井底变电所底板加固方案优化

姜 明

（陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿， 陕西 黄陵 727307）

1 概况

陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿位于陕西省黄陵县城西北约25km处，距店头镇1.5km。井田走向长12～24km，倾斜宽11～16km，面积约197km2，矿井四号风井位于工业场地东北方向约11.5km处。矿井井田地层由老至新依次有上三迭统延长组、下侏罗统富县组、下侏罗统延安组、中侏罗统直罗组、上侏罗统安定组、下白垩统六盘山群，第三系及第四系。2#煤层及3#煤层均位于延安组中下部，其中2#煤层平均厚度2.02m，全井田分布，为主要可采煤层，3#煤层部分分部，无开采价值。2#煤层底板为泥岩及泥质粉砂岩，局部遇水膨胀，易底鼓[1]。

四号风井井底变电所设计服务年限为25年，采用炮掘施工。主体巷道采用钢筋网+锚杆+锚索+喷砼+钢筋混凝土联合支护，全断面挂Φ6mm钢筋网，网孔50×50mm，锚杆规格为Φ20×2500mm，间排距均为800×800mm，菱形布置，每孔3节MSK2335型树脂；锚索钢绞线规格为Φ17.8×8300mm，间排距1200×1200mm，一排五索，每孔3节MSK2370型树脂；底板加固采用混凝土支护方式，砼强度C25。原变电所原底板加固断面图如图1。

图1 原变电所原底板加固方案断面图

2 变电所底板加固方案优化

2.1 底板加固方案

考虑到底板加固采用砼支护的方式为被动支护，为保证井底变电所使用安全及服务年限，优化井底变电所底板加固方案，确定采用锚杆+锚索+混凝土联合加固方式的方案。锚杆规格为Φ20×2500mm，间排距为800×800mm，菱形布置，巷道两底角锚杆角度为75°，锚固采用水泥砂浆全锚，水泥砂浆配合比为水∶水泥=2：1（体积比）；锚索梁长度3.6m，采用16#槽钢加工，排距1.6m，一梁三索，锚索钢绞线规格为Φ17.8×8300mm，锚固采用水泥砂浆全锚,水泥砂浆配合比为水∶水泥=2：1（体积比）；加固完成后巷道中部浇筑C25砼地坪，厚度300mm，主体巷道支护参数不变。变电所底板加固优化方案断面图如图2。

图2 变电所底板加固优化方案断面图

2.2 锚索梁加工

锚索梁采用16#槽钢加工，排距1.6m，一梁三索，锚索梁在长宽面中部钻矩形孔，钻孔规格为100mm×20mm，钻孔处用10mm×150mm×130mm钢托板在槽钢内焊接加固，锚索梁加工图如图3所示。锚索采用Φ17.8×8300mm，锚固采用水泥砂浆全锚,水泥砂浆配合比为水：水泥=2：1（体积比）。

图3 锚索梁加工图

2.3 锚索长度及锚固长度校核

悬吊作用理论认为锚索是将下部不稳定岩层悬挂在上部稳定岩层之下，限制不稳定岩层的位移。同时，因为锚索能施加较大的预紧力，可挤压和密实岩层中层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面支架的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。底板加固采用锚索支护虽然与上述理论方向相反，但是原理相同，以下将据此校核。

锚索长度：L=La+Lb+Lc+Ld

式中：

L-锚索总长度，m；

La-锚固深入到稳定岩层的锚固长度，m；

式中：

K-安全系数，一般取2；

d1-锚索钢绞线直径，mm，取17.8mm；

fa-锚索抗拉强度，取1860N/mm2（根据17.8mm钢绞线检测报告取值）；

fc-锚索与锚固剂的粘合强度，一般取10N/mm2；

La≥1.7m

Lb-需被悬吊的不稳定岩层厚度，m，取2.2m（根据四号风井近井钻孔图所示）；

Lc-锚索钢托板及锚具厚度，取0.05m；

Ld-锚索外露张拉长度，取0.25m；

L≥4.2m

通过上述计算得出锚索钢绞线锚固长度取8000m可行，即锚索钢绞线总长度取8300m可行。

2.4 锚索间排距校核

锚索间排距：

式中：

N-锚索间排距，m；

n-锚索排数，取1；

B-巷道最大底鼓宽度，取巷道净宽度6.0m；

H-巷道最大底鼓高度，取2.2m（按不稳定岩层厚度考虑）；

γ-岩体容重，取24kN/m³（根据四号风井近井钻孔图所示）；

L1-锚杆间、排距，取0.8m；

F1-锚杆锚固力，取98kN（设计锚固力）；

F2-锚索极限承载力，取360kN（根据17.8mm钢绞线检测报告取值）；

θ-锚杆与巷道顶板夹角，90°。

考虑巷道宽度及计算结果得出锚索间排距为1600mm×1600m可行。

2.5 每排锚索根数校核

每排锚索根数：

式中：

n-每排锚索根数；

T-锚索承载范围内底鼓岩石总重量，t；

T=KSHγ

式中：

K-安全系数，一般取2；

S-锚索梁承载总面积，m2；

式中：

B-巷道净宽度，取6m；

b-锚索梁承载宽度，取4m；

S=12m2

H-巷道最大底鼓高度，取2.2m；

γ-岩体容重，取1.5t/m³（根据四号风井近井钻孔图所示）。

T=2×12×2.2×1.5=79.2t

W—锚索破断载荷，取360kN；

n=T/W=79.2/360=0.22

通过计算结果得出每排锚索根数为3根是合理的。

经过上述校核计算，设计采用锚杆+锚索+混凝土联合加固方式的方案可行。

3 底板加固工艺

根据四号风井井底变电所施工先后顺序，待主体巷道掘进及支护完成后进行底板加固施工。底板加固采用先清理巷道底板，然后进行锚杆+锚索支护，最后进行混凝土浇筑的方式进行加固。

3.1 锚杆支护

（1）施工锚杆眼。施工前，严格按照设计要求采用自喷漆标识锚杆眼位，然后采用地锚机施工锚杆眼。锚杆眼深度及角度必须符合设计要求。锚杆眼施工完成后，必须清理眼内岩渣、积水。

（2）注浆。为锚固锚杆，并封闭锚杆眼位周围岩体节理及裂隙，采用注浆泵向锚杆眼内注射水泥砂浆，水泥砂浆体积配合比为水∶水泥=2：1。

（3）安装锚杆。将锚杆装入锚杆眼内，使锚杆顶住眼底，锚杆外端套上拖盘及螺帽。等待眼内水泥砂浆初凝后，采用加力扳手紧固锚杆，并采用锚杆拉力计检测锚杆锚固力是否达到设计值（锚杆锚固力设计值为15t）。

3.2 锚索支护

（1）施工锚索眼。施工前，严格按照设计要求采用自喷漆标识锚索眼位，然后采用地锚机施工锚索眼。锚索眼深度及角度必须符合设计要求。锚索眼施工完成后，必须清理眼内岩渣、积水。

（2）注浆。为锚固锚索，并封闭锚索眼位周围岩体节理及裂隙，采用注浆泵向锚索眼内注射水泥砂浆。水泥砂浆体积配合比为水∶水泥=2∶1。

（3）安装锚杆。将锚索装入锚杆眼内，使锚索顶住眼底，锚索外端套上锚索梁及锁具。等待眼内水泥砂浆初凝后，采用锚索张拉机具紧固锚杆，并采用锚索拉力计检测锚索锚固力是否达到设计值（锚杆锚固力设计值为23t）。

4 加固效果对比

北二避难硐室与四号风井井底变电所断面基本一致，采用的是原四号风井井底变电所底板加固方案，即采用混凝土加固方式。测量其底板收敛情况，并与四号风井井底变电所的相关情况进行对比，如表1所示。

表1 四号风井井底变电所与北二避难硐室底板收敛情况对比明细表

通过对比得出，工程竣工投入使用后，锚杆+锚索+混凝土联合加固与单一混凝土加固方式相比，减少了巷道变形量及维护次数，使巷道由原被动支护优化为主动支护，巷道底板整体加固效果更加突出，使巷道围岩保持良好的加固状态，满足使用安全及服务年限的要求。

5 结语

黄陵一号煤矿四号风井井底变电所采用锚杆+锚索+混凝土联合加固替代单一混凝土加固的方案，减少了巷道变形量，巷道底板整体加固效果更加突出，改善了巷道长期服务过程中底板因单一混凝土加固而变形的现象，避免和消除了巷道底板失稳的不良影响，取得了良好的应用效果。该方案可以在服务年限较长的巷道、硐室底板加固及遇水膨胀、易底鼓、需及时维护的地质条件下推广应用。