邊遠(yuǎn)

摘 要：大斷面絞車硐室的支護(hù)有較大難度，且嚴(yán)重變形經(jīng)常出現(xiàn)，為對(duì)這一問題進(jìn)行解決，需進(jìn)一步對(duì)絞車車房硐室聯(lián)合支護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行明確，隨后實(shí)施錨噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)，再對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)硐室圍巖變形問題的預(yù)控。

關(guān)鍵詞：大斷面硐室；噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)；支護(hù)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.225

1 前言

近些年，我國(guó)礦井的生產(chǎn)能力不斷呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，礦井中巷道的斷面越來(lái)越大，在很大程度上增大了巷道中的變形量，需要多次進(jìn)行維修與維護(hù)，從而使礦井生產(chǎn)效益受到影響。對(duì)于大斷面巷道變形的原理、進(jìn)行控制的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)從多個(gè)方面進(jìn)行研究，為巷道支護(hù)提供了一些指導(dǎo)。但是，巷道的地質(zhì)條件有差異性存在，且較為復(fù)雜，巷道變形發(fā)生的原因、進(jìn)行控制所需的技術(shù)也有差異存在。本文以某礦業(yè)為例，該礦業(yè)中的三水平軌道絞車房硐室自從掘進(jìn)以后圍巖變形的問題就一直存在，多次實(shí)施了維護(hù)，但變形問題仍然沒有得到改善，對(duì)礦井正常運(yùn)輸造成了嚴(yán)重的影響，已經(jīng)成為礦井正常生產(chǎn)的主要因素之一。此礦井的三水平軌道絞車房是大斷面的軟巖巷道，進(jìn)行支護(hù)時(shí)，原有的錨網(wǎng)、錨索聯(lián)合支護(hù)已經(jīng)難以對(duì)支護(hù)需求進(jìn)行滿足。因此，需進(jìn)一步對(duì)原有支護(hù)方案中圍巖出現(xiàn)變形的原因進(jìn)行分析，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)此，本文在不同支護(hù)條件下對(duì)三水平絞車房硐室圍巖穩(wěn)定性的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行模擬與分析，并采用工程類比法對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以期使巷道穩(wěn)定性能夠得到提升。

2 工程案例介紹

某礦業(yè)的三水平軌道絞車房硐室位置在三水平軌道下山和一川交叉點(diǎn)下部的4.5米左右處，465.8米的埋深。硐室的位置在二1煤層及其煤層頂板內(nèi)，頂板處的圍巖是灰色砂質(zhì)泥巖，有少量中、細(xì)砂巖在局部發(fā)育，底板主要是深灰色的泥巖。該硐室處于較為軟弱的巖層中，有比較低的強(qiáng)度，實(shí)施開挖后，圍巖極易松動(dòng)，頂板處的圍巖比較松軟，且容易破碎，裂隙發(fā)育，致使破壞的塑性區(qū)域形成，底板處常有底鼓、破碎出現(xiàn)。

3 影響硐室變形的因素

對(duì)絞車房進(jìn)行開挖之后，以錨索噴與U鋼棚進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，底板實(shí)施了反底拱措施，并在上部對(duì)混凝土進(jìn)行了澆筑，當(dāng)作基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)第一次支護(hù)的U型鋼棚兩幫、底板處有明顯的變形出現(xiàn)，有空幫、空頂?shù)默F(xiàn)象出現(xiàn)。同時(shí)，U型鋼板支架有較為嚴(yán)重的扭曲變形出現(xiàn)，頂板、兩幫噴層表面開始有脫離出現(xiàn)，底板出現(xiàn)鼓起。經(jīng)分析，該硐室變形的主要影響因素如下：（1）巷道斷面的尺寸過大。三水平軌道絞車硐室規(guī)格應(yīng)該控制為8.3米×7.9米×6米，呈半圓的拱形，屬于大斷面硐室的一種[1]。此類硐室有較大的跨度，施工以后，拱頂處會(huì)有大面積拉應(yīng)力區(qū)形成，對(duì)周邊進(jìn)行開挖后，會(huì)引發(fā)松動(dòng)，致使應(yīng)力集中在一起，導(dǎo)致支承的壓力峰值出現(xiàn)急劇快速的升高，圍巖會(huì)有松動(dòng)出現(xiàn)，致使圍巖的強(qiáng)度降低，嚴(yán)重情況下，頂板、底板的圍巖處會(huì)有裂縫發(fā)育，使破壞塑性區(qū)形成，從而導(dǎo)致底板處的淺層圍巖有底鼓與破碎出現(xiàn)[2]。（2）較大的地應(yīng)力。硐室有將近500米的埋深，在中深的礦井中進(jìn)行開采，地應(yīng)力會(huì)對(duì)圍巖造成影響。另外，三水平軌道運(yùn)輸下山產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)對(duì)此硐室產(chǎn)生影響，增大兩幫荷載，致使兩幫整體移向巷道中。此時(shí)，若支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法對(duì)荷載作用進(jìn)行承受，則會(huì)產(chǎn)生變形，使硐室的支護(hù)結(jié)構(gòu)受到破壞?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明該絞車房所處位置的最大主應(yīng)力是21.3MPa，使巷道留下變形隱患[3]。（3）較差的圍巖巖性。該硐室圍巖主要是砂質(zhì)的泥巖，抗壓的強(qiáng)度不大，圍巖穩(wěn)定系數(shù)僅為0.2至0.7，屬于不穩(wěn)定圍巖的一種。此種圍巖強(qiáng)度較小，且易受溫度、濕度、水的影響，開挖后，圍巖的強(qiáng)度會(huì)急速下降，嚴(yán)重者甚至失去強(qiáng)度，致使變形、流變明顯。（4）支護(hù)的方式不合理。此硐室采用的支護(hù)方式是錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，此種支護(hù)方法只能使用在變形量比較小、巖性比較好的硐室或者巷道中[4]。對(duì)于此種變形量較大的圍巖，圍巖破碎后，錨桿錨固力會(huì)下降，致使支護(hù)的阻力降低，直至全部喪失。

4 模擬分析大斷面硐室圍巖穩(wěn)定系數(shù)

本文例舉的大斷面硐室形狀是直墻半圓的拱形，斷面凈寬與凈高的乘積為7.9米×6米，墻高有2.05米，計(jì)算模型寬與高的乘積為70米×55米。硐室埋深度即將到達(dá)500米，基于這一點(diǎn)的考慮，模型上邊界與水平邊界進(jìn)行自由的加載，荷載大小=覆巖自重（14.7MPa），假設(shè)下邊界是垂直移位的約束，對(duì)硐室注漿前與注漿后的圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。此次數(shù)值模擬一共對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行了建立：（1）錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿的規(guī)格是Ф22毫米×2400毫米，間排距是700毫米×700毫米，鋼絞線錨索是17.8毫米×7500毫米。（2）錨噴注聯(lián)合支護(hù)，基于錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)，以成束錨索實(shí)施注漿，規(guī)格是3×Ф17.8毫米×12000毫米，1.5米的間排距，注漿后考慮強(qiáng)度有0.5倍的提升。

5 錨噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)分析

基于以上分析，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行考慮，選用錨噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)圍巖實(shí)施加固，先用錨網(wǎng)與單根的錨索對(duì)圍巖進(jìn)行加固，隨后再對(duì)U型的棚進(jìn)行設(shè)置，實(shí)施全斷面噴漿，再應(yīng)用成束的錨索實(shí)施注漿。

5.1 錨噴支護(hù)的參數(shù)

對(duì)錨桿進(jìn)行鉆孔時(shí)，從頂部開始，隨后過渡到肩部、兩幫，錨桿間排距控制為700毫米×700毫米，實(shí)施中心對(duì)稱的布置，每排26根左旋高強(qiáng)的無(wú)縱筋錨桿（Ф22毫米×2400毫米）進(jìn)行布置，兩幫棚子腿上部與下部分別以兩根左旋高強(qiáng)的無(wú)縱筋錨桿（Ф22毫米×2400毫米）進(jìn)行布置固定[5]。（1）架棚的支護(hù)。所用棚子為大拱形的棚子，型號(hào)是4.6米×3.2米，支架為U36型的大拱支架，梁、腿長(zhǎng)度都是2.7米，500毫米的棚距。（2）混凝土的噴漿。所用水泥為PO42.5的硅酸鹽水泥，石子是粒徑在10毫米以下的碎石，沙子的粒徑在0.35至0.5毫米之間，控制含水量為4%至6%，速凝劑用量為水泥質(zhì)量的2.5%至4.0%。水泥體積：沙子體積：石子體積=1：2：2，C20的強(qiáng)度標(biāo)好標(biāo)準(zhǔn)，初噴時(shí)，厚度控制在50毫米以下，A斷面噴漿最終厚度控制為250毫米，B斷面為225毫米[6]。

5.2 錨索注漿的參數(shù)

錨索注漿孔上部每一排有5根，所用鋼絞線錨索為Ф17.8毫米×7500毫米，錨盤所用鋼板為200毫米×180毫米×20毫米，錨盤長(zhǎng)軸平行于巷道方向，每根錨索拉力是200KN。對(duì)錨索進(jìn)行鎖定后，外露長(zhǎng)度控制是250毫米以下。下部每一排有8組成束的注漿錨索，型號(hào)是3×Ф17.8毫米×12000毫米，1.5米的間排距，完成注漿一周后，以上述要求為依據(jù)，以規(guī)格一致的錨盤對(duì)錨索進(jìn)行鎖定，所用鎖定劑為樹脂藥卷，型號(hào)是Z2335，一根用6卷。

5.3 注漿加固的參數(shù)

實(shí)施注漿加固時(shí)，施工流程如下：第一，水泥、水；第二攪拌桶；第三，攪拌機(jī)；第四，注漿泵；第五，控制閥；第六，高壓管；第七，注漿的接頭；第八，注漿錨索；第九高壓注漿滲透圍巖[7]。

水泥漿水灰比例是1：1至0.8：1，添加CSA膨脹劑的量控制為水泥質(zhì)量的7%左右。水泥漿體積：細(xì)水玻璃體積=1：1，以巖石裂隙出現(xiàn)情況、砌體抗壓的能力對(duì)注漿的壓力進(jìn)行選擇，一般為1.0至2.0MPa。

5.4 應(yīng)用效果分析

本文采用十字交叉的方法對(duì)絞車房的變形量、變形速度實(shí)施觀測(cè)，一共對(duì)三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)置，發(fā)現(xiàn)硐室的兩幫大約有43毫米的移近量，底板、頂板共有21毫米的移近量，變形量呈現(xiàn)出逐步較小的趨勢(shì)，頂板、底板、兩幫每個(gè)月的變形量約為6毫米，硐室的變形基本趨于穩(wěn)定趨勢(shì)?？梢?，錨噴注聯(lián)合支護(hù)的技術(shù)可對(duì)硐室變形進(jìn)行有效控制。

6 結(jié)語(yǔ)

本文例舉硐室原有支護(hù)可對(duì)兩幫產(chǎn)生水平方向的影響，此種影響不具規(guī)律性，致使較大應(yīng)力集中在底角處，這可能是U型鋼板變形的主要影響因素之一。本文采用錨噴注聯(lián)合支護(hù)的方法對(duì)原有支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示，圍巖處應(yīng)力的分布更具均勻性，兩幫水平應(yīng)力為9MPa，頂?shù)装鍎t為6MPa，兩垂直應(yīng)力達(dá)到了13MPa，頂?shù)装鍎t為6MP。與原來(lái)的支護(hù)方法對(duì)比，水平、垂直應(yīng)力都得到了顯著的改善，圍巖自身承載力得到了提升，圍巖變形得到了有效控制。

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