麻家梁礦主立井箕斗裝載硐室加固對策研究

吳劍平，夏建中，王 群

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

1 工程概況

麻家梁煤礦主立井箕斗裝載硐室上接煤倉下連主井井筒。該硐室為永久性硐室，服務(wù)年限同該礦井的開采年限。在主井裝載水平平臺安裝完畢后，發(fā)現(xiàn)整個裝載硐室混凝土井壁開裂、變形，并有不同程度的滲水現(xiàn)象。在裝載水平平臺下12m段內(nèi)，混凝土沿鋼筋網(wǎng)布置方向開裂，鋼筋外露且有嚴(yán)重變形，尤其是在液壓站硐室和后期鑿梁窩輪廓周邊更為嚴(yán)重。

根據(jù)J1號鉆孔綜合柱狀圖(圖1)可知，該段巖石主要由砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、泥巖、煤等組成。圍巖巖性軟弱，易膨脹，且局部破碎、裂隙發(fā)育。硐室埋深較大，在地應(yīng)力作用下使得巖石表現(xiàn)出軟巖的大變形、穩(wěn)定性差等特性。

圖1 裝載硐室段圍巖分布示意

2 破壞機(jī)理分析

根據(jù)地質(zhì)條件及硐室分布情況，井筒變形破壞機(jī)理主要有以下幾個方面。

2.1 地質(zhì)條件差

該段井壁處主要軟巖組成。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，黏土礦質(zhì)在20%以上，以高嶺土為主，流變性較為明顯。

2.2 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(kuò)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。

2.3 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(dá)21m，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。

2.4 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以抵抗圍巖應(yīng)力

現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度為C30，厚度500mm，僅在外側(cè)布置單層鋼筋，根據(jù)質(zhì)量檢測資料，混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求，且配筋率遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的最小配筋率要求，難以抵抗圍巖應(yīng)力作用。

3 加固方案及參數(shù)確定

3.1 加固原則

裝載硐室井壁混凝土的破壞表明：原有的支護(hù)結(jié)構(gòu)難以抵抗硐室圍巖的水平應(yīng)力。因此，加固方案的選擇從兩方面考慮：①加固圍巖，使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用抵抗水平應(yīng)力及變形；②提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，使支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖水平應(yīng)力作用下不破壞。

3.2 加固方案及參數(shù)確定

依據(jù)加固原則，在選擇加固方案時主要考慮以下幾點。

1)由于硐室所處的巖層破碎，且圍巖承載力較低，因此有必要對圍巖進(jìn)行加固，加固圍巖的目的主要是封堵圍巖的裂隙和提高圍巖的黏聚力及內(nèi)摩擦角，以控制圍巖的塑性區(qū)范圍。

因此采用大孔徑全長注漿錨索加固圍巖(圖2)，注漿錨索采用4根纏繞綁扎的直徑Φ15.24mm的鋼絞線，向上傾斜10°打入井壁，鉆孔直徑100mm，長度為15m，間距2500mm×2500mm。該方法具有以下優(yōu)點：①通過注漿，可以改變節(jié)理裂隙發(fā)育軟弱圍巖的松散結(jié)構(gòu)，提高圍巖黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角，提高圍巖的整體承載能力，使作用在錨索上的荷載降低；②注漿加固圈能為錨索提供穩(wěn)定的著力基礎(chǔ)，顯著提高錨固力和錨固效果，使錨索對松碎巖層的錨固作用得以發(fā)揮，從而能明顯地改善破碎圍巖穩(wěn)定性，有效控制圍巖變形，防止圍巖破壞。③錨索采用壓力注漿，排除了鉆孔內(nèi)殘留的空氣，使鋼絞線不至于銹蝕。

圖2 大孔徑全長注漿錨索結(jié)構(gòu)示意

2)原支護(hù)結(jié)構(gòu)為500mm厚的C30混凝土，配單排直徑為Φ20mm@300mm×300mm的鋼筋網(wǎng)，截面配筋率為0.19%，小于《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》6.1.0條規(guī)定的最小配筋率0.4%的要求，且經(jīng)檢測混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計要求，因此該支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗圍巖水平應(yīng)力的作用。

加固時加厚混凝土井壁(圖3)，在原井壁外側(cè)澆筑200mm厚混凝土，強(qiáng)度等級為C35，并配置Φ20mm@200mm×200mm的雙層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)采用植筋的方式與原結(jié)構(gòu)連接，植筋為Φ16mm，鋼筋植入原井壁為15d，以增加新增混凝土與原結(jié)構(gòu)的拉結(jié)。同時在側(cè)墻拐角處設(shè)置斜向拉筋，以減輕角部的應(yīng)力集中，提高角部的抗剪切承載力。

4 數(shù)值模擬論證

4.1 方案建模

加固方案確定后，采用FLAC程序進(jìn)行數(shù)值模擬論證，采用的模型為長110m，寬70m，深度方向50m。

圖3 硐室直墻部位加固圖

分別選取原設(shè)計方案和加固后的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計算。原支護(hù)為鋼筋混凝土澆筑井壁，混凝土強(qiáng)度等級為C30，采用實體單元模擬。修復(fù)加固方案在原支護(hù)基礎(chǔ)上采用注漿錨索加固圍巖，并掛鋼筋網(wǎng)澆筑200mm厚的C35混凝土。錨索采用cable單元模擬，混凝土采用shell單元模擬。

4.2 計算過程及結(jié)果

4.2.1 井壁最大主應(yīng)力

從最大主應(yīng)力云圖(圖4)可見，加固前硐室側(cè)壁最大主應(yīng)力約35MPa，加固后硐室側(cè)壁最大主應(yīng)力約20MPa?？梢姴捎眉庸谭桨傅淖畲笾鲬?yīng)力明顯改善，最大主應(yīng)力低于C35混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。

圖4 最大主應(yīng)力云圖

4.2.2 圍巖應(yīng)力集中區(qū)

加固前和加固后圍巖應(yīng)力集中均出現(xiàn)在裝載帶式運輸機(jī)巷下部靠近硐室東西側(cè)墻墻壁的圍巖中，加固前和加固后對比發(fā)現(xiàn)，加固后的圍巖應(yīng)力集中區(qū)距硐室側(cè)墻為3.9m，而加固前為5.3m(圖5)。可見，加固方案最終的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)展范圍遠(yuǎn)小于加固前的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)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(kuò)展，減小了表面變形的發(fā)展。

4.2.3 硐室變形

加固后結(jié)構(gòu)變形如圖6所示，可見支護(hù)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2mm以內(nèi)。

5 表面相對位移監(jiān)測

為評價硐室加固后的效果，采用十字布點法安設(shè)表面位移監(jiān)測點(圖7)，監(jiān)測周期為加固后的5個月。在井壁中部鉆Φ28mm、深400mm的孔，將Φ25mm、長400mm的鋼筋植入井壁，鋼筋端部安設(shè)彎形測釘，用收斂計分別測量AB、AC、BC等各測點連線的距離，以此繪出各連線的位移曲線以直觀表示井壁相對位移情況(圖8)。

圖5 圍巖應(yīng)力集中區(qū)

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖

圖7 硐室測點布置

圖8 表面位移曲線

從位移曲線圖(圖8)可以看出，加固后5個月內(nèi)，AB、AC、BC連線位移均基本保持穩(wěn)定，各連線監(jiān)測的最大相對位移分別為1.28mm、1.86mm、1.2mm，拋開測量過程中的誤差，可以認(rèn)為相對位移接近于0mm。由此可以看出，加固后硐室井壁基本保持穩(wěn)定，有效地控制了硐室井壁的變形。

6 結(jié)語

加固修復(fù)方案中外包混凝土結(jié)構(gòu)提高了原混凝土井壁的強(qiáng)度，同時錨索支護(hù)一方面對混凝土支護(hù)體起到減跨作用，改善了其受力條件；另一方面也提高了圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角，為圍巖提供了較大的反作用力，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，抑制了圍巖過大的變形。

麻家梁礦采用上述修復(fù)加固方案對裝載硐室進(jìn)行支護(hù)加固，滿足了硐室的受力和變形要求，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)受力得到較為明顯的改善，現(xiàn)已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)并投入使用，保證了礦井提煤作業(yè)的安全。

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