深部構(gòu)造應(yīng)力作用下大斷面硐室底鼓控制技術(shù)

顏立新，王 濤

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

深部構(gòu)造應(yīng)力作用下大斷面硐室底鼓控制技術(shù)

顏立新，王 濤

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

為解決深部構(gòu)造應(yīng)力作用下大斷面水泵房底鼓問題，結(jié)合胡底礦地質(zhì)條件分析了水泵房底板圍巖的變形破壞機(jī)理，認(rèn)為底板巖層性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、無支護(hù)及大斷面是造成泵房底鼓的主要原因。對此，提出錨固前先注漿充填底部圍巖裂隙和施工高預(yù)緊力全長錨固底板錨索的聯(lián)合支護(hù)方案，利用漿液對裂隙圍巖進(jìn)行結(jié)構(gòu)性補(bǔ)償，提高破碎圍巖的殘余強(qiáng)度；高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)能改善錨固范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力狀態(tài)，從而提高底板圍巖的自承載能力?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：盤區(qū)水泵房采用超前預(yù)注漿和高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力全長錨固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，有效控制了盤區(qū)水泵房底板變形，保證泵房設(shè)備基礎(chǔ)安全使用。

深部構(gòu)造應(yīng)力；大斷面硐室底鼓；注漿加固；高預(yù)應(yīng)力錨索

近年來，沁水煤田3號煤開采埋藏深度已達(dá)600m以上，深部地質(zhì)條件更加復(fù)雜，導(dǎo)致突發(fā)性工程災(zāi)害和重大惡性事故增加、生產(chǎn)成本急劇加大，對深部資源開采過程中的巷道支護(hù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。深部與淺部的明顯區(qū)別在于深部巖體所處的特殊地質(zhì)環(huán)境，使深部巖體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性復(fù)雜多變。在淺部開采中圍巖體所受應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造相對簡單，往往表現(xiàn)為硬巖特性；進(jìn)入深部開采后圍巖的流變性加大、開挖后長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為非線性軟巖力學(xué)特性。尤其是深部巷道底鼓的控制問題一直是困擾深部煤礦正常開采的一個難題，常規(guī)的支護(hù)已經(jīng)不能解決深部巷道的底鼓問題[1-5]，一些關(guān)鍵性大斷面硐室(如泵房、變電所等)內(nèi)底鼓嚴(yán)重地影響人員和設(shè)備安全，給礦井的正常生產(chǎn)帶來了隱患。

1 工程概況

胡底煤業(yè)一盤區(qū)水泵房布置在距3號煤約20m的頂板巖層中，巷道圍巖巖性以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，層位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層理特別發(fā)育，膠結(jié)性差，易風(fēng)化。水泵房埋深約750m，通過一盤區(qū)地應(yīng)力測試得知，最大水平主應(yīng)力σH=18.34MPa，最小水平主應(yīng)力σh=9.41MPa，垂直應(yīng)力σV=16.47MPa，應(yīng)力場為構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢的中等偏高應(yīng)力值區(qū)域。一盤區(qū)水泵房為大斷面硐室(寬×高為5748mm×6124mm)，與相鄰?fù)粚游惠o助進(jìn)風(fēng)巷之間凈煤柱為15m，幫、頂采用錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù)，底板未采用任何控底措施。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，水泵房圍巖長期達(dá)不到二次穩(wěn)定，處于流變狀態(tài)，巷道兩幫最大水平移近量超過1520mm，頂?shù)装迨諗孔冃纬^2516mm，破壞特征主要表現(xiàn)為混凝土噴層大范圍開裂，局部變形嚴(yán)重處漿皮脫落，裸露出支護(hù)構(gòu)件和松散圍巖，局部區(qū)域錨桿、錨索破斷(如圖1所示)。礦方已對破壞嚴(yán)重地段進(jìn)行了處理：采用錨索、掛網(wǎng)噴進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，并對底鼓嚴(yán)重段進(jìn)行了起底，強(qiáng)烈變形得到一定控制。但通過現(xiàn)場礦壓監(jiān)測，底板變形仍未穩(wěn)定，底鼓問題反復(fù)出現(xiàn)。

圖1 胡底礦盤區(qū)水泵房底鼓情況

一盤區(qū)水泵房為永久性大斷面關(guān)鍵硐室，底板上布置有水泵設(shè)備基礎(chǔ)，底板稍有變形便會導(dǎo)致基礎(chǔ)變形、開裂，影響設(shè)備安全使用。因此，必須對胡底礦深部構(gòu)造應(yīng)力作用下大斷面硐室底鼓問題進(jìn)行研究，從而提出科學(xué)合理的底鼓治理方案，一次性解決此類巷道的底鼓難題，保證泵房設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 注漿加固和高預(yù)緊力全長錨固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

2.1 深部構(gòu)造應(yīng)力作用下水泵房底鼓原因分析

研究表明，影響底鼓因素很多，胡底礦水泵房地質(zhì)條件影響最大的有底板巖層性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、大斷面和支護(hù)強(qiáng)度等[2，6-7]。

(1)底板巖層弱 胡底煤礦盤區(qū)水泵房布置在3號煤層上部20m的頂板泥巖中，實(shí)測強(qiáng)度為29MPa，泥巖自身強(qiáng)度較低；而且通過現(xiàn)場掘進(jìn)過程中揭露的巖層情況發(fā)現(xiàn)，水泵房底板泥巖層理裂隙極其發(fā)育，膠結(jié)性差，較低水平的應(yīng)力作用極易導(dǎo)致泥巖內(nèi)部裂隙張開、擴(kuò)展及貫通，從而形成底板圍巖的碎脹變形。

(2)圍巖應(yīng)力作用 通過地應(yīng)力測量結(jié)果可知水泵房受到很高的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力作用，而且水泵房斷面較大，相鄰兩側(cè)布置有輔助進(jìn)風(fēng)巷(煤柱寬度15m)、水倉和吸水小井等。這些巷道掘進(jìn)過程中，均會對泵房產(chǎn)生影響，導(dǎo)致泵房圍巖的應(yīng)力集中，造成嚴(yán)重底鼓。泵房所處的高應(yīng)力環(huán)境是引起泵房產(chǎn)生較大底鼓的必備外部條件。

(3)大斷面影響 圍巖強(qiáng)度和受力一定的情況下，巷道斷面尺寸越大，底板圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差，大斷面巷道更容易誘發(fā)底板圍巖承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，更容易產(chǎn)生失穩(wěn)、破壞。

(4)底板無支護(hù) 泵房底板處于敞開不支護(hù)狀態(tài)是巷道底鼓量大于頂板下沉量的主要因素。泵房是由頂板、底板、兩幫組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，由于頂板和兩幫進(jìn)行了錨網(wǎng)索噴支護(hù)，而巷道底板未采取有效支護(hù)措施而成為一個薄弱環(huán)節(jié)，受高應(yīng)力作用未采取任何支護(hù)措施的底板則是一個非常好釋放應(yīng)力的自由面，從而導(dǎo)致巷道底鼓與破壞。

2.2 泵房底鼓控制技術(shù)

深部構(gòu)造應(yīng)力作用下底鼓實(shí)質(zhì)是底板圍巖內(nèi)部裂隙寬度、長度以及新裂隙數(shù)量的不斷增長，這些裂隙的產(chǎn)生和發(fā)育會顯著減小錨桿(錨索)預(yù)應(yīng)力場壓應(yīng)力區(qū)的范圍，嚴(yán)重影響錨桿、錨索的支護(hù)效果，而且淺部的離層或裂隙，對錨桿(錨索)支護(hù)效果影響最大，中部次之，深部最小。對泵房底板進(jìn)行支護(hù)時，底板圍巖已經(jīng)發(fā)生破碎或離層，錨索的預(yù)緊力被離層隔斷，無法向深部圍巖傳遞，也不能實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散，支護(hù)效果會明顯降低。因此針對已經(jīng)產(chǎn)生底鼓的泵房底板采用單一的補(bǔ)強(qiáng)措施：如補(bǔ)打錨桿、錨索或采用反底拱支護(hù)等方法，已無法有效控制底板的加速變形；只有采用錨固前先注漿充填底部圍巖裂隙和施工高預(yù)緊力全長錨固底板錨索的聯(lián)合支護(hù)方案，利用漿液對裂隙巖體進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，提高盤區(qū)水泵房底板破碎圍巖的殘余強(qiáng)度，增強(qiáng)其自承載能力，才是解決此類底鼓的有效途徑。

針對胡底礦深部構(gòu)造應(yīng)力作用下大斷面硐室底鼓后底板圍巖裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，提出對底板采用主動注漿后施加高預(yù)緊力全長錨固錨索的綜合加固支護(hù)技術(shù)。

(1)主動注漿充分恢復(fù)底板圍巖完整性加固技術(shù) 選擇具有強(qiáng)度高、結(jié)石性能好的漿液，在高注漿壓力作用下，漿液滲透到裂隙，恢復(fù)底板圍巖結(jié)構(gòu)完整性，阻止底板圍巖內(nèi)部裂隙繼續(xù)擴(kuò)張，顯著提高底鼓后破碎圍巖的可錨性，為高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)提供充足的錨固力。同時有利于預(yù)應(yīng)力的傳遞和擴(kuò)散，使支護(hù)體和圍巖共同承載；最大限度減少鉆孔施工過程中塌孔現(xiàn)象，提高支護(hù)質(zhì)量和效果。因此，注漿是整個支護(hù)的基礎(chǔ)，也是保證支護(hù)質(zhì)量的基本條件[1，8-9，15-17]。

(2)高強(qiáng)高預(yù)緊力全長錨固錨索支護(hù)技術(shù) 主動注漿后，泵房底板圍巖基本恢復(fù)連續(xù)狀態(tài)，但底板若不支護(hù)仍是泵房整個全斷面內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)，承載能力仍很弱，而且泵房底板布置有設(shè)備基礎(chǔ)，要求允許產(chǎn)生的變形量較小，因此注漿后必須進(jìn)一步加強(qiáng)對底板圍巖的支護(hù)。強(qiáng)力全長錨固錨索能對底板施加強(qiáng)力的邊界條件，改善錨固范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力狀態(tài)，使注漿后底板圍巖具有較強(qiáng)的承載能力，且能很好控制圍巖體裂隙重新產(chǎn)生擴(kuò)容變形，最大限度地發(fā)揮支護(hù)材料和圍巖體的相互作用，阻止底板圍巖再次破壞[10-16]。

3 工程應(yīng)用

3.1 盤區(qū)水泵房底板支護(hù)設(shè)計

通過對泵房底鼓原因分析，結(jié)合目前泵房底鼓控制技術(shù)，泵房底板支護(hù)應(yīng)采用超前預(yù)注漿加固和高強(qiáng)、高預(yù)緊力全長錨固聯(lián)合控制技術(shù)，注漿加固可以大大提高圍巖的完整性，增強(qiáng)底板破碎圍巖可錨性和自承載能力。

3.1.1 底板預(yù)注漿

盤區(qū)水泵房底板預(yù)注漿鉆孔間距為2000mm，排距1800mm；鉆孔深度為6000mm，垂直于泵房底板布置(如圖2)所示。先預(yù)埋800mm長孔口注漿管，孔內(nèi)下5000mm長射漿管，孔口管與射漿管相連，棉紗和水泥固定孔口管并封孔。注漿使用42.5級普通硅酸鹽水泥配合具有減水、提高漿液流動性的XPM納米灌注劑(添加量為水泥質(zhì)量10%)制備素水泥漿。水泥漿水灰比0.6∶1～1∶1。注漿終止壓力2～3MPa，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整。

圖2 底板預(yù)注漿鉆孔布置

3.1.2 底板預(yù)應(yīng)力注漿錨索

錨索布置如圖3所示。錨索為SKP22/1-1860-7300型，在端頭安裝錨索專業(yè)攪拌頭；由于垂直向下鉆孔孔底有水，只能先用水泥漿錨固，等固化后能提供一定預(yù)緊力時再張拉，橡膠塞封孔后張拉力≥140kN；采用300mm×300mm×16mm帶φ18mm注漿孔的拱形托板；錨索張拉前加裝φ20mm圓鋼焊接長度為1500～2300mm托梁；錨索間距如圖3(b)所示，間隔1800mm布置1排。根據(jù)底板泵基礎(chǔ)位置分兩種情況考慮，非基礎(chǔ)位置每排布置3根錨索，基礎(chǔ)位置每排布置4根錨索；注漿壓力為2.0～3.0MPa。

圖3 底板注漿錨索布置

3.1.3 注漿錨索

如圖4所示為專用錨索注漿系統(tǒng)。跟一般錨索區(qū)別是增設(shè)注漿管、止?jié){塞、止退管。注漿管穿過止?jié){塞導(dǎo)入漿液，止?jié){塞目的是進(jìn)行錨索孔注漿時封孔保壓，止退管防止高壓注漿時止?jié){塞滑出。

圖4 注漿錨索

3.1.4 注漿錨索施工工藝

如圖5所示為底板注漿錨索系統(tǒng)。底板預(yù)注漿完成區(qū)域→架設(shè)鉆機(jī)打設(shè)孔深7000mm鉆孔→插入底板錨索→插入DN20mmPVC灌漿管、填入石粉并灌漿→插入鋁塑管，安裝止?jié){塞、止退鋼管對鉆孔孔口進(jìn)行封孔，等待7d錨固段水泥達(dá)到一定強(qiáng)度后安裝錨索托盤、球墊、索具張拉預(yù)緊錨索。

張拉錨索→將孔口外露鋁塑管逐個連接注漿系統(tǒng)→錨索孔壓注水泥漿至終壓→關(guān)泵、折彎鋁塑管→劈開錨索外露端，彎回全部鋼筋并砸平→回填矸石噴射混凝土或硬化底板。

圖5 底板錨索注漿示意

3.2 支護(hù)效果分析

為了評價底板支護(hù)的效果，對一盤區(qū)水泵房底板支護(hù)區(qū)域圍巖變形進(jìn)行觀測，在45m長泵房內(nèi)布置了兩組測站，1號、2號測站分別距水泵房通道口15，30m處，底鼓量監(jiān)測結(jié)果見圖6所示。從圖6可知，底板支護(hù)初期底鼓速率較快，但隨著時間的增長，底鼓速率明顯降低，30d后底板變形漸漸趨于穩(wěn)定，底板穩(wěn)定后底鼓量最大僅為18mm左右，同并未采用這種底板治理方案相比，底鼓量顯著減小。由此說明采用超前底板注漿加固和高強(qiáng)、高預(yù)應(yīng)力全長錨固注漿錨索支護(hù)后，有效限制泵房底板圍巖的變形，保證了泵房內(nèi)設(shè)備的長期安全運(yùn)行。

圖6 泵房底板變形監(jiān)測曲線

4 結(jié) 論

(1)針對胡底煤業(yè)大斷面硐室的深部構(gòu)造應(yīng)力條件，對深部硐室底板在構(gòu)造應(yīng)力作用下圍巖變形、破壞機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)清深部硐室底板圍巖變形、破壞的實(shí)質(zhì)是泥巖內(nèi)部裂隙寬度、長度以及新裂隙數(shù)量的不斷增長。影響底鼓的主要因素是底板巖層自身弱、圍巖應(yīng)力作用、底板跨度大和未采取合理的控底措施。

(2)根據(jù)泵房底鼓機(jī)理，提出采用超前預(yù)注漿和高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力全長錨固錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。在高注漿壓力作用下，漿液滲透到裂隙，恢復(fù)底板圍巖結(jié)構(gòu)完整性，阻止底板圍巖內(nèi)部裂隙繼續(xù)擴(kuò)張，顯著提高了底鼓后破碎圍巖的可錨性，為高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)提供充足的錨固力；同時有利于錨桿錨索支護(hù)時預(yù)緊力的傳遞和擴(kuò)散，最大限度減少鉆孔施工過程中塌孔現(xiàn)象，提高支護(hù)質(zhì)量和效果。強(qiáng)力錨索支護(hù)，充分調(diào)動圍巖的自承能力，最大限度地發(fā)揮支護(hù)材料和圍巖體的相互作用，阻止底板圍巖再次向深部破壞。

(3)底板支護(hù)工程實(shí)踐表明：盤區(qū)水泵房底板采用超前底板注漿加固和高強(qiáng)、高預(yù)應(yīng)力全長錨固注漿錨索支護(hù)，有效限制泵房底板圍巖的變形，保證了泵房內(nèi)設(shè)備的長期安全運(yùn)行，對類似條件下控制底鼓的支護(hù)設(shè)計具有很好的指導(dǎo)意義。

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FloorHeaveControllingTechnologyofLargeSectionalChamberunderTectonicStressinDeep

YAN Li-xin，WANG Tao

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to solve the problem that floor heave of large sectional water pump house under tectonic stress in deep，the deformation and broken mechanism of floor surrounding rock of water pump house was analyzed under the geological situation of Hudi coal mine，the main reasons that induced floor heave were floor stratum characters，surrounding rock stress，nonsupporting and large section.So the synthesis supporting method was put forward，which is about surround rock fractures in floor was filled with grouting before anchoring，and then high prestress and fully anchored cable was applied，the fracture surrounding rock was compensated by grouting，so the residual strength of broken surrounding was improved，the stress state of surrounding rock in anchoring scope was improved by high prestress strengthen cable supporting，so the floor surrounding rock bearing capacity was improved.The field test showed that，the synthesis method was applied in water pump house，floor deformation was controlled effectively，the safety using of water pump house equipment foundation was ensured.

tectonic stress in deep；floor heave of chamber with large section；grouting reinforcement；high prestress cable

2017-07-11

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.012

國家科技支撐計劃課題(2012BAB13B02)；國家自然科學(xué)基金項目(U1261211)；科技創(chuàng)新基金面上項目(2014MS037)

顏立新(1966-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，博士，研究員，現(xiàn)任天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部巷道所主任工程師，主要從事煤礦巷道支護(hù)技術(shù)研究工作。

顏立新，王 濤.深部構(gòu)造應(yīng)力作用下大斷面硐室底鼓控制技術(shù)[J].煤礦開采，2017，22(6)：50-53，81.

TD353

A

1006-6225(2017)06-0050-04

姜鵬飛]