矿建工程中特殊硐室的软岩支护技术

曹学林

（西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

引言

在矿建工程项目施工中，大型特殊硐室处于软岩环境下，该设施具有较为特殊的使用功能，一旦建设结束通常无法做出反复性返修。所以在设计与施工期间应对软岩结构可塑性、流变性以及膨胀性等特点予以充分考虑，合理选择支护技术方案，有效转换高应力软岩地压，确保支护效果，将软岩结构维持在稳固、合理的状态，为特殊硐室使用的可靠性以及安全性提供有效保障［1］。

1 初始设计问题

1.1 未深入分析特殊硐室软岩性能指标

软岩存在多种变形力学机制，应充分考虑到软岩地压大、大变形以及难支护的特点，所以应采取综合治理方案，单纯依赖某种支护方案并不可取，也很难实现预期效果。以往施工支护多以锚喷支护方式为主，长度通常都低于500m且远低于杆体长度，一旦受到外部强力影响则很难抵抗。

1.2 围岩表面缺乏足够的约束能力

在高应力膨胀软岩施工环境中，硐室泵房排水系统巷道往往需要遵循上下交错布置的原则，但容易受到外部爆破震动的影响，部分薄弱区域可出现变形，抵抗能力也随之减弱，甚至持续出现松脱、蠕变，导致破碎区形成，进而导致锚固围岩自承圈受到严重破坏［2］。

1.3 未合理选择断面

大多数矿建工程的泵房和变电所断面形态均采用半圆拱形断面，因此浇筑混凝土支护底板时，混凝土体支护强度通常难以应对膨胀软岩应力释放强度，导致两侧围岩结构有很大几率出现蠕动变形。与此同时，矿建工程项目硐室直墙壁段相对较高，难以有效承受或对抗侧压力，有较大几率出现支护体脱落的现象，若施工方未及时处理则有可能引发失稳破坏［2］。

2 硐室支护方法

2.1 临时支护

特殊硐室建设过程中一般会选择锚网支护方案进行临时支护，首先设置锚杆孔，然后在风钻辅助下将锚杆楔进孔洞，锚杆布置呈矩形，并且与软岩面之间不留缝隙，以提高支撑力。通常情况下井筒部分和管子道部分多以锚杆、不锈钢网作临时支护处理。应注意施工过程中按照实际情况对搭接方式以及网格规格进行调整，确保去布置均匀，实现临时支护的效果。

2.2 永久支护

在井筒部分支护方法中，混凝土支护是应用最为频繁的一种，该方法属于永久性支护，因此施工人员在工程项目建设开始之初就保障工程施工质量，合理配合混凝土材料，同时应尽量避免外部因素影响，确保浇筑质量，以免支护质量难以达到既定标准。在硐室关键部分施工中，巷道部分的支护方案一般以二次支护为主，应注意合理选择变形力学类型，将复合型软岩有效转化为局部结构单一型软岩。此外还应注意做好底板支护工作。

2.3 二次支护

二次支护技术多用于失修巷道或者硐室关键部位，工作步骤为：首先，分析并确定软岩结构复合变形力学机制；其次采取有效措施改变复合变形机制，使之趋向于单一性；最后要合理优化二次支护方案。

根据矿建施工现状分析来看，在调整和优化硐室软岩支护方案时应重视如下内容。

1）从支护操作时机方面分析来看，施工人员应充分认识硐室特殊性应确保充分释放围岩变形应力，此种情况下初次支护方案的作用与价值可得到有效发挥。而软弱岩体结构放压曲线和初次支护压力释放曲线彼此保持相交时，可视为初次支护方案主体让压基本已处于最理想状态。所以施工时应从现场实际情况出发，合理确定二次支护的时机，即锚喷支护巷道出现鳞状剥落并逐渐出现片状剥落时［3］。但是应注意如下问题：二次支护方案通常应以强力组合支护方案为首选，这也是二次支护的基本原则，应基于合理控制应力释放趋势和软岩持续膨胀这一前提，通过二次强力支护来强化围岩结构与支护体，使之更趋于稳定。

2）当后壁式和圆筒式支护方案确立后，应根据硐室特殊要求来分析并深入了解如下几点工作内容：第一，以强度较高的半程锚固锚杆以及全程锚固锚杆作为首选锚固方案，以增加自承圈厚度。第二，硐室锚索加固处理时应适当延长锚固长度，一般深入稳定岩层内部即可。锚索锚固方案能够充分发挥预应力，从而显著提升自承圈厚度，以改善围岩结构力学状态，进而满足后壁支护可靠性要求。第三，浇筑钢筋混凝土加固结构时尤其应做好两侧墙面收帮控制处理，防止围岩结构发生内部形变的问题，以强化圆筒式支护方案的支护效果。第四，通过加设锚索的方式处理硐室工作面底板，形成框架桥式结构，以有效解决工作面底部薄弱问题，并满足强支护方案的各项具体要求。

3 工程实例分析

某矿建工程二水平泵房中一共安装3型水泵装置9台，建成投入运行3年后需要重新翻修以作加固处理。其中变电所硐室长、宽、高各项基本尺寸分别为3 500mm、6 000mm、3 900mm；泵房硐室长、宽、高各项基本尺寸分别41 000mm、7 000mm、5 500mm。初期硐室采用锚杆、锚网以及锚喷联合支护方案，采用C20强度等级的喷射混凝土［4］。硐室底鼓问题较为严重，且伴有高应力膨胀软岩底板来压，其中变电所与泵房二者硐室断面选择分别为马蹄形断面以及半圆拱直墙地板桥式框架断面。

考虑到初期工程支护方案的确立，加固处理要求在选择二次支护方案时应遵循软岩支护基本理论，采取强力组合方案对硐室薄弱区域作支护处理，全断面均楔入高强度加长锚索锚杆（底板除外），并将双层钢筋敷设在硐室轮廓帮部位，以强化支护围岩体系的软弱部分，应注意二次支护施工过程中混凝土浇筑标准厚度应保持在500mm。与此同时，通过桥式框架钢筋混凝土梁对工作面底板实施综合支护作业。以泵房硐室支护方案为例，采用桥式框架关键区域强化组合支护方案见下图1。

图1 桥式框架关键区域强化组合支护方案示意（mm）

经过二次支护处理后，该矿建工程应用至今已有4年，在采取针对性软岩支护技术方案处理后，硐室支护体系中薄弱环节得到很好的弥补和强化，整体支护效果较为满意。通过现场勘查数据可知，硐室围岩变形速率在初期支护后保持在1.8～6.5mm／d，而硐室底板变形速率最大值则高达21.5mm／d；二次强化支护处理后硐室底板变形速率最大值和围岩变形速率基本保持为0，这充分说明了二次支护方案得到了满意效果，可靠性较高。

4 结语

在高应力软岩环境下矿建工程硐室各部分中，底板是最为薄弱的一个环节，特别是特殊机电硐室，应对高应力膨胀软岩的性质、力学数据等相关知识有熟练掌握，在初次支护基础上做好二次强化组合支护，既要重视自支能力基本丧失的松散掩体，同时又要兼顾底板桥式框架支护方案，提高支护强度，以确保施工过程中各项操作能够顺利进行［5］。

［1］种波凯，张新建，宋成义，等.陈四楼矿深井软岩巷道复合支护技术［J］.中州煤炭，2015，（5）：65－67.

［2］郭志飚，李乾，王炯，等.深部软岩巷道锚网索－桁架耦合支护技术及其工程应用［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（z2）：3 914－3 919.

［3］姜耀东，王宏伟，赵毅鑫，等.极软岩回采巷道互补控制支护技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（12）：2 383－2 390.

［4］李学彬，杨仁树，高延法，等.大断面软岩斜井高强度钢管混凝土支架支护技术［J］.煤炭学报，2013，38（10）：1 742－1 748.

［5］潘贵豪，明世祥，刘新强，等.高应力软岩巷道支护新理论及应用研究［J］.湖南科技大学学报（自然科学版），2009，24（3）：11－15.