教学设计论文深部松散破碎软岩巷道硐室综合加固技术研究与实践

1、深部松散破碎软岩巷道（峒室）综合加固技术的研究与实践李明国 崔建中 刘保昌（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、构造应力集中，巷道维护极其困难。主要特征为：岩石强度低（表现为围岩松散、软弱、胶结程度差），抗干扰能力差，流变时间长，遇水易软化膨胀，塑性变形大，变形速度快，在掘进过程中最大变形速率10mm/d，两帮移近量1030mm ，顶底板移近量达1300mm，巷道施工完后2

2、0天内14条起重梁严重弯曲，拱顶混凝土剥离露筋。因-480m水平中央泵房、变电所等严重变形，必须对其修复加固。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技术修复加固，改变了岩体的受力结构，提高了粘结力和内摩擦角，封闭裂隙，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，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。巷道喷锚网喷支护、锚注、锚索、底板加固后，有效地抑制了巷道围岩变形。关键词 松散、

3、破碎、软岩巷道（峒室）综合加固技术的研究与实践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。通风方式为中央边界抽出式通风。 2005年核定生产能力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

4、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、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

5、，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-480m水平泵房设计长度为48.6 m，变电所设计长度为46.3m，断面形状为直墙半圆拱形，泵房变电所设计荒宽4.74m、荒高6.37m, S荒=27.78m2；（见图1.2）。巷道原设计支护方式为喷锚、锚网喷双层支护，15.24mm×4m的锚索加强支护，锚索的间排距均为2m。锚杆采用

6、20MnSi螺纹钢等强度锚杆，单层锚杆间排距为1×1m，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×宽=2.2×1.2m），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水平泵房、变电所主要处在三灰之上的粉砂岩层位中，厚度10

7、.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，使巷道破坏变形严重，必须对其修复加固（图1.3泵房变电所变形后实照图）图1.1 -480m水平中央泵房、变电所、水仓布置图图1.2 -480m水平中央泵房变电所原支护断面图-图1.3 -480m水平中央泵房变电所变形后井下实照图2 -480m水平巷道（峒室）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)由于-480m水平泵房、变电所主要处在三灰之上的粉砂岩层位中，粉砂岩厚10.62m，呈深灰色，质细、性脆

8、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。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、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)峒室布置密度大，泵房、变电所周围管子道、吸水井、配水井、配水巷等工程的施工造成围岩初始应力重新分布，使泵房、变电所多次受到二次应力的作用破坏，变形进一步加大。(4)构造应力的影响。泵房、变电所位于f1、f2、f

9、3三条断层之间，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)巷道底板和底脚没有采取有效的支护措施，当顶帮压力较大时，巷道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注浆等综合技术进行修复加固。中央泵房、变电所加固断面如图3.1所示。图3.1 中央泵房、变电所加固断面图3.1.1

10、全断面喷锚网喷修复加固修复加固4.5m选用20MnSi螺纹钢等强锚杆,采用树脂锚固剂加长锚固，锚固长度1.4m，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；网为6.5mm冷拔钢丝编制的方格网，网的规格为采用锚索加固，布置15.24mm×4.5m型锚索4根，锚索间距2m，排距2m。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。3.1.2底板加固（1）加固方式采用现浇

11、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（2）支护材料：锚杆采用20MnSi螺纹钢等强锚杆,每根锚杆均用MSCK2535型三卷锚固剂固定，锚固长度1050mm，锚杆外露（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

12、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

13、图3.2 钢筋混凝土钢筋框架设计示意图4 锚注设计及施工工艺4.1巷道围岩注浆加固机理（1）注浆提高巷道围岩的强度和变形模量通过注浆，将松散破碎的围岩胶结成整体，提高围岩内聚力、内摩擦力和弹性模量，提高破碎围岩的刚度和强度，使强度较低的破碎围岩转变为强度较高的坚固围岩。改变了松散破碎围岩强度和弹性模量等力学性能，提高了围岩强度和自身承载能力。（2）注浆可充分发挥锚索、锚杆悬吊及组合拱的作用注浆后，围岩形成了一个稳固的整体，使锚索、锚杆的悬吊作用得到发挥。另外，锚索、锚喷支护可形成一个多层有效的组合拱，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。锚注结合加固围岩原理如图4.

14、1所示。（3）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。由于组合拱厚度加大，减小了作用在底板上的荷载集中度，减小了底板岩体中的应力，减弱底板的塑性变形。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（，尾端为异曲形，用14mm圆钢制作，尾端长200mm，用快凝水泥卷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

15、。（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2.5m；变电所拱顶及两墙共布置外锚内注式锚杆7根，株距2m；中央泵房、变电所注浆锚杆排距均为4m。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。图4.2 外锚内注式锚杆结构示意图5 相对位移变形观测结果与分析变电所、泵房施工结束后开始设点观测，观测时间为180天。共设观测点5个，每10天测量一次数据。变电所、泵房扩修加固结束后重新设点观测，泵房、变电所设观测点5个，每10天测量一次数据。共观测90天。测点布置见图5.1所示。巷道观测平面图观测断面图图5.1巷道观测断面图观测前后变化曲线和观测结

16、果对照分别见表5.1和图5.2所示。表5.1泵房、变电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加固前观测数据加固后观测数据图5.2泵房加固前后观测数据从表5.1和图5.2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。巷道加固后，巷道围岩相对移近速度下降到0.1mm/

17、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。加固后的围岩强度和完整性得到提高，有效地遏制了巷道围岩变形速度，起到了减缓巷道围岩变形速度的作用。6 主要结论（1）采用预应力锚索、混凝土反底拱及外锚内注式锚杆等综合支护技术修复加固大断面、松散破碎围岩、受地质构造影响的巷道（峒室）的实践是成功的，不但在限制围岩变形方面效果明显，而且经济效益也非常明显，为困难巷道工程支护加固提供了一条新的途径。（2）处于松散、软弱、破碎岩层中的井巷工程应采用全断面封闭式支护，在治理顶帮的同时，也要治理底

18、板，否则应力传递到支护的薄弱点必将导致支护破坏。（3）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，可改变岩体的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，封闭裂隙，阻止水对岩体的侵蚀，使松散的岩体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固锚杆、锚索提供了着力点，使三者的能力得到有效的发挥。采用锚注支护技术修复后的中央泵房、变电所，围岩变形速度得到有效地控制，从原来未加固前的310mm/d，迅速下降到0.1mm/d以下，且在整个服务期内能够满足生产的安全使用。参考文献:煤炭工业出版社采矿工程设计手册，2003年5月中国矿业大学出版社地层注浆堵水与加固施工技术，2003年6月。中国矿业大学矿山压力与顶板管理，2003年第1期第4期；2004年第1期第4期