車集煤礦軟巖硐室破壞機理及加固技術研究

程東全

0　引　言
　　永城煤電(集團)公司車集煤礦是設計生產能力為180萬t/a的現代化大型礦井．該礦井采用一對立井開拓，井筒深度超過600 m，其-550 m水平井底車場位于三煤組頂板巖層中，揭露的主要巖層為泥巖、沙質泥巖、細砂巖，尤其是12 m厚的泥巖波及車場很大范圍，此巖層強度低，層、節(jié)理發(fā)育，滑面較多，易風化片落．車場巷道硐室范圍內的落差在2 m左右的次生小斷層較多，給巷道掘進支護增加了難度．該車場巷道均為半圓拱形斷面，設計以錨噴支護為主，局部及大硐室為混凝土或鋼筋混凝土砌碹．施工過程中，因地質構造等多種因素造成馬頭門、泵房、變電所等多處破壞，有的雖經多次翻修，仍不能保持穩(wěn)定，須采取有效的措施進行修復加固．經方案比較和試驗，最終采用了錨注法支護技術修復了井下硐室工程，取得了良好的效果．
1　井下硐室工程破壞現狀
　　車集煤礦井底車場巷道自1995年11月施工至今，已有1 500 m左右的巷道發(fā)生變形破壞，占設計工程量的56%，其中嚴重破壞段達1 000 m之多(包括井下咽喉工程的泵房、變電所及副井馬頭門等硐室)．其破壞形式主要為兩幫內擠、頂板下沉、底板上鼓，其造成的錨噴支護巷道大面積開裂片落，使錨桿連同圍巖整體內移，失去錨固作用．而砌碹混凝土開裂離層，兩幫大量擠進，也嚴重影響了礦井的正常生產與施工．
1.1　副井馬頭門的破壞形式
　　副井馬頭門硐室設計為錨噴加混凝土砌碹支護．硐室施工后不久即開始產生變形破壞，混凝土碹體開裂，搖臺基礎上浮底鼓，無法使用，迫使對搖臺基礎及馬頭門兩側5?m范圍內的墻拱進行了破幫返修．但修復后，該工程仍處于變形之中，5 m范圍外的混凝土碹體多處出現縱向裂縫，急需加固．
1.2　中央水泵房的破壞形式
　　中央水泵房設計臨時支護為管縫錨桿錨網噴支護，永久支護為600 mm棚距的礦用工字鋼外澆350 mm厚混凝土支護．支護不到一個月就出現了不同程度的破壞，不但混凝土碹體擠進開裂，而且設備吊梁也扭曲變形，大泵基礎嚴重鼓起，已無法安裝設備．
1.3　變電所的破壞形式
　　變電所與泵房為連體工程，設計支護方式為錨噴、砌碹．該硐室碹體已產生開裂，且兩幫嚴重內擠，最大達300 mm，電纜溝高壓柜基礎及底板鼓起量達200 mm以上，且底鼓中伴有底板開裂現象．
　　車場主要巷道及硐室施工60 d后變形量統(tǒng)計數據見表1．
表1　主要巷道及硐室變形量統(tǒng)計 序號 名稱 巖性 支護形式 最大變形 底鼓 1
2
3
4 主井馬頭門
副井馬頭門
泵房
變電所 泥巖
砂質泥巖
砂質泥巖
砂質泥巖 混凝土碹
鋼筋混凝土
錨噴、混凝土
混凝土碹 280
370
240
240 430
240
300
300 2　破壞機理分析
　　車集礦-550 m水平車場硐室支護結構的失穩(wěn)破壞屬于軟巖中巷道破壞，這類巷道的破壞情況比較復雜，其破壞機理可從以下幾個方面分析．
2.1　巖性軟弱
　　-550 m水平井下泵房等硐室位于泥巖、砂質泥巖中，巖性軟弱破碎、碎脹泥化、強度低、穩(wěn)定性差，有明顯的擠壓碎脹現象．在強大的上覆巖層壓力作用下，巷道圍巖沿軟弱面向巷道內擠壓，發(fā)生碎脹變形，產生碎脹壓力．當巷道支護結構不足以抵抗圍巖壓力時，巷道即發(fā)生變形破壞．
2.2　圍巖裂隙發(fā)育和地下水的作用
　　-550 m水平車場巷道、硐室在掘進過程中遇到了許多小斷層，圍巖裂隙極其發(fā)育，使錨桿錨固力低，難以形成有效的支護結構．另外圍巖裂隙發(fā)育，也加大了作用在支護結構上的松散壓力和變形壓力，加劇了巷道的變形破壞．
　　該車場上距K5砂巖含水層較近，一些巷道硐室長期處于淋水浸水狀態(tài)，嚴重削弱了圍巖及底板巖層的承載能力，引起巷道發(fā)生底鼓及兩幫收斂．圍巖在水的作用下，其力學性能發(fā)生很大變化，如三煤層頂板泥巖在水的作用下，其軟化系數達0.10～0.24，彈性模量由自然狀態(tài)下的8 400 MPa降到2 300 MPa，降低了72.6%，抗拉強度降至天然狀態(tài)的1/8．圍巖強度的降低，必然使得支護結構的承載能力顯著下降，并進一步導致圍巖塑性區(qū)范圍的擴大．
　　據中國礦業(yè)大學1996年4月的測試研究表明：車集礦車場巷道圍巖的松動圈范圍達2 m以上，不穩(wěn)定圍巖．
2.3　設計及施工不當
　　車集礦井底車場巷道布置過于集中，且許多臨時硐室也集中布置在車場內，出現巷道、硐室縱橫交錯、立體貫通的局面．在此情況下，各硐室的先后施工造成硐室圍巖應力多次重新分布，以及后續(xù)工程施工的爆破振動，使先期施工的工程多次受到壓力擾動而破壞．而巷道成形不好、支護不及時、爆破振動控制不利及施工質量方面存在的問題，也是造成圍巖松動失穩(wěn)的原因之一．
2.4　底鼓機理分析
　　巷道的底鼓有兩方面的原因，一是作用在支護結構上的各種荷載較大，通過頂傳遞到墻、再作用在巷道底板巖層上，從而造成底板荷載集中度較大，使其在底板承載能力不足的情況下必然產生塑性變形，導致底板破壞鼓起．底板發(fā)生底鼓，必然影響幫的穩(wěn)定，出現內擠、傾斜、失穩(wěn)，且兩幫內擠失穩(wěn)也擴大了底板巖層梁的跨度，加速了底板巖層的底鼓．其二是由膨脹應力引起的．膨脹應力來自兩個方面：一是長期被高壓壓實的巖石失去這個壓力后，在應力重新分布的過程中，一些巖石會出現彈塑性膨脹；二是一些含有蒙脫石等強膨脹性粘土礦物的巖層，風化吸水后劇烈膨脹，使得巷道的底板不穩(wěn)定，從而出現底鼓現象．
3　井下硐室工程修復加固方案
　　修復加固方案是根據地質資料、圍巖松動圈大小、硐室破壞情況及破壞原因而制定的．通過對車集礦井底車場巷道硐室破壞情況的調查，以及對其破壞原因及機理分析可知，巷道的破壞是由多種因素綜合使用的結果．因此，防止巷道破壞也應采取多方面的措施，使巷道的變形和破壞控制在允許的范圍內．
　　通過分析比較和多次討論，最后確定了-550 m水平井下硐室頂及兩幫采用長、短組合錨桿注漿加固方案，底板臥底后亦采用底板組合錨桿注漿加固方案．
4　錨注法支護機理
　　錨注法加固方案是在錨噴或混凝土砌碹支護基礎上，增加長短注漿錨桿、樹脂錨桿、底板錨桿等，并進行壁后注漿，以增加支護結構的整體性和承載能力．該方案既具有錨桿支護的柔性與讓壓作用，又具有砌碹的剛性支護作用，組成了多種支護體系以共同維持巷道硐室的穩(wěn)定，但其關鍵技術仍在于錨注法支護技術．注漿錨桿集錨固與注漿為一體，利用注漿管兼做錨桿，通過向注漿錨桿注入漿液，封堵圍巖裂隙，隔絕空氣，防止圍巖風化及圍巖被水浸濕而降低強度．注漿錨桿注漿后將松散破碎的圍巖膠結成整體，從而提高巖體的粘聚力、內摩擦角及彈性模量．注漿后使碹體壁后充填密實，從而避免碹體出現應力集中點而首先破壞．注漿使端頭錨固錨桿變?yōu)槿L錨固，形成可靠有效的組合拱．漿液充填圍巖裂隙，配合錨噴或錨桿砌碹支護，形成一個多層有效組合拱支護結構，即碹體組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱、漿液擴散加固拱及碹體與壓縮區(qū)之間的漿液加固拱．多層組合拱既擴大了支護結構的有效承載范圍，又提高了支護結構的整體性能和承載能力(如圖1所示)．

　　由于注漿使得組合拱厚度加大，從而減小了作用在底板上的荷載集中度，減少了底板巖石中的應力，減弱了底板的塑性變形，減輕了底板的底鼓．底板的穩(wěn)定有助于兩幫的穩(wěn)定，在底板兩幫穩(wěn)定的情況下，又能保持拱頂的穩(wěn)定．頂板的穩(wěn)定不僅僅取決于頂板荷載，在非破碎帶中，關鍵取決于底板與兩幫的穩(wěn)定．因此，注漿支護的重點是保證底板與兩幫的穩(wěn)定，從而保證整體支護結構的穩(wěn)定．
　　如果錨桿長度增加到4.0～5.0 m，就可使錨桿伸入到較穩(wěn)定的巖層中形成較大的組合拱，從而擴大錨桿的控制范圍．
5　加固支護設計及支護參數
5.1　支護結構設計
　　馬頭門設計采用長短組合，錨桿錨注加固．兩幫底角及拱基線部位則布置長注漿錨桿，其余部位布置樹脂錨桿和普通注漿錨桿，二者隔排均布，錨桿間排距為1.0 m×1.0 m，錨桿間橫向全斷面采用鋼筋帶連為一整體．
　　中央泵房也采用長短組合錨桿錨注加固，兩幫底角以及拱基線部位則布置兩根長注漿錨桿，其余的部分采用全斷面普遍注漿錨桿與樹脂錨桿支護，每兩排樹脂錨桿間加一排注漿錨桿，錨桿間排距為1.0 m×1.0 m，錨桿間橫向全斷面采用鋼筋帶連接，底板臥底后采用組合注漿錨桿、樹脂錨桿同排布置，間排距為1.0 m×1.0 m．中央變電所兩幫先破幫涮大至設計斷面尺寸，然后再采用注漿錨桿、樹脂錨桿聯(lián)合支護，兩類錨桿隔排布置，錨桿間排距為800 mm×800 mm．錨桿橫向采用鋼筋帶連為一體，底板采用注漿錨桿與樹脂錨桿同排布置注漿加固方法，間排距為800 mm×800 mm．泵房支護結構如圖2所示．

5.2　支護參數的確定［1］
　　長注漿錨桿采用Ø30 mm的無縫鋼管制作，長4 m，兩個樹脂藥包錨固．為便于注漿，在管體上交錯鉆有Ø8 mm出漿孔．普通注漿錨桿采用Ø20 mm焊接管制作，長2 m，一個樹脂藥卷錨固．鋼筋帶采用Ø14 mm螺紋鋼點焊而成．
　　注漿采用水泥—水玻璃單漿液，水泥為425號普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為40～50°B′e，主要是作為速凝劑．水灰比為0.8～1.2，水玻璃摻量為水泥重量的3%～5%，而注漿壓力為0.8～1.0 MPa．
6　加固效果及結論
6.1　硐室變形量測試
　　為便于掌握圍巖的變形規(guī)律和變形量，了解圍巖的松動范圍，保證硐室的支護效果，在施工過程中對泵房、變電所硐室進行了圍巖表面收斂變形測試．泵房設置了3個斷面，變電所設置了2個斷面，測試時間3個多月．
　　測試數據表明，泵房兩幫在測試期間總變形量為25 mm，頂底板移近量為20 mm；變電所兩幫總變形量為15 mm，頂底板移近量為10 mm．由測試結果看，泵房、變電所兩硐室的表面收斂變形量均較?。?BR>6.2　加固效果
　　泵房、變電所硐室采用注漿錨桿、樹脂錨桿聯(lián)合錨注支護后，使得已松動破碎的圍巖又成為一個整體，其承載能力大大加強，并保證了錨桿的錨固力，形成了更有效的組合拱．因此，泵房變電所加固施工后，至今已有8個多月，硐室變形量很小，圍巖已趨于穩(wěn)定(馬頭門外側修復加固后，兩幫及底板保持穩(wěn)定)．
6.3　結　論
　　(1)將長、短注漿錨桿及樹脂錨桿組合成群體支護體系，利用注漿錨桿注漿加固松散、破碎的圍巖，將它們膠結成為一個整體，提高了圍巖巖體強度、內摩擦角和圍巖的自承載能力，且能形成擴大的組合拱，降低了應力集中度，也提高了支護結構的承載能力和穩(wěn)定性，減少了底鼓．因此，這是一種非常可靠、有效、經濟合理的支護技術．
　　(2)實踐表明底板注漿錨桿作為支護結構的一部分，能起到傳遞荷載、控制底鼓的作用，并能有效地控制底鼓．
　　盡管錨注加固技術已初步取得了較好的技術經濟效果，但還有許多方面需要完善和改進，如注漿參數．特別是注漿量的確定有待于進一步優(yōu)化，注漿材料的選擇也直接影響注漿量及注漿成本，施工質量有待于進一步提高等．
作者簡介：程東全，男，1965年生，工程師．
作者單位：永城煤電(集團)公司車集煤礦　永城476600
參考文獻
［1］易恭猷，韓立軍，林登閣．極不穩(wěn)定巷道合理支護技術研究．中國煤炭，1996(6)：32～34