的意义。

关键字巷道；锚杆；锚喷；金属支架；软岩

中图分类号：TD263文献标志码：B文章编号：1009-0797（2011）04-0010-03

随着煤炭开采深度的逐渐增加，煤矿巷道所处的围岩性质也发生了不同于浅埋煤层巷道的变化，在一定程度上加大了煤炭开采的难度。深入研究巷道断面的设计与支护方式，分析影响巷道性能的因素，从而优化巷道支护方式。

1目前煤矿巷道断面设计的影响因素目前我国煤矿井下使用的巷道断面，按其轮廓线构成可以分为折线形和曲线形两大类。折线形主要有矩形、梯形和不规则形，而曲线形主要有圆形、马蹄形、椭圆形、圆弧拱形、三心拱形和半圆拱形等。

在煤矿巷道掘进中，巷道断面的形状主要由以下因素决定：

（1）巷道所处的位置及穿过的煤层或岩层的地质结构特性和性质。

（2）作用在巷道上矿压的大小和方向。

（3）掘进巷道的用途以及其设计的服务年限。

（4）巷道支护所选用的支架材料和支护方式。

（5）巷道的掘进方法以及采用的掘进设备。

（6）生产成本及安全因素。

1.1矿压大小和方向

多数情况下，作用在巷道上的矿压大小和方向、生产成本，在煤矿选择巷道断面形状中起主要作用。顶板压力和侧向压力均不大时，可选用矩形和梯形断面；顶板压力较大、侧向压力较小时选用直墙拱形巷道断面；顶底板压力和侧向压力都较大时，应选用相对封闭的巷道断面，如圆形或椭圆形，可以有效地控制巷道围岩的变形。

1.2巷道支架材料和支护方式

巷道支护所选用的支架材料和支护方式也在巷道断面选择中起到了不可或缺的作用。如果选用工字钢支护，一般巷道断面选用梯形断面；对于U型钢支护方式，则应选用拱形、圆形或者椭圆形巷道断面。而对于现在广泛采用的从澳大利亚引进的锚杆[1]锚喷支护方式，一般适宜选用梯形巷道断面。

1.3巷道掘进方法和设备

另外，巷道的掘进方法以及采用的掘进设备对巷道断面也有一定影响。随着我国现代化的进程，煤矿巷道的掘进也越来越机械化。目前岩石平巷掘进仍是钻眼爆破法占主导地位，适用于任何形式的巷道断面。这些年来，由于锚杆锚喷[2][3]支护方式的广泛采用，以及简化巷道设计和施工的难度，现在巷道断面多采用半圆拱或圆弧拱形断面。同时，对于全断面掘进机组掘进岩石平巷时，选用圆形巷道断面则为合适和实用。

2巷道的支护

巷道断面的选取受到很多方面因素的影响和制约，合理、恰当地选取巷道断面形状对煤矿安全生产有着重要的作用。要想很好的对巷道进行维护，就需要深入了解巷道断面所处围岩压力的分布和显现情况，以及不同支护方式的优劣之处。

2.1预留煤柱支护

留设煤柱是传统的保护巷道的方法，是在上区段运输平巷和下区段回风平巷[4]之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区。区段平巷双巷掘进，技术管理简单，对通风、运输、排水、安全都有利。但是煤柱损失高达10%-30%；且回风巷受二次采动影响，巷道维护困难，支护费用高；煤柱支承压力向底板传播，不仅影响邻近煤层的开采和底板巷道的稳定，还成为引发冲击地压的隐患。煤柱宽度一般为10~30m。图1为留煤柱护巷示意图

2.2金属支护

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随着锚杆锚网[5]等金属支架的广泛应用，巷道的支护效果取得了明显的改善。巷道开掘后，巷道空间上方岩层的重量将由巷道支架与巷道周围岩体共同承担，巷道支架与围岩体组成一个共同的承载体系。从总的规律来看，巷道上覆岩体的重量由巷道支架承担的仅占1%~2%，其余的完全由巷道周围岩体承受。研究表明：巷道支架的工作特性与一般地面工程结构有着根本性的区别。支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性，而且与其支护巷道围岩体的力学性质和结构有着密切的联系，即“支架与围岩”的相互作用关系。

图1留煤柱护巷示意图

2.3矿用支护型钢

对于圆形、椭圆形、半圆拱形等巷道断面，U形钢和矿用工字钢是两种主要的矿用支护型钢。矿用支护型钢使用条件复杂，使用环境恶劣，对矿用支护型钢的性能要求较高。矿用支护型钢具有较高的抗拉、抗压、抗剪强度和良好的韧性。型钢断面的集合参数主要是抗弯截面模量Wx、Wy，巷道支架不仅承受横向载荷，还要承受来自纵向的推力，要求支架在两个方向上承受载荷的能力都比较大。Wx与Wy的数值应尽可能的接近。型钢断面的集合形状还直接影响支架的可缩性能，对U型钢支架尤为重要。合理的型钢断面集合形状应使型钢搭接后在锁紧、滑移的过程中，满足型钢搭接处接触面积大、受力状况良好、平稳滑移的要求。

2.4可缩性支架

金属支架的承载能力分为极限承载能力和实际承载能力。极限承载能力是指支架处于刚性状态下所允许的最大承载能力，以支架不出现塑形变形为标准。实际承载能力是可缩性支架在收缩阶段表现出的承载能力，由连接件和支架的工作状况决定。一般情况下实际承载能力小于极限承载能力，实际承载能力接近极限承载能力是可缩性支架的理想工作状态。

2.5锚杆支护

锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的“围岩一锚杆”作为支护系统的主要构件，就形成锚护支护系统。目前，适用于不同地质条件、具有不同功能和用途的锚杆有数百种，锚杆支架主要有一下几种：

（1）机械锚固式。如胀壳式锚杆、倒楔式锚杆、楔缝式锚杆。

（2）粘结式锚杆。如树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆、水泥砂浆锚杆。

（3）摩擦式锚固式。如缝管式锚杆、水胀式管状锚杆等。

锚杆支护促使围岩由载荷体转换为承载体。尽管锚杆在不同地质条件下作用机理有所不同，但都是在巷道周边围岩内部对围岩加固，形成围岩承载体，有利于围岩的稳定。国内外现场对比实验表明：在同一条件下锚杆支护与刚性金属支架比较，巷道围岩移近量减少一半左右。除了上面介绍的几类锚杆支护方式，在实际生产中，还常用到组合锚杆的支护方式。一种为当我们使用单体锚杆不能有效地控制围岩时，常采用组合锚杆支护。将锚杆与掩护网、托梁联合使用，组成一个以锚杆为主的整体承载机构。其中锚杆一般为树脂锚杆，金属菱形网、金属经纬网、塑料网、钢筋网均可以用作掩护网。目前实验效果较好的有以下四种：W型钢带、钢筋梯子梁、M型钢带、П型轻型钢带。另一种为桁架锚杆支护，桁架锚杆主要由锚杆、拉杆、拉紧器、垫块等组成，桁架锚杆的主要形式为单式和复式桁架锚杆。

其实，在煤矿生产中，无论采用单式或复式桁架锚杆，在顶板岩层内部都会形成水平和竖直方向的挤压应力区。锚杆的锚固力和拉杆的预拉紧力，使顶板的“中性轴”下移，增加了顶板岩层的抗弯能力，减小顶板内部及其表面的张应力。而对于破碎顶板，桁架锚杆提供的水平压力增大了沿巷道横向一组裂隙的摩擦因数，提高裂隙梁的“完整性”，有利于顶板梁的成拱作用。通过拉杆可以协调锚杆之间的受力变形，将同一拉杆的若干根锚杆构成整体支护结构。另一方面，当顶板弯曲变形和下沉时，拉杆和倾斜锚杆的共同作用使顶板内部及其裂隙体中产生更大的挤压应力和摩擦力，减小甚至抵消巷道顶板中部可能产生的拉应力，以阻止顶板的进一步弯曲和下沉，从而使顶板趋于稳定。

支护效果在一定的程度上还受到巷道围岩的性质的影响，上述锚杆等支护方式适宜于围岩比较坚硬的巷道，而对于强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的软岩来说，软岩[6][7]巷道支护和硬岩巷道支护原理截然不同，这是由它们的结构关系决定

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