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.中煤第五建設有限公司第四十九工程處，河北 邯鄲 056003；

2.濟寧礦業集團霄云煤礦，山東 濟寧 272213

我國很多煤礦已經突破 1000m 的開采深度，巨野礦區便為我國典型的深部開采礦區，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]。現場調查表明，在底板不支護的深部開采中，巷道頂底板移近量的 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、經濟的控制底臌是深部開采急需解決的問題。本文在總結現有研究成果的基礎上，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，并進行現場應用，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，塊狀構造，中厚~厚層狀結構，裂隙中等，局部充填方解石脈；底板泥巖為灰黑色，厚層狀結構，塊狀構造，水平層理、斜層現發育，參差斷口。

圖1 水泵房斷面及原支護設計圖

水泵房具體斷面尺寸及原支護設計見圖1。掘進支護材料為螺紋鋼樹脂錨桿、金屬網、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備運行等原因，開始逐漸出現大變形和破壞現象，底鼓現象凸顯。造成設備基礎變形開裂，設備移位，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

通過地質調研、現場觀測、理論分析等手段，發現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。水泵房圍巖地質調查結果顯示，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，長時間不能穩定。同時，該區域泥巖中含有較高含量的黏土礦物和膨脹性礦物，巖石的裂隙發育，接觸地下水時會造成強烈膨脹，導致圍巖進一步失穩破壞，引發更為強烈的底臌。巷道的穩定與圍巖的巖石物理力學特性有密切關系。

從巖石礦物成分分析結果中看出，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，地應力測試結果顯示該區域垂向地應力為25.7MPa，水平方向最大主應力為36.4MPa，構造地應力影響顯著。在高的地應力荷載作用下，圍巖應力應變關系呈現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定狀態。

（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，隨著季節的變化、溫度的變化，巖石將經歷吸水、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定。

（5）設備震動影響。水泵房啟用后，水泵長期處于工作狀態，震動劇烈，由于水泵直接安放在底板基礎上，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 加固方案設計

在充分了解現場地質條件和分析底臌原因的基礎上，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、提高圍巖自承能力方面入手解決問題。

根據上述原則，設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：經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：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

底臌治理方案現場實施順利，工藝相對簡單，未出現不易施工的情況。為充分了解新型支護方案的圍巖控制效果，特在試驗巷道中設置礦壓觀測點進行圍巖變形量的連續觀測，結果如圖3所示。新支護方案實施90天后，巷道已經基本趨于穩定，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 巷道變形監測結果

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

（2）通過注漿加固改善了圍巖物理力學參數，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的大范圍發展。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，此類巖體應力狀態較低，通過加固可轉化為彈性體，有效改善圍巖承載結構。

（4）多層組合拱結構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。使得支護體系能夠對深部破裂圍巖提供更加有效的約束，充分發揮發揮破裂圍巖的自承結構效應。

4 結語

（1）結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：加錨注漿改變了內巖體峰后承載和變形特性，改善了圍巖物理力學參數，提高自承能力，阻止了圍巖深部塑性區的大范圍發展，多層組合拱結構的可靠性與承載能力得以顯著提高。

[1]姜耀東,趙毅鑫,劉文崗等. 深部開采中巷道底臌問題的研究[J]. 巖石力學與工程學報，2004，23(14)：2396-2401.

[2]康紅普. 軟巖巷道底臌的機理及防治[M]. 北京：煤炭工業出版社，1993.

[3]王衛軍，馮濤. 加固兩幫控制深井巷道底臌的機理研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(5)：808-811.

[4]李樹清，馮濤，王從陸等. 葛泉礦軟巖大巷底臌機理及控制研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(8)：1450-1455.

[5]李為騰，李術才，王琦等. 深部厚頂煤巷道圍巖變形破壞機制模型試驗研究[J]. 巖土力學,2013,34 (10): 2847-2856.

[6]李為騰，李智，李術才等.基于巷道頂板三維圍壓計算的錨索梁布置方式作用機制研究[J].采礦與安全工程學報,2013,30(4):475-482.

[7]徐前衛,尤春安,朱合華. 預應力錨索的三維數值模擬及其錨固機理分析[J]. 地下空間與工程學報，2005,1（2）:214-218.

[8]王洪濤,尤春安,王緒勇. 不同屈服條件對巷道圍巖塑性區的影響研究[J]. 水電能源科學,2011,(03):107-109.