晁俊奇,喬長燦,戚彥貴

(淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集礦井建設(shè)項目部,安徽淮南 232087)

朱集礦千米深井巷道支護(hù)與加固技術(shù)

晁俊奇,喬長燦,戚彥貴

(淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集礦井建設(shè)項目部,安徽淮南 232087)

對朱集礦千米深井軟巖巷道的支護(hù)形式進(jìn)行了研究,通過對錨網(wǎng)噴索注聯(lián)合支護(hù)的機理、錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù)下巷道的破壞原因的分析,以及通過對巷道注漿、架棚加固效果的分析,并結(jié)合巷道收斂位移監(jiān)測結(jié)果、巷道破壞形態(tài)觀測,得出千米深井軟巖巷道僅僅采用錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù)方式不能適應(yīng)高應(yīng)力軟巖巷道壓力和變形的需要,必須再進(jìn)行注漿加固。

千米深井;軟巖巷道;錨網(wǎng)噴索注 (架)支護(hù);破壞機理

Supporting and Reinforcing Technology of Roadway in over 1000m DeepM ine of ZhujiColliery

淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集煤礦在構(gòu)造單元上位于淮河構(gòu)造變形帶上,變形帶的南北兩側(cè)分別是華北斷塊南緣安徽境內(nèi)次一級的皖中塊體和淮北塊體,構(gòu)造分析表明,該構(gòu)造變形帶主要承受東西向的水平構(gòu)造擠壓作用。

朱集煤礦 -906m水平巖巷的頂板以泥質(zhì)砂巖為主,底板則主要是泥巖,或者巷道賦存與泥、泥砂巖互層中。在大埋深高地應(yīng)力、大構(gòu)造應(yīng)力的作用下,許多巷道段的圍巖呈現(xiàn)出軟巖特性:強度低、孔隙率大、膠結(jié)程度差、受結(jié)構(gòu)面切割及風(fēng)化影響顯著或含易膨脹黏土礦物的松、散、軟、弱巖層 (體),如:泥巖、頁巖。高應(yīng)力軟體特性:處于低地應(yīng)力環(huán)境時,巖塊顯示出較堅硬巖特征;而在高地應(yīng)力環(huán)境中,則表現(xiàn)出軟巖特性,如泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。

在高地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力場作用下,朱集礦的巷道圍巖表現(xiàn)出很大的蠕變特性,很難穩(wěn)定支護(hù),根據(jù)軟巖巷道的變形特征,朱集礦采取了先錨網(wǎng)噴索,再套棚、注漿的支護(hù)方式,取得了顯著效果。

1 支護(hù)機理

1.1 錨網(wǎng)噴索支護(hù)

錨網(wǎng)噴索施工工藝流程:初噴—錨桿施工、掛網(wǎng)—復(fù)噴—錨索施工。

初噴的作用在于及時封閉圍巖,防止風(fēng)、水的影響加快圍巖的風(fēng)化,特別是泥巖及含泥質(zhì)較多的巖類,同時具有造型作用,填補超挖部分,使巷道面密實,減少表皮內(nèi)的應(yīng)力集中,使掛網(wǎng)平整,充分發(fā)揮鋼筋網(wǎng)的力學(xué)性能,防止鋼筋網(wǎng)受拉時由于鋼筋網(wǎng)面彎曲在混凝土皮內(nèi)產(chǎn)生彎矩作用,而提前破壞。

鋼筋網(wǎng)的作用在于增強混凝土的強度,同時增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性、整體性。

錨桿的作用是使松動圈內(nèi)巖層斷裂形成的巖塊相互搭接、嚙合形成三鉸拱,對錨桿施加預(yù)張拉力,預(yù)緊錨固力的作用下,每根錨桿都有一定的應(yīng)力作用范圍,在采取合理的錨桿間距,其應(yīng)力作用范圍會相互疊加,從而形成一連續(xù)的擠壓加固帶——厚度較大的抗壓帶,不但能自承擠壓帶的重力,還能承受抗壓帶周圍巖石的壓力。

錨索的作用是在高預(yù)應(yīng)力的作用下,把承載圈定在深部穩(wěn)定巖層中,使卸壓松動圈內(nèi)的巖石重新回歸三向受壓狀態(tài),加大其承載能力,同時,預(yù)應(yīng)力錨索的懸吊作用對于松動危巖冒頂有很好的抑制效果。

1.2 套棚 +注漿補強加固

注漿固結(jié)作用參與巷道圍巖的穩(wěn)定過程,利用注漿材料充填和固結(jié)原有的或新產(chǎn)生的裂隙面,為巷道圍巖的進(jìn)一步穩(wěn)定提供更好的條件:改善弱面的力學(xué)性能,提高巖體強度;漿液充填圍巖松動圈巖塊的空隙,可以使破碎巖塊重新膠結(jié)成整體,重塑承載結(jié)構(gòu);漿液固結(jié)體封閉裂隙,阻止水氣浸入內(nèi)部巖體,防止圍巖內(nèi)部風(fēng)化。

單獨的U形棚支護(hù)不利于控制巷道變形。首先從 U形棚的支護(hù)原理及結(jié)構(gòu)來看,U形棚支護(hù)屬于被動支護(hù),巷道圍巖來壓以后,U形棚才起作用,U形棚以卡纜相連,來壓較大時,棚梁沿 U形槽下滑,具有一定的緩沖作用,待棚梁滑至限位塊時,棚子停止滑動;其次從施工工藝來看,U形棚后由鋼筋笆片連接成網(wǎng),和圍巖之間以矸石充填,很難保證充填密實,來壓后必然有壓實過程。

套棚后注漿更有利于控制巷道變形。套棚后對棚子和笆片噴漿,形成一層止?jié){層,對套棚后的巷道實施深淺孔間隔注漿,既能滿足深部圍巖充填要求,又能滿足淺部圍巖充填需要,還能把棚子后充填的矸石和棚子、圍巖、笆片膠結(jié)在一起,形成一個大范圍承載圈層的“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)。

2 支護(hù)效果及分析

朱集礦錨網(wǎng)噴支護(hù)中,錨桿長度為 2200mm,間排距為 800mm×800mm,錨桿為全長錨固,錨固劑為樹脂藥卷,據(jù)超聲測試的結(jié)果,巷道的圍巖松動圈為 1800～2500mm。

2.1 錨網(wǎng)噴索支護(hù)效果及分析

朱集礦中央回風(fēng)井西馬頭門在 08年 9月底施工結(jié)束,風(fēng)井西馬頭門至風(fēng)井區(qū)一號交岔點間,巷道賦存巖層為泥、砂互層,以泥巖居多。在此段工程至 09年 1月這段時間內(nèi),風(fēng)井西馬頭門頂板多處出現(xiàn)掉皮現(xiàn)象,但頂板并未出現(xiàn)大面積垮塌現(xiàn)象,幫部多處出現(xiàn)漿皮劈裂,仍處于穩(wěn)定變形狀態(tài),并且伴有嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象,最大可達(dá) 500mm。

軟巖巷道來壓強度大,持續(xù)時間長,巷道圍巖塑性變形大,具有明顯的蠕變性質(zhì)很容易產(chǎn)生松散地壓,巷道變形具有明顯的時間效應(yīng),這些特性造就了軟巖巷道的變形大,變形難以控制,錨網(wǎng)噴索在短期時間內(nèi)可以適應(yīng)這樣的變形,但很難保持長期的穩(wěn)定,聯(lián)合支護(hù)中的混凝土噴層易遭到破壞。在錨網(wǎng)噴支護(hù)中,鋼筋網(wǎng)的存在增強了混凝土的強度,同時增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性,在局部來壓、應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位,巷道會首先變形破壞,圍巖向巷道內(nèi)鼓起,鋼筋網(wǎng)外部的混凝土在達(dá)到變形極限后會裂開、脫落,鋼筋網(wǎng)起到兜拉的作用,在釋放壓力的同時,繼續(xù)維持承載拱的存在,抑制裂紋的縱深發(fā)展,阻礙松動圈的擴大。

2.2 注漿加固效果及分析

風(fēng)井西馬頭門段在初始施工時采用錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù),08年底錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)已發(fā)生一定的變形破壞,幫頂有局部掉渣、裂縫現(xiàn)象。在 09年 1月中旬至 2月中旬對此段工程實施注漿加固,因馬頭門靠近井筒 5～9m內(nèi)屬高應(yīng)力集中區(qū),對西馬頭門實施套棚注漿。實施注漿時,巷道已經(jīng)經(jīng)過了較長時間的卸壓,巷道聯(lián)合支護(hù)表面噴層已出現(xiàn)部分開裂,強烈的掘進(jìn)影響較小。圖 1為測線布置方式,圖 2為測點布置平面圖,圖3為A截面收斂位移曲線,圖 4為 B截面收斂位移曲線,圖 5為 C截面收斂位移曲線,圖 6為D截面收斂位移曲線。

圖1 測線布置方式

圖2 測點布置平面

圖3 A截面收斂位移

圖4 B截面收斂位移

圖5 C截面收斂位移

圖6 D截面收斂位移

由曲線可知,在實施注漿加固以前,各斷面大部分測線的收斂速率在加固后降低很大,有的甚至在一段時間內(nèi)收斂速率降為 0。A,B截面離馬頭門比較近,采取了架棚、注漿加固,1月初架棚、噴漿,2月上旬注漿,U型棚屬可縮性支架在架棚結(jié)束后的一段時間里,對危巖變形控制效果不理想,在 2月上旬注漿后,收斂速度降很大,A截面 3-5測線在注漿后的一段時間內(nèi)變形基本不變,其他測線收斂速度降低也較大,1-5測線降低最小,降低了64%;B截面上 2-4,2-3,3-5測線在注漿后的一段時間內(nèi)變形基本不變。C截面、D截面在 1月中旬實施了注漿加固,在注漿后,圍巖收斂速度明顯降低,C截面上 2-3測線收斂速度降低最小,降低了43%,3-4測線降低最多,降低了 89%;D截面上 3-5測線收斂速度降低最小,降低了 72%, 1-3測線收斂速度降低最大,降低了 87%。

由 4個曲線圖可知,每個截面在注漿之后收斂位移大部分降低較大,部分測線甚至在短時間內(nèi)收斂速度降為 0,各測線收斂曲線都出現(xiàn)明顯的拐點,注漿對于抑制巷道變形起到了很好的作用;拐點之后多數(shù)測線又出現(xiàn)了一定的非平緩的變化,這體現(xiàn)了軟巖巷道的特點,高應(yīng)力軟巖巷道有很大的蠕變特性,隨著時間的推移,淺部圍巖變形進(jìn)一步引起深部圍巖蠕變,這也是局部長期來壓的根源,注漿改善了淺部圍巖的性質(zhì),深部圍巖蠕變受到阻止,聚集的變形能使注漿巖體承載層發(fā)生一定程度的破斷,引起應(yīng)力的多次重分布,直到地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、蠕變產(chǎn)生的力和巷道圍巖承載圈層的支撐力達(dá)到平衡才逐漸趨于穩(wěn)定。

在此注漿加固工程中,注漿的作用體現(xiàn)在:注漿改善了固結(jié)區(qū)巖體的力學(xué)性能,提高了圍巖穩(wěn)定性。漿體充填并膠結(jié)了張開破裂面,提高了巖體強度,加大了裂隙兩側(cè)巖體的摩擦和嚙合力,提高了弱面的抗變形能力;改善巖體內(nèi)的應(yīng)力狀況,減少巖體內(nèi)的應(yīng)力集中。漿體充填圍巖內(nèi)的大部分的裂隙,減小了裂隙尖端的應(yīng)力集中,加大了弱面兩側(cè)巖體的約束,增強了連續(xù)性,化兩向約束為三向約束,增強了巖體的抗壓強度;漿體充填加固了圍巖,同時也充填了套棚段壁后充填區(qū),注漿量大,漿體充填均勻,重新形成一層具有一定厚度剛性被動支護(hù)結(jié)構(gòu),和原來的主動柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合,大大降低了圍巖的收斂速度,支護(hù)效果良好。

3 結(jié)論

(1)錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù)在千米深井軟巖巷道中,可以在短期內(nèi)適應(yīng)巷道的變形和壓力變化,但很難在長期的使用中保持穩(wěn)定。

(2)錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù)和注漿加固可以相輔相成、共同作用,可以充分改變承壓圍巖圈層的力學(xué)性能,聯(lián)合使用效果良好。

(3)架棚支護(hù)對于控制高應(yīng)力軟巖巷道的變形方面,效果不佳。

(4)在軟巖巷道、硐室的特殊工程段使用錨網(wǎng)噴索注 (架)聯(lián)合支護(hù),主動支護(hù)和被動支護(hù)相結(jié)合,注漿加固把二者膠結(jié)成一個整體,形成共同的剛?cè)峒鏉某休d圈層,能大大改善聯(lián)合支護(hù)的效果。

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[責(zé)任編輯:王興庫]

TD353

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1006-6225(2010)03-0064-03

2009-07-13

晁俊奇 (1982-),男,河南濮陽人,碩士,助理工程師,朱集礦井建設(shè)部工作。