陳根生 查德求

深部軟巖底板超長孔預(yù)應(yīng)力錨索注漿加固技術(shù)

陳根生 查德求

淮南礦業(yè)顧北煤礦 安徽淮南 232151

底臌是煤礦巷道中經(jīng)常發(fā)生的礦壓現(xiàn)象，巷道底臌后斷面縮小，影響運(yùn)輸、通風(fēng)和人員行走，不利于礦井安全生產(chǎn)。底臌對巷道造成嚴(yán)重影響，反復(fù)臥底不但造成經(jīng)濟(jì)損失，還同時會影響幫頂圍巖的整體穩(wěn)定性。本文以淮南礦業(yè)集團(tuán)顧北煤礦南翼軌道大巷絞車房為例，介紹巷道底板錨桿（索）、底板加固支護(hù)參數(shù)及施工工藝，使用后，絞車房硐室穩(wěn)定狀況良好，底板加固效果顯著，巷道未出現(xiàn)以往絞車房中底鼓速率大、持續(xù)時間長的問題，解決了深部高應(yīng)力硐室因底板變形而需頻繁巷修的難題，支護(hù)效果較為理想。

底臌；預(yù)應(yīng)力錨索；注漿加固

一、概述

底臌是煤礦巷道中經(jīng)常發(fā)生的礦壓現(xiàn)象，巷道底臌后斷面縮小，影響運(yùn)輸、通風(fēng)和人員行走，不利于礦井安全生產(chǎn)。底臌對巷道造成嚴(yán)重影響，反復(fù)臥底不但造成經(jīng)濟(jì)損失，還同時會影響幫頂圍巖的整體穩(wěn)定性。本文以淮南礦業(yè)集團(tuán)顧北煤礦-648m水平南翼軌道大巷絞車房為例，介紹巷道底板錨桿（索）、底板加固注漿支參數(shù)及施工工藝。

二、地質(zhì)條件分析

該巷道位于11-1煤底板以下，距11-1煤底板10.1～12.9m，圍巖以泥巖、煤線和砂質(zhì)泥巖等為主。巖層較為破碎，距底板約7.5～8.8m有一層厚1.3m的細(xì)砂巖。

砂質(zhì)泥巖總體特征為強(qiáng)度低，軟化系數(shù)小，水理性質(zhì)不良，抗風(fēng)化力差，與水作用時容易失水收縮浸水膨脹崩解。研究資料表明：砂質(zhì)泥巖是一種弱膨脹非水穩(wěn)性軟巖，只要控制砂質(zhì)泥巖的含水狀態(tài)，不使含水量損失率超過初始值的40%，完全可以控制砂質(zhì)泥巖的崩解作用。否則，在干燥狀態(tài)下浸水，或在飽水狀態(tài)下迅速失水，都會導(dǎo)致工程性質(zhì)惡化。在工程建設(shè)中，在可能條件下，應(yīng)盡可能防止其天然含水狀態(tài)發(fā)生強(qiáng)烈變化，否則砂質(zhì)泥巖在數(shù)十分鐘內(nèi)就會全部崩解成泥狀。

三、底臌發(fā)生機(jī)理及支護(hù)對策

（一）影響底臌的主要因素

對于不同的巷道或硐室而言，其破壞的機(jī)理可能存在較大差異。影響巷道變形的因素很多，如圍巖巖石物理力學(xué)特性、礦物組成、巖體構(gòu)造、構(gòu)造帶（如斷層、褶皺、褶曲）等的影響，其他還有水、瓦斯、溫度、設(shè)計、支護(hù)結(jié)構(gòu)與施工工藝及質(zhì)量均對巷道產(chǎn)生一定的影響。

（二）底臌發(fā)生機(jī)理

造成底板圍巖整體剪切破壞原因主要包括以下兩方面：其一，隨著巷道開挖及支護(hù)進(jìn)行，頂部塌落區(qū)圍巖將通過兩幫逐漸向底板進(jìn)行荷載轉(zhuǎn)移，引起底板基底壓力逐漸增加，誘導(dǎo)底臌發(fā)生；其次，當(dāng)巷道開挖時，幫腳、底角附近處圍巖最易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成較高的偏差應(yīng)力，且局部地區(qū)為二向應(yīng)力狀態(tài)，此處巖體強(qiáng)度極低及最易產(chǎn)生剪切破壞，即底板抗剪承載力下降，加速底臌發(fā)展。因而，底臌的最主要原因是底板臨界剪切滑移面巖體抗剪強(qiáng)度不足引發(fā)的。

（三）全長預(yù)應(yīng)力注漿錨索技術(shù)

全長預(yù)應(yīng)力注漿錨索其具體施工工藝是采用注漿的方法首先將預(yù)應(yīng)力錨索一端錨固在巷道底板深部穩(wěn)定圍巖中，然后進(jìn)行初次張拉，給錨索另一端施加一定的主動作用力，使錨索具有一定的預(yù)應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行錨索孔全長范圍內(nèi)的高壓注漿。漿液凝固后對錨索最后進(jìn)行張拉，并張拉至設(shè)計錨固力值，保證錨索在全長范圍內(nèi)具有較高的預(yù)應(yīng)力，真正實現(xiàn)了錨索對破碎巖層的主動支護(hù)，巖體壓力荷載便通過錨索被傳遞到深部穩(wěn)定的巖體，深部穩(wěn)定的巖層自穩(wěn)潛能得到充分發(fā)揮，從而可以有效控制巷道底板變形。

目前煤礦巷道、硐室支護(hù)采用的錨索主要分兩種：

1.樹脂錨固錨索：柔性鋼絞線作為錨索索體，外端安裝讓壓式鎖具、托盤或錨梁等構(gòu)成一套錨索，安裝時采用攪拌藥卷式樹脂錨固劑錨固，也稱為端錨式錨索支護(hù)。

2.全長注漿錨索：中空錨注錨索采用螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲加工的內(nèi)有注漿管的螺紋緊固錨索，最主要的結(jié)構(gòu)特點是索體中空結(jié)構(gòu)，自帶注漿芯管，錨固段有三個鳥巢狀出漿孔。這樣既有利于出漿，又有利于錨索、錨固劑與圍巖之間的緊密粘結(jié)，可以實現(xiàn)與大孔徑鉆孔的有效貼合。

中空注漿錨索采用螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲突出的優(yōu)點就是其錨固強(qiáng)度、載荷傳遞特性和錨固延性比用鋼絞線截割成的錨索有大幅度的提高。采用高強(qiáng)度螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲制造錨索的錨固強(qiáng)度比相同直徑的用鋼絞線截割成的錨索提高15%以上，而錨固延性可提高25%以上。

四、泥質(zhì)膠結(jié)圍巖注漿加固影響因素

1.水泥石的破壞基本呈軸向劈裂破壞，在側(cè)向壓力作用下的破壞模式主要是拉伸破壞。

2.隨著孔隙率的增加，注漿固結(jié)體的彈性模量逐漸增大，單軸抗壓強(qiáng)度也呈增大趨勢。

3.相同圍壓下，隨著孔隙率的增加，注漿固結(jié)體峰值應(yīng)力逐漸增加；隨著圍壓增加，注漿固結(jié)體的殘余強(qiáng)度逐漸增加，且破壞模式逐漸向延性破壞轉(zhuǎn)變。

4.注漿固結(jié)體的粘聚力隨著孔隙率的增大呈增長趨勢，符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系；而內(nèi)摩擦角隨孔隙率增大而減小。

圖5 .1基礎(chǔ)底部錨索+錨梁布置示意圖

5.彈性模量隨著孔隙率的增大呈對數(shù)函數(shù)增長，而泊松比變化規(guī)律不明顯。

6.裂隙不太發(fā)育的巖體中，且注漿壓力較低時，漿液只能對界面起到一定的膠結(jié)作用，對于巖體強(qiáng)度增強(qiáng)作用不明顯。該探索性試驗的結(jié)果恰能真實反映煤礦深部巷道注漿過程中表面止?jié){層封漿不好，注漿壓力無法達(dá)到設(shè)計要求，從而造成注漿加固作用失效的情況。

五、底板支護(hù)技術(shù)與方案

（一）支護(hù)總體思路

絞車房基礎(chǔ)加固采用基坑幫部錨桿掛網(wǎng)+水平錨索+底板超長孔預(yù)應(yīng)力注漿錨索配合槽鋼錨梁+錨索深孔注漿+底角注漿花管+底角地梁的支護(hù)方式，絞車基礎(chǔ)開挖后，采用錨桿配合鋼筋網(wǎng)及時加固基坑直墻圍巖，起臨時支護(hù)作用，防止基坑直墻垮落，保證施工安全；水平錨索起到束縛基坑直墻水平位移作用，配合水平錨桿共同增強(qiáng)基礎(chǔ)圍巖水平抗力；基礎(chǔ)底板錨索“生根”在底板兩層細(xì)砂巖上，配合錨梁將底板應(yīng)力轉(zhuǎn)移至深層穩(wěn)固巖體中，有效擴(kuò)大承載圈；底角花管起到增強(qiáng)底板抗剪切滑移的作用，同時，保持一定外露長度與澆筑基礎(chǔ)形成一體，增強(qiáng)基礎(chǔ)抗垂直位移能力，一定程度上可以增強(qiáng)基礎(chǔ)運(yùn)營期抗傾斜能力。錨索注漿與底角花管注漿補(bǔ)強(qiáng)加固起到圍巖固結(jié)和損傷修復(fù)的作用，整體增強(qiáng)圍巖，同時，注漿可以實現(xiàn)錨索的全長錨固，有效改善錨索與圍巖的貼合程度，顯著增強(qiáng)錨索的受力狀態(tài)。

（二）支護(hù)技術(shù)參數(shù)

1.基礎(chǔ)掏挖過程中使用錨桿（ 22mm，L=2500mm）對幫部進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距700×700mm，掛 6鋼筋網(wǎng)?；A(chǔ)坑墻距底板1.0m處施工水平錨索（ 22mm，L=7200mm），錨索間排距1.5×1.5m，下扎角度30°。

2.基礎(chǔ)底部施工槽鋼組合錨索，槽鋼采用14#槽鋼，要求緊貼巖面，錨索采用中空注漿錨索（ 22mm，L=7200mm），錨索外露1.0m，間排距1.0m×1.0m；錨索施工完畢后，對基礎(chǔ)底部進(jìn)行注漿加固，注漿壓力6MPa。如圖5.1所示。

3.施工注漿花管，規(guī)格：42mm L=7m，間距1.5m，注漿壓力6MPa，封孔400mm。距基底400mm處施作，與水平線夾角45°，外露300～400mm。

4.基礎(chǔ)澆筑結(jié)束后，澆筑底角地梁。先在距底板270mm高度打地幫角錨桿，規(guī)格 22 L2500mm，排距1500mm，外露100～200mm。鋼筋籠敷設(shè)于底角，澆筑強(qiáng)度等級C30的混凝土。鋼筋籠縱筋箍筋均采用 16mm鋼筋，箍筋排距300mm，如圖5.2所示。

5.注漿材料：注漿材料選用水泥漿材，即水泥——水玻璃雙液漿。水泥采用42.5MPa普通硅酸鹽水泥。錨索注漿壓力6 Mpa。水泥漿的水灰比應(yīng)控制在(0.65～0.9):l。水玻璃濃度一般應(yīng)控制在10～30 Be。水泥漿與水玻璃之比應(yīng)控制在1:(0.1～0.15)。

圖5 .2.a底角地梁

圖5 .2.b鋼筋籠

六、結(jié)論

通過對南翼軌道大巷2.5m絞車房的現(xiàn)場圍巖穩(wěn)定性監(jiān)控數(shù)據(jù)分析，得到以下幾點結(jié)論：

1.兩幫經(jīng)過支護(hù)后變形量很小，平均變形速率都低于0.05mm/d，可認(rèn)為基本沒有變形，兩幫治理效果較好；

2.近20天內(nèi)硐室3個測站最大累計底臌量不足10mm，說明底板治理效果顯著，底板采用超長底板注漿錨索+注漿花管+底角地梁的支護(hù)措施初顯成效；

3.深部位移監(jiān)測結(jié)果顯示：底板位移都經(jīng)歷了一個從快速變形到穩(wěn)定的階段，在初期（9月10日之前）未施工完繩道地錨之前變形增長較快，之后深部變形趨緩，均低于0.003mm/d，呈收斂趨勢。

4.錨索軸力監(jiān)測結(jié)果顯示：基礎(chǔ)坑內(nèi)中間段錨索受力水平較邊緣段錨索高，這與前期底板治理方案數(shù)值模擬結(jié)果一致，間接證明基坑底部豎直方向位移為中間大兩側(cè)??；

5.混凝土應(yīng)力計監(jiān)測結(jié)果顯示，基礎(chǔ)水平方向主要受近繩道走向來壓，而垂直繩道走向的微弱，豎直方向受力為混凝土自重產(chǎn)生的壓力。

綜合分析，在目前的支護(hù)體系下，南翼軌道大巷2.5m絞車房及其銜接巷道底板支護(hù)效果較為理想。

陳根生，男，1983-，安徽桐城人，本科。2005年畢業(yè)于河南理工大學(xué)采礦系，現(xiàn)就職于淮南礦業(yè)集團(tuán)顧北煤礦。