深井高应力软岩中央泵房稳定性控制技术研究＊

乔卫国 吕言新 林登阁 李 睿 张彦奇

(1.山东科技大学,山东省青岛市,266510;2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室,山东省青岛市,266510;3.煤炭工业济南设计研究院有限公司,山东省济南市,250031)

深井高应力软岩中央泵房稳定性控制技术研究＊

乔卫国1,2吕言新1,2林登阁1,2李 睿1,2张彦奇3

(1.山东科技大学,山东省青岛市,266510;2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室,山东省青岛市,266510;3.煤炭工业济南设计研究院有限公司,山东省济南市,250031)

龙固煤矿中央泵房埋深855 m,所处地质构造极其复杂,围岩松动范围较大,支护结构极易失稳破坏。为保障中央泵房支护结构的稳定性,龙固煤矿通过优化高强让压锚杆、注浆锚索、锚注等综合支护措施加固中央泵房,实现了对中央泵房的稳定性控制。

中央泵房 峒室支护 稳定性 深井 松软岩层

深井高应力软岩巷道应力条件复杂,围岩松散破碎,松动范围较大,支护结构极易失稳破坏,巷道稳定性差,支护难度大,因此,保障围岩和支护结构的稳定性是深井支护的重点。深井高应力软岩巷道治理必须结合深部矿井巷道支护经验,以科学分析为基础,对重点工程采用锚网索喷注综合治理方案,以满足高应力条件下巷道围岩大变形稳定控制的要求。高强让压锚杆、注浆锚索、锚注等综合支护技术,有效地改善了围岩的受力状态,提高了支护结构的承载能力,控制了围岩的变形。

1 龙固煤矿概况

龙固煤矿隶属于新矿集团新巨龙能源有限责任公司,位于山东省巨野县境内,地面标高为+45 m,开采水平-810 m,主要巷道、硐室埋深在855 m以下,表土厚度达570 m,地应力高达46 MPa,属于典型的深井厚表土高应力矿井。

矿井地质构造复杂,中央泵房岩层为泥岩、泥页岩、粉砂岩、细砂岩交互层,普氏系数不超过3～4,而且层理、节理、裂隙发育,围岩属于不稳定或极不稳定的类型。

2 原岩应力测试分析

为了了解龙固煤矿井下原岩应力的实际状态,结合井下施工条件,龙固煤矿布置了4个原岩应力测点,其中-709 m水平和-810 m水平各布置两个测点。测量结果表明,最大主应力为水平应力,最大水平应力的方向为123～137°,水平应力大于垂直应力,最大水平应力(σhmax)、最小水平应力(σhmin)、垂直应力(σv)以及三者之间的关系见表1。

表1 原岩应力测试结果

从表1可以看出:龙固煤矿原岩应力高,应力状态复杂,巷道不但受高垂直应力作用,还要受到水平应力的作用;水平应力大于垂直应力;这种以水平应力为主导的特点,对井下岩层的变形破坏方式及矿压显现规律有很大的影响。

3 中央泵房支护方案设计

3.1 支护方案

根据临近深部矿井唐口、济西、望峰岗等矿井的变形破坏的原因和规律,以及支护设计依据,结合深井支护先柔后刚,适度的让、有力的抗的原则,对中央泵房采用了锚网索喷一次支护,锚网注喷二次支护方案。锚网索喷一次支护结构图见图1,锚注网喷二次支护结构见图2,泵房基础底板锚杆及注浆锚杆平面布置见图3。

图1 锚网索喷一次支护结构图

3.2 支护参数设计

(1)锚杆:采用Q500NMG高强预应力让压锚杆,规格ø22 mm×2500 mm,间排距800 mm×800 mm,Z2350树脂锚固剂锚固,每根锚杆2卷,设计锚杆预紧力大于50 kN。

(2)金属网:采用ø6 mm的钢筋焊接制作,网格100 mm×100 mm,网片1100 mm×2100 mm,用10#铁丝连接。

(3)喷射混凝土:混凝土强度等级C20,喷厚150 mm,混凝土体积比为水泥∶砂∶石子=1∶2∶2,水灰比0.48,水泥标号为32.5R普通硅酸盐水泥,沙子为纯净的中粗砂,石子粒径3～5 mm。

(4)拱顶锚索:采用高强注浆鸟巢锚索,规格ø17.8 mm×6300 mm,排距2400 mm,拱顶每排4根,每两根间用16#槽钢连成组合锚索结构,使用Z2350型树脂锚固剂锚固,用量3卷,设计预紧力180 kN,锚索张拉后灌浆处理。

(5)锚索组合件:采用16#槽钢做锚索组合件,槽钢弧长2700 m,曲率半径3100 m。

(6)平面锚索桁架:规格ø17.8 mm,墙内倾斜锚索长度6300 mm,拉杆长度2500 mm,锚索桁架排距2400 mm。

(7)注浆锚杆:无缝钢管制作,规格ø25 mm×2500 mm,间排距1600 mm×1600 mm。

(8)注浆参数:采用P042.5普通硅酸盐水泥,水灰比0.6,注浆压力1.5～2 MPa。

(9)泵房底板采用抗让结合支护体系,即要求泵基础底的强度高于泵与泵之间底板强度,并能有效控制底板变形。泵基础下采用锚梁、锚注、混凝土底板梁,基础下底板厚200 mm,C30混凝土。两泵之间底板打2根ø25 mm、长1400 mm注浆锚杆,上铺厚200 mm钢筋混凝土,钢筋选用ø20 mm螺纹钢,钢筋间排距200 mm×200 mm。

3.3 施工工艺

掘进头放炮初喷1层50 mm厚混凝土封闭围岩→打锚杆孔、安装锚杆、挂金属网→打锚索孔、安装组合锚索及平面锚索桁架→喷射50 mm厚混凝土→矿压观测收敛变形→打注浆锚杆孔、安装注浆锚杆→注浆→挂网、喷射混凝土→进行底板加固处理。

4 注浆技术和参数

4.1 注浆材料及设备

注浆施工中所需材料主要有注浆锚杆、水泥、减水剂、快硬水泥药卷等,注浆锚杆按规定尺寸加工,水泥采用425#普通硅酸盐水泥,减水剂采用UNF型复合早强减水剂。

注浆泵采用SLDB-63/4、QZT-50/6型注浆泵,注浆管路采用ø25 mm高压胶管,其它配件按设计加工,应保证管路连接安全、快速、可靠。

4.2 注浆参数

(1)锚索注浆。采用单液水泥浆,水泥选用525#普通硅酸盐水泥,水灰比0.4～0.45。为增加其密实性和可注性,可添加1.5%～2.5%左右的高效减水剂。

(2)围岩注浆。采用单液水泥浆,水泥选用525#普通硅酸盐水泥,水灰比0.5～0.6,添加水泥重量1.5%～2%的UNF复合早强减水剂,其减水率可达20%～30%,3 d可达设计强度的70%,28 d强度可提高15%～40%。

4.3 注浆工艺

(1)注浆压力:锚索灌浆终压大于1 MPa;围岩注浆终孔压力不小于4 MPa。

(2)注浆量:注浆达到终压即可停止注浆,若注3袋水泥浆液压力仍不上升时,应改用浓浆再注3袋,压力仍不上升时,关闭球阀暂停注浆,另在相邻钻孔注浆,但需对该孔进行复注,也可在其附近补孔再注。

(3)注浆流程:注浆准备→清理注浆位置→标注注浆孔位→打注浆孔→清孔→安装注浆锚杆(或注浆管)→速接止浆管路→清水试注→按照控压或常量注浆标准注浆→停止注浆关闭注浆球阀→注浆下一孔→4 h后拆除球阀清洗→一个循环注浆结束。

5 泵房监测方案

5.1 监测指标

与泵房稳定有关的监控指标主要有泵房两帮收敛、泵房底板收敛、锚杆受力和锚索受力。

(1)泵房位移收敛:反映泵房的表面位移的大小及泵房缩小程度,可以判断围岩运动是否超过其安全最大允许值,是否影响泵房的正常使用。

(2)锚杆(索)受力:其大小可以判断锚杆(索)的工作状态及参数是否合理,如锚杆(索)选择、锚杆(索)布置是否合适等。

5.2 泵房监测分析

泵房监测数据见表2和表3。泵房两帮收敛位移见图4,泵房底板收敛位移见图5,测力锚杆受力见图6。

表2 泵房收敛监测数据mm

表3 中央泵房测力锚杆监测统计表kN

泵房收敛观测:观测时间6个月,两帮收敛平均速率2.33 mm/月,累计位移14 mm,底板平均位移速率0.83 mm/月,累计位移5 mm,从曲线走势上看,其斜率很小并逐渐趋近于零,以后泵房基本处于稳定状态。

测力锚杆:观测时间6个月,锚杆受力逐步增加并趋于稳定,从曲线走势上看,其斜率很小并逐渐趋近于零,以后泵房围岩将基本处于稳定状态。

图6 泵房测力锚杆受力图

6 结论

(1)中央泵房施工后,进行收敛位移和锚杆受力测试,围岩变形量较小,锚杆受力稳定,监测表明泵房围岩稳定,满足高应力条件下巷道围岩大变形稳定控制要求。

(2)通过优化高强让压锚杆、注浆锚杆、注浆锚索、锚注等技术措施,有效地解决了中央泵房的稳定性控制,该技术具有广阔的推广应用前景。

[1] 何满潮,京海河,孙晓明.软岩工程力学[J].煤炭科学技术,2003(11)

[2] 李国峰,蔡健,郭志滩.深部软岩巷道锚注支护技术研究与应用[J].煤炭科学技术,2007(4)

[3] 夏才初.工程节理岩体力学[M].上海:同济大学出版社,2002

[4] 林登阁,韩立军.巷道底鼓机理及防治研究[J].建井技术,1997(6)

Research on central pump room stability control technique of the high-stress soft rock in deep shaft

Qiao Weiguo1,2,Lv Yanxin1,2,Lin Dengge1,2,Li Rui1,2,Zhang Yanqi3

(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266510,China;.2.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao,Shandong 266510,China;3.Coal Industry Jinan Design&Research Co.,Ltd,Jinan,Shandong 250031,China)

The Longgu mine central pump room has a buried depth of 855m.The geological conditions are rather complex and the loose range of the surrounding rock is very large,therefore the supporting structure is likely to break and damage.In order to guarantee the structure stability of the central pump room,the Longgu mine adopts the comprehensive reinforcement technique of optimizing high-strength yielding anchor,grouting anchor and anchor-grouting to reinforce the central pump room,effectively solving the stability control of the central pump room.

central pump room,chamber support,stability,deep shaft,soft rock

TD354

A

教育部新世纪优秀人才支持计划资助,编号:NCET-07-0519;教育部长江学者和创新团队发展计划资助,编号:IRT0843;山东科技大学研究生科技创新基金项目,编号:YCA100322

乔卫国(1963-),山东荣成人,教授,博导,主要从事岩体加固理论与应用技术的教学、科研工作。

(责任编辑 张毅玲)