关键部位耦合组合支护在高应力状态下的应用

关键部位耦合组合支护在高应力状态下的应用

关键部位合作保护理论是我国软岩道路保护领域的代表理论之一。该理论认为，地下工程的破坏主要是由于保护体与围岩在强度、刚度和结构上没有结合。因此，道路保护的选择是基于变形力学机制，其次是药物治疗，采用合适的保护和转化技术，将混合转化为单一型。具体到实际工作时就是将复杂巷道支护分为两次:一次支护为柔性的面支护,二次支护为关键部位的点支护。该理论在六家煤矿HJS复合型软岩巷道支护中付诸实施,很好地解决了软岩支护的技术难题,取得了显著的经济效益。1当前技术条件和问题1.1支护参数设计六家煤矿位于平庄煤田古山矿区东北部,属内蒙古自治区赤峰市所辖。该矿于1990年末开工建设,设计生产能力90万t/a,服务年限72a,开拓方式为立井单水平开拓。当矿井施工到西二采区运输石门时,巷道支护遇到了复杂的软岩问题,原设计该巷道采用4次复合支护的方法进行支护,巷道净深宽4.1m,如图1所示。各项支护设计参数如下:(1)顶板锚网喷,作为临时支护。使用A3管缝式锚杆:Φ43mm×1600mm,间排距为800mm×800mm,金属丝网为10#,网眼50mm×50mm,初喷50mm。(2)砌料石碹,厚400mm,底拱200mm。(3)架11#工字钢梁,每米一架,有底梁,钢梁间用拉杆连接,拉杆个数10杆/架。(4)砌筑混凝土碹。顶拱和直墙250mm,底拱200mm。1.2巷道围岩引起严重构造采用上述复合支护,成巷2～3月内就出现显著变形破坏,主要表现在以下几方面:(1)巷道顶板混凝土开裂并掉块。(2)巷道直墙与半圆拱相接部位出现连续贯通的裂缝,并沿巷道轴线方向延伸,局部通向拱顶。(3)巷道发生严重底臌,运输铁轨被拱起,浇筑于反底梁内的钢架被扭弯,运输中断。(4)由于岩体破碎,超前支护无法控制冒顶。2压、未预留变形量(1)管缝式锚杆作临时支护,垂直岩壁打入,由于抗拉拔力小,岩体破碎,往往无法控制冒顶。(2)在未充分放压、未预留变形量即直接砌料石碹,岩体与料石碹刚度不耦合易使料石碹开裂、变形、塌落,数值模拟显示围岩的塑性区域较大,支护体上有较高的应力集中现象。(3)钢架底拱没有消力接口,底拱没有拉杆,钢架间没有形成整体的稳固体系。(4)砌筑混凝土碹紧贴钢架,没有预留变形量,在来压或变形量过大时将使料石碹、钢架、混凝土碹被各个击破,相继破坏。3hj复合型软岩巷道支护试验鉴于上述情况,六家煤矿委托中国矿业大学北京研究生部岩土所针对存在的问题开展软岩攻关,进行HJS复合型软岩巷道支护试验,以期尽快解决现场问题。通过HJS复合型软岩变形力学机制研究,本工程段可确定为IAB、IIBD、IIIC型复合力学机制类型,对于这种具有复合型力学机制的软岩巷道,必须采取“对症下药”的联合支护方式。3.1新型钢筋网锚杆系统新的设计方案充分考虑了软岩的大变形、大地压、难支护特点,遵循对策设计、过程优化设计和参数设计这一过程,实现了信息化施工和反馈设计以及软岩巷道的耦合支护设计。新方案调整超前锚杆和布置方式,采用了适合软岩巷道锚网喷工艺的材料,淘汰了A3管缝式锚杆,改用Φ22mm螺纹钢树脂锚杆,淘汰了以往的铁丝网,改用新型钢筋网,同时废除了砌料石碹和混凝土碹的作法,改用架设钢梁、复喷混凝土等方法。其设计方案如图2。主要设计参数如下:(1)Φ22mm螺纹钢树脂锚杆,长度2.0m,设计工作强度8t/根,铁托盘100mm×100mm×10mm,木托盘150mm×150mm×30mm。(2)锚杆间排距600mm×600mm,呈三花布置。(3)锚杆锚固端总长度700mm,分两卷树脂锚固剂,型号分别为快速K2335和中速Z2335,规格均为Φ23mm×350mm。(4)钢筋网规格:网片900mm×900mm,网眼100mm×100mm,钢筋为Φ6.5圆钢。(5)初喷混凝土厚度50mm,复喷厚度150mm。(6)11#工字钢,共分4段,其中顶拱1段,底拱1段,直墙2段,工字钢梁与锚网喷层间预留150mm刚隙柔层,钢架为1架/m。3.2钢架混凝土巷道(1)采用螺纹钢树脂锚杆技术,提高了单根锚杆的锚固力,消除或减少了岩体结构变形效应,增强了围岩整体稳定性。(2)复合托盘技术,增强了锚杆柔性,避免了螺纹钢锚杆在尾部脆断。(3)钢筋网和初喷混凝土增强了初次支护的柔性,既能保证软岩最大程度地发挥其自身支撑能力,又能允许围岩有较大变形,释放其变形能量,从而实现耦合设计。(4)预留刚隙柔层,钢架技术和复喷,用以调整巷道围岩的工程偏应力所造成的不均匀变形,以及确保有足够的强度储备,实现一次成巷避免返修。(5)计算机数值模拟显示,新的设计方案塑性区域小且均匀,支护体不存在较大的应力集中现象,满足耦合支护设计的要求。4锚杆、混凝土安装(1)施工作业分大循环和小循环进行,大循环每循环进尺5m,小循环每循环0.9m,掘进分上、下两层进行,即先掘出顶拱部分并完成小循环,后掘出帮部及拉底并完成小循环,最后完成大循环。其流程图如下:小循环(0.9m):打超前锚杆→打眼放炮→挂网→安装树脂锚杆→初喷大循环(5m):锚网喷(小循环)→拉底出货→架钢架→浇筑底拱(2)由于围岩多为破碎泥岩或砂砾岩等软岩,必须打超前锚杆进行超前支护,超前锚杆采用Φ43mm×1600mm国产A3型管缝式锚杆,其方向与巷道轴线呈15°～20°角。一般情况下锚杆间距0.6m,特别破碎时间距0.3m,较完整时间距0.9m。(3)爆破时多打眼,少装药,放小炮。当围岩为破碎泥岩时,应将炮眼布置在设计毛断面以内一定距离,一般为200～300mm。(4)挂网时要先将网与上一循环钢筋通过挂钩联结紧密,用A3管缝式锚杆穿过网片中心固定网片,然后再打树脂锚杆。(5)当层理明显时树脂锚杆应与层理面呈最大角度钻进,层理不明显时,锚杆应垂直巷道轮廓线。(6)上托盘要待锚固剂固化后,木托盘紧贴网片,铁托盘紧靠木托盘外。(7)初喷射网后一定要喷实,尤其应注意托盘后必须喷实。(8)在安装钢架前,按设计拉出底拱,在两帮和靠近脚的底拱各打两根锚杆并挂脚网,脚锚杆和底锚杆与直墙线呈45°角。(9)安装钢架时要根据中心腰线调整钢架位置,保证整个钢架在同一平面并垂直巷道轴线,消力接口必须保证严丝合缝紧紧固定在一起。(10)浇筑拱采用C20混凝土,即水泥∶砂子∶石子=2∶1.025∶3.306,水灰比1∶0.54,水泥采用425#普通硅盐水泥,速凝剂掺入量不大于水泥量的4%,浇筑底拱时要注意将钢架消力接口下填实。养护不少于24h。(11)复喷应在初步支护使围岩趋于稳定后进行(通过监测得出15d后较合适)。混凝土配合比为水泥:砂子∶石子=1∶2.03∶3.31。复喷时必须将钢架后喷实。5大力改进,不断优化,实现一次成巷根据一系列的试验监测。采取的支护对策和方案完全满足要求,达到了预期目的。在施工过程中,始终遵循过程设计的原则,注重现场监测,注重信息反馈,不断优化,不