大埋深硐室支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

文/張繼濤尹凱民

一、工程地質(zhì)概況

山東能源淄礦集團(tuán)唐口煤業(yè)公司是一座年產(chǎn)500萬(wàn)噸的大型現(xiàn)代化礦井，地面標(biāo)高+39m，北部采區(qū)絞車(chē)房位于-950m水平，埋深達(dá)989m，地壓顯現(xiàn)明顯。周?chē)锏老嗬^發(fā)生變形破壞，其破壞特征主要表現(xiàn)為拱部剪切破壞、兩幫收斂變形及底臌破壞三個(gè)方面，頂部下沉錯(cuò)動(dòng)量達(dá)1m，兩幫收斂多達(dá)1.3m，巷道底臌更為嚴(yán)重，個(gè)別地段超過(guò)1.5m。

北部采區(qū)絞車(chē)房設(shè)計(jì)全長(zhǎng)19m，斷面形狀為直墻半圓拱形，拱寬9m，拱高7.7m，掘進(jìn)斷面為51.3m2。所處圍巖為3上煤底板的粉砂巖、泥巖及細(xì)砂巖內(nèi)。其主要特征為：巖石強(qiáng)度低，抗干擾能力差，流變時(shí)間長(zhǎng)，塑性變形大，變形速度快。

二、支護(hù)機(jī)理

根據(jù)地質(zhì)條件，唐口煤業(yè)公司采用應(yīng)力解除法進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，根據(jù)結(jié)果分析該地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，屬于自重應(yīng)力場(chǎng)型。

1.硐室變形破壞機(jī)理

（1）巖體自承能力差，自身強(qiáng)度低。經(jīng)取樣試驗(yàn)其數(shù)據(jù)為普氏系數(shù)f=2.2，抗壓強(qiáng)度為17Mpa，抗拉強(qiáng)度1.05～4.33Mpa。

（2）深部垂直應(yīng)力作用。硐室處于-950m水平，而所處的圍巖自承能力低，超出了硐室穩(wěn)定的要求，導(dǎo)致巖層發(fā)生流變。

（3）地質(zhì)構(gòu)造的水平殘余應(yīng)力。北部絞車(chē)房位于向斜構(gòu)造應(yīng)力的中心區(qū)域，巖層起伏偏轉(zhuǎn)斷裂明顯，應(yīng)力集中，巖石抗拉強(qiáng)度小，導(dǎo)致圍巖破碎，支護(hù)困難。

（4）硐室斷面大，掘出后，產(chǎn)生應(yīng)力重新分布，支護(hù)難度大。

（5）施工用水及風(fēng)化影響。

2.支護(hù)機(jī)理

復(fù)合型軟巖的治理必須從降低圍巖應(yīng)力、增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度和提高支護(hù)阻力三個(gè)方面入手。通過(guò)對(duì)深部軟巖地質(zhì)資料及軟巖支護(hù)理論進(jìn)行深入研究后，按“剛?cè)嵯酀?jì)、及時(shí)封閉、緩沖讓壓、強(qiáng)化圍巖”的基本原則，采用三次支護(hù)方案：一次支護(hù)為錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù)，二次支護(hù)為雙層鋼筋混凝土作為永久支護(hù)，三次支護(hù)為錨注支護(hù)體系。

（1）按照松動(dòng)圈理論，巷道圍巖失穩(wěn)的根本原因在于圍巖中的集中應(yīng)力超過(guò)了圍巖強(qiáng)度，導(dǎo)致圍巖破裂，從而形成圍巖松動(dòng)圈。對(duì)于高應(yīng)力引起的大松動(dòng)圈，一次支護(hù)采用錨網(wǎng)（索）噴支護(hù)。由于錨網(wǎng)（索）噴為柔性支護(hù)，允許圍巖有一定程度的變形，初期圍巖變形速度大，采用錨網(wǎng)（索）噴作為一次支護(hù)，釋放圍巖應(yīng)力，抑制圍巖變形速度，待圍巖位移速度趨于穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行二次支護(hù)或封底，達(dá)到一次支護(hù)卸壓、讓壓，二次支護(hù)現(xiàn)澆混凝土作為剛性支護(hù)，三次支護(hù)進(jìn)行錨注加固的目的

（2）根據(jù)圍巖——支護(hù)共同作用原理及巖石強(qiáng)度理論，采用錨注技術(shù)加固圍巖，利用注漿管兼作錨桿，對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固，充填裂隙，增強(qiáng)顆粒間的粘聚力，改變圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，使松散的巖體重新膠結(jié)形成再生巖體，同時(shí)發(fā)揮錨桿的錨固作用，形成一個(gè)厚層承壓拱，發(fā)揮巖體的自承能力，限制巖體變形與發(fā)展。

（3）防基礎(chǔ)底臌技術(shù)：采用混凝土反底拱配合曲梁加強(qiáng)底部處理。

三、技術(shù)實(shí)施

通過(guò)對(duì)支護(hù)機(jī)理分析，唐口煤業(yè)公司采用三次支護(hù)方案。支護(hù)體系如圖1所示。

圖1 絞車(chē)硐室支護(hù)圖

1.一次支護(hù)：采用錨網(wǎng)（索）噴

錨桿：采用φ18mm×2300mm左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋樹(shù)脂錨桿，間排距800mm×1000mm。

預(yù)應(yīng)力錨索：采用φ17.8mm×6500mm高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線，間排距為1200×1000mm，自頂部向兩幫均勻布置。

鋼筋網(wǎng)：為Φ6mm鋼筋加工，網(wǎng)格為100mm×100mm。

噴射砼：噴射C20砼，厚度為100mm，作為臨時(shí)支護(hù)及時(shí)封閉巖面，隔絕水、濕氣、風(fēng)化對(duì)巖體的不利影響，防止巖體強(qiáng)度降低，同時(shí)又作為永久支護(hù)的一部分，在圍巖釋放原巖應(yīng)力過(guò)程中，與錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)，圍巖共同作用形成承壓拱。

2.二次支護(hù)：現(xiàn)澆鋼筋混凝土

混凝土：混凝土強(qiáng)度為C30，壁厚為500mm。

鋼筋：鋼筋均采用φ18mm螺紋鋼，間排距為250×250mm。

底板：采用高強(qiáng)反地拱碹體的支護(hù)方案，以提高絞車(chē)基礎(chǔ)下的強(qiáng)度，保證絞車(chē)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。基礎(chǔ)下采用錨梁、混凝土反底拱，采用Φ16曲梁，間距800mm，每條曲梁用Φ18×2300mm螺紋鋼錨桿固定，反底拱為厚400mmC30鋼筋砼，鋼筋選用Φ20螺紋鋼。上部全部用C30素混凝土澆筑到地坪。

3.三次支護(hù)：錨注支護(hù)

采用圍巖注漿，拱及墻布置注漿錨桿12根，采用Φ22×3500mm無(wú)縫鋼管，壁厚4mm，間距 1600mm，排距2000mm，與錨索呈梅花型間隔布置。采用單液水泥漿，水灰比0.5∶0.7，為增加其密實(shí)性和可注性，添加1.5%～2.5%左右的UNF復(fù)合早強(qiáng)減水劑。注漿錨桿終壓≤4Mpa，壓力峰值≤8Mpa。

四、效果分析

1.效果

為了及時(shí)了解支護(hù)性能，在硐室內(nèi)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的工程測(cè)試，檢測(cè)支護(hù)效果，測(cè)試內(nèi)容包括兩幫及頂?shù)装逑鄬?duì)位移量及注漿錨桿、錨索受力狀況。相對(duì)位移變形觀測(cè)量測(cè)相對(duì)位移（如表1所示），發(fā)現(xiàn)采取措施后變形速度減少，說(shuō)明支護(hù)效果比較明顯。

表1 絞車(chē)硐室相對(duì)位移觀測(cè)表

2.結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于高應(yīng)力軟巖，采用三次支護(hù)方案，一次支護(hù)為柔性支護(hù)，適當(dāng)釋放圍巖應(yīng)力，二次支護(hù)為剛性支護(hù)，以達(dá)到“讓抗結(jié)合、剛?cè)峤Y(jié)合”，實(shí)現(xiàn)共同承壓的目的。

（2）要認(rèn)真分析軟巖巖性，對(duì)于低強(qiáng)度、大變形的軟巖井巷工程采用錨注法注漿技術(shù)進(jìn)行圍巖注漿加固，同時(shí)充填裂隙，注漿后變?yōu)橹ёo(hù)材料全長(zhǎng)錨固型，在限制圍巖變形方面效果明顯。

（3）處于軟巖中的工程應(yīng)采用全封閉支護(hù)，在治理頂幫的同時(shí)，也要治理底板，否則應(yīng)力傳遞到支護(hù)的薄弱點(diǎn)必將導(dǎo)致破壞。

（4）實(shí)施二次支護(hù)時(shí)，必須根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)合理確定二次支護(hù)的時(shí)間，根據(jù)圍巖變形速度進(jìn)行認(rèn)真分析，以防破壞支護(hù)效果。