朱集矿千米深井巷道支护与加固技术

晁俊奇,乔长灿,戚彦贵

(淮南矿业集团朱集矿井建设项目部,安徽淮南 232087)

朱集矿千米深井巷道支护与加固技术

晁俊奇,乔长灿,戚彦贵

(淮南矿业集团朱集矿井建设项目部,安徽淮南 232087)

对朱集矿千米深井软岩巷道的支护形式进行了研究,通过对锚网喷索注联合支护的机理、锚网喷索联合支护下巷道的破坏原因的分析,以及通过对巷道注浆、架棚加固效果的分析,并结合巷道收敛位移监测结果、巷道破坏形态观测,得出千米深井软岩巷道仅仅采用锚网喷索联合支护方式不能适应高应力软岩巷道压力和变形的需要,必须再进行注浆加固。

千米深井;软岩巷道;锚网喷索注 (架)支护;破坏机理

Supporting and Reinforcing Technology of Roadway in over 1000m DeepM ine of ZhujiColliery

淮南矿业集团朱集煤矿在构造单元上位于淮河构造变形带上,变形带的南北两侧分别是华北断块南缘安徽境内次一级的皖中块体和淮北块体,构造分析表明,该构造变形带主要承受东西向的水平构造挤压作用。

朱集煤矿 -906m水平岩巷的顶板以泥质砂岩为主,底板则主要是泥岩,或者巷道赋存与泥、泥砂岩互层中。在大埋深高地应力、大构造应力的作用下,许多巷道段的围岩呈现出软岩特性:强度低、孔隙率大、胶结程度差、受结构面切割及风化影响显著或含易膨胀黏土矿物的松、散、软、弱岩层 (体),如:泥岩、页岩。高应力软体特性:处于低地应力环境时,岩块显示出较坚硬岩特征;而在高地应力环境中,则表现出软岩特性,如泥质砂岩、泥质粉砂岩。

在高地应力及构造应力场作用下,朱集矿的巷道围岩表现出很大的蠕变特性,很难稳定支护,根据软岩巷道的变形特征,朱集矿采取了先锚网喷索,再套棚、注浆的支护方式,取得了显著效果。

1 支护机理

1.1 锚网喷索支护

锚网喷索施工工艺流程:初喷—锚杆施工、挂网—复喷—锚索施工。

初喷的作用在于及时封闭围岩,防止风、水的影响加快围岩的风化,特别是泥岩及含泥质较多的岩类,同时具有造型作用,填补超挖部分,使巷道面密实,减少表皮内的应力集中,使挂网平整,充分发挥钢筋网的力学性能,防止钢筋网受拉时由于钢筋网面弯曲在混凝土皮内产生弯矩作用,而提前破坏。

钢筋网的作用在于增强混凝土的强度,同时增加支护结构的柔性、整体性。

锚杆的作用是使松动圈内岩层断裂形成的岩块相互搭接、啮合形成三铰拱,对锚杆施加预张拉力,预紧锚固力的作用下,每根锚杆都有一定的应力作用范围,在采取合理的锚杆间距,其应力作用范围会相互叠加,从而形成一连续的挤压加固带——厚度较大的抗压带,不但能自承挤压带的重力,还能承受抗压带周围岩石的压力。

锚索的作用是在高预应力的作用下,把承载圈定在深部稳定岩层中,使卸压松动圈内的岩石重新回归三向受压状态,加大其承载能力,同时,预应力锚索的悬吊作用对于松动危岩冒顶有很好的抑制效果。

1.2 套棚 +注浆补强加固

注浆固结作用参与巷道围岩的稳定过程,利用注浆材料充填和固结原有的或新产生的裂隙面,为巷道围岩的进一步稳定提供更好的条件:改善弱面的力学性能,提高岩体强度;浆液充填围岩松动圈岩块的空隙,可以使破碎岩块重新胶结成整体,重塑承载结构;浆液固结体封闭裂隙,阻止水气浸入内部岩体,防止围岩内部风化。

单独的U形棚支护不利于控制巷道变形。首先从 U形棚的支护原理及结构来看,U形棚支护属于被动支护,巷道围岩来压以后,U形棚才起作用,U形棚以卡缆相连,来压较大时,棚梁沿 U形槽下滑,具有一定的缓冲作用,待棚梁滑至限位块时,棚子停止滑动;其次从施工工艺来看,U形棚后由钢筋笆片连接成网,和围岩之间以矸石充填,很难保证充填密实,来压后必然有压实过程。

套棚后注浆更有利于控制巷道变形。套棚后对棚子和笆片喷浆,形成一层止浆层,对套棚后的巷道实施深浅孔间隔注浆,既能满足深部围岩充填要求,又能满足浅部围岩充填需要,还能把棚子后充填的矸石和棚子、围岩、笆片胶结在一起,形成一个大范围承载圈层的“钢筋混凝土”结构。

2 支护效果及分析

朱集矿锚网喷支护中,锚杆长度为 2200mm,间排距为 800mm×800mm,锚杆为全长锚固,锚固剂为树脂药卷,据超声测试的结果,巷道的围岩松动圈为 1800～2500mm。

2.1 锚网喷索支护效果及分析

朱集矿中央回风井西马头门在 08年 9月底施工结束,风井西马头门至风井区一号交岔点间,巷道赋存岩层为泥、砂互层,以泥岩居多。在此段工程至 09年 1月这段时间内,风井西马头门顶板多处出现掉皮现象,但顶板并未出现大面积垮塌现象,帮部多处出现浆皮劈裂,仍处于稳定变形状态,并且伴有严重底鼓现象,最大可达 500mm。

软岩巷道来压强度大,持续时间长,巷道围岩塑性变形大,具有明显的蠕变性质很容易产生松散地压,巷道变形具有明显的时间效应,这些特性造就了软岩巷道的变形大,变形难以控制,锚网喷索在短期时间内可以适应这样的变形,但很难保持长期的稳定,联合支护中的混凝土喷层易遭到破坏。在锚网喷支护中,钢筋网的存在增强了混凝土的强度,同时增加支护结构的柔性,在局部来压、应力集中严重的部位,巷道会首先变形破坏,围岩向巷道内鼓起,钢筋网外部的混凝土在达到变形极限后会裂开、脱落,钢筋网起到兜拉的作用,在释放压力的同时,继续维持承载拱的存在,抑制裂纹的纵深发展,阻碍松动圈的扩大。

2.2 注浆加固效果及分析

风井西马头门段在初始施工时采用锚网喷索联合支护,08年底锚网喷支护结构已发生一定的变形破坏,帮顶有局部掉渣、裂缝现象。在 09年 1月中旬至 2月中旬对此段工程实施注浆加固,因马头门靠近井筒 5～9m内属高应力集中区,对西马头门实施套棚注浆。实施注浆时,巷道已经经过了较长时间的卸压,巷道联合支护表面喷层已出现部分开裂,强烈的掘进影响较小。图 1为测线布置方式,图 2为测点布置平面图,图3为A截面收敛位移曲线,图 4为 B截面收敛位移曲线,图 5为 C截面收敛位移曲线,图 6为D截面收敛位移曲线。

图1 测线布置方式

图2 测点布置平面

图3 A截面收敛位移

图4 B截面收敛位移

图5 C截面收敛位移

图6 D截面收敛位移

由曲线可知,在实施注浆加固以前,各断面大部分测线的收敛速率在加固后降低很大,有的甚至在一段时间内收敛速率降为 0。A,B截面离马头门比较近,采取了架棚、注浆加固,1月初架棚、喷浆,2月上旬注浆,U型棚属可缩性支架在架棚结束后的一段时间里,对危岩变形控制效果不理想,在 2月上旬注浆后,收敛速度降很大,A截面 3-5测线在注浆后的一段时间内变形基本不变,其他测线收敛速度降低也较大,1-5测线降低最小,降低了64%;B截面上 2-4,2-3,3-5测线在注浆后的一段时间内变形基本不变。C截面、D截面在 1月中旬实施了注浆加固,在注浆后,围岩收敛速度明显降低,C截面上 2-3测线收敛速度降低最小,降低了43%,3-4测线降低最多,降低了 89%;D截面上 3-5测线收敛速度降低最小,降低了 72%, 1-3测线收敛速度降低最大,降低了 87%。

由 4个曲线图可知,每个截面在注浆之后收敛位移大部分降低较大,部分测线甚至在短时间内收敛速度降为 0,各测线收敛曲线都出现明显的拐点,注浆对于抑制巷道变形起到了很好的作用;拐点之后多数测线又出现了一定的非平缓的变化,这体现了软岩巷道的特点,高应力软岩巷道有很大的蠕变特性,随着时间的推移,浅部围岩变形进一步引起深部围岩蠕变,这也是局部长期来压的根源,注浆改善了浅部围岩的性质,深部围岩蠕变受到阻止,聚集的变形能使注浆岩体承载层发生一定程度的破断,引起应力的多次重分布,直到地应力、构造应力、蠕变产生的力和巷道围岩承载圈层的支撑力达到平衡才逐渐趋于稳定。

在此注浆加固工程中,注浆的作用体现在:注浆改善了固结区岩体的力学性能,提高了围岩稳定性。浆体充填并胶结了张开破裂面,提高了岩体强度,加大了裂隙两侧岩体的摩擦和啮合力,提高了弱面的抗变形能力;改善岩体内的应力状况,减少岩体内的应力集中。浆体充填围岩内的大部分的裂隙,减小了裂隙尖端的应力集中,加大了弱面两侧岩体的约束,增强了连续性,化两向约束为三向约束,增强了岩体的抗压强度;浆体充填加固了围岩,同时也充填了套棚段壁后充填区,注浆量大,浆体充填均匀,重新形成一层具有一定厚度刚性被动支护结构,和原来的主动柔性支护结构相结合,大大降低了围岩的收敛速度,支护效果良好。

3 结论

(1)锚网喷索联合支护在千米深井软岩巷道中,可以在短期内适应巷道的变形和压力变化,但很难在长期的使用中保持稳定。

(2)锚网喷索联合支护和注浆加固可以相辅相成、共同作用,可以充分改变承压围岩圈层的力学性能,联合使用效果良好。

(3)架棚支护对于控制高应力软岩巷道的变形方面,效果不佳。

(4)在软岩巷道、硐室的特殊工程段使用锚网喷索注 (架)联合支护,主动支护和被动支护相结合,注浆加固把二者胶结成一个整体,形成共同的刚柔兼济的承载圈层,能大大改善联合支护的效果。

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[责任编辑:王兴库]

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2009-07-13

晁俊奇 (1982-),男,河南濮阳人,硕士,助理工程师,朱集矿井建设部工作。