裝載硐室大孔徑預(yù)應(yīng)力注漿錨索加固技術(shù)研究

周 明

(天地科技股份有限公司建井事業(yè)部，北京100013)

1 概況

麻家梁煤礦主井箕斗裝載硐室為煤礦永久性硐室，服務(wù)年限同該礦井的開采年限?；费b載硐室設(shè)計段高為41 m，該段巖性主要由砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、泥巖、煤等組成。其中564.80～568.20 m段巖性為細粒砂巖，裂隙未填充，巖性破碎，是主要出水層段之一，太原組涌水量為3.91 m3/h。由于硐室本身斷面尺寸大，地質(zhì)條件差、圍巖受地下水軟化等影響，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)強度難以抵抗圍巖應(yīng)力，對裝載硐室造成破壞。根據(jù)硐室存在的問題，實施了補打錨索的加固措施。錨索直徑為20 mm，錨固方式為樹脂藥卷端錨，錨固長度為2.2 m，鉆孔直徑28 mm，鉆孔深度7 m，間排距1 m，設(shè)計預(yù)應(yīng)力等級200 kN，由于巖層滲水原因，實際錨固力只有70 kN。托板為14號槽鋼，水平布置?，F(xiàn)場勘查，破壞依然嚴重。

大孔徑預(yù)應(yīng)力注漿錨索加固技術(shù)在地面工程上應(yīng)用較早，在煤礦井下巷道支護中使用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索較多。與普通錨索相比，大孔徑預(yù)應(yīng)力注漿錨索整體強度高，可施加較大的預(yù)應(yīng)力，使圍巖具有較高的承載力。該技術(shù)在麻家梁煤礦主井箕斗裝載硐室加固中得到成功的應(yīng)用，取得了良好的加固效果。

2 硐室破壞原因

根據(jù)麻家梁礦箕斗裝載硐室段地質(zhì)條件及硐室分布情況，分析井筒變形破壞原因主要有以下幾個方面。

(1)圍巖巖性差?；费b載硐室段主要由砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、泥巖、煤等組成。初次開挖時即發(fā)現(xiàn)巖性軟弱、泥質(zhì)膠結(jié)、易風(fēng)化破碎。根據(jù)周圍硐室相關(guān)的研究資料，該區(qū)域地應(yīng)力主方向沿東西走向，圍巖普氏系數(shù)4～6，軟化系數(shù)0.6～0.69，膨脹系數(shù)30%左右，粘土礦質(zhì)在20%以上，以高嶺土為主，流變性較為明顯。

(2)地下水對圍巖的軟化作用。圍巖內(nèi)存在大量的裂隙，在硐室開挖過程中，圍巖的變形會導(dǎo)致裂隙擴展，裂隙發(fā)展，地下水沿裂隙滲入圍巖中，使得巖石軟化，該處泥巖軟化系數(shù)在0.6～0.69之間，使得圍巖承載能力降低?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)了硐室局部滲水現(xiàn)象。

(3)裝載硐室斷面尺寸大，硐室群結(jié)構(gòu)復(fù)雜。裝載硐室斷面對角最大連線長度達21 m，為多個矩形的組合，呈反對稱結(jié)構(gòu)。從受力角度分析，這種斷面的硐室易導(dǎo)致應(yīng)力集中;裝載硐室周圍分布著煤倉等大斷面硐室，易相互影響，導(dǎo)致變形受力復(fù)雜。

3 支護加固設(shè)計

支護加固方案:裝載硐室原支護為錨桿支護，鋼筋混凝土澆筑井壁，現(xiàn)采用人工鑿除已開裂擠出的混凝土體，并掛鋼筋網(wǎng)澆筑200 mm厚的C30混凝土封閉所有裂縫，在原支護基礎(chǔ)上用大孔徑全長注漿錨索加固圍巖。

3.1 注漿錨索加固機理

其一，可以改善圍巖塑性圈內(nèi)巖體的力學(xué)性能，提高巖體的整體強度，增加巖體自身的承載能力;其二，注漿可以封堵巖體內(nèi)的裂隙，隔絕空氣防止風(fēng)化，避免巖體強度因水和空氣的影響而大幅降低;其三，強力錨索支護的目的是在破碎圍巖經(jīng)注漿恢復(fù)連續(xù)性后，對其施加強力邊界條件，使圍巖具有較強的承載能力，確保加固后的硐室圍巖穩(wěn)定［3，4］。

3.2 錨索結(jié)構(gòu)

大孔徑預(yù)應(yīng)力錨索是由內(nèi)錨固段、自由段和外錨固段組成，如圖1所示。內(nèi)錨固段是錨索錨固在巖體內(nèi)提供預(yù)應(yīng)力的根基，粘結(jié)錨固劑采用水泥漿。

圖1 錨索結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 錨索支護設(shè)計

錨索孔徑為100 mm，孔深為15 m，錨索間排距2.5 m，鉆孔傾角10°。錨索采用4股15.24 mm低松弛高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線編制而成。在錨索頭部安裝導(dǎo)向帽，內(nèi)錨固段長度8 m，每隔1 m安裝隔離架，錨索自由段鋼絞線應(yīng)涂抹黃油并外套波紋管或塑料管防腐，兩頭用鐵絲扎緊，并用電工膠布纏封，外錨固段長1 m，包括鎖具和槽鋼。

4 施工技術(shù)要點

(1)錨索在地面編制而成，安裝前加裝排氣管，采用人工安裝，將錨索逐步送到位，不得強推、強拉。

(2)錨索孔注漿采用KUBJ－1.8型砂漿泵灌注水泥砂漿，水灰比0.4～0.45，灰砂比2∶1，水泥砂漿強度≮20 MPa。采用從孔口到孔底注漿，注漿壓力≯0.25 MPa。排氣管停止排氣或溢出漿液，即可停止注漿。當(dāng)水泥砂漿體強度達到設(shè)計強度80%后，方可進行張拉鎖定。

(3)錨索張拉、鎖定工作應(yīng)在托盤安裝完畢、水泥砂漿達到設(shè)計要求強度后方可進行。張拉時壓力應(yīng)達到27 MPa以上，以保證單根鋼絞線預(yù)緊力達到100 kN。錨具采用QLM－7型，鋼墊板為20號槽鋼，每根槽鋼長1.5 m，中間開直徑為70～80 mm的孔。

5 數(shù)值模擬及分析

5.1 模型建立

模型模擬范圍長×寬×深=110 m×70 m×50 m，采用摩爾－庫侖模型。錨索采用cable單元模擬，混凝土采用shell單元模擬［5］。數(shù)值模擬分析模型如圖2所示。

圖2 加固數(shù)值模擬分析模型

5.2 支護前后對比

采用有線差分軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬計算。首先對模型施加初始地應(yīng)力，然后模擬裝載硐室的開挖和支護。

5.2.1 井壁最大主應(yīng)力

由圖3可見，支護前、后箕斗裝載硐室側(cè)壁最大主應(yīng)力分別約為35 MPa和20 MPa。支護后的最大主應(yīng)力明顯減小，低于C35混凝土的抗壓強度，符合承載要求。

圖3 井壁最大主應(yīng)力云圖

5.2.2 圍巖應(yīng)力集中區(qū)

支護前和支護后圍巖應(yīng)力集中均出現(xiàn)在裝載帶式運輸機巷下部靠近硐室東西側(cè)墻墻壁的圍巖中，原支護和加固后對比發(fā)現(xiàn)(圖4)，加固后的圍巖應(yīng)力集中區(qū)距硐室側(cè)墻為3.9 m，而加固前為5.3 m?？梢?，加固方案最終的應(yīng)力集中區(qū)擴展范圍遠小于原支護的應(yīng)力集中區(qū)擴展范圍。因此可以推斷加固方案能夠有效遏制應(yīng)力集中區(qū)的擴展，減小了表面變形的發(fā)展。

圖4 圍巖應(yīng)力集中區(qū)

5.2.3 硐室變形

支護結(jié)構(gòu)變形如圖5所示，可見支護體變形分布較為均勻變形量較小。東西側(cè)硐室部分變形得到明顯改善。硐室部分最大變形量在2 mm以內(nèi)。

圖5 支護結(jié)構(gòu)變形云圖

6 效果考察

6.1 錨索受力

裝載硐室井壁錨索72 h后載荷達到設(shè)計載荷，說明能快速承載，抵抗變形壓力，控制圍巖變形，5天后錨索荷載趨于平穩(wěn)。錨索未出現(xiàn)拉斷破壞現(xiàn)象，說明其所受載荷未達到錨索極限載荷，選用錨索力學(xué)參數(shù)合理。

6.2 兩幫表面位移

抽取裝載硐室一個平臺3點的實測位移值進行分析，見表1。

表1 裝載硐室周邊位移記錄表

從井壁兩幫位移記錄表可以看出，兩幫表面總位移量在1～2 mm，說明錨索對兩幫變形控制較好，減輕了兩幫所受的載荷。

7 結(jié)論

綜上所述，采用大孔徑預(yù)應(yīng)力注漿錨索加固方案能夠滿足裝載硐室的受力和變形要求，使得支護體受力得到較為明顯的改善，具有一定的安全儲備。

(1)注漿錨索加固支護一方面對混凝土支護體起到減跨作用，改善了其受力條件;另一方面對周圍圍巖提供了較大的作用力，減小了應(yīng)力集中區(qū)向內(nèi)轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的圍巖損傷和軟化范圍，有害變形減少。

(2)現(xiàn)場試驗表明，錨索受力合理，頂板及兩幫位移得到有效控制，該支護方案切實可行，支護效果良好。

［1］錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1991.

［2］劉長武.軟巖巷道錨注加固原理與應(yīng)用［M］.江蘇徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［3］孔祥惠，朱申慶，鄭金平.注漿與錨索聯(lián)合加固技術(shù)在軟巖巷道中的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(6):25－27.

［4］謝士文，郭鵬，王冰.深孔錨索注漿加固技術(shù)在深井高應(yīng)力軟巖巷道底臌治理中的應(yīng)用［A］.煤炭科學(xué)與技術(shù)研究論文集［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2010.38－41.

［5］康紅普.回采巷道錨桿支護影響因素FLAC分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999，18(5):534－537.