梁 苗，王 輝，張 磊，褚海艷

(1.鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

礦井圍巖注漿加固實(shí)質(zhì)是改善巖體力學(xué)性能，提高巖體強(qiáng)度，形成自身承載結(jié)構(gòu)，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性；礦井圍巖注漿加固的原理是改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，改善圍巖巖性，提高巖體支護(hù)后的強(qiáng)度，提高圍巖支護(hù)體的承載能力和整體性。根據(jù)圍巖注漿加固的實(shí)質(zhì)和原理，先確定需要注漿加固的位置再進(jìn)行定位注漿加固更能發(fā)揮漿液的滲透膠結(jié)作用，固結(jié)松軟破碎巖體成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，漿液凝固后也可以提高圍巖的自身強(qiáng)度[1-7]。石草臺(tái)煤礦井下二水平大斷面硐室利用中空注漿錨索、錨桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)圍巖破碎位置的不同選用出漿位置與之相對(duì)應(yīng)的錨索、錨桿控制注漿時(shí)漿液的出漿位置，在探明巖體中松軟破碎位置前提下，實(shí)施定位注漿加固技術(shù)，更好地發(fā)揮了注漿支護(hù)加固松軟破碎圍巖的作用[8-15]。

1 大斷面硐室頂?shù)装甯艣r

石草臺(tái)煤礦二水平變電所硐室無(wú)法避開(kāi)巖性較差巖層，從現(xiàn)場(chǎng)頂板鉆孔窺視結(jié)果可以看出頂?shù)装迤扑榱严侗容^發(fā)育。現(xiàn)場(chǎng)頂板鉆孔深度0～1.5m窺視結(jié)果如圖1所示，從圖1可以看出，鉆孔深度0～1.5m之間巖層比較松碎，孔內(nèi)裂縫將孔壁分割成網(wǎng)狀破碎小塊。

圖1 鉆孔深度0～1.5m窺視結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)頂板鉆孔深度2～3m窺視結(jié)果如圖2所示，從圖2可以看出，鉆孔深度在2～3m之間巖層，孔壁裂隙沿鉆孔方向向深部發(fā)育延伸，可見(jiàn)該位置鉆孔中的巖石碎塊較多，巖層發(fā)育完整性差，在進(jìn)行鉆孔窺視觀測(cè)時(shí)發(fā)生破碎巖塊卡住觀測(cè)探頭的情況，超過(guò)3.5m深度觀測(cè)探頭很難再伸進(jìn)去。

圖2 鉆孔深度2～3m窺視結(jié)果

以上鉆孔觀測(cè)結(jié)果說(shuō)明石草臺(tái)煤礦二水平變電所硐室頂?shù)装鍘r層顯現(xiàn)松軟破碎的特性，在支護(hù)過(guò)程中通過(guò)注漿可以將松軟破碎的頂?shù)装寮庸坛蔀檎w，增強(qiáng)頂?shù)装宓恼w性和連續(xù)性。因此，針對(duì)該礦井下變電所硐室頂?shù)装迤茐那闆r，提出在采用中空注漿錨索確定圍巖松軟破碎位置的前提下，進(jìn)行定位注漿并輔以反懸拱控制底鼓，提高圍巖整體承載能力。

2 變電所硐室支護(hù)方案

鑒于石草臺(tái)煤礦二水平變電所屬于大斷面巷道，具有圍巖松軟破碎、地應(yīng)力高、埋深大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)思想是釋放圍巖壓力，發(fā)揮圍巖自身承載能力，形成內(nèi)部支承環(huán)，主、被動(dòng)支護(hù)結(jié)合，剛?cè)峤Y(jié)合，錨注結(jié)合；硐室前期施工經(jīng)過(guò)應(yīng)力重新分布，充分釋放圍巖壓力，礦壓觀測(cè)進(jìn)入穩(wěn)定期后進(jìn)行二次支護(hù)，實(shí)施定位注漿輔以反懸拱控制底鼓的加固方案。因此，本次支護(hù)方案分四個(gè)階段完成對(duì)該大斷面硐室的總體支護(hù)。

2.1 第一階段支護(hù)

第一階段采用小斷面掘進(jìn)，最大限度地釋放圍巖應(yīng)力，這樣可以減少后期大斷面硐室的變形。巷道掘進(jìn)斷面為半圓拱型，規(guī)格為4500mm×3400mm。計(jì)劃后期圍巖充分釋壓后刷大斷面，前期支護(hù)采用錨網(wǎng)支護(hù)方式。第一階段支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 第一階段支護(hù)設(shè)計(jì)圖(mm)

2.2 第二階段支護(hù)

第二階段支護(hù)考慮后期硐室施工和設(shè)備布置確保硐室凈斷面尺寸5000mm4000mm，頂板和兩幫預(yù)留0.15m的變形量，預(yù)留澆筑混凝土的厚度。掘進(jìn)斷面刷大后尺寸為6300mm4750mm，成形斷面形狀為直墻半圓拱形。設(shè)計(jì)采用剛?cè)峤Y(jié)合的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)方式，所施工錨索、錨桿為確定出漿位置的注漿錨索、注漿錨桿，為下一階段定位注漿做好準(zhǔn)備。第二階段支護(hù)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 第二階段支護(hù)設(shè)計(jì)圖(mm)

2.3 第三階段支護(hù)

在第一階段充分釋放圍巖應(yīng)力后，圍巖進(jìn)入穩(wěn)定變形期，進(jìn)行第二階段的施工與支護(hù)。在第二階段支護(hù)施工完成之后，第三階段支護(hù)時(shí)間通過(guò)礦壓觀測(cè)結(jié)果確定。第三階段支護(hù)實(shí)施定位注漿，形成圍巖內(nèi)部支承環(huán)，提高圍巖強(qiáng)度。注漿原料用525#硅酸鹽水泥、ACZ-Ⅰ水泥添加劑，水灰比2∶1，添加劑用量是水泥量的8%；注漿泵壓根據(jù)實(shí)際注漿情況實(shí)時(shí)調(diào)整，原則上注漿泵壓低于5MPa。定位注漿工藝流程如圖5所示。

圖5 定位注漿工藝流程圖

2.4 第四階段支護(hù)

第四階段針對(duì)硐室底鼓采取定位注漿加固錨注結(jié)構(gòu)體、封閉大斷面巷道表面圍巖、向深部轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力相結(jié)合的方法。通過(guò)注漿錨桿對(duì)底板淺部注漿，在硐室底板形成向下的拱形承載結(jié)構(gòu)體；注漿加固碎裂底板并對(duì)其進(jìn)行注漿封閉；通過(guò)注漿錨索將淺部錨注結(jié)構(gòu)體錨固到深部穩(wěn)定圍巖，深部錨固點(diǎn)可以限制淺部底板向上鼓起，使整體應(yīng)力向深部巖層轉(zhuǎn)移，大斷面硐室的底板形成向下懸吊的反懸拱結(jié)構(gòu)與淺部錨注結(jié)構(gòu)體形成共同承載體系起到加固和控制底鼓的作用。反懸拱結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 反懸拱結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)圖(mm)

3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力模擬

根據(jù)石草臺(tái)煤礦二水平變電所等巷道的圍巖物理力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D軟件建立力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。按照支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建數(shù)值模擬模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力模擬如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，所施工的幫錨索和多數(shù)幫錨桿處于受拉力狀態(tài)，最大拉力值達(dá)到2t左右；硐室的正上方以及斷面兩肩位置所施工錨索和錨桿都處于受壓力狀態(tài)，錨索、錨桿所受的最大壓力值達(dá)到8t左右。錨索和錨桿的受力情況比較合理，大多數(shù)支護(hù)體都發(fā)揮了支護(hù)作用，達(dá)到了形成錨注結(jié)構(gòu)體共同承載的目的。在硐室斷面兩肩位置錨桿支護(hù)全長(zhǎng)都在受力增大的區(qū)域內(nèi)，與該位置存在應(yīng)力集中和圍巖變形量較大的實(shí)際情況吻合。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力模擬

3.2 定位注漿后底板錨桿和錨索受力模擬

底板巖層定位注漿加固后穩(wěn)定性和整體性有了很大改善，其底板錨桿和錨索受力模擬如圖8所示，通過(guò)注漿錨索、注漿錨桿對(duì)底板進(jìn)行定位注漿加固形成錨注結(jié)構(gòu)體，注漿錨桿封閉表層碎裂巖層加上錨固、注漿錨索深部錨固使圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。硐室底板注漿錨索、錨桿都處于受拉應(yīng)力的狀態(tài)下，反懸拱結(jié)構(gòu)起到了阻止底板圍巖向上鼓起的作用，整體承載結(jié)構(gòu)受力均勻，總體支護(hù)效果明顯，在控制硐室底鼓上起到明顯作用。

圖8 底板定位注漿后底板錨桿和錨索受力模擬圖

4 結(jié) 論

1)針對(duì)呈現(xiàn)松軟破碎特性的巷道圍巖，探明巖體中松軟破碎的位置，在設(shè)計(jì)注漿位置和巖體中松軟破碎位置一致的前提下，進(jìn)行定位注漿加固提高注漿加固效率和效果。

2)針對(duì)松軟破碎圍巖采取錨注加固，淺部封閉錨固形成錨注承載結(jié)構(gòu)體，深部錨固轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力，通過(guò)提高圍巖整體承載能力來(lái)控制松軟破碎巖層大斷面巷道變形效果顯著。

3)通過(guò)分階段支護(hù)充分釋放圍巖應(yīng)力，避開(kāi)松軟破碎巖層的應(yīng)力釋放期，使松軟破碎巖層內(nèi)部應(yīng)力充分釋放出來(lái)，可以充分保持和利用圍巖殘余強(qiáng)度，同時(shí)提高巷道支護(hù)控制效果。

4)反懸拱結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合了錨桿支護(hù)的組合拱和懸吊原理，在大斷面巷道底板形成向下承載的拱形結(jié)構(gòu)并將該結(jié)構(gòu)反向固定到深部穩(wěn)定巖層上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大斷面巷道底鼓的有效治理。