矿山支护技术汇总Word文档格式.docx
- 文档编号:5001364
- 上传时间:2023-05-04
- 格式:DOCX
- 页数:34
- 大小:400.71KB
矿山支护技术汇总Word文档格式.docx
《矿山支护技术汇总Word文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《矿山支护技术汇总Word文档格式.docx(34页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
类级1:
采用无砂浆胶结的机械式端锚锚杆,通常配以链接式网或焊接式网,有时也用木垫板作为托盘托住金属网。
其典型的支护形式为:
机械式锚杆长为1.8m,直径16mm,以1.2m×
0.75m的间距安装,金属网为6号铁丝网,网孔为100mm×
100mm,在一些矿山还采用了镀锌的链接式网(网孔呈菱形布置,间距为50mm×
50mm)以防止腐蚀。
类级2:
在类级1支护系统的基础上增加锚杆的密度和锚杆的长度,增强锚杆的变形能力,增大金属网的覆盖面积或增加网丝的直径,以及增喷混凝土等,以提高支护系统的支护能力,它适用于岩爆危险性比类级1高的区域。
例如在类级1支护方式基础上再加上直径为20mm、长118~214mm的树脂浆变形预应力锚杆,以适中的间距锚入岩体作进一步加固。
或者将金属网布置到边帮的下部(离底板1m)或在边帮再安装管缝式锚杆等。
类别3:
采用非加固围岩的方法,即采用钢索带(Cablelacing)支护,它适用于高岩爆危险区。
有代表性的支护形式为采用7股16mm直径的钢绳用作索带,锚固件呈菱形花形式布置,间距为1.5m×
1.2m,锚杆采用软钢(mildsteel低碳钢),直径为16mm,用砂浆锚入孔内,在外露的端部弯曲。
南非是迄今为止在岩爆研究领域取得成就较大的国家。
他们研究岩爆支护的主要对象是针对3000m以下的大深度支护问题。
此时的原岩应力高达100MPa以上,这样的高应力值范围已超过围岩的强度极限,巷道主要表现为大变形破坏。
南非金矿岩爆巷道常用的支护方式有锚杆这类固定支护和金属网、喷网、索带等这类柔性支护,对喷射混凝土支护抑制岩爆的作用也作了较深入的研究。
10.1.1.2国外硬岩矿山岩爆倾向巷道支护经验
根据国外采矿发达国家岩爆灾害条件下巷道支护的实践,在岩爆条件下矿山巷道支护有以下若干经验:
(1)在岩爆条件下,保证支护系统的承托单元在整个支护区内的完整性是特别重要的,否则,会出现岩体片落,导致巷道垮塌或功能性破坏。
同样地,在岩爆条件下,锚固单元(如锚杆)与支承单元(如金属网)之间应有良好的连接设计是很重要的,因为单个单元的破坏可能会导致链锁式破坏的后果。
(2)机械式点锚锚杆作为加固岩石的单元在岩爆条件下常常会失去它的作用效果,这是由于在托盘端头的承载力丧失和锚头处可能产生滑移而产生的。
但它作为承托支护系统(retaining/holding)则相对地具有良好的延展性,与金属网相连作为悬吊锚杆,仍能起到非常重要的作用,但这种作用在与焊接式脆性金属网相配使用时会大大减少,因为在冲击荷载的作用下网与锚杆的连接处易于破坏。
(3)砂浆变形钢筋锚杆经常在紧靠垫板处失效,但许多实例说明它仍继续起到有效的加固围岩的作用。
(4)一般而言,在岩爆条件下链接式网作为托载(承托)单元明显优于焊接式金属网。
(5)在智利、加拿大等已有越来越多的实例表明喷射混凝土在岩爆支护系统中起着非常重要的作用,喷射混凝土作为一种“表面网”有许多有用的特性,包括紧贴岩石表面、较高的初始刚度和足够的延展性,作为托载结构可全区域覆盖,防止金属网腐蚀,加强金属网与锚固单元之间的连接。
另外,喷射混凝土在某种程度上保持岩体的自锁也起到非常重要的作用,且在有较大的变形时限制各岩块的运动自由等。
(6)管缝式锚杆在破碎岩体中相当容易安装,且在锚杆的轴向明显地提供较好的延展性,但由于腐蚀问题(甚至在镀锌后),它一般仅是用作短期支护。
10.1.1.3国外硬岩矿山岩爆条件下巷道支护系统的特性
根据国外采矿发达国家岩爆灾害条件下巷道支护的实践,在高地应力、岩爆条件下矿山巷道所采用支护系统具有以下若干特性:
(1)用作加固岩体的锚杆单元应具有较高的初始刚度。
(2)提高支护系统的延展性,特别是在承托支护系统中更是如此。
提高延展性可以通过采用大变形金属网或采用屈服型锚固单元,或两者同时采用。
(3)保证承托支护系统在整个支护域内的完整性,以及承载单元与锚杆单元之间连接的完整性。
(4)组成较低级别支护系统的各单元的有效结合可以上升为较高级别的支护系统。
(5)对于任何级别的支护系统应具有较广泛的适应性,来避免必须精确预计岩爆的潜在性或必须详细地确定岩体的特性和对动荷作用的响应。
10.1.2硬岩矿山有岩爆倾向巷道的支护设计方法
由于岩爆事件造成巷道破坏的机理与通常意义上的巷道破坏不尽相同,因此巷道支护设计的方法,采用的支护技术、支护构件与一般意义上的巷道支护也不完全相同。
岩爆破坏巷道最突出的特点是巷道围岩突然发生破坏,这种破坏不仅要求支护系统提供一定的静抗力,同时还要求支护系统能吸收岩块突然破坏释放的动能。
要求支护构件具有让压或屈服特性,具有较强的吸收动能的能力。
在高应力引起变形破坏或岩爆发生瞬间能够先屈服变形,同时仍然保持一定的抗力,在允许最大变形前能耗尽岩爆破坏所释放的动能,这是高应力有岩爆倾向巷道支护设计的特殊要求。
本节介绍有岩爆倾向巷道的破坏与支护机理,以及相应的设计方法。
10.1.2.1岩爆巷道破坏机理与破坏严重程度
1、岩爆巷道破坏机理
一般地,巷道发生岩爆时,巷道周边岩石破坏有以下几种表现形式:
(1)巷道临空面岩石突然破坏产生裂隙,导致岩石体积向空区内突然膨胀,有时甚至导致巷道完全闭合而被堵死。
(2)巷道周边岩石呈板状或片状突然弯曲折断。
(3)节理裂隙切割的岩块被震落或弹射出,这时岩爆的震源与岩体破坏地点不在一处。
(4)接近失稳状态的巷道顶板岩块因震动而突然掉落。
根据巷道岩爆破坏的具体形式,加拿大学者将岩爆破坏的机理归纳为如图10-1所示的三种形式:
(1)由岩石破裂引起的岩体膨胀
当开挖空间附近的应力超过岩石强度时,由于岩体出现断裂而导致岩体的体积膨胀。
如果岩石破裂突然、快速发生的话,这种破坏机理通常看作是应变岩爆。
在开挖面周围,高的围岩应力是这种破坏发生的前提,这是在有岩爆倾向岩层中的采矿巷道最常见的破坏形式。
不管有无岩块抛射,膨胀过程都会发生,并可能导致大的侧向位移。
这种破坏形式可能自行产生,如果开挖产生的应力超过岩石强度。
或者可能由较远震源传来的动应力增量触发,虽然地震波可能触发破坏过程,但岩石发生破坏和膨胀的最基本的能量来源于开挖面周围岩石中储存的应变能。
这种破坏机理的危险性和严重性与原岩应力、岩石强度、巷道断面的几何尺寸、岩石的韧性等因素相关,岩爆引起的小破坏形式可以从岩石的喷出(弹射)至周围巷道岩石的片落和剥落,引起的帮壁位移取决于破坏岩石环形裂缝的深度和面积范围,也取决于周围岩石的韧性。
如果断裂带的外延区域很小以及裂缝不扩展,则在相对小的变形以后,岩体膨胀将终止,支护系统的变形只要能够达到适应这种膨胀即可。
然而,在极端情况下,断裂和膨胀过程会延伸到岩体内,导致巷道闭合。
以前,人们还没有认识到体积膨胀量对支护设计的影响以及为控制膨胀过程所需支护能力的重要性。
现在发现,在易爆地层中岩体体积膨胀是支护破坏的一个主要原因,例如,在加拿大,许多矿井中发生的破坏都和它有明显的关系。
图10-1巷道岩爆破坏机理示意图
(2)由地震能转化引起的岩块抛射
由于到达开挖面的地震应力波把地震能传递到松动的岩块或者受地质构造切割的离散岩块时,可导致这些岩块发生猛烈弹射或抛射运动。
岩块弹射的速度和可能造成破坏的严重程度与震源震级、震源距巷道自由面的距离有关。
岩块抛射最可能出现在岩石节理发育的地方和断裂处,根据加拿大和南非的经验,这种机理造成的岩块弹射速度很少超过3m/s。
当岩块弹射破坏机理和岩体膨胀破坏机理联合作用时,则可能产生更高的弹射速度,如弹射速度可高达10m/s。
(3)由微震振动诱发的岩块崩塌或冒落
当一低频地震波作用于静止条件下接近稳定的岩体并使之加速运动,在岩体频于塌落时,地震波将引发岩块崩塌。
当围岩深部存在裂缝使岩体松动,或者由于存在有形成方块或楔形岩块动态运动进入开挖面内的不良地质构造时,就形成了这种破坏机理。
虽然是地震震动触发这种破坏,但重力仍然是起支配作用的重要推动力。
这类破坏可能涉及大范围的岩石并且产生巨大的破坏,破坏形式包括大量岩石冒落和引起大的破坏。
2、破坏的严重程度
上述三种破坏机理会使地下开挖作业区遭受小的、中等的或大的岩爆破坏,视其原岩条件而定。
破坏程度以及破坏过程的强烈程度取决于:
①靠近开挖空间的潜在破坏力,即存在的与岩体强度相当的帮壁应力。
②支护效果(即支护的完整性)。
③矿岩的强度,它对岩石的破坏过程有影响。
④地震诱发的应力、岩石的移动加速度或速度。
⑤巷道的几何形状、断面规格与布置方向和主节理方向以及不良地质构造等。
10.1.2.2岩爆巷道支护机理
加拿大的D.R.McCreath和P.K.Kaiser等人深入地研究了岩爆巷道支护的机理。
经过研究认为:
当任何一个复杂的支护系统被简化之后,都可以划分为如图10-2所示的两种主要的支护功能:
加固围岩和悬吊—承托。
在这两种功能中,加固围岩和起悬吊作用的支护单元为锚杆,而承托单元则由金属网、喷混凝土、索带或它们之间的组合形式来完成。
图10-2岩爆巷道支护原理图
如图10-2岩爆巷道支护原理图所示,通过锚杆加固围岩体是提高围岩的强度,在围岩体中形成一个能承载岩石应力的岩石拱,加固锚杆与被加固围岩一道共同承担围岩传递的应力。
悬吊—承托作用就是通过起悬吊作用的锚杆和承托单元把破碎的岩石限制在深部岩体上。
在通常的低应力条件下,这种作用主要是基于安全考虑,而不是对围岩自身的稳定性考虑。
但已有研究表明,这种承托作用的锚杆和承托单元(如金属网、喷混凝土)把破裂岩石限制在深部岩体上,在保证受高应力作用条件下的巷道稳定性方面可以起到一个非常重要的作用。
在高应力作用下,巷道岩石破裂通常伴有较大的岩体变形,而且岩体的破坏通常伴随岩体剥落的过程而发展。
因此可以通过悬吊—承托作用保持破裂岩石层来对岩块连续运动过程进行有效的运动控制。
深部的节理(或破裂)岩体的强度对侧限压力的增加是极其敏感的,而受限制的破碎岩石正好给深部的岩石提供了这一侧限力。
另外,这一层破碎岩石还起到分配载荷到承托结构(金属网)上的作用,来保护承托结构免受集中冲击载荷的作用,同时,它还可以起到耗散(或吸收)传递过来的微震能量作用。
对于前述的各国采用的各种不同的支护形式,都可以简化分解成这里所解释的两种支护功能。
在一些情况下,这两种功能也不是孤立的,它们可以共同作用来抵御岩爆,也可能由加固功能向承托—悬吊功能转化。
岩爆巷道支护结构在性能上必须具有抗动荷作用的能力,也就是说它除了具备静荷条件下的一切功能之外,还必须能抵御动荷作用,这是岩爆支护的一个根本特点。
完成上述的两种支护功能是由支护结构的各个单元所起作用的组合而获得的。
在一个支护系统中对围岩起主要加固作用的元件为锚杆,锚杆打入加固围岩体中之后,在与围岩共同作用过程中将吸收弹性变形能,提高围岩体的自承能力。
在悬吊—承托支护结构中,锚杆为维系这一结构的基本单元,一旦锚杆失效则整个支护系统失去作用。
喷射混凝土则可以对表层裂隙岩体起加固、锁合作用,它与金属网一起还有较好的抗弯刚度,它可以使冲击荷载较均匀地分摊到加固单元(锚杆)中去,特别是它可以使锚杆处于单拉状态而不是剪切状态,从而使锚杆结构的作用功能得到优化。
喷射混凝土与金属网共同作用可起到与锚杆相联的“托盘”作用,以防止托盘与网之间产生扯脱现象。
另外,喷射混凝土作为一个整体性支护单元还有一定的支撑效果,使巷道周边更光滑而消除应力集中,通过提供侧向或切向剪切阻力而限制围岩膨胀等作用。
金属网主要是一个承托单元,其次是它可以改善喷射混凝土的力学作用功能。
但作为动态荷载作用的金属网,它自身亦应有吸收动能的能力和防破坏(防撕扯松散)的能力。
对于有岩爆倾向岩层中的各支护单元来说,必需具有良好的韧性。
所谓韧性是指材料或结构在荷载作用下到破坏或失效为止吸收能量的性能,通常多用应力—应变曲线或荷载—变形曲线所围成的面积表示。
实际上材料的韧性反应了其吸受弹性应变能的能力,韧性越好吸收能量的能力越强。
韧性不仅取决于材料的强度,还取决于材料直至破坏时的变形能力。
图10-3给出了三种不同韧性的材料的受力—变形曲线图,A为高强低变形能力、C为低强高变形能力的材料,只有B为理想的高韧性材料,是岩爆支护中希望获得的材料。
图10-3不同韧性材料荷载—变形曲线图
10.1.2.3有岩爆危险巷道的支护设计
1、岩爆破坏对支护系统响应的要求
一个支护系统对动静荷载的力学响应特性决定了该支护系统所能完成的功能,有岩爆危险巷道支护方法和支护系统的选择基于支护系统的承载变形特性(刚性、承载能力和变形或能量消散能力)和预计的岩体破坏特性和严重程度,要求所采用支护系统在受到岩爆的冲击作用之后,应当能保证围岩的稳定,或由加固功能转化为悬吊—承托功能而继续保证围岩的稳定。
具体来说,对于岩石膨胀破坏机理形式的巷道,设计支护系统的目的是用来控制或消除岩石变形或膨胀,要求支护系统具有良好的变形能力。
对于岩石崩塌冒落破坏机理的巷道,支护的首要作用应是防止破坏的发生,所设计的支护结构应能承担为抵抗由于方形或楔形岩块加速而形成的附加惯性力而增加的静荷载,通过用更多的支承和加强的构件来防止地震条件下的破坏,使抗崩塌的安全系数得到提高。
当岩爆引起剧烈的岩块抛射时,支护必须能够承受大的位移,并能吸收抛射岩块的动能。
因此,对于易爆岩层的支护来说,首先要求支护结构必须具有很好的延展性,如果支护系统没有让压和屈服性质,就不可避免发生破坏。
要想保持支护系统和巷道的稳定,要求支护系统在岩爆发生瞬间先屈服变形,同时仍然保持一定的抗力,在允许最大变形前耗尽岩爆释放的动能。
其次,岩爆既然是岩体破坏的一种形式,必须满足静态失稳条件下常规支护系统应具备的所有功能。
第三,支护构件一般还应具有以下特点:
(1)具有较高的承载能力,即支护体系的屈服强度较大,远超过静态平衡所需要的强度。
(2)支护系统对巷道开挖面的表面覆盖率高,因为岩爆发生的地点难以确定。
(3)支护系统破坏前允许的岩体位移比较大,因而吸收岩石释放的动能大。
2、支护系统的设计方法
在岩爆破坏条件下,设计合适的支护结构(单元)或系统时,要求在巷道出现破坏之前,必须通过支护加固来提高岩体强度,尽可能保证岩体的完整性,以便岩体和支护共同形成一个连续体。
只要有可能,就要提高这种加固系统吸收微震能的能力。
一旦岩石破裂且产生了破坏,支护结构必须能承托住破碎岩体且锚固系统仍能够使被托住的破碎岩石保留在原位,同时还必须能够耗散喷出的岩石的动能,要求支护系统在产生一定的变形(位移)之后,能重新建立一个静态平衡。
传统的支护结构设计方法主要考虑两点:
(1)潜在破坏模型的确定。
(2)适宜的支护能力与支护需要的比较。
通过计算安全系数或破坏概率,确定所需要的人工支护。
有岩爆倾向巷道支护设计不能严格按照传统的支护结构设计方法进行,这是由于岩爆事件具有不确定性、随机性的特点导致巷道破坏模型以及地点的不确定性和支护承受荷载的不确定性。
综合考虑有岩爆危险巷道的破坏方式、破坏机理、支护结构的要求以及支护机理等因素,在进行有岩爆倾向巷道支护设计时,可以采用以下设计程序:
(1)确定可能的岩爆破坏机理;
(2)预测目标巷道可能发生岩爆的强烈程度;
(3)比较不同支护构件或系统的特性和功能,选取能满足功能要求的、合适的支护类型;
(4)采用理论或经验类比方法,确定支护元件或系统的结构参数。
在确定岩爆破坏机理和预测可能的岩爆破坏强烈程度时,根据加拿大岩爆巷道的支护研究成果,可参照表10-1的经验选取。
表10-1列出了与不同岩爆机理和破坏程度有关的预计岩石负载、变形量、移动速度和动能。
表10-1岩爆破坏机理和预计的破坏特性
破坏
机理
破坏程度
岩爆破坏的原因
厚度(m)
负载(kN/m2)
闭合(mm)
Ve(m/s)
能量(kJ/m2)
无喷出的鼓胀
小
很少超过贮藏的应变能的高应力岩石
<0.25
<7
15
<1.5
无临界值
中等
<0.75
<20
30
同上
大
<30
60
引起喷出的鼓胀
大大超过应变能的高应力岩石
50
1.5~3
150
2~10
<50
300
5~25
喷出
远处地震传来能量的节理或破碎岩石
<150
>3
3~10
>300
10~20
20~50
岩石
冒落
地震加速度加压,岩石强度不够
<7g/(a+g)
—
<20g/(a+g)
<50g/(a+g)
—
注:
Ve是岩石变形或喷出速度;
a和g分别是地震加速度和重力加速度。
在采用工程类比方法选择确定合理的支护系统以及相应支护结构参数时,可以参照表10-2中加拿大岩爆支护经验选取。
表10-2适用于有岩爆倾向岩层的支护系统
支护系统能力
推荐的支护系统
承载(kN/m2)
变形(mm)
能量(kJ/m2)
无岩石喷出的鼓胀
无临
界值
锚杆或砂浆螺纹钢筋锚杆加钢丝网(和喷射混凝土)
75
100
可让压锚杆和砂浆螺纹钢筋锚杆加钢丝网和喷射混凝土
引起岩石喷出的鼓胀
锚杆和缝管式锚杆加钢丝网(和喷射混凝土)
200
20
螺纹钢筋锚杆和可让压锚杆加钢丝网和喷射混凝土
高强度可让压锚杆和螺纹钢筋锚杆加钢丝网和喷射混凝土(和束紧)
远处地震引起的岩石喷出
10
锚杆和缝管式锚杆加加固的喷射混凝土
锚杆和可让压锚杆加加固的喷射混凝土(和束紧)
>50
高强度可让压锚杆和螺纹钢筋锚杆和束紧加加固喷射混凝土
岩石冒落
砂浆螺纹钢筋锚杆和喷射混凝土
砂浆螺纹钢筋锚杆加钢丝网和锚索或钢丝网加固的喷射混凝土
同上加密度较大的锚索
MPSL
实际的最大支护限度
给定预计的破坏程度、要求的支护作用和各支护元件的特性,就可根据表10-2选择推荐的支护系统。
表10-2的支护系统中,标准的锚杆布置设定为每平方米1根,以1.2m×
1.5m的网度菱形布置。
如每平方米多于1根锚杆,则锚杆交错布置。
对于永久性巷道和大跨度巷道,应在表中推荐的支护系统基础上采用附加支护,对腐蚀环境中的巷道,应该采用全注浆锚杆取代机械式锚杆,以提高支撑元件的使用寿命。
在采用目前的支护技术并考虑加拿大矿山支护成本的条件下,由钢丝网加固的喷射混凝土和锚杆组成的支护系统提供的实际能量消散能力最大,被称为“实际的最大支护限度”。
虽然这一支护极限取决于许多因素,尤其是实际喷出(弹射)速度,但这一极限一般是在下述情况下达到:
岩爆中破坏深度超过1.5m左右或帮壁位移超过0.3~0.5m时,每米巷道破坏岩石量约10t,岩石强烈膨胀或喷出期间动能消耗超过约50kJ/m2。
超过这一极限,现有支护构件、系统不能有效支护巷道,为减少岩
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 矿山 支护 技术 汇总