朱集礦千米深井巷道支護與加固技術

晁俊奇,喬長燦,戚彥貴

(淮南礦業(yè)集團朱集礦井建設項目部,安徽淮南 232087)

朱集礦千米深井巷道支護與加固技術

晁俊奇,喬長燦,戚彥貴

(淮南礦業(yè)集團朱集礦井建設項目部,安徽淮南 232087)

對朱集礦千米深井軟巖巷道的支護形式進行了研究,通過對錨網(wǎng)噴索注聯(lián)合支護的機理、錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護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,并結合巷道收斂位移監(jiān)測結果、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)合支護方式不能適應高應力軟巖巷道壓力和變形的需要,必須再進行注漿加固。

千米深井;軟巖巷道;錨網(wǎng)噴索注 (架)支護;破壞機理

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

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

朱集煤礦 -906m水平巖巷的頂板以泥質砂巖為主,底板則主要是泥巖,或者巷道賦存與泥、泥砂巖互層中。在大埋深高地應力、大構造應力的作用下,許多巷道段的圍巖呈現(xiàn)出軟巖特性:強度低、孔隙率大、膠結程度差、受結構面切割及風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。高應力軟體特性:處于低地應力環(huán)境時,巖塊顯示出較堅硬巖特征;而在高地應力環(huán)境中,則表現(xiàn)出軟巖特性,如泥質砂巖、泥質粉砂巖。

在高地應力及構造應力場作用下,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,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、注漿的支護方式,取得了顯著效果。

1 支護機理

1.1 錨網(wǎng)噴索支護

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

初噴的作用在于及時封閉圍巖,防止風、水的影響加快圍巖的風化,特別是泥巖及含泥質較多的巖類,同時具有造型作用,填補超挖部分,使巷道面密實,減少表皮內的應力集中,使掛網(wǎng)平整,充分發(fā)揮鋼筋網(wǎng)的力學性能,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,同時增加支護結構的柔性、整體性。

錨桿的作用是使松動圈內巖層斷裂形成的巖塊相互搭接、嚙合形成三鉸拱,對錨桿施加預張拉力,預緊錨固力的作用下,每根錨桿都有一定的應力作用范圍,在采取合理的錨桿間距,其應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應力的作用下,把承載圈定在深部穩(wěn)定巖層中,使卸壓松動圈內的巖石重新回歸三向受壓狀態(tài),加大其承載能力,同時,預應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原有的或新產(chǎn)生的裂隙面,為巷道圍巖的進一步穩(wěn)定提供更好的條件:改善弱面的力學性能,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成整體,重塑承載結構;漿液固結體封閉裂隙,阻止水氣浸入內部巖體,防止圍巖內部風化。

單獨的U形棚支護不利于控制巷道變形。首先從 U形棚的支護原理及結構來看,U形棚支護屬于被動支護,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、笆片膠結在一起,形成一個大范圍承載圈層的“鋼筋混凝土”結構。

2 支護效果及分析

朱集礦錨網(wǎng)噴支護中,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)超聲測試的結果,巷道的圍巖松動圈為 1800～2500mm。

2.1 錨網(wǎng)噴索支護效果及分析

朱集礦中央回風井西馬頭門在 08年 9月底施工結束,風井西馬頭門至風井區(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,風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),并且伴有嚴重底鼓現(xiàn)象,最大可達 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很容易產(chǎn)生松散地壓,巷道變形具有明顯的時間效應,這些特性造就了軟巖巷道的變形大,變形難以控制,錨網(wǎng)噴索在短期時間內可以適應這樣的變形,但很難保持長期的穩(wěn)定,聯(lián)合支護中的混凝土噴層易遭到破壞。在錨網(wǎng)噴支護中,鋼筋網(wǎng)的存在增強了混凝土的強度,同時增加支護結構的柔性,在局部來壓、應力集中嚴重的部位,巷道會首先變形破壞,圍巖向巷道內鼓起,鋼筋網(wǎng)外部的混凝土在達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

風井西馬頭門段在初始施工時采用錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護,08年底錨網(wǎng)噴支護結構已發(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內屬高應力集中區(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)合支護表面噴層已出現(xiàn)部分開裂,強烈的掘進影響較小。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,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,引起應力的多次重分布,直到地應力、構造應力、蠕變產(chǎn)生的力和巷道圍巖承載圈層的支撐力達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:注漿改善了固結區(qū)巖體的力學性能,提高了圍巖穩(wěn)定性。漿體充填并膠結了張開破裂面,提高了巖體強度,加大了裂隙兩側巖體的摩擦和嚙合力,提高了弱面的抗變形能力;改善巖體內的應力狀況,減少巖體內的應力集中。漿體充填圍巖內的大部分的裂隙,減小了裂隙尖端的應力集中,加大了弱面兩側巖體的約束,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結構,和原來的主動柔性支護結構相結合,大大降低了圍巖的收斂速度,支護效果良好。

3 結論

(1)錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護在千米深井軟巖巷道中,可以在短期內適應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性能,聯(lián)合使用效果良好。

(3)架棚支護對于控制高應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,主動支護和被動支護相結合,注漿加固把二者膠結成一個整體,形成共同的剛柔兼濟的承載圈層,能大大改善聯(lián)合支護的效果。

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[責任編輯:王興庫]

TD353

B

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,朱集礦井建設部工作。