中马村矿39泵房围岩稳定性分析及支护技术

中马村矿39泵房围岩稳定性分析及支护技术

矿山开采道路需要很长时间，变形很小。一般来说，它应该尽可能地配置在相对稳定的岩石中。而岩石是一种具有弹性、塑性、时间效应等复杂性质的材料,布置在稳定岩层中的开拓巷道,随着矿井服务时间的延长,或受其周围支承压力作用,巷道围岩体会具有明显的时间效应,即处于稳定状态下巷道围岩会发生损伤,支护物和围岩间的平衡被打破,支护被破坏,从而造成巷道围岩形成较大的松动范围。破碎区围岩的性质与破碎之前相比,有较大的差异。为了改善巷道维护状况,可采取2种有效措施:改善围岩结构性能和采取合理的支护方式。在巷道围岩加固方面,近年来国内外行业技术人员进行了大量的探索,并取得了一些成果,如采用围岩注浆加固、锚杆支护技术、U型钢封闭支架等。注浆作为一种支护手段,参与巷道变形与稳定过程,能够有效控制巷道围岩变形,显著改善支护效果,已显示出是一种极具潜力的巷道围岩控制技术。国内外巷道围岩注浆实践表明,巷道围岩注浆加固并不是总能达到预期目的,常常起不到作用或作用甚微,理论和相关研究的滞后严重影响了巷道围岩注浆控制技术的推广应用。锚杆支护可以施加较大的预紧力,属于主动支护,但在破碎围岩中,锚杆的可锚性差是造成锚杆支护的锚固力较小、衰减快甚至锚固失效的根本原因。围岩发生较大变形后,锚固力快速衰减,失去对围岩的支撑作用,围岩变形加剧。对于松动范围大的巷道围岩,U型钢封闭支架具有承载能力大、控制底鼓效果好等优点,在强流变、高应力巷道围岩控制中得到了应用;多数情况下,该类型支架和锚杆(索)注联合使用,支护原理为刚柔耦合动态加固、高阻让压—高强度支护等,要点为抗压、让压和移压相结合。在软岩硐室加固方面,何满潮提出了软岩巷道工程的三大类变形力学机制,即物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型,提出了互为印证的软岩巷道支护四原则。针对松软大变形巷道,高延法在总结前人研究成果的基础上,提出了井下灌注式钢管混凝土支架,具有抗弯刚度大、无异向性、承载能力大等优点。针对松软大变形巷道及冲击地压(岩爆)环境中的巷道围岩控制,何满潮提出了恒阻大变形锚杆,该锚杆能够有效吸收巷道围岩在缓变过程或动载荷过程中所释放的能量,并且能够保证锚杆的高工作阻力,实现恒阻特性。1井田内大断层发育中马村矿井田面积16.90km2,总体呈单斜构造,产状走向N45°~60°E,倾向SE,倾角8°~15°。井田内大断层为高角度正断层,多分布在井田边缘;中小断层发育褶皱较少,对生产影响不大。-390m水平39采区泵房(图1)施工后出现多次破坏,多次返修加固。随后再次出现变形破坏,两帮及底板发生严重变形,尤其底板变形导致机电设备基础发生破坏,影响设备的正常运行,对矿井的安全生产造成严重的影响,必须再次对其进行返修加固。2围岩破坏特征(1)工程地质条件。39泵房位于-390m水平,埋深约540m,南部距九里山大断层120m,位于二1煤层顶板中,下距二1煤层顶板15~25m,煤层顶板依次为泥岩均厚0.5m、砂岩均厚8m、粉砂岩均厚4m、砂岩均厚5m。39泵房所处围岩为灰色中粒砂岩、粉砂岩,岩性较为破碎、节理裂隙发育,砂岩富含云母碎片,层面富含植物化石,性脆,易风化。泵房初始设计为直墙半圆拱,宽6.0m,巷高5.5m,长80m。(2)初始支护及历次维修情况。泵房初始支护为锚网索喷注+36U型钢封闭支架支护。泵房于2007年1月开始施工,4月底结束,当年6月初巷道损坏、变形,巷帮收敛严重,已不能满足机电设备安装要求。2009年6—9月,对39泵房进行返修,2010年10月,硐室再次变形破坏加剧,影响正常使用。(3)围岩表面破坏特征。现场考察发现,U型钢棚两帮及顶部多为空帮、空顶,且体积和面积较大,两帮收敛剧烈(两帮距地坪约1.2m拉杆位置U型钢变形严重,收缩量最大),U型钢支架严重扭曲,喷体掉落,底鼓变形导致电气、机械基础发生破坏,严重影响设备的正常运行。(4)围岩深部破坏特征。采用钻孔窥视仪对泵房硐室围岩深部破坏松动情况进行了钻孔窥视分析。从窥视结果看:帮部破坏范围和程度比顶部要严重,帮部0~7.5m范围内围岩破坏非常严重;顶部0~2.0m范围围岩破坏严重,出现较多裂隙离层,深部围岩整体状况较好,破碎程度很小。3围岩稳定性分析综合分析认为,39泵房变形破坏是围岩流变、地应力、采动影响、断层作用、施工质量等多种因素作用的结果。(1)硐室围岩变形的时间效应。图2为典型的反映岩石时效性的蠕变曲线。从曲线形态看,岩石蠕变有3个阶段:Ⅰ—瞬态蠕变阶段(AB);Ⅱ—稳定蠕变阶段(BC);Ⅲ—稳态蠕变阶段(CD)。39泵房围岩经过了2a的稳定变形,其稳定应变速率很小,近似为零,处于稳态蠕变阶段。而最近几个月硐室出现不稳定变形,说明围岩进入非稳态蠕变阶段,变形速度加快,因此需对硐室围岩进行加固,改善围岩的承载结构,从而保持围岩稳定或促使围岩重回到稳定蠕变变形阶段。(2)埋深大,地应力高。中马村矿39泵房位于-390m水平,埋深约540m,自重应力11~15MPa,水平应力22~30MPa。在高应力下,岩石呈现出流变性质,随时间推移,硐室必然发生严重的底鼓和两帮收缩,采用一般支护方法很难奏效。(3)围岩本身性质。从现场考察看,39泵房所处围岩为灰色中粒砂岩、粉砂岩,岩性较为破碎、节理裂隙发育,砂岩富含云母碎片,层面富含植物化石,性脆,易风化。(4)断层和采动影响。39泵房南部距九里山大断层110m,落差300~650m;西为九里山断层伴生的中六断层,落差0~25m。巷道掘进时揭露有1条落差2.0m的断层。受断层和39采区采动影响较大。(5)施工质量影响。39泵房最初的支护方式为锚索喷+U型钢棚支护,底部有反底拱,并在反底拱上部浇筑混凝土机械基础,但考察发现,架钢棚时,棚后并没有背实,导致支架受力不均,两帮下部和底部充填密实,受力较大,发生剧烈收缩和底鼓,而顶部和两帮上部空顶、空帮,处于待压状态,在下部受力情况下,支架上部向上拱起(图3)。4锚杆锚索加固根据目前的研究成果并结合39泵房具体条件,考虑泵房围岩呈现软岩特征,并经历了多次返修,围岩松动范围大,周围采掘形势复杂。认为单纯的主动支护已无法保证硐室围岩的稳定性,三修加固宜采用复合支护,即:锚网索一次支护+二次U型钢封闭支架刚性支护+三次喷射混凝土+注浆加固并浇筑混凝土反拱。考虑围岩裂隙松动范围集中在0~7.5m及施工机具和难度问题,采用锚杆挂网锚固浅层围岩,通过锚索将外围松动围岩锚固到深部相对完整段。施工前搭好工作台,将U型钢棚按照每5棚为1组拆下,施工顺序为先顶后帮。U型钢棚取下后,进行扩帮、卧底,对原有锚索进行张拉。此次加固锚杆锚索支护设计断面如图4所示。锚杆规格ue07e20mm×2400mm,间排距700mm×800mm,用2支Z2350型树脂锚固剂锚固。全断面铺设ue07e6.5mm焊接钢筋网,架设ue07e14mm圆钢钢筋梯。锚索间排距为1400mm×1500mm,帮锚索规格为ue07e17.8mm×8300mm,顶锚索规格为ue07e17.8mm×7300mm,用4支Z2360型树脂锚固剂锚固。全断面布置8排锚索,每2根锚索挂1根14#槽钢梁,长1800mm,槽钢梁与泵房走向一致。锚杆、锚索施工完毕后,进行全断面喷浆一次,厚50mm。如巷道个别地段顶板破坏特别严重,需要高强支护,在锚索梁间布置点锚索加强支护,点锚索和锚索梁交错使用。点锚索规格为ue07e17.8mm×7300mm。锚索施工采用先顶部、后两帮的施工顺序。锚索施工完毕,重新架设U型钢棚,并喷浆,厚150mm,打造注浆止浆层。考虑硐室的围岩性质和静水压力等因素,注浆压力选择4.52MPa。注浆孔间排距2.0m×3.0m,“三花”眼布置,孔径32mm,深5m。加固材料采用P.O42.5普通硅酸盐水泥单液浆,注浆管直径25.5mm,长3.2m,注浆施工中可依据喷射混凝土的质量及破坏情况适当调整注浆孔的间排距,以达到较好的加固效果。5围岩注浆效果泵房整修224d后,其两帮累计最大变形量18mm,变形速率最大为0.5mm/d,后期为0;顶底板累计最大变形量3mm,底鼓量最大2mm,顶沉1mm;两帮变形大于顶底板变形量。返修加固后泵房直墙、拱肩、顶板处和吸水小井表面平整,支架完好,底板平整,未出现有害的裂缝等情况(图5)。采用钻孔窥视仪对围岩深部加固效果的窥视结果表明:注浆后,围岩裂隙得到一定程度的填充,裂隙发育减少。但由于返修前硐室围岩松动范围大,加上注浆工艺及深度方面的差异,造成局部地段围岩仍然比较破碎,需要加大浅部注浆量,浆液浓度应大些(后根据分析结果,对局部进行了浅部补充注浆)。两帮的裂隙发育程度比顶、拱肩处大;在岩体中出现了分区破裂现象,以拱肩2处钻孔比较明显,破裂、破碎区域交替出现(图6)。6两帮裂隙发育程度(1)分析认为硐室围岩破坏是围岩流变、地应力、采动影响、断层作用、支护方