深井大斷面硐室錨注網(wǎng)噴支護(hù)研究

張曉赟

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 雙柳煤礦， 山西 柳林 033300)

深井大斷面硐室一般是指埋深在800 m以上，巷道斷面高度在4 m以上，巷道截面積大于17 m2，橫向跨度大于5.5 m的硐室。這種類型的硐室具有頂板垂直應(yīng)力較大，破碎及變形較為嚴(yán)重等特點(diǎn)，因此在支護(hù)過程中存在較大的技術(shù)難度?；诖?，為了進(jìn)一步完善礦井支護(hù)現(xiàn)狀及實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)，大量支護(hù)技術(shù)被廣泛研究，目前較為常見的支護(hù)技術(shù)包括錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)及錨桿支護(hù)等。但根據(jù)現(xiàn)階段的礦井支護(hù)研究現(xiàn)狀，僅使用一種支護(hù)技術(shù)很難滿足巷道復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。

本研究以某礦井的箕斗裝載硐室作為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有的支護(hù)技術(shù)，提出采用錨注網(wǎng)噴的支護(hù)方式進(jìn)行巷道的支護(hù)，整個(gè)支護(hù)分為兩部分進(jìn)行，首先，第一次支護(hù)采用錨網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)完成后進(jìn)行第二次支護(hù)；第二層支護(hù)采用鋼筋網(wǎng)與混凝土相結(jié)合的支護(hù)方式，選用的鋼筋網(wǎng)為雙層網(wǎng)。通過對支護(hù)之后的巷道應(yīng)力變化進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明，支護(hù)效果較為理想，此技術(shù)的成功對相近地質(zhì)情況的巷道支護(hù)技術(shù)研究具有一定的參考價(jià)值。

1 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)簡介

錨注網(wǎng)噴技術(shù)是將較為常見的錨桿支護(hù)技術(shù)與后來架設(shè)的鋼筋網(wǎng)與混凝土錨固層協(xié)同作用完成支護(hù)任務(wù)，支護(hù)之后巷道圍巖的穩(wěn)定性增強(qiáng)，同時(shí)圍巖的變形程度也顯著減小，有效達(dá)到了圍巖加固的目的[1-2]。這種技術(shù)條件下兩種支護(hù)技術(shù)相互配合，屬于加強(qiáng)作用，主動(dòng)被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)，整個(gè)巷道圍巖的抗壓能力顯著提升，關(guān)于支護(hù)的機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 錨注支護(hù)。錨注支護(hù)包含錨索支護(hù)、錨桿支護(hù)及注漿支護(hù)，硐室開挖結(jié)束后，硐室圍巖會出現(xiàn)不同程度的破壞，巖體力學(xué)強(qiáng)度顯著降低，形成圍巖塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)巖石呈破碎狀態(tài)[3]。基于此，需要對硐室圍巖進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，而首選的支護(hù)方式是錨桿支護(hù)。錨桿通過摩擦力作用將磨碎的巖塊重新聚集起來，同時(shí)形成的破碎拱通過懸吊作用被固定在上部穩(wěn)定的堅(jiān)硬巖層上。此時(shí)，為保證錨固的穩(wěn)定性，需要選擇相對較長的錨索。錨桿將小范圍內(nèi)的圍巖形成拱形結(jié)構(gòu)，錨索完成后續(xù)的加固操作，長錨索將壓力由破碎巖體傳遞至深部巖體，增加了圍巖自身的承受力。注漿支護(hù)主要通過向破碎巖體注漿保證支護(hù)的穩(wěn)定性，將錨桿、錨索支護(hù)與注漿結(jié)合能夠更有效控制圍巖變形，進(jìn)而達(dá)到支護(hù)的目的。

2) 鋼筋網(wǎng)支護(hù)。由于硐室開掘之后巷道動(dòng)壓變化及巖體變形都較為嚴(yán)重，因此原有的錨桿支護(hù)可能很難滿足支護(hù)要求，需要通過鋼筋網(wǎng)架進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)，從而減輕巷道動(dòng)壓變化對巷道穩(wěn)定性的影響。鋼筋網(wǎng)支架具有一定的讓壓能力，當(dāng)巷道圍巖出現(xiàn)變形時(shí)，鋼筋網(wǎng)具有一定的彈性，會通過輕微形變調(diào)整支護(hù)方式，同時(shí)，由于鋼筋網(wǎng)的支護(hù)是全封閉的，因此，鋼筋網(wǎng)支護(hù)在一定程度上能夠防止底鼓、片幫及冒頂?shù)仁鹿省?/p>

3) 噴層支護(hù)。為進(jìn)一步加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)架的支護(hù)效果，需要通過噴射混凝土填充鋼筋網(wǎng)與圍巖之間的空隙，將圍巖原有的雙向受力狀態(tài)改變?yōu)槿蚴芰?，有效增?qiáng)了巷道圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)，由于鋼筋網(wǎng)具有一定柔性，噴射混凝土后支護(hù)的巖體與鋼筋網(wǎng)同時(shí)發(fā)生變形，相互制約?；炷羾姖{不僅保護(hù)鋼筋網(wǎng)，同時(shí)還能形成新的更為穩(wěn)定的支護(hù)層[4-5]。

4) 兩次支護(hù) 。整個(gè)支護(hù)過程分兩次完成，當(dāng)硐室開挖結(jié)束后首選通過錨桿、錨索完成第一次支護(hù)，達(dá)到卸壓及穩(wěn)定變形的作用，當(dāng)錨桿支護(hù)之后圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行第二次支護(hù)操作。第二次支護(hù)采用雙層鋼筋網(wǎng)與混凝土噴漿的方式聯(lián)合支護(hù)，最終完成硐室圍巖的支護(hù)操作。

2 工程概況

在進(jìn)行支護(hù)之前首先需要對目標(biāo)礦井進(jìn)行地質(zhì)勘探，地質(zhì)勘探過程中共設(shè)置兩個(gè)鉆孔，兩個(gè)鉆孔均設(shè)置在副井周邊，分別為新巖層取樣孔及井筒穩(wěn)定性檢查孔。根據(jù)鉆孔取樣結(jié)果，副井筒穿過的地層結(jié)構(gòu)由上至下分別為：新生系地層、煤層、上石盒子組、下石盒子組、山西組及太原二組。文章主要研究對象為箕斗裝載硐室，此硐室包含裝載硐室及機(jī)頭硐室兩部分，其中，裝載硐室底板標(biāo)高-830.56 m，硐室凈高11 m；機(jī)頭硐室底板標(biāo)高-812.50 m，硐室凈高6.6 m。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 支護(hù)方案

目標(biāo)硐室的支護(hù)方式為錨注網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)過程中涉及的錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)、混凝土等的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

1) 錨桿、錨索規(guī)格及布置方式：錨桿直徑22 mm，長度為2.5 m，錨桿材質(zhì)為高強(qiáng)度樹脂，間排距布置為750 mm×750 mm；錨索直徑22 mm，長度8.5 m，錨索材質(zhì)為中空注漿錨桿，間排距布置2 000 mm×1 500 mm。

2) 鋼筋網(wǎng)支架規(guī)格及布置方式：鋼筋網(wǎng)共布置兩層，內(nèi)層25 mm×250 mm，外層28 mm×250 mm，頂板、底板及兩幫所選用的鋼筋網(wǎng)均為同種規(guī)格，且布置方式一致。

3) 混凝土噴射要求：噴射所用的混凝土屬于C20強(qiáng)度，噴射厚度應(yīng)當(dāng)在100 mm左右?，F(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度為C60，噴射厚度為750 mm，使用噴漿技術(shù)后巷道底板為拱形結(jié)構(gòu)。

3.2 支護(hù)效果分析

由于目標(biāo)硐室的斷面積相對較大，硐室最高點(diǎn)高度可達(dá)10 m，寬度約為8 m，且該區(qū)域范圍內(nèi)的圍巖穩(wěn)定性較差，因此，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)支護(hù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以防圍巖出現(xiàn)破壞時(shí)能夠及時(shí)治理，在噴漿過程中便在其內(nèi)部安裝了傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測受力情況，監(jiān)測點(diǎn)的具體布置方式如圖1所示。整個(gè)硐室圍巖共設(shè)置12個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別編為1～12號，奇數(shù)監(jiān)測點(diǎn)主要用于監(jiān)測錨桿在垂直方向的應(yīng)力變化，偶數(shù)監(jiān)測點(diǎn)主要用于監(jiān)測環(huán)形鋼筋網(wǎng)的應(yīng)力變化。關(guān)于垂直及環(huán)形區(qū)域的應(yīng)力變化情況如圖2及圖3所示。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置(mm)

圖2 鋼筋垂直應(yīng)力變化

圖3 環(huán)形鋼筋應(yīng)力變化

綜合分析圖2中的垂直應(yīng)力變化情況，錨桿在垂直方向的應(yīng)力變化包含拉應(yīng)力及壓應(yīng)力兩種表現(xiàn)形式。當(dāng)監(jiān)測時(shí)間達(dá)到120 d時(shí)，其應(yīng)力值不再發(fā)生變化。各監(jiān)測點(diǎn)中應(yīng)力變化最為顯著的是3號和7號監(jiān)測點(diǎn)，這兩個(gè)位置的應(yīng)力值隨時(shí)間推移呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，最大應(yīng)力值為50MPa。由圖3應(yīng)力變化情況可知，整個(gè)監(jiān)測時(shí)間范圍內(nèi)，6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力表現(xiàn)形式均為拉應(yīng)力，其中2號、4號及8號監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力變化較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)出緩慢增長的趨勢；10號監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值隨監(jiān)測時(shí)間的延長而不斷增大，最大應(yīng)力值為32MPa，各監(jiān)測點(diǎn)中應(yīng)力變化最為明顯的是6號及12號監(jiān)測點(diǎn)，其最大應(yīng)力值為60MPa，監(jiān)測達(dá)到100d后基本趨于穩(wěn)定。結(jié)合硐室垂直方向及環(huán)形方向的應(yīng)力變化，120d后整個(gè)鋼筋網(wǎng)的受力情況基本穩(wěn)定，而6號及12號監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值較大的原因主要為，兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別位于硐室與井筒的連接處，而此區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力集中區(qū)，因此，在以后的支護(hù)操作中可以適當(dāng)加強(qiáng)此區(qū)域的支護(hù)強(qiáng)度。

關(guān)于支護(hù)之后硐室的圍巖位移情況如圖4所示。

圖4 硐室圍巖收斂量變化

綜合分析圖4數(shù)據(jù)可知，隨著監(jiān)測時(shí)間的延長，巷道圍巖的收斂量逐漸增加，但兩幫的收斂量明顯大于頂板的收斂量，與之前支護(hù)技術(shù)下的圍巖收斂量相比，巷道變形量顯著降低。從整個(gè)監(jiān)測周期來看，初期階段巷道的變形較快，收斂速度較快，最大收斂量為7.5 mm，最大收斂速度為1.3 mm/d；監(jiān)測中期收斂速度最大值為0.06 mm/d，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。綜合以上分析結(jié)果表明，改進(jìn)之后的支護(hù)方式能夠有效控制圍巖變形，支護(hù)之后硐室圍巖變形程度顯著降低，整個(gè)圍巖狀態(tài)穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

1) 相比于傳統(tǒng)的單一支護(hù)形式，改進(jìn)的錨注網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能夠有效控制圍巖應(yīng)力變化及形變，支護(hù)之后整個(gè)巷道的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。兩次支護(hù)的各支護(hù)結(jié)構(gòu)之間相互配合，形成整體的高強(qiáng)度支護(hù)體。

2) 現(xiàn)場應(yīng)用表明，聯(lián)合支護(hù)技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，整個(gè)結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)，有效提高了硐室圍巖的穩(wěn)定性，為礦井的安全高效生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為相近地質(zhì)條件下的硐室支護(hù)提供了理論及實(shí)踐指導(dǎo)。