大斷面圍巖變形機(jī)理及其控制范文
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《煤礦開采雜志》2014年第三期
1.1巷道斷面尺寸影響分析圖1所示為不同斷面尺寸巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)后計(jì)算時(shí)步為5000步時(shí)，巷道幫部圍巖不同深度和距底板不同距離的圍巖變形量。隨著斷面尺寸的增大，幫部圍巖表面的變形量最大值急劇增大;當(dāng)幫部距底板的距離越大時(shí)，巷道非線性、非均勻變形的幅度增加;巷道淺部圍巖與深部圍巖變形量的差值增大，說明巷道斷面越大，幫部圍巖的剪脹變形越強(qiáng)烈，巷道圍巖的穩(wěn)定性越差。圖2所示為不同斷面尺寸巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)后計(jì)算時(shí)步為5000步時(shí)，巷道拱部與水平方向夾角不同時(shí)拱部圍巖徑向位移量。隨著斷面尺寸的增加，拱部巷道圍巖表面的徑向變形量最大值逐漸增大;當(dāng)拱部與水平方向夾角增大時(shí)，巷道圍巖非線性、非均勻變形幅度增加;淺部圍巖變形量與深部圍巖變形量的差值增大，說明巷道斷面越大，拱部圍巖的剪脹變形越強(qiáng)烈，巷道圍巖穩(wěn)定性越差。圖3所示為不同斷面尺寸巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)后計(jì)算時(shí)步為5000步時(shí)，巷道圍巖最大主應(yīng)力分布狀況。由圖可見，隨巷道斷面尺寸增大，最大主應(yīng)力環(huán)形低應(yīng)力區(qū)的范圍逐漸增大，低應(yīng)力區(qū)范圍越大，淺部圍巖支護(hù)承載結(jié)構(gòu)內(nèi)巖體的剪脹變形越強(qiáng)烈，支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越弱。
1.2底鼓影響分析如圖4所示，底鼓強(qiáng)烈的巷道幫部圍巖的變形量較大，說明巷道強(qiáng)烈底鼓時(shí)幫部支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差;反之，采取有效的控底措施，提高底板圍巖承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不僅能控制巷道頂?shù)装宓囊平?，同時(shí)還能增強(qiáng)幫部圍巖承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減小幫部圍巖的變形量。大斷面硐室施工過程中經(jīng)常由于施工設(shè)備的限制和底板支護(hù)施工工序復(fù)雜，為了保證掘進(jìn)進(jìn)尺而忽視對(duì)底板的治理，而且成莊礦3號(hào)煤底板主要以軟弱的泥巖為主，大斷面硐室跨度大，底板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，勢(shì)必導(dǎo)致底板出現(xiàn)強(qiáng)烈底鼓，影響大斷面硐室正常使用。綜合上述分析可知，隨著巷道斷面尺寸的增大，錨桿與圍巖形成組合拱的承載能力減小，支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，相同地質(zhì)條件下，采用錨網(wǎng)支護(hù)的大斷面巷道更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)破壞。巷道底板變形、破壞也呈結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，且巷道底鼓對(duì)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有顯著影響。若巷道底鼓強(qiáng)烈，則幫部圍巖承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，更容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，采用有效控制底板圍巖變形的方案不僅能提高底板圍巖抗變形的能力，同時(shí)能增強(qiáng)幫部承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。圖4不同底鼓程度錨網(wǎng)支護(hù)巷道幫部圍巖變形量大斷面硐室圍巖變形破壞機(jī)理是由于大斷面掘進(jìn)后巷道圍巖應(yīng)力重新分布，相對(duì)于小斷面巷道掘進(jìn)后圍巖內(nèi)分布的應(yīng)力水平更高，導(dǎo)致硐室圍巖受更高的應(yīng)力作用，圍巖體內(nèi)節(jié)理面的結(jié)構(gòu)效應(yīng)降低［1－2］。在更高的應(yīng)力環(huán)境中圍巖受到擠壓，產(chǎn)生屈服、剪切滑移，產(chǎn)生塑性剪脹變形和張裂破碎，從而引起硐室全斷面出現(xiàn)大變形。大斷面硐室掘進(jìn)完成，兩幫形成更高應(yīng)力集中的峰值區(qū)，高應(yīng)力傳遞到巷道底板，導(dǎo)致底板承受的應(yīng)力超過圍巖屈服強(qiáng)度，底板開始剪脹變形釋放高應(yīng)力，底板變形導(dǎo)致幫部圍巖承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，從而引起巷道全斷面整體變形破壞［3－7］。
2圍巖控制方案及作用機(jī)理
根據(jù)成莊礦五盤區(qū)換裝硐室目前采用的支護(hù)方式和變形破壞情況，結(jié)合段河井底換裝硐室圍巖地質(zhì)力學(xué)條件，從提高支護(hù)強(qiáng)度和增強(qiáng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性出發(fā)，井底換裝硐室加固原則為:在已有支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用注漿原位加固的方法提高錨桿及其支護(hù)構(gòu)件與圍巖形成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，然后采用注漿錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償增強(qiáng)其穩(wěn)定性。大斷面高強(qiáng)穩(wěn)定性加固支護(hù)的思路為:(1)采用水泥漿液與聚氨酯化學(xué)漿復(fù)合注漿，注入已變形破碎圍巖裂隙，凝固后形成與圍巖緊密粘接的結(jié)石體，充填、嵌入破碎圍巖內(nèi)部裂隙，依靠水泥漿固化提高圍巖的強(qiáng)度，以及化學(xué)漿高度的粘結(jié)性能，與破碎圍巖形成一個(gè)近似完整性的高強(qiáng)度、高黏聚力的原巖結(jié)構(gòu)條件，防止圍巖裂隙擴(kuò)展破壞向深部發(fā)展。而且，高強(qiáng)度固結(jié)體充填嵌入破碎圍巖內(nèi)部裂隙，保證錨桿、錨索施加圍巖表面的預(yù)應(yīng)力能夠完整傳遞到錨固范圍的圍巖內(nèi)，顯著提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。(2)采用水泥漿液、化學(xué)材料提高錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，對(duì)采用預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固的錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，提高支護(hù)－圍巖承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和圍巖抗剪脹變形的能力［9］。(3)換裝硐室為關(guān)鍵性的永久硐室，內(nèi)部桁吊的立柱較多，控制底鼓很關(guān)鍵，而且控制底板穩(wěn)定有利于對(duì)幫拱圍巖變形的控制。底板支護(hù)根據(jù)立柱的基礎(chǔ)布置進(jìn)行，采用預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固強(qiáng)力錨索配合鋼筋梯子梁支護(hù)，保證硐室底板長(zhǎng)期穩(wěn)定［10］。
3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
整體方案為先進(jìn)行水泥漿液和化學(xué)材料復(fù)合注漿，再采用預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固注漿錨索支護(hù)。整個(gè)工程的施工順序?yàn)橄冗M(jìn)行巷道底板的注漿施工，再進(jìn)行巷道幫頂?shù)淖{施工。巷道幫頂?shù)氖┕ろ樞驗(yàn)?高壓水泥注漿→化學(xué)注漿→注漿錨索支護(hù)→終噴。
3.1換裝硐室加固支護(hù)方案
3.1.1加固材料水泥漿使用42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比0.6∶1～1∶1，與添加劑XPM配制漿液，添加劑用量為水泥重量的8%～10%。大范圍漏漿時(shí)間歇壓注水泥－水玻璃雙液漿堵漏，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶0.4～1∶1。高分子加固材料“天地加固101”(GRT－101)，具有黏度低、滲透力強(qiáng)、固結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)。化學(xué)注漿:中空鉆桿注漿，自行封孔。錨索為1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑22mm，極限強(qiáng)度1860MPa，極限破斷力550kN，延伸率大于7%。采用承載能力不低于500kN，規(guī)格300mm×300mm×16mm的高強(qiáng)度拱形錨索托板，托板拱部氧焊開20mm的注漿管孔。注漿錨索附件:注漿管(鋁塑管A1216)。鋼筋網(wǎng):采用6.5mm鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm，網(wǎng)片規(guī)格為1700mm×2500mm。鋼筋梯梁:采用4根20mm的A3鋼筋焊接而成，規(guī)格為20－2－1900－250。
3.1.1底板加固注漿鉆孔布置底板采用注漿錨索鉆孔進(jìn)行注漿，矩形布置，間排距1600mm×1600mm，孔深8000mm，如圖5(c)所示。注漿方式先灌素水泥漿7.28l，錨固注漿錨索，錨固長(zhǎng)度3500mm，插入(A1216)鋁塑注漿管預(yù)埋孔口，7d后，采用棉紗沾水泥漿封孔、鋪設(shè)鋼筋梯梁、托盤、索具，張拉錨索后注漿。錨索預(yù)緊力≥180kN，注漿壓力4～6MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。錨索角度靠近巷幫的兩根錨索向巷幫外扎15°，其他錨索全部垂直巷道底板布置。
3.1.2幫拱加固水泥注漿加固圍巖水泥注漿鉆孔孔深5000mm，鉆孔排距1600mm，如圖5(a)所示。先埋設(shè)長(zhǎng)度800mm孔口管，孔內(nèi)下長(zhǎng)度4000mm射漿管，全長(zhǎng)一次注漿。注漿壓力為4～6Mpa?；瘜W(xué)注漿加固化學(xué)注漿正常在硐室拱肩部位進(jìn)行，底部鉆孔距底板高度為2500mm，呈矩形布置，排距3000mm，間距2200mm，孔深全部4000mm，如圖5(b)所示。終止壓力為6～8MPa。預(yù)計(jì)單孔注漿量200～300kg，最大單孔注漿量500kg。幫頂圍巖支護(hù)錨索呈矩形布置，排距1600mm，間距1600mm，如圖5(c)所示。采用1支K2335和2支Z2360的低黏度錨固劑端部錨固，錨固長(zhǎng)度1970mm，剩余部分采用水泥漿錨固;幫底角錨索參照底板錨索的錨固方式施工。幫底角錨索預(yù)緊力≥180kN，其余錨索預(yù)緊力≥250kN，錨索孔終止壓力2～3MPa。
3.2支護(hù)效果為對(duì)硐室采用加固支護(hù)的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，現(xiàn)場(chǎng)硐室加固施工完成后，在換裝硐室內(nèi)安裝兩組表面位移測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道表面位移的變化情況見圖6。由硐室圍巖表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，換裝硐室全斷面進(jìn)行圍巖綜合加固后，圍巖表面兩幫移近量最大值均為8mm，底板變形最大值13mm。巷道圍巖加固后無明顯變形，區(qū)域圍巖穩(wěn)定，圍巖變形得到有效控制，加固效果顯著。
4結(jié)論
(1)巷道斷面尺寸越大，巷道開挖后圍巖應(yīng)力水平越高，采用錨網(wǎng)支護(hù)所形成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越差。大斷面硐室相對(duì)于小斷面巷道掘進(jìn)后圍巖內(nèi)分布的應(yīng)力水平更高，導(dǎo)致硐室圍巖受更高的應(yīng)力作用，圍巖體內(nèi)節(jié)理面的結(jié)構(gòu)效應(yīng)降低。在更高的應(yīng)力環(huán)境中圍巖受到擠壓，產(chǎn)生屈服、剪切滑移，產(chǎn)生塑性剪脹變形和張裂破碎，從而引起硐室全斷面出現(xiàn)大變形;大斷面硐室掘進(jìn)完成，兩幫形成更高應(yīng)力集中的峰值區(qū)，高應(yīng)力傳遞到巷道底板，導(dǎo)致底板承受的應(yīng)力超過圍巖屈服強(qiáng)度，底板開始剪脹變形釋放高應(yīng)力，底板變形導(dǎo)致幫部圍巖承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，從而引起巷道全斷面整體變形破壞。(2)在總結(jié)圍巖變形失穩(wěn)破壞的基礎(chǔ)上，從兩方面對(duì)硐室進(jìn)行加固:一方面提高原有錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的完整性和強(qiáng)度。通過復(fù)合注漿原位加固充填、膠結(jié)與破碎圍巖形成一個(gè)近似完整性的高強(qiáng)度、高黏聚力的原巖結(jié)構(gòu)條件，增強(qiáng)錨桿錨索等支護(hù)體施加于圍巖表面的預(yù)應(yīng)力傳遞能力。另一方面采用預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固的強(qiáng)力錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，提高支護(hù)－圍巖承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和圍巖抗剪脹變形的能力。(3)對(duì)于關(guān)鍵性的大斷面永久硐室，圍巖變形控制要求高，底板布置有大量的設(shè)備和基礎(chǔ)，必須采用預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固的強(qiáng)力錨索加固底板，有效控制底板穩(wěn)定變形，保證硐室設(shè)備和基礎(chǔ)安全，而且試驗(yàn)表明底板的穩(wěn)固能提高幫拱支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。(4)這種高強(qiáng)穩(wěn)定型綜合加固支護(hù)技術(shù)，有效控制了大斷面關(guān)鍵性硐室圍巖大變形，取得了良好的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益。
作者：薛軍正都海龍單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)晉城煤業(yè)集團(tuán)