預應力注漿錨索在深井軟巖巷道底臌治理中的應用研究

佟瑩瑩 王濤 于金偉

1.中煤第五建設(shè)有限公司第四十九工程處，河北 邯鄲 056003；

2.濟寧礦業(yè)集團霄云煤礦，山東 濟寧 272213

我國很多煤礦已經(jīng)突破 1000m 的開采深度，巨野礦區(qū)便為我國典型的深部開采礦區(qū)，深埋巷道底臌問題嚴重，給行人、行車、安全帶來極大影響，直接影響了煤炭的安全高效開采[1-4]?，F(xiàn)場調(diào)查表明，在底板不支護的深部開采中，巷道頂?shù)装逡平康?2/3～3/4 是底臌引起的，底臌造成的巷道維修量占維修總量的50%[5-8]。如何有效、經(jīng)濟的控制底臌是深部開采急需解決的問題。本文在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，著重分析了深部軟巖底臌特性，提出利用底板注漿錨索進行底臌治理的技術(shù)，并進行現(xiàn)場應用，取得較好的控制效果。

1 工程概況及底臌機制分析

1.1 工程概況

某礦水泵房斷面形狀為直墻半圓拱形，設(shè)計凈斷面寬4.5m，高5.05m，處于-945水平，水泵房掘進過程中主揭露3煤層及煤層底板細砂巖，底板泥巖，頂板細砂巖顏色灰白，塊狀構(gòu)造，中厚~厚層狀結(jié)構(gòu)，裂隙中等，局部充填方解石脈；底板泥巖為灰黑色，厚層狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，水平層理、斜層現(xiàn)發(fā)育，參差斷口。

圖1 水泵房斷面及原支護設(shè)計圖

水泵房具體斷面尺寸及原支護設(shè)計見圖1。掘進支護材料為螺紋鋼樹脂錨桿、金屬網(wǎng)、錨索、C20混凝土。 該巷道采用ф22×2400 mm無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿配合、錨索、金屬網(wǎng)進行組合梁式支護。幫部錨固錨桿采用1根28100樹脂藥卷，頂部錨固錨桿采用1根25100樹脂藥卷，錨桿間排距為0.8m×0.8m，錨索間距2m，排距2.4m，每排3根。錨索均為ф17.8×6.2m，每孔2支25100藥卷錨固。

硐室施工完成后，初期變形量并不大。但是后期隨著水泵房蓄水和設(shè)備運行等原因，開始逐漸出現(xiàn)大變形和破壞現(xiàn)象，底鼓現(xiàn)象凸顯。造成設(shè)備基礎(chǔ)變形開裂，設(shè)備移位，管道變形甚至破斷，直接影響的水泵房的正常使用。

1.2 底臌原因分析

通過地質(zhì)調(diào)研、現(xiàn)場觀測、理論分析等手段，發(fā)現(xiàn)該水泵房底臌原因主要有以下五點。

（1）膨脹性泥巖劇烈軟化膨脹。水泵房圍巖地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示，圍巖所處層位為泥巖，巷道變形劇烈，嚴重影響硐室正常使用。巖石單軸抗壓強度低于15MPa，流變及蠕變性極強，長時間不能穩(wěn)定。同時，該區(qū)域泥巖中含有較高含量的黏土礦物和膨脹性礦物，巖石的裂隙發(fā)育，接觸地下水時會造成強烈膨脹，導致圍巖進一步失穩(wěn)破壞，引發(fā)更為強烈的底臌。巷道的穩(wěn)定與圍巖的巖石物理力學特性有密切關(guān)系。

從巖石礦物成分分析結(jié)果中看出，泥巖中高嶺石含量高達40%～85%，還有7%～10%的伊利石、蒙脫石。強膨脹性礦物蒙脫石和弱膨脹性礦物高嶺石、伊利，在地下水和空氣中的水的影響下，對水極其敏感，膨脹變形劇烈，特別是在大斷面巷道且有涌水情況下，圍巖失穩(wěn)更加嚴重。

（2）埋深大、地應力高。水泵房的埋深大，在1000m左右，地應力測試結(jié)果顯示該區(qū)域垂向地應力為25.7MPa，水平方向最大主應力為36.4MPa，構(gòu)造地應力影響顯著。在高的地應力荷載作用下，圍巖應力應變關(guān)系呈現(xiàn)出不同于淺部的特點，變形速度快，變形量大，流變時間長。導致巷道圍巖長時間達不到穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）水理作用顯著。水泵房的特殊功能決定了圍巖必須處于有水的環(huán)境中，底板圍巖長期浸泡與水中，在水理作用下，巖體強度弱化嚴重，同時由于吸水、失水而引起水解，進一步加劇巖石破壞，使巖石出現(xiàn)裂紋、崩解，導致圍巖變形了進一步加大。

（4）溫度作用影響。圍巖在深埋下地溫高，即使在巷道空氣中的溫度也高達約30℃，圍巖巖石溫度將更高，隨著溫度的升高，巖石強度將降低，隨著季節(jié)的變化、溫度的變化，巖石將經(jīng)歷吸水、失水的過程而加劇巖石的風化或水解，這也將影響巷道圍巖穩(wěn)定。

（5）設(shè)備震動影響。水泵房啟用后，水泵長期處于工作狀態(tài)，震動劇烈，由于水泵直接安放在底板基礎(chǔ)上，導致底板圍巖收到長時間的震動作用，使得圍巖在高壓下更易破碎、開裂，進一步加速和加劇了底臌問題。

2 底板注漿錨索加固方案及效果

2.1 加固方案設(shè)計

在充分了解現(xiàn)場地質(zhì)條件和分析底臌原因的基礎(chǔ)上，提出了根治該水泵房底臌的支護原則：單純的支護外荷載不能有效解決問題，需要從改善圍巖自身性質(zhì)、提高圍巖自承能力方面入手解決問題。

根據(jù)上述原則，設(shè)計了預應力注漿錨索底板加固方案，具體見圖2。

（1）封閉底板：首先將水泵房底板進行臥底施工并淤泥清理干凈，清至硬底，排凈水后對底板抹一層厚100mm的混凝土，做成混凝土地坪，以防止注漿時大面積跑漿，凝固后進行打眼、安裝注漿錨索、注漿。

（2）預應力注漿錨索參數(shù)：經(jīng)巖石力學狀況分析和工程類比，選取的注漿錨索支護的參數(shù)為：注漿錨索直徑22mm、長5300mm，間排距1.6m，注漿錨索施加的預應力為15t，為使底板受力更加均勻。

（3）注漿材料及參數(shù)：確定選用成本最低的復合水泥漿材作為注漿材料。注漿壓力3～4MPa，注漿液為單液漿，水灰比為1：0.75。

圖2 底板注漿錨索支護設(shè)計圖

（4）施工順序：臥底、清底→施工混凝土地坪，防止跑漿→施工錨索孔→安裝注漿錨索并封孔→注漿→水泥漿液凝固后施加預緊力。

2.2 底板控制效果

底臌治理方案現(xiàn)場實施順利，工藝相對簡單，未出現(xiàn)不易施工的情況。為充分了解新型支護方案的圍巖控制效果，特在試驗巷道中設(shè)置礦壓觀測點進行圍巖變形量的連續(xù)觀測，結(jié)果如圖3所示。新支護方案實施90天后，巷道已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，頂板下沉最大值為34mm，兩幫移近量最大值12mm，底臌最大值為27mm。巷道底臌量明顯減少，達到了預定的目標，基本符合設(shè)計要求，說明前文對底鼓原因的分析和新型支護方式是合理的，能夠滿足對深井軟巖巷道底鼓的治理。

圖3 巷道變形監(jiān)測結(jié)果

由此可見，在深井高地應力條件下，采用預應力注漿錨索進行底臌治理的新型的控制技術(shù)有明顯的效果。

3 機制分析

通過底板注漿錨索加固作用，其圍巖作用機理主要反映在以下幾個方面。

（1）加錨注漿改變了內(nèi)巖體峰后承載和變形特性。加錨注漿巖體可呈現(xiàn)理想彈塑性特點，峰后不出現(xiàn)應力軟化。

（2）通過注漿加固改善了圍巖物理力學參數(shù)，提高自承能力。阻止圍巖本身強度的降低，增強了破裂巖體的承載能力，直接導致圍巖峰值強度顯著提高，且改善了圍巖變形性能。

（3）阻止了圍巖深部塑性區(qū)的大范圍發(fā)展。處于峰后軟化和殘余變形段的破碎巖體是注漿加固的主要強化對象，此類巖體應力狀態(tài)較低，通過加固可轉(zhuǎn)化為彈性體，有效改善圍巖承載結(jié)構(gòu)。

（4）多層組合拱結(jié)構(gòu)的可靠性與承載能力顯著提高。注漿加固擴大了錨注支護體系的有效承載范圍，提高了支護體系的整體性和承載能力。使得支護體系能夠?qū)ι畈科屏褔鷰r提供更加有效的約束，充分發(fā)揮發(fā)揮破裂圍巖的自承結(jié)構(gòu)效應。

4 結(jié)語

（1）結(jié)合某千米深井水泵房的底臌破壞情況，分析認為地應力高、地層巖性軟弱、水理作用強烈及支護荷載弱是產(chǎn)生強烈底臌的原因。

（2）分析了控制底臌的原則，提出了預應力注漿錨索治理底臌的方案，現(xiàn)場實施效果證明該方案對于深井底臌具有較好的控制效果。為深井底臌治理提供了一種新的有效的控制方法，具有較好的借鑒和推廣價值。

（3）從4個方面分析了底板注漿錨索加固作用機理：加錨注漿改變了內(nèi)巖體峰后承載和變形特性，改善了圍巖物理力學參數(shù)，提高自承能力，阻止了圍巖深部塑性區(qū)的大范圍發(fā)展，多層組合拱結(jié)構(gòu)的可靠性與承載能力得以顯著提高。

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