深部构造应力作用下大断面硐室底鼓控制技术

颜立新，王 涛

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

深部构造应力作用下大断面硐室底鼓控制技术

颜立新，王 涛

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

为解决深部构造应力作用下大断面水泵房底鼓问题，结合胡底矿地质条件分析了水泵房底板围岩的变形破坏机理，认为底板岩层性质、围岩应力、无支护及大断面是造成泵房底鼓的主要原因。对此，提出锚固前先注浆充填底部围岩裂隙和施工高预紧力全长锚固底板锚索的联合支护方案，利用浆液对裂隙围岩进行结构性补偿，提高破碎围岩的残余强度；高预应力强力锚索支护能改善锚固范围内围岩应力状态，从而提高底板围岩的自承载能力。现场应用表明：盘区水泵房采用超前预注浆和高强预应力全长锚固联合支护技术后，有效控制了盘区水泵房底板变形，保证泵房设备基础安全使用。

深部构造应力；大断面硐室底鼓；注浆加固；高预应力锚索

近年来，沁水煤田3号煤开采埋藏深度已达600m以上，深部地质条件更加复杂，导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加、生产成本急剧加大，对深部资源开采过程中的巷道支护提出了严峻的挑战。深部与浅部的明显区别在于深部岩体所处的特殊地质环境，使深部岩体的结构和力学特性复杂多变。在浅部开采中围岩体所受应力较小，结构和构造相对简单，往往表现为硬岩特性；进入深部开采后围岩的流变性加大、开挖后长期处于不稳定状态，表现为非线性软岩力学特性。尤其是深部巷道底鼓的控制问题一直是困扰深部煤矿正常开采的一个难题，常规的支护已经不能解决深部巷道的底鼓问题[1-5]，一些关键性大断面硐室(如泵房、变电所等)内底鼓严重地影响人员和设备安全，给矿井的正常生产带来了隐患。

1 工程概况

胡底煤业一盘区水泵房布置在距3号煤约20m的顶板岩层中，巷道围岩岩性以泥岩和粉砂质泥岩为主，层位结构复杂，层理特别发育，胶结性差，易风化。水泵房埋深约750m，通过一盘区地应力测试得知，最大水平主应力σH=18.34MPa，最小水平主应力σh=9.41MPa，垂直应力σV=16.47MPa，应力场为构造应力占优势的中等偏高应力值区域。一盘区水泵房为大断面硐室(宽×高为5748mm×6124mm)，与相邻同一层位辅助进风巷之间净煤柱为15m，帮、顶采用锚网索进行支护，底板未采用任何控底措施。在构造应力作用下，水泵房围岩长期达不到二次稳定，处于流变状态，巷道两帮最大水平移近量超过1520mm，顶底板收敛变形超过2516mm，破坏特征主要表现为混凝土喷层大范围开裂，局部变形严重处浆皮脱落，裸露出支护构件和松散围岩，局部区域锚杆、锚索破断(如图1所示)。矿方已对破坏严重地段进行了处理：采用锚索、挂网喷进行补强支护，并对底鼓严重段进行了起底，强烈变形得到一定控制。但通过现场矿压监测，底板变形仍未稳定，底鼓问题反复出现。

图1 胡底矿盘区水泵房底鼓情况

一盘区水泵房为永久性大断面关键硐室，底板上布置有水泵设备基础，底板稍有变形便会导致基础变形、开裂，影响设备安全使用。因此，必须对胡底矿深部构造应力作用下大断面硐室底鼓问题进行研究，从而提出科学合理的底鼓治理方案，一次性解决此类巷道的底鼓难题，保证泵房设备的正常运转。

2 注浆加固和高预紧力全长锚固联合支护技术

2.1 深部构造应力作用下水泵房底鼓原因分析

研究表明，影响底鼓因素很多，胡底矿水泵房地质条件影响最大的有底板岩层性质、围岩应力、大断面和支护强度等[2，6-7]。

(1)底板岩层弱 胡底煤矿盘区水泵房布置在3号煤层上部20m的顶板泥岩中，实测强度为29MPa，泥岩自身强度较低；而且通过现场掘进过程中揭露的岩层情况发现，水泵房底板泥岩层理裂隙极其发育，胶结性差，较低水平的应力作用极易导致泥岩内部裂隙张开、扩展及贯通，从而形成底板围岩的碎胀变形。

(2)围岩应力作用 通过地应力测量结果可知水泵房受到很高的水平应力和垂直应力作用，而且水泵房断面较大，相邻两侧布置有辅助进风巷(煤柱宽度15m)、水仓和吸水小井等。这些巷道掘进过程中，均会对泵房产生影响，导致泵房围岩的应力集中，造成严重底鼓。泵房所处的高应力环境是引起泵房产生较大底鼓的必备外部条件。

(3)大断面影响 围岩强度和受力一定的情况下，巷道断面尺寸越大，底板围岩的结构稳定性越差，大断面巷道更容易诱发底板围岩承载结构的结构性失稳，更容易产生失稳、破坏。

(4)底板无支护 泵房底板处于敞开不支护状态是巷道底鼓量大于顶板下沉量的主要因素。泵房是由顶板、底板、两帮组成的复合结构体，由于顶板和两帮进行了锚网索喷支护，而巷道底板未采取有效支护措施而成为一个薄弱环节，受高应力作用未采取任何支护措施的底板则是一个非常好释放应力的自由面，从而导致巷道底鼓与破坏。

2.2 泵房底鼓控制技术

深部构造应力作用下底鼓实质是底板围岩内部裂隙宽度、长度以及新裂隙数量的不断增长，这些裂隙的产生和发育会显著减小锚杆(锚索)预应力场压应力区的范围，严重影响锚杆、锚索的支护效果，而且浅部的离层或裂隙，对锚杆(锚索)支护效果影响最大，中部次之，深部最小。对泵房底板进行支护时，底板围岩已经发生破碎或离层，锚索的预紧力被离层隔断，无法向深部围岩传递，也不能实现有效扩散，支护效果会明显降低。因此针对已经产生底鼓的泵房底板采用单一的补强措施：如补打锚杆、锚索或采用反底拱支护等方法，已无法有效控制底板的加速变形；只有采用锚固前先注浆充填底部围岩裂隙和施工高预紧力全长锚固底板锚索的联合支护方案，利用浆液对裂隙岩体进行结构补偿，提高盘区水泵房底板破碎围岩的残余强度，增强其自承载能力，才是解决此类底鼓的有效途径。

针对胡底矿深部构造应力作用下大断面硐室底鼓后底板围岩裂隙发育的特点，提出对底板采用主动注浆后施加高预紧力全长锚固锚索的综合加固支护技术。

(1)主动注浆充分恢复底板围岩完整性加固技术 选择具有强度高、结石性能好的浆液，在高注浆压力作用下，浆液渗透到裂隙，恢复底板围岩结构完整性，阻止底板围岩内部裂隙继续扩张，显著提高底鼓后破碎围岩的可锚性，为高预应力锚杆锚索支护提供充足的锚固力。同时有利于预应力的传递和扩散，使支护体和围岩共同承载；最大限度减少钻孔施工过程中塌孔现象，提高支护质量和效果。因此，注浆是整个支护的基础，也是保证支护质量的基本条件[1，8-9，15-17]。

(2)高强高预紧力全长锚固锚索支护技术 主动注浆后，泵房底板围岩基本恢复连续状态，但底板若不支护仍是泵房整个全断面内的薄弱环节，承载能力仍很弱，而且泵房底板布置有设备基础，要求允许产生的变形量较小，因此注浆后必须进一步加强对底板围岩的支护。强力全长锚固锚索能对底板施加强力的边界条件，改善锚固范围内围岩应力状态，使注浆后底板围岩具有较强的承载能力，且能很好控制围岩体裂隙重新产生扩容变形，最大限度地发挥支护材料和围岩体的相互作用，阻止底板围岩再次破坏[10-16]。

3 工程应用

3.1 盘区水泵房底板支护设计

通过对泵房底鼓原因分析，结合目前泵房底鼓控制技术，泵房底板支护应采用超前预注浆加固和高强、高预紧力全长锚固联合控制技术，注浆加固可以大大提高围岩的完整性，增强底板破碎围岩可锚性和自承载能力。

3.1.1 底板预注浆

盘区水泵房底板预注浆钻孔间距为2000mm，排距1800mm；钻孔深度为6000mm，垂直于泵房底板布置(如图2)所示。先预埋800mm长孔口注浆管，孔内下5000mm长射浆管，孔口管与射浆管相连，棉纱和水泥固定孔口管并封孔。注浆使用42.5级普通硅酸盐水泥配合具有减水、提高浆液流动性的XPM纳米灌注剂(添加量为水泥质量10%)制备素水泥浆。水泥浆水灰比0.6∶1～1∶1。注浆终止压力2～3MPa，根据现场情况进行调整。

图2 底板预注浆钻孔布置

3.1.2 底板预应力注浆锚索

锚索布置如图3所示。锚索为SKP22/1-1860-7300型，在端头安装锚索专业搅拌头；由于垂直向下钻孔孔底有水，只能先用水泥浆锚固，等固化后能提供一定预紧力时再张拉，橡胶塞封孔后张拉力≥140kN；采用300mm×300mm×16mm带φ18mm注浆孔的拱形托板；锚索张拉前加装φ20mm圆钢焊接长度为1500～2300mm托梁；锚索间距如图3(b)所示，间隔1800mm布置1排。根据底板泵基础位置分两种情况考虑，非基础位置每排布置3根锚索，基础位置每排布置4根锚索；注浆压力为2.0～3.0MPa。

图3 底板注浆锚索布置

3.1.3 注浆锚索

如图4所示为专用锚索注浆系统。跟一般锚索区别是增设注浆管、止浆塞、止退管。注浆管穿过止浆塞导入浆液，止浆塞目的是进行锚索孔注浆时封孔保压，止退管防止高压注浆时止浆塞滑出。

图4 注浆锚索

3.1.4 注浆锚索施工工艺

如图5所示为底板注浆锚索系统。底板预注浆完成区域→架设钻机打设孔深7000mm钻孔→插入底板锚索→插入DN20mmPVC灌浆管、填入石粉并灌浆→插入铝塑管，安装止浆塞、止退钢管对钻孔孔口进行封孔，等待7d锚固段水泥达到一定强度后安装锚索托盘、球垫、索具张拉预紧锚索。

张拉锚索→将孔口外露铝塑管逐个连接注浆系统→锚索孔压注水泥浆至终压→关泵、折弯铝塑管→劈开锚索外露端，弯回全部钢筋并砸平→回填矸石喷射混凝土或硬化底板。

图5 底板锚索注浆示意

3.2 支护效果分析

为了评价底板支护的效果，对一盘区水泵房底板支护区域围岩变形进行观测，在45m长泵房内布置了两组测站，1号、2号测站分别距水泵房通道口15，30m处，底鼓量监测结果见图6所示。从图6可知，底板支护初期底鼓速率较快，但随着时间的增长，底鼓速率明显降低，30d后底板变形渐渐趋于稳定，底板稳定后底鼓量最大仅为18mm左右，同并未采用这种底板治理方案相比，底鼓量显著减小。由此说明采用超前底板注浆加固和高强、高预应力全长锚固注浆锚索支护后，有效限制泵房底板围岩的变形，保证了泵房内设备的长期安全运行。

图6 泵房底板变形监测曲线

4 结 论

(1)针对胡底煤业大断面硐室的深部构造应力条件，对深部硐室底板在构造应力作用下围岩变形、破坏机理进行研究，认清深部硐室底板围岩变形、破坏的实质是泥岩内部裂隙宽度、长度以及新裂隙数量的不断增长。影响底鼓的主要因素是底板岩层自身弱、围岩应力作用、底板跨度大和未采取合理的控底措施。

(2)根据泵房底鼓机理，提出采用超前预注浆和高强预应力全长锚固锚索联合支护技术。在高注浆压力作用下，浆液渗透到裂隙，恢复底板围岩结构完整性，阻止底板围岩内部裂隙继续扩张，显著提高了底鼓后破碎围岩的可锚性，为高预应力锚杆锚索支护提供充足的锚固力；同时有利于锚杆锚索支护时预紧力的传递和扩散，最大限度减少钻孔施工过程中塌孔现象，提高支护质量和效果。强力锚索支护，充分调动围岩的自承能力，最大限度地发挥支护材料和围岩体的相互作用，阻止底板围岩再次向深部破坏。

(3)底板支护工程实践表明：盘区水泵房底板采用超前底板注浆加固和高强、高预应力全长锚固注浆锚索支护，有效限制泵房底板围岩的变形，保证了泵房内设备的长期安全运行，对类似条件下控制底鼓的支护设计具有很好的指导意义。

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FloorHeaveControllingTechnologyofLargeSectionalChamberunderTectonicStressinDeep

YAN Li-xin，WANG Tao

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to solve the problem that floor heave of large sectional water pump house under tectonic stress in deep，the deformation and broken mechanism of floor surrounding rock of water pump house was analyzed under the geological situation of Hudi coal mine，the main reasons that induced floor heave were floor stratum characters，surrounding rock stress，nonsupporting and large section.So the synthesis supporting method was put forward，which is about surround rock fractures in floor was filled with grouting before anchoring，and then high prestress and fully anchored cable was applied，the fracture surrounding rock was compensated by grouting，so the residual strength of broken surrounding was improved，the stress state of surrounding rock in anchoring scope was improved by high prestress strengthen cable supporting，so the floor surrounding rock bearing capacity was improved.The field test showed that，the synthesis method was applied in water pump house，floor deformation was controlled effectively，the safety using of water pump house equipment foundation was ensured.

tectonic stress in deep；floor heave of chamber with large section；grouting reinforcement；high prestress cable

2017-07-11

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.012

国家科技支撑计划课题(2012BAB13B02)；国家自然科学基金项目(U1261211)；科技创新基金面上项目(2014MS037)

颜立新(1966-)，男，湖南宁乡人，博士，研究员，现任天地科技股份有限公司开采设计事业部巷道所主任工程师，主要从事煤矿巷道支护技术研究工作。

颜立新，王 涛.深部构造应力作用下大断面硐室底鼓控制技术[J].煤矿开采，2017，22(6)：50-53，81.

TD353

A

1006-6225(2017)06-0050-04

姜鹏飞]