高應(yīng)力區(qū)大斷面硐室維修加固支護(hù)技術(shù)

王德發(fā)， 楊永剛

(1.內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;2.安徽省煤炭科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230001)

隨著礦井服務(wù)時(shí)間的延長(zhǎng)，我國(guó)東部相當(dāng)一部分礦井的開拓、準(zhǔn)備巷道進(jìn)入維修高峰期，處于高應(yīng)力區(qū)、采動(dòng)影響、圍巖軟弱環(huán)境中的大斷面硐室斷面收斂、破壞現(xiàn)象則更為嚴(yán)重[1-3]。返修硐室圍巖松動(dòng)范圍大，圍巖破碎、變形破壞范圍超出了現(xiàn)行支護(hù)方法所能控制的范圍，普通的錨網(wǎng)噴支護(hù)難以有效控制圍巖破壞范圍和塑性區(qū)的不斷擴(kuò)大。在巷道圍巖破壞和變形范圍擴(kuò)大的同時(shí)，巷道圍巖施加于支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷也成倍增大，巷道破壞和支護(hù)體的破壞不可避免[3-6]。處于復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中的巷道或硐室在服務(wù)期內(nèi)反復(fù)維修，造成巷道的維護(hù)費(fèi)用高出掘進(jìn)費(fèi)用數(shù)倍，嚴(yán)重影響了礦井安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

安徽恒源煤電股份有限公司煤礦Ⅱ62采區(qū)軌道下山絞車房位于該礦井田一水平北翼Ⅱ62采區(qū)。峒室長(zhǎng)15 m，寬9 m，高6 m，掘進(jìn)斷面積 47.9 m2，凈斷面積45.3 m2，峒室斷面形狀為直墻圓拱形。該峒室底板標(biāo)高為-392 m，下距6煤頂板2～4 m。峒室頂板為中砂巖，峒室巷幫巖性分布不均，大部分為泥巖，距底板1.2 m夾有一層煤線，煤線厚度0.2 m。

受地層壓力及多重因素破壞作用，峒室圍巖變形破壞嚴(yán)重。特別是近幾年，峒室變形破壞速度加快，破壞程度加重，已經(jīng)威脅、影響絞車的正常安全運(yùn)行。

(1) 斷層構(gòu)造應(yīng)力作用。孟口斷層為井田內(nèi)一大型逆斷層，斷層落差高達(dá)40 m，其上、下盤斷層帶累計(jì)寬度達(dá)到150 m左右，該硐室處于孟口斷層影響范圍內(nèi)，巖體豎向裂隙極為發(fā)育，巖體被切割成碎塊。

(2) 相鄰巷道圍巖集中應(yīng)力相互疊加與影響。如果以絞車房為圓心，半徑80 m范圍內(nèi)布置有各類巷道共計(jì)17條，縱橫交錯(cuò)，個(gè)別巷道相互重疊。由于巷道布置密集，相鄰巷道間巖柱較窄，每條巷道掘出后所產(chǎn)生的圍巖集中應(yīng)力與相鄰巷道的圍巖集中應(yīng)力相互作用，相互疊加。

(3) 巷道反復(fù)維修造成圍巖破壞范圍逐漸擴(kuò)大。巷道掘進(jìn)距今已有8年左右，期間進(jìn)行了多次簡(jiǎn)單維修，并沒能阻止巷道圍巖的變形和破壞的繼續(xù)發(fā)展，只是使圍巖的高應(yīng)力向圍巖深部移動(dòng)，使得巷道的圍巖破壞范圍不斷擴(kuò)大。

(4) 峒室斷面大，圍巖的破壞范圍大。巷道開挖后，由于應(yīng)力重新分布，在巷道周圍形成松動(dòng)圈，巷道斷面越大，松動(dòng)圈的范圍也就越大，造成的節(jié)理裂隙面就越多，擴(kuò)展越深。同時(shí)，如果存在頂板砂巖水，則易導(dǎo)致水沿裂隙面下滲，使圍巖強(qiáng)度降低，影響巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2 鉆孔窺視

為了解圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育規(guī)律，利用TYGD10型巖層鉆孔探測(cè)儀在絞車房?jī)?nèi)分別對(duì)巷道圍巖內(nèi)部破壞情況進(jìn)行了探測(cè)分析，以為分析目前巷道穩(wěn)定狀況提供依據(jù)。在硐室左幫、右?guī)透魇┕ひ粋€(gè)探測(cè)鉆孔，孔深均為8 m,窺視結(jié)果見圖1。

圖1 巷幫圍巖狀況窺視

圖2 8 m深度鉆孔裂隙分布

絞車房巷幫探測(cè)結(jié)果表明：巷幫0.2～0.4、0.7～0.8、1.2～1.5、3.4～4.6、5.2～5.8 m深度范圍內(nèi)裂隙極為發(fā)育，巖體碎裂成小塊狀，部分形成較大空洞。6.3～8 m巖體較完整，未見明顯裂隙。為保證錨索錨固效果，錨索長(zhǎng)度應(yīng)不小于6 m，錨固長(zhǎng)度不小于2 m，同時(shí)為了提高巷幫巖體的強(qiáng)度，提高其自穩(wěn)能力，應(yīng)優(yōu)化注漿錨桿及注漿錨索參數(shù)[3，5]。

3 巷道支護(hù)方案

硐室頂板及兩幫采用錨梁索支護(hù)，方案見圖3。

(1) 首先清除圍巖表面化碎矸。采用分塊清除的方法，按照維修方案中的最小支護(hù)單元分塊進(jìn)行清除。

(2) 金屬網(wǎng)背護(hù)。采用Φ6 mm鋼筋焊接的雙層鋼筋背板背護(hù)圍巖表面。

(3) 澆注巷幫直墻段混凝土墻。巷幫破壞嚴(yán)重、巖體破碎地段，徹底清除硐室巷幫已經(jīng)破壞、破碎的混凝土、巖石，并軋制鋼筋龍骨，鋼筋龍骨主筋用Φ18 mm、箍筋用Φ14 mm鋼筋扎制(見圖4)?，F(xiàn)場(chǎng)澆注混凝土(在縱筋與橫筋交叉點(diǎn)預(yù)留錨索孔)，厚度不小于400 mm，混凝土應(yīng)包裹鋼筋龍骨最少50 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C30，并按規(guī)定養(yǎng)護(hù)。待混凝土墻達(dá)到初期強(qiáng)度后，在巷幫注水泥漿，注漿壓力：1～2 MPa，注漿液為單液水泥漿，水灰比為0.7∶1。

圖3 絞車房錨粱索修護(hù)技術(shù)方案

圖4 絞車房巷幫鋼筋籠軋制圖

(4) 混凝土墻及注漿體固化后，在巷幫安裝錨索，錨索參數(shù)為Φ18 mm×6500 mm，孔徑28 mm。采用樹脂錨固劑錨固，每孔放入4支Z2355樹脂錨固劑。

(5) 錨桿支護(hù)。采用M型鋼帶配合錨桿支護(hù)。錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2400 mm，錨桿間排距為1000 mm×1000 mm，采用樹脂錨固，錨固長(zhǎng)度不短于1200 mm。M型鋼帶規(guī)格為4400 mm×280 mm×5 mm。鋼帶沿頂板周向鋪設(shè)，并壓緊金屬網(wǎng)或鋼筋背板。

(6) 組合式拉力分散型全長(zhǎng)錨固錨索。組合式拉力分散型全長(zhǎng)錨固錨索由錨索與焊接鋼梁及讓壓錨索墊板組成。組合錨索沿峒室縱向布置，錨索間排距為1000mm×1400mm。焊接鋼梁沿峒室縱向布置，與M鋼帶十字搭接。峒室頂板和兩幫共布置12根錨索。焊接鋼梁采用7號(hào)π型鋼梁與扁鋼組合焊接而成，鋼梁長(zhǎng)2400mm。鋼絞線規(guī)格為Φ18mm×8500mm，錨索采用樹脂和水泥漿混合全長(zhǎng)錨固。靠近孔底部分采用樹脂錨固劑錨固，錨固長(zhǎng)度為2000mm；靠近孔口的其余部分采用水泥砂漿錨固。

(7) 圍巖表面噴漿。錨梁網(wǎng)索支護(hù)施工完成后，噴射混凝土封閉圍巖，混凝土強(qiáng)度不低于C25，噴層厚度為80 mm。

4 巷道圍巖控制效果

位移觀測(cè)結(jié)果：硐室內(nèi)共布置位移測(cè)站3組，各測(cè)站共監(jiān)測(cè)80余天，各測(cè)站兩幫變形量均約為2 mm，圍巖位移控制效果良好。經(jīng)水準(zhǔn)儀測(cè)量，底板產(chǎn)生了最大10 mm的變形，底鼓不明顯，但對(duì)絞車運(yùn)行產(chǎn)生了一定影響，經(jīng)校正后消除。后期需加強(qiáng)底板監(jiān)測(cè)，如變形仍繼續(xù)發(fā)展，則需施工底板錨索及深孔注漿，控制底鼓的發(fā)生。

錨索載荷觀測(cè)結(jié)果：硐室內(nèi)共安裝6塊錨索壓力表。巷幫錨索載荷在觀測(cè)的80余天內(nèi)維持在35～68 kN，隨時(shí)間延后載荷增加不明顯，基本在初始預(yù)緊力下工作。結(jié)合圍巖位移觀測(cè)結(jié)果，表明巷幫壓力顯現(xiàn)不明顯，巷幫完成鋼筋混凝土置換、錨索補(bǔ)強(qiáng)、同步注漿后，巷幫支護(hù)強(qiáng)度從根本上得到增強(qiáng)，抗變形能力顯著增加，錨索載荷增長(zhǎng)不明顯。

5 結(jié) 論

(1) 鉆孔窺視是確定巷道(硐室)錨梁網(wǎng)支護(hù)方案及參數(shù)的有效手段，尤其對(duì)合理確定錨索長(zhǎng)度、錨固長(zhǎng)度具有重要意義。

(2) 礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，采用頂板組合式拉力分散型樹脂與注漿全長(zhǎng)錨固錨索支護(hù)+直墻巖體破碎段鋼筋混凝土墻置換+錨索支護(hù)，能夠有效控制高應(yīng)力區(qū)大斷面修復(fù)硐室的圍巖變形。

(3) 項(xiàng)目組提出的“新型組合式拉力分散型樹脂與注漿全長(zhǎng)錨固錨索”支護(hù)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)普通錨索支護(hù)的高強(qiáng)度與注漿加固的聯(lián)合支護(hù)，能夠有效解決長(zhǎng)期服務(wù)巷道錨索的防腐問(wèn)題，對(duì)提高巷道或硐室長(zhǎng)期支護(hù)安全具有重要意義。

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