大埋深硐室支护技术研究与应用

文/张继涛尹凯民

一、工程地质概况

山东能源淄矿集团唐口煤业公司是一座年产500万吨的大型现代化矿井，地面标高+39m，北部采区绞车房位于-950m水平，埋深达989m，地压显现明显。周围巷道相继发生变形破坏，其破坏特征主要表现为拱部剪切破坏、两帮收敛变形及底臌破坏三个方面，顶部下沉错动量达1m，两帮收敛多达1.3m，巷道底臌更为严重，个别地段超过1.5m。

北部采区绞车房设计全长19m，断面形状为直墙半圆拱形，拱宽9m，拱高7.7m，掘进断面为51.3m2。所处围岩为3上煤底板的粉砂岩、泥岩及细砂岩内。其主要特征为：岩石强度低，抗干扰能力差，流变时间长，塑性变形大，变形速度快。

二、支护机理

根据地质条件，唐口煤业公司采用应力解除法进行了地应力测试，根据结果分析该地应力以垂直应力为主，属于自重应力场型。

1.硐室变形破坏机理

（1）岩体自承能力差，自身强度低。经取样试验其数据为普氏系数f=2.2，抗压强度为17Mpa，抗拉强度1.05～4.33Mpa。

（2）深部垂直应力作用。硐室处于-950m水平，而所处的围岩自承能力低，超出了硐室稳定的要求，导致岩层发生流变。

（3）地质构造的水平残余应力。北部绞车房位于向斜构造应力的中心区域，岩层起伏偏转断裂明显，应力集中，岩石抗拉强度小，导致围岩破碎，支护困难。

（4）硐室断面大，掘出后，产生应力重新分布，支护难度大。

（5）施工用水及风化影响。

2.支护机理

复合型软岩的治理必须从降低围岩应力、增强围岩强度和提高支护阻力三个方面入手。通过对深部软岩地质资料及软岩支护理论进行深入研究后，按“刚柔相济、及时封闭、缓冲让压、强化围岩”的基本原则，采用三次支护方案：一次支护为锚网喷索联合支护，二次支护为双层钢筋混凝土作为永久支护，三次支护为锚注支护体系。

（1）按照松动圈理论，巷道围岩失稳的根本原因在于围岩中的集中应力超过了围岩强度，导致围岩破裂，从而形成围岩松动圈。对于高应力引起的大松动圈，一次支护采用锚网（索）喷支护。由于锚网（索）喷为柔性支护，允许围岩有一定程度的变形，初期围岩变形速度大，采用锚网（索）喷作为一次支护，释放围岩应力，抑制围岩变形速度，待围岩位移速度趋于稳定时，进行二次支护或封底，达到一次支护卸压、让压，二次支护现浇混凝土作为刚性支护，三次支护进行锚注加固的目的

（2）根据围岩——支护共同作用原理及岩石强度理论，采用锚注技术加固围岩，利用注浆管兼作锚杆，对围岩进行注浆加固，充填裂隙，增强颗粒间的粘聚力，改变围岩物理力学性质，使松散的岩体重新胶结形成再生岩体，同时发挥锚杆的锚固作用，形成一个厚层承压拱，发挥岩体的自承能力，限制岩体变形与发展。

（3）防基础底臌技术：采用混凝土反底拱配合曲梁加强底部处理。

三、技术实施

通过对支护机理分析，唐口煤业公司采用三次支护方案。支护体系如图1所示。

图1 绞车硐室支护图

1.一次支护：采用锚网（索）喷

锚杆：采用φ18mm×2300mm左旋无纵筋高强螺纹树脂锚杆，间排距800mm×1000mm。

预应力锚索：采用φ17.8mm×6500mm高强度、低松弛钢绞线，间排距为1200×1000mm，自顶部向两帮均匀布置。

钢筋网：为Φ6mm钢筋加工，网格为100mm×100mm。

喷射砼：喷射C20砼，厚度为100mm，作为临时支护及时封闭岩面，隔绝水、湿气、风化对岩体的不利影响，防止岩体强度降低，同时又作为永久支护的一部分，在围岩释放原岩应力过程中，与锚杆、锚索、钢筋网，围岩共同作用形成承压拱。

2.二次支护：现浇钢筋混凝土

混凝土：混凝土强度为C30，壁厚为500mm。

钢筋：钢筋均采用φ18mm螺纹钢，间排距为250×250mm。

底板：采用高强反地拱碹体的支护方案，以提高绞车基础下的强度，保证绞车基础的稳定性。基础下采用锚梁、混凝土反底拱，采用Φ16曲梁，间距800mm，每条曲梁用Φ18×2300mm螺纹钢锚杆固定，反底拱为厚400mmC30钢筋砼，钢筋选用Φ20螺纹钢。上部全部用C30素混凝土浇筑到地坪。

3.三次支护：锚注支护

采用围岩注浆，拱及墙布置注浆锚杆12根，采用Φ22×3500mm无缝钢管，壁厚4mm，间距 1600mm，排距2000mm，与锚索呈梅花型间隔布置。采用单液水泥浆，水灰比0.5∶0.7，为增加其密实性和可注性，添加1.5%～2.5%左右的UNF复合早强减水剂。注浆锚杆终压≤4Mpa，压力峰值≤8Mpa。

四、效果分析

1.效果

为了及时了解支护性能，在硐室内设置观测点，进行相应的工程测试，检测支护效果，测试内容包括两帮及顶底板相对位移量及注浆锚杆、锚索受力状况。相对位移变形观测量测相对位移（如表1所示），发现采取措施后变形速度减少，说明支护效果比较明显。

表1 绞车硐室相对位移观测表

2.结语

（1）对于高应力软岩，采用三次支护方案，一次支护为柔性支护，适当释放围岩应力，二次支护为刚性支护，以达到“让抗结合、刚柔结合”，实现共同承压的目的。

（2）要认真分析软岩岩性，对于低强度、大变形的软岩井巷工程采用锚注法注浆技术进行围岩注浆加固，同时充填裂隙，注浆后变为支护材料全长锚固型，在限制围岩变形方面效果明显。

（3）处于软岩中的工程应采用全封闭支护，在治理顶帮的同时，也要治理底板，否则应力传递到支护的薄弱点必将导致破坏。

（4）实施二次支护时，必须根据观测数据合理确定二次支护的时间，根据围岩变形速度进行认真分析，以防破坏支护效果。