井底車場(chǎng)高地應(yīng)力碎裂巷道圍巖控制方案研究

高 祥 ,趙計(jì)春 ,張 魯

(1.兗煤萬福能源有限公司,山東 菏澤 274000;2.中煤第一建設(shè)有限公司 第三十一工程處,河北 邯鄲 056000)

萬福煤礦是大型現(xiàn)代化新建礦井,采用立井開拓,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力180 Mt/a。萬福井田位于巨野煤田南部,沖積層厚約750 m 左右,為新生界松散層覆蓋巨厚的全隱蔽煤田,是國內(nèi)迄今礦井中沖積層厚度最大的礦井,礦井范圍內(nèi)最大主應(yīng)力高達(dá)58 MPa,是典型的超高應(yīng)力礦井。由于該礦井沖積層厚度較大、地質(zhì)條件較復(fù)雜,大埋深、高應(yīng)力給井巷的掘進(jìn)及支護(hù)帶來了諸多技術(shù)難題。井底車場(chǎng)位于-820 m 水平,生產(chǎn)水平-950 m,巷道掘進(jìn)過程中穿越巖層巖性主要為:粉砂巖、中砂巖、泥巖、細(xì)砂巖、灰?guī)r等。井底車場(chǎng)巷道及硐室施工依次穿越三灰、五灰、九灰及十下灰含水層,地下水沿著裂隙相互滲流,導(dǎo)致巷道頂板、底板有不同程度的淋水及滲水,弱化了巷道圍巖的自承載力。加之井底車場(chǎng)巷道硐室密集,硐室之間開挖擾動(dòng)影響劇烈,導(dǎo)致井底車場(chǎng)部分巷道及硐室變形破壞嚴(yán)重,出現(xiàn)混凝土噴層開裂、頂板下沉、片幫、底鼓等嚴(yán)重破壞情況。

長期以來,深井高應(yīng)力礦井巷道圍巖控制一直是礦山支護(hù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)[1-6],且在大埋深、高應(yīng)力、極軟巖、斷層破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件下,大斷面復(fù)雜碎裂圍巖巷道及硐室支護(hù)難題亟待解決[7-11]。對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道硐室,如何選擇合理的支護(hù)對(duì)策,對(duì)于擬選用的高強(qiáng)錨注支護(hù)方式是否合理,本文通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)分析支護(hù)后的硐室變形和支護(hù)構(gòu)件受力情況來進(jìn)行驗(yàn)證。

1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試分析

1.1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

為更好掌握萬福煤礦井底車場(chǎng)巷道及硐室圍巖所處地層地質(zhì)條件,在井底車場(chǎng)主變電所通道、主排水泵房、副井輕車線等位置分別采集現(xiàn)場(chǎng)巖樣,對(duì)其物理力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定結(jié)果表明:砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為42.83 MPa,彈性模量為8.85 GPa;泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度為30.65 MPa,彈性模量為3.85 GPa;灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度為57 MPa,彈性模量為11.49 GPa,如表1所示。

表1 井底車場(chǎng)巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

1.2 圍巖礦物成分分析

為更好掌握萬福煤礦井底車場(chǎng)圍巖物理化學(xué)特性,分析其遇水膨脹的特征,為圍巖控制方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù),在回風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面取巖石試件,采用X 射線衍射法對(duì)巖石礦物成分進(jìn)行分析,相關(guān)結(jié)果見表2。從X射線衍射測(cè)試結(jié)果可以看出:圍巖樣品主要由石英、高嶺石組成,以石英為主,高嶺石次之,兩類巖石含量達(dá)到了總礦物成分的60%以上,巖石內(nèi)被部分伊利石、鉀長石、鈣長石及方石英等不透明礦物質(zhì)填充。泥巖中含有的高嶺石及伊利石物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,遇水后體積極易膨脹,最高膨脹量可達(dá)50%,這也是巷道圍巖易于變形破壞的主要原因。

表2 圍巖礦物成分(重量百分比) %

2 錨注參數(shù)比選試驗(yàn)

在井底泵房、變電所硐室,均出現(xiàn)泥巖夾層,由于地應(yīng)力大、應(yīng)力集中、泥巖破碎,錨注鉆孔施工時(shí)出現(xiàn)塌孔、卡鉆等現(xiàn)象。為了精確選擇適合萬福煤礦地質(zhì)條件的支護(hù)方式進(jìn)而解決類似現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)難題,在泵房采用不同型號(hào)的自鉆式中空注漿錨桿進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn),選用的不同型號(hào)的自鉆式注漿錨桿如圖1所示。

圖1 不同型號(hào)的自鉆式注漿錨桿

(1)第一次錨桿試驗(yàn)

采用直徑25 mm,長2 m,35號(hào)鋼材制成的自鉆式中空注漿錨桿,配有42 mm 合金鉆頭。在井下變電所位置,采用風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)過程中,由于鉆頭尺寸過大,致使鉆桿扭矩較大,鉆進(jìn)速度緩慢,在鉆進(jìn)0.5 m 深度左右時(shí),錨桿接頭位置發(fā)生了脆性斷裂。

(2)第二次錨桿試驗(yàn)

采用直徑25 mm,長2 m,35號(hào)鋼材制成的自鉆式中空注漿錨桿,配有32 mm 合金鉆頭。在井下永久泵房位置,采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改進(jìn)鉆頭尺寸后,鉆進(jìn)速度有了明顯的提高,但由于錨桿強(qiáng)度不足,在鉆進(jìn)1.5 m左右的深度后,在鉆孔孔口位置處,錨桿發(fā)生脆性斷裂。

(3)第三次錨桿試驗(yàn)

采用直徑25 mm,長3 m(為兩節(jié)1.5 m 桿接長),45號(hào)鋼材制成的自鉆式中空注漿錨桿,配有32 mm 合金鉆頭。在井下永久泵房拱腳位置,采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)。此次錨桿沒有出現(xiàn)脆斷,實(shí)現(xiàn)了完全鉆進(jìn)。

由上述比選試驗(yàn)可知,萬福煤礦井底車場(chǎng)自鉆式注漿錨桿的型號(hào)參數(shù):錨桿桿體鋼材型號(hào)應(yīng)不低于45 號(hào)鋼,直徑25 mm(避免桿體直徑過細(xì)、錨桿抗沖擊強(qiáng)度不足而發(fā)生脆斷),鉆頭直徑32 mm 為宜,避免因鉆頭過大,致使錨桿尾部接頭處承受較大扭矩發(fā)生斷裂。

3 工業(yè)性應(yīng)用及效果分析

3.1 圍巖松動(dòng)圈觀測(cè)

為探明井底車場(chǎng)圍巖松動(dòng)圈及發(fā)展規(guī)律,在副井東馬頭門、內(nèi)外水倉開展鉆孔窺視試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:圍巖嚴(yán)重破壞區(qū)主要集中在0～3 m、5～7 m 范圍處,存在明顯的分區(qū)破裂現(xiàn)象,不同深度圍巖裂隙分布鉆孔窺視情況見圖2。從圖2可以看出,4～5 m、7～9 m 范圍內(nèi)圍巖情況相對(duì)完整,僅個(gè)別深度存在閉合性微裂隙及張開型裂隙。根據(jù)圍巖破壞分區(qū)情況,采用注漿錨桿+注漿錨索的聯(lián)合注漿方式,首先施工注漿錨桿對(duì)淺部破壞嚴(yán)重范圍進(jìn)行注漿,然后施工注漿錨索對(duì)深部裂隙進(jìn)行注漿,全長錨固膠結(jié)圍巖,提高了圍巖整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性,防止錨索銹蝕、增強(qiáng)錨索的耐久性。注漿錨索長度不應(yīng)小于最大松動(dòng)深度,應(yīng)選擇在8 m以上。

圖2 不同深度圍巖裂隙分布鉆孔窺視

3.2 工業(yè)性應(yīng)用方案參數(shù)

經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)采用如下技術(shù)參數(shù)對(duì)破碎圍巖進(jìn)行注漿加固:

(1)注漿錨桿參數(shù)及控制

采用中空注漿螺旋錨桿,?32 mm,長2.5 m,并有配套的止?jié){塞、托盤及螺母。專用注漿錨桿的優(yōu)點(diǎn)是:螺旋進(jìn)孔后自動(dòng)固定,不需再用錨固劑,最高可承受5 MPa的注漿壓力(正常使用不超過3 MPa),且在封口處有橡膠止?jié){塞。

初始?jí)毫牧汩_始,要緩慢升壓,一般控制在0.5～2.0 MPa 左右,正常情況下不宜超過3.0 MPa,只要進(jìn)漿就不宜升壓太快,最大注漿終壓一般為3.0 MPa。正常情況下,注漿錨桿每孔注入水泥量50～100 kg左右,當(dāng)注入水泥量超過300 kg、注漿壓力仍未達(dá)到注漿終壓時(shí),可暫停注漿;待0.5 h后再復(fù)注,若復(fù)注時(shí)注入水泥量超過500 kg,壓力仍未達(dá)到注漿終壓時(shí),應(yīng)檢查是否有漏漿、跑漿現(xiàn)象,然后換孔注漿。

(2)注漿錨索參數(shù)及控制

選用SKZ29-1/1670注漿錨索。錨索索體直徑?22 mm 或?29 mm,在封口處配有雙重橡膠止?jié){塞;?29 mm 錨索破斷力≥541 KN,正常工作注漿壓力1.0～3.0 MPa,停止注漿最終壓力一般為5.0 MPa,但在圍巖情況較好的狀態(tài)下,最終壓力可達(dá)7.0 MPa。

初始?jí)毫牧汩_始,要緩慢升壓,一般控制在1.0～4.0 MPa 左右,正常情況下一般不超過5.0 MPa,只要進(jìn)漿就不宜升壓太快,最大終壓一般為5.0 MPa,在圍巖條件允許時(shí)最大終壓可達(dá)7.0 MPa。

(3)注漿液

選用強(qiáng)度等級(jí)52.5或42.5的普通硅酸鹽水泥,水灰比為0.6。注漿液要摻入ACZ-Ⅱ型水泥注漿添加劑,摻量為水泥重量的8%。

3.3 圍巖控制效果分析

為分析注漿加固對(duì)圍巖的控制效果,對(duì)注漿后開展了圍巖鉆孔窺視監(jiān)測(cè)與收斂變形監(jiān)測(cè)。

(1)圍巖加固效果鉆孔窺視探測(cè)

對(duì)注漿段圍巖進(jìn)行鉆孔窺視檢測(cè),從窺視結(jié)果可以看出,采用現(xiàn)有的配比及注漿工藝,漿液填充效果良好,加固范圍內(nèi)無明顯裂隙發(fā)育,尤其以2～4 m 范圍內(nèi),漿液擴(kuò)散效果較為顯著,7 m 以后裂隙發(fā)育不明顯,以閉合型節(jié)理為主,見圖3。

圖3 注漿后圍巖加固效果鉆孔窺視

(2)圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)

對(duì)比注漿前后圍巖收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn):注漿起到了加固圍巖效果,如圖4所示。圍巖收斂量隨時(shí)間的變化曲線表明在注漿完成前后發(fā)生顯著的變化,收斂變形趨勢(shì)明顯減緩,兩幫最大累計(jì)收斂量在100 mm 左右,圍巖變形得到了有效控制。

圖4 注漿前后現(xiàn)場(chǎng)圍巖收斂監(jiān)測(cè)

4 結(jié) 論

(1)萬福煤礦表土沖積層厚,井底車場(chǎng)圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差,遇水極易膨脹,同時(shí)在高地應(yīng)力作用下極易造成巷道發(fā)生變形破壞。

(2)萬福煤礦井底車場(chǎng)自鉆式注漿錨桿體鋼材型號(hào)應(yīng)不低于45號(hào)鋼,直徑25 mm(避免桿體直徑過細(xì)、錨桿抗沖擊強(qiáng)度不足而發(fā)生脆斷),鉆頭直徑32 mm 為宜,避免因鉆頭過大,致使錨桿尾部接頭處承受較大扭矩發(fā)生斷裂。

(3)當(dāng)采用高強(qiáng)錨注方式時(shí),選取合適的水灰比、中空錨桿參數(shù)等支護(hù)方案,通過支護(hù)前后圍巖鉆孔窺視檢測(cè)、收斂監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了萬福煤礦井底車場(chǎng)巷道及硐室圍巖得到了有效控制,為類似高應(yīng)力條件下節(jié)理軟巖巷道的支護(hù)提供了技術(shù)參考。