深部松散破碎软岩巷道(硐室)综合加固技术研究与实践

1、深部复杂地质条件硐室支护技术研究王 衍 青（山东肥城矿业集团公司曹庄煤矿271601）摘要 曹庄煤矿-480m水平中央泵房、变电所主要处在三灰之上的粉砂岩层位中，厚度10.62m，深灰色，质细、性脆，节理发育，含少量植物化石及黄铁矿，f=34。在施工中又遇到f1、f2、f3三条断层，断层处围岩松散破碎、构造应力明显加大，对巷道维护极为不利。针对-480m水平中央泵房、变电所（硐室）岩层地质构造情况，科学分析了造成巷道破坏变形的五条原因，经过科学论证和现场实践，有针对性的使用全断面喷锚网喷、预应力锚索、外锚内注式锚杆注浆、钢筋混凝土反底拱、斜墙拱形断面等综合支护技术修复加固，改变了岩体的受力结构

2、，提高了粘结力和内摩擦角，封闭裂隙，阻止了水对岩体的侵蚀，使松散破碎软岩重新胶结形成再生人造岩体，提高了围岩强度，同时又为高锚固力的树脂锚杆、锚索提供了着力点，使三者的作用得到有效发挥。关键词 深部、复杂、峒室支护技术研究曹庄井田位于肥城煤田东部，井田面积9.83平方公里，矿井于1965年1月1日正式投产，设计生产能力60万吨/年，设计服务年限64年，2005年通过技术改造核定生产能力130万吨。矿井开拓方式为立井多水平、主要贯穿石门、采区上下山开拓，开拓水平三个：第一水平为-120m水平（回采基本结束）。第二水平为-280m水平（正在生产），第三水平为-480m水平（正在开拓）。-480m水

3、平巷道（硐室）2002年由集团公司设计院设计，设计主要工程有：-480m水平大巷，火药库、变点所、泵房、配水巷、水仓。1 -480m水平工程地质概况1.1地质概况-480m水平巷道（峒室）范围煤岩层倾向N10°W，走向及岩层倾角稳定，平均倾角15°。据-480m东大巷及副巷揭露资料，预计该范围内将遇到f1、f2两条断层，对巷道掘进影响较大。其中f1断层为东升西降的斜交正断层，-480m东大巷揭露落差2.5m；f2为东升西降的斜交正断层，预计落差为5m，该断层由-480m东大巷所揭露的两条落差分别为3.5m的f2和3.2m的f3斜交正断层相交构成（见图1.1）。该巷道主要处在

4、三灰之上的粉砂岩层层位中，两侧通道自-480m东大巷开门定向掘进，依次经过煤8、四灰、粉砂岩、三灰、粉砂岩（见图1.1、表1.1）。煤岩层岩性特征 表1.1岩石名称厚度(m)岩 性 特 征煤81.87黑色，中上部普遍含一层平均0.2m的炭质细砂岩夹石，坚硬，f=6，为复杂结构、稳定的中厚煤层，f=1.5。四灰4.84灰色，坚硬，上部多含泥质及动物化石，底部常赋存二合顶，f=8。粉砂岩2.33深灰色，质细、性脆，节理发育，f=34。三灰0.33褐灰色，多含泥质，裂隙不发育，含动物碎屑化石，f=7。粉砂岩10.62深灰色，质细、性脆，节理发育，含少量植物化石及黄铁矿，f=34。1.2工程概况-48

5、0m水平中央泵房设计长度为48.6 m，断面形状为直墙半圆拱形，泵房设计荒宽4.74m、荒高6.37m, S荒=27.78m2；-480m水平变电所设计长度为46.3m，变电所宽4.24m、高4.32m, S荒=16.38m2（见图1.2、图1.3）。巷道原设计支护方式为喷锚、锚网喷双层支护，15.24×4000的锚索加强支护，锚索的间排距均为2000 。锚杆采用20MnSi螺纹钢等强度锚杆，单层锚杆间排距为1000×1000，第二次支护锚杆与第一次支护锚杆呈五花形布置。每根锚杆采用两卷MSK2535树脂锚固剂锚固。网为3.5mm的冷拔丝编制的方格网（网的规格为长×

6、;宽=2200×1200mm），喷浆所用水泥为425#普通硅酸盐水泥，砂为纯净的河砂，石子直径不大于15mm，并用水冲洗干净，混凝土配合比为水泥：砂：石子=1：2：2。泵房施工完毕后，要对泵房底板进行抹底，抹底厚度200，所用砼标号为C25，石子粒径为20-40mm，配合比为水泥：砂：石子1：1.76：3.41。因-480m水平中央泵房、变电所主要处在三灰之上的粉砂岩层位中，厚度10.62m，深灰色，质细、性脆，节理发育，含少量植物化石及黄铁矿，f=34。在施工中又遇到f1、f2、f3三条断层，断层处围岩松散破碎、构造应力明显加大，对巷道维护极为不利。巷道施工完后20天内14条起重梁

7、严重弯曲，拱顶混凝土剥离露筋。因-480m水平中央泵房、变电所等已严重变形，必须对其修复加固。图1.4-480m水平中央泵房、变电所井下实照图(a、b)。图1.1 -480m水平中央泵房、变电所、水仓布置图 图1.2 -480m水平中央泵房原支护断面图- 图1.3 -480m水平变电所原支护断面图图1.4 -480m水平中央泵房井下实照图(a)图1.4 -480m水平水仓井下实照图(b)2 -480m水平巷道（硐室）变形破坏原因分析巷道变形破坏是多种因素综合作用的结果，经分析主要原因有以下几点:(1)松软岩层是造成巷道（峒室）变形破坏的主要原因。由于-480m水平中央泵房、变电所主要处在三灰之

8、上的粉砂岩层位中，粉砂岩厚10.62m，呈深灰色，质细、性脆易碎, 节理裂隙发育，亲水性强，遇水易软化膨胀，岩体自承能力差，自身强度低，硬度系数f<3，属不稳定的松软岩层，硐室支护难度大。(2)二次支护选择的时间不适合是造成巷道（峒室）变形破坏的重要原因。巷道开挖以前，围岩在重力应力和结构应力等作用下，处于一种相对平衡状态；巷道开挖后，围岩中初始应力将进行重新分布，立即进行二次支护恰值围岩的剧烈变形期，变形量大、地压大而支护强度低，必然导致支护失败。根据围岩应力控制理论，二次支护时间应在围岩变形出现第一个拐点后进行。(3)该处大断面巷道、峒室布置密度大，多次爆破扰动影响是造成支护失败的重

9、要原因。由于软岩抗干扰能力差，且中央泵房、变电所周围的管子道、吸水井、配水井、配水巷等工程均未施工完毕，这些工程的施工定会造成围岩初始应力的重新分布，使中央泵房、变电所多次受到二次应力的作用而破坏，变形进一步加大。(4)构造应力的影响。中央泵房、变电所位于f1、f2、f3三条断层之间，且伴有多条附生断层，落差0.37m，断层处围岩松散破碎(见图1.4)，岩石强度小。巷道开挖后构造应力释放，使巷道产生变形。这些断层加大了支护结构上的载荷和应力集中，造成支护结构的全面破坏。(5)支护结构存在缺陷，初始支护设计时巷道底板的支护强度低。因对巷道的底板和底角没有采取有效的支护措施，当顶帮压力较大时，巷道

10、底板成为变形自由面，造成巷道底板围岩出现应力集中，产生塑性变形而底鼓，支护失稳，直接加剧了巷道顶帮的变形。3 综合加固技术方案3.1中央泵房、变电所加固设计采用全断面喷锚网喷、预应力锚索、混凝土反底拱及外锚内注式锚杆等综合支护技术进行修复加固。中央泵房、变电所加固如图3.1、3.2所示。图3.1 中央泵房加固示意图图3.2 变电所加固示意图3.1.1全断面喷锚网喷修复加固根据中央泵房、变电所变形破坏情况，首先在巷道原有支护的基础上对起拱线以上部分采用锚网喷加强支护,两帮根据修复加固设计断面，自上而下开帮刷宽。为确保巷道断面，泵房及变电所两帮采用斜墙的方式施工，即变电所及泵房起拱线以下部分为梯形

11、。中央泵房起拱线处巷道宽度为4500mm，至巷道底板宽度达到4900mm，详见断面图5.1；变电所起拱线处巷道宽度为4000，至巷道底板宽度达到4400，详见断面图5.2。中央泵房、变电所采用喷锚网喷作为永久支护，选用20MnSi18mm螺纹钢等强锚杆,锚杆长度2200 mm，株排距均为600mm；采用树脂锚固剂加长锚固，锚固长度1400mm，MSK2535和MSZ2535型各两只配合使用，快速在孔底，锚固力64KN/根，扭紧力矩300N.m；托盘用10mm厚钢板压制而成，规格为长×宽=130×130mm；网为6.5mm冷拔钢丝编制的方格网，网的规格为长×宽=20

12、00mm×800mm，网要压茬连接，压茬不少于80mm，用14铁丝连结牢固，每200mm一个连结点；喷层厚度设计120，喷浆所用水泥为425#普通硅酸盐水泥，砂为纯净的河砂，石子粒径小于20mm，混凝土配合比为水泥：砂：石子=1：2：2，速凝剂型号为J85型，掺入量一般为水泥重量的23.5%，洒水养护时间不低于28天。（1）泵房修复施工顺序对起拱线以上部分按设计增补锚杆、挂网、喷浆，损坏的金属网要重新连接或另敷新网；按巷道中、腰线进行开帮、卧底，开帮时按由上而下的顺序进行，每次开帮长度不得超过1200，高度不得超过2000。开帮后，及时进行初喷、增补锚杆、挂网，初喷厚度80mm。初喷

13、距迎头不得超过1200，锚网距迎头不得超过1400m；最后对巷道进行复喷，复喷厚度40mm，复喷距迎头500015000。（2）变电所修复施工顺序首先用长把工具找去起拱线以上部分开裂的喷体，然后全部增补锚杆、挂网、喷浆；拖后掘进工作面10000，按中、腰线对巷道进行开帮、卧底，开帮后，及时进行初喷、增补锚杆、挂网，初喷厚度80mm。开帮时，每次开帮长度不得超过1200，初喷距迎头不得超过1200，锚网距迎头不得超过1400；最后对巷道进行复喷，复喷厚度40mm，复喷距迎头500015000。3.1.2拱顶加固（2）加固方式采用锚索加固，布置15.24mm×4500mm型锚索4根，锚索

14、间距10002000mm，排距2000m。从巷道正拱顶向两侧各1m分别安装一根，自第一根向下2m分别再安装一根。采用树脂锚固剂锚固，锚固长度1400mm，MSK2535和MSZ2535型各两只配合使用，快速在孔底，托盘用长500mm的11矿工钢加工制作，详见图3.1、3.2。3.1.3底板加固（1）加固方式采用现浇混凝土反底拱配合底锚杆、6.5 mm冷拔丝钢筋网及钢筋框架加强巷道底部处理，详见图3.1、3.2。（2）支护材料：锚杆采用20MnSi18mm螺纹钢等强锚杆,锚杆长度2100 mm，株排距均为1000mm；每根锚杆均用MSCK2535型三卷锚固剂固定，锚固长度1050mm，锚杆外露（

15、托盘外）长度为3050mm，托盘用10mm钢板压制而成，规格为长×宽=130×130mm，每根锚杆锚固力不小于64KN，扭紧力矩不小于 300N.M。反底拱所用混凝土强度标号为C25。配比为水泥:沙:石子=1:1.76:3.41。浇筑用水泥为425#普通硅酸盐水泥，石子粒径为2040mm，砂为纯净的河 砂，水灰比为0.5，混凝土要搅拌均匀。在混凝土中增加配筋，配筋为冷拔丝钢筋网和钢筋框架。钢筋网用6.5 mm的冷拔丝钢筋焊制，其规格为长×宽=2000mm×800mm，网要压茬联接，压茬不少于80mm，用14铁丝联结牢固，每200mm一个联结点；钢筋框架用

16、18mm的20MnSi螺纹钢焊接而成，每断面由两个框架搭接组成。每个框架外缘弧长（中央泵房/变电所）2900/2700，内缘弧长（中央泵房/变电所）2700/2500，每组钢筋框架弦长（中央泵房/变电所）5500/5000mm，框架横向截面为200×200mm，框架内缘纵向焊两根纵筋，用于锚杆压盘固定，两根纵筋间距为80mm，框架间距为1000，焊点强度不低于钢筋强度，详见图3.3。图3.3 钢筋混凝土钢筋框架设计示意图（3）施工顺序及施工方法施工顺序：施工时，首先由地测部门标定好中、腰线，然后按由里向外的顺序将巷道底板挖至设计深度，再喷射200mm厚混凝土，初喷成反底拱形；按注底板

17、锚杆，锚杆注入岩体1650mm，外露450mm。在反底拱上平铺钢筋网，钢筋网要压好茬，压茬不少于80mm，并用14铁丝联结牢固，每隔200mm一个联结点，在钢筋网上横向放置钢筋框架，两个钢筋框架之间接茬处用14铁丝联结牢固，联结点不少于4个，钢筋框架用锚杆配合锚杆盘和螺纹帽从中间压紧，锚杆从钢筋框架中间穿过，然后进行混凝土浇筑；浇筑至水泵（电机）平台时，支模板浇筑出平台和螺栓孔。施工方法：挖底时按设计断面一次挖出，验收合格后，开始喷浆，喷厚不得小于200mm，喷浆前，底槽内的浮矸全部清净，挖底长30005000，喷浆一次，最长不得超过5000；挖底长达到15000时，及时浇筑钢筋混凝土； 每次

18、浇筑钢筋混凝土必须预留出下次浇筑的网茬，以便连网；破岩采用风镐、手镐进行，严禁爆破。4 锚注设计及施工工艺4.1巷道围岩注浆加固机理（1）注浆可提高巷道围岩的强度和变形模量因破碎围岩的强度及弹性模量均较低，所以巷道围岩变形量大、维护困难。通过注浆，将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了围岩的内聚力、内摩擦力和弹性模量，可显著提高破碎围岩的刚度和强度，载荷主要由强度较高的围岩承担，围岩的破坏由原来强度较低的破碎围岩控制转变为由强度较高的围岩控制。松散破碎围岩强度和弹性模量等力学性能的改性，大大提高了岩体的强度，从而提高了围岩的自身承载能力，改善了围岩维护状况。（2）注浆可充填压密裂隙注浆是浆液在泵压

19、的作用下，渗透充填一些裂隙，另外经挤压可以使一些充填不到的裂隙闭合，提高围岩的强度，降低岩体的孔隙率，可大幅度提高岩体的强度。格里菲斯强度理论认为，介质内存在裂隙时，在承载时会在裂隙的端部形成强烈的拉应力集中，当拉应力达到岩体抗拉强度时，岩体的裂隙会发展，直到岩体破裂。注浆加固后，浆液在较高的泵压作用下，将围岩内的裂隙充满固结或压密原来的小裂隙，使裂隙端部的应力集中大大削弱或消失，从而使巷道围岩的破坏机制发生转变，如由原来拉伸破坏转变为压缩破坏等。另外，当围岩中存在较大的裂隙，裂隙附近的岩体处于二向应力状态，裂隙内充满加固材料或压密后，将变为三向应力状态，而岩体在三向应力状态时的强度比二向状态

20、时显著增大，并且脆性减弱、塑性增强。（3）注浆可充分发挥锚索、锚杆悬吊及组合拱的作用-480m水平中央泵房、变电所围岩已严重松散、破碎，锚索、锚杆悬吊及组合拱的作用已无法得到实现，而锚杆注浆后，围岩形成了一个稳固的整体，锚索、锚杆的悬吊作用也得到很好的发挥。另外，配合锚索、锚喷支护可形成一个多层有效组合拱，即锚索压缩区组合拱、锚杆压缩区组合拱、喷带组合拱及浆液扩散加固拱。由此扩大了有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力，锚注结合加固围岩原理如图4.1所示。（4）注浆可减轻底鼓，保证整个支护结构的稳定性注浆后使作用在巷道拱顶上的压力能有效传递到两墙，通过对两墙的加固，又能把荷载传递到底板

21、。由于组合拱厚度的加大，又能减小作用在底板上的荷载集中度，从而减小底板岩体中的应力，减弱底板的塑性变形，减轻底鼓。底板的稳定有助于两墙的稳定，在底板、两墙稳定的情况下又能保持拱顶的稳定；顶板的稳定不仅取决于顶板荷载，在非破碎带中关键取决于底板和两墙的稳定，因此注浆加固的一个重点就是保证底板和两墙的稳定，从而保证整个支护结构的稳定。4.2锚注支护参数确定（1）注浆锚杆的参数设计注浆锚杆采用外径21、内径16mm、壁厚5的圆形无缝钢管制作，长度2100mm，外端滚丝长度200mm，中部注浆段1600mm（杆体上顺序钻有6mm的眼孔），尾端为异曲形，用14mm圆钢制作，尾端长200mm，用快凝水泥卷

22、3块固定，螺帽以外露丝100mm，锚杆锚固力40KN，扭紧力矩不低于120N.m。详见图4.2、4.3。（2）注浆孔的布置中央泵房拱顶及两墙共布置外锚内注式锚杆7根，株距2510；变电所拱顶及两墙共布置外锚内注式锚杆7根，株距1780；中央泵房、变电所注浆锚杆排距均为4000。注浆锚杆应垂直于巷帮，但两帮最下边的注浆锚杆与水平呈45°倾角向下，详见图5.1、5.2。图4.2 外锚内注式锚杆结构示意图说明：1.施工注浆锚杆眼用42钻头,孔深2100;2.每根注浆锚杆共15排注浆眼孔,排距100,每排2个,对称布置;3.橡胶套抗拉强度不低于10MPa;4.安装完注浆锚杆后, 外露丝长度为

23、100mm.图4.3 注浆锚杆井下实照图4.3 -480m水平中央泵房、变电所锚注施工工艺注浆锚杆施工：打眼安设锚杆、止浆塞注浆安装托盘。（1）注浆设备：NBB250/6型泥浆泵、搅拌机及配套电缆、开关等设备。（2）注浆材料：注浆材料选用525#普通硅酸盐水泥，采用单液水泥浆，水灰比为0.6：11：1。（3）注浆压力：注浆终压应适当，压力过小，浆液向周围岩体扩散的范围小；压力过大，则可能在注浆过程中导致喷层表面破裂、片帮以至于跑浆等问题。根据该处围岩情况和支护情况，确定终压在3.55MPa之间。 （4）注浆顺序：注浆时按照由下而上的顺序依次进行，注浆时先用清水冲孔，然后用水泥浆液由稀到浓进行注

24、浆，连续进行直至达到终孔设计压力为止。（5）注浆方式：采用连续注浆与间歇式注浆相结合，如果进浆量大、串浆、漏浆严重时采用间歇式注浆，否则采用连续注浆方式。5 相对位移变形观测结果与分析变电所、泵房 于2004年78月施工，施工结束后就开始设点观测，至2005年3月扩修开始前，观测时间为6个月180天。泵房、变电所各设观测点5个，共计10个，每10天测量一次数据。变电所、泵房扩修加固时间为2005年3 6月，包括断面更改、锚注施工、底板反拱加固等，结束后重新设点观测，泵房、变电所各设观测点5个，共计10个，每10天测量一次数据。截止至2005年9月，共观测3个月90天。见图5.1（a、b）所示。

25、泵房观测平面图泵房观测断面图图5.1a泵房观测平断面图变电所观测平面图变电所观测断面图5.1b变电所观测平断面图为检验修复加固效果，了解支护性能，对峒室表面位移变化的观测情况进行了比较，其变化曲线和观测结果对照分别见表5.2（a、b）和图5.2（a、b）所示。表5.1a中央泵房加固前后相对位移观测结果测点位置加固前位移加固后位移移近量/mm变形速率/mm.d-1移近量/mm变形速率/mm.d-11号两帮10305.750.06顶底板11306.340.042号两帮7804.320.02顶底板7324.120.02表5.1b 变点所加固前后相对位移观测结果测点位置加固前位移加固后位移移近量/mm

26、变形速率/mm.d-1移近量/mm变形速率/mm.d-11号两帮900560.06顶底板13007.250.0552号两帮7504.250.055顶底板12507.020.02 泵房加固前观测数据泵房加固后观测数据图5.2a泵房加固前后观测数据变电所加固前观测数据 变电所加固后观测数据图5.2b变电所加固前后观测数据从表5.2（a、b）和图5.2（a、b）中可以看出，巷道加固前巷道围岩相对移近速度达到510mm/d，两帮和顶底板移近速度变化明显，没有趋向稳定的迹象，而且变化持续，通过现场照片也能清晰的看出围岩对巷道支护的破坏程度。巷道更改支护、锚注、锚索、底板加固后，巷道围岩相对移近速度下降到0.1mm/d以下，巷道围岩变形速度有明显地下降，巷道围岩的剧烈变形得到有效地抑制，缓解了围岩对巷道支护的破坏状况。这说明上述加固技术对软弱破碎围岩巷道的支护作用是显著的。加固