深部軟巖硐室反拱形底板錨桿和澆灌底鼓控制技術(shù)的探索與應(yīng)用

鄒永德，言仁玉

(1.徐州礦務(wù)集團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)部，江蘇徐州221006;2.徐州礦務(wù)集團(tuán)龐莊煤礦，江蘇徐州221141)

1 工程概況

張集煤礦北翼－1260m軌道上山位于山西組9煤底板，地層為單斜構(gòu)造，平均傾角13°。－1260m軌道下車場(chǎng)穿層掘進(jìn)分別揭露了10煤、9煤、粉砂巖和太原組1～5層石灰?guī)r，巖性較復(fù)雜，揭露巖層以粉砂巖為主，總厚近70m。粉砂巖呈灰、灰墨色，以薄層狀為主，水平層理、節(jié)理發(fā)育，含較多泥質(zhì)、遇水易膨脹，硬度系數(shù)f=3。掘進(jìn)期間揭露2條斷層F1和F1支，落差分別為15m和70m，斷層處巖石較破碎，對(duì)掘進(jìn)影響較大。該區(qū)域地表標(biāo)高+36.2m，地層溫度為52℃。

－1260m軌道上山下車場(chǎng)設(shè)計(jì)工程量449m，半圓拱斷面，巷道規(guī)格寬×高 (凈)=4500mm× 3850mm，錨網(wǎng)、索、噴聯(lián)合支護(hù)方式，采用φ22mm、長(zhǎng)2400mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，錨桿間排距700mm×700mm，錨桿扭矩300N·m，錨桿拉拔力100kN;護(hù)表材料采用8號(hào)菱形金屬網(wǎng)和 φ12mm鋼筋梯形梁;采用 φ18.9mm、長(zhǎng)6200mm錨索，間排距1400mm×2100mm，每排5根，錨索預(yù)緊力140kN;兩幫各施工1根30°的底角錨桿;噴漿厚度100mm，材料配比為水泥∶砂∶石子=1∶2∶2。

－1260m下車場(chǎng)掘進(jìn)后，礦壓顯現(xiàn)較明顯，主要表現(xiàn)為巷道底鼓嚴(yán)重、持續(xù)，底鼓量占巷道總收縮量的75%以上，巷道拱頂和兩肩窩出現(xiàn)不間斷的漿體開(kāi)裂現(xiàn)象。巷道開(kāi)挖1個(gè)月后，下車場(chǎng)平均底鼓量670mm，最大底鼓達(dá)890mm，嚴(yán)重影響車輛的安全運(yùn)行，掘進(jìn)期間多次停頭，進(jìn)行臥底修護(hù)和整道工作。－1260m軌道上山承擔(dān)著整個(gè)－1260m水平的排矸、運(yùn)料任務(wù)，為滿足車輛安全運(yùn)行的要求，投入運(yùn)行后，每4～6個(gè)月就須進(jìn)行一次臥底、釘?shù)赖裙ぷ?，?yán)重影響著礦井的安全和生產(chǎn)。

2 巷道底鼓原因分析

巷道開(kāi)挖后，圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)由原始的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二向應(yīng)力不平衡狀態(tài)，應(yīng)力重新分布，一般深部巷道頂板巖層主要受水平應(yīng)力的作用，巖層容易失穩(wěn)而被破壞。巷道的位置、支護(hù)方式、支護(hù)強(qiáng)度和二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)間等影響著巷道的支護(hù)效果，分析－1260m軌道上山下車場(chǎng)底鼓嚴(yán)重的主要原因有:

(1)地應(yīng)力大，地溫高 －1260m軌道下車場(chǎng)埋深達(dá)1296m，高溫和高應(yīng)力等影響使深部巖體表現(xiàn)出塑性和流變等軟巖特性，巷道周邊的集中應(yīng)力超過(guò)了圍巖的自身強(qiáng)度，擴(kuò)大了塑性區(qū)范圍，降低了圍巖的強(qiáng)度和自承載能力。

(2)粉砂巖為軟巖，自身強(qiáng)度低 －1260m軌道下車場(chǎng)近260m巷道掘進(jìn)在層理、節(jié)理發(fā)育的厚粉砂巖中，粉砂巖親水性強(qiáng)，遇水易軟化膨脹;粉砂巖自身強(qiáng)度低、承載能力差，屬不穩(wěn)定的松軟巖層，具有明顯的非線性大變形特征，在高應(yīng)力作用下，極易被擠壓而流變底鼓。

(3)斷層構(gòu)造影響 斷層加劇了巷道圍巖的松散破碎程度，減弱了錨桿、錨索支護(hù)層強(qiáng)度，降低了支護(hù)體對(duì)巷道圍巖變形的控制能力，使巷道底鼓變形。

(4)缺乏有效的底鼓控制措施 單一的底角錨桿在深部和高應(yīng)力巷道底鼓控制作用較微弱，－1260m軌道下車場(chǎng)底板沒(méi)有采取支護(hù)措施，處于開(kāi)放狀態(tài)，較大的壓力造成巷道底板圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生塑性變形而底鼓。

(5)水的影響 －1260m軌道下車場(chǎng)按－3‰坡度掘進(jìn)過(guò)程中，受下山底板水及作業(yè)水影響。水進(jìn)入巷道底板巖層后，減小了底板巖石的層理、節(jié)理間的摩擦力，形成滑移面，降低了圍巖的強(qiáng)度，同時(shí)，粉砂巖含較多泥質(zhì)、遇水易膨脹，水浸泡后，會(huì)軟化、膨脹而引起巷道底鼓。

3 反拱形底板錨桿和澆灌混凝土底鼓控制技術(shù)

深部軟巖泵房、變電所等硐室對(duì)支護(hù)、斷面等有較高的要求，巷道底鼓將直接影響設(shè)備的正常安裝和后期的安全運(yùn)行，底鼓控制是深部軟巖硐室支護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，應(yīng)綜合考慮巷道的埋深、圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力、斷面大小和形狀、水、支護(hù)方式強(qiáng)度以及施工、機(jī)具、成本等因素，合理選擇底鼓控制技術(shù)。

3.1 反拱形底板

巷道斷面形狀是影響礦山壓力顯現(xiàn)的因素之一，不同的斷面形狀受力狀況不同，巷道的變形量也不同，一般半圓拱、橢圓形和圓形巷道受力狀態(tài)較好，半圓拱巷道適用于頂壓較大的巷道，橢圓形和圓形巷道適用于深部頂、側(cè)壓較大的巷道。

鉆爆法掘進(jìn)一般對(duì)巷道的底板破壞較嚴(yán)重，風(fēng)、手鎬臥底法施工反拱形底板，可以清理破碎、松動(dòng)、離層等軟弱巖層，提高了巷道底板巖層的整體性，反拱形斷面在改善巷道受力狀況的同時(shí)，為底板錨桿的施工和支護(hù)創(chuàng)造了條件。

3.2 底板錨桿

高預(yù)應(yīng)力底板錨桿施工在反拱形斷面后，錨桿的預(yù)緊力使底板各巖層層面間的摩擦力增大，將松軟破碎巖層拉緊成一個(gè)較堅(jiān)硬的底板巖層梁，阻止巖石沿層面滑動(dòng)，同時(shí)，底板錨桿桿體具有一定的剛度，增強(qiáng)了底板巖層梁的整體抗剪能力。

較密的高預(yù)應(yīng)力底板錨桿安裝后，各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓椎體交叉重疊，錨桿的有效壓應(yīng)力區(qū)連成一片，在底板形成類似于拱形頂板錨桿承壓拱的底板承壓拱，底板承壓拱示意見(jiàn)圖1。

圖1 底板承壓拱示意

在底板承壓拱中錨桿預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，明顯地改善了承壓拱的應(yīng)力狀態(tài)，承壓拱內(nèi)巖石受力均勻，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，具有較高的承載能力。底板錨桿消除了巷道底角和底板區(qū)域的應(yīng)力集中，改善了底板圍巖性質(zhì)，提高了底板圍巖強(qiáng)度和完整性，并較好地抵抗來(lái)自兩側(cè)的擠壓應(yīng)力和滑移趨勢(shì)，有效控制巷道的底鼓。

3.3 底板澆灌混凝土

底板澆灌混凝土與巷道底板圍巖間緊密貼實(shí)，并封閉了圍巖，消除了水和風(fēng)化對(duì)圍巖的影響，避免了圍巖因充填物流失、膨脹、風(fēng)化等而降低強(qiáng)度和穩(wěn)定性。底板澆灌填平了底板圍巖表面，消除了因巷道圍巖表面不平而引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，較好地避免了因應(yīng)力集中而破壞底板圍巖。

澆灌混凝土具有較高的黏聚力和強(qiáng)度，對(duì)圍巖提供較大的徑向作用力，反拱形底板具有較好的受力狀態(tài)，澆灌、底板錨桿與巷道圍巖共同作用，形成一個(gè)高支護(hù)強(qiáng)度和高承載能力的支護(hù)體，保證了巷道的穩(wěn)定性。

4 工程應(yīng)用

－1260m泵房、變電所巷道工程量為110m，與－1260m軌道上山下車場(chǎng)位于同一層位，共76m巷道掘進(jìn)在粉砂巖中。－1260m泵房、變電所巷道規(guī)格:寬×高 (凈)=4700mm×4550mm，拱高2300mm。從－1260m軌道上山下車場(chǎng)支護(hù)效果看，主要問(wèn)題是巷道底鼓嚴(yán)重，因此，－1260m泵房、變電所的支護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)考慮底板支護(hù)，采取有效措施來(lái)控制巷道底鼓。

4.1 支護(hù)設(shè)計(jì)與施工步驟

綜合考慮圍巖強(qiáng)度、施工機(jī)具、進(jìn)度等因素，泵房、變電所主體工程掘進(jìn)后，再后退式臥底施工，采用反拱形底板錨桿和澆灌混凝土技術(shù)來(lái)控制巷道底鼓，－1260m泵房、變電所底板支護(hù)見(jiàn)圖2。

(1)臥底、鋪底 使用風(fēng)、手鎬清盡巷道底板浮矸和破碎松動(dòng)巖層，避免爆破再次破壞底板。反拱形底板的半徑為2800mm，巷中臥深1200mm;臥至設(shè)計(jì)斷面后初噴、鋪底成反拱形。初噴、鋪底厚度不少于100mm，材料配比為水泥∶砂∶石子= 1∶2∶2。反拱形巷中凈高1100mm，超挖部分鋪底至設(shè)計(jì)位置。

圖2 －1260m泵房、變電所底板支護(hù)

(2)底板錨桿施工 底板錨桿采用φ20mm× 2000mm螺紋鋼錨桿，選用CK2370樹(shù)脂錨固劑，錨桿間排距800mm×800mm;采用φ6.5mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為80mm×80mm，鋼筋網(wǎng)采用壓茬方式連接，壓茬寬度100～200mm，并用14號(hào)鐵絲每隔200mm聯(lián)結(jié)牢固;底板錨桿間采用φ16mm鋼筋梯形梁“井”字形連接，根據(jù)錨桿設(shè)計(jì)角度分別使用30°，45°，22°和10°的異形托盤(pán)，異形托盤(pán)規(guī)格為:140mm×140mm×12mm;錨桿初錨扭矩120～150N·m，4h后錨桿螺母二次緊固扭矩300 N·m，抗拔力80kN;底板錨桿施工滯后臥底和超前澆灌距離均為5m。

(3)底板澆灌 底板澆灌混凝土強(qiáng)度要求為C20，采用32.5普通硅酸鹽水泥，石子粒徑5～40mm，材料配比為水泥∶砂∶石子=1∶2.21∶4.1，水灰比0.6。澆灌前將底板沖洗干凈，澆灌時(shí)使用震動(dòng)棒搗實(shí)，保證底板支護(hù)的整體性。

4.2 應(yīng)用效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)點(diǎn)定期觀測(cè)，－1260m泵房、變電所采用反拱形底板錨桿和澆灌技術(shù)對(duì)巷道底板進(jìn)行有效支護(hù)后，效果明顯。

(1)巷道掘后，較好地控制了底鼓現(xiàn)象。200d的觀測(cè)期內(nèi)，巷道平均底鼓不到20mm，巷道底板平整，保證了－1260m泵房、變電所的安裝和安全運(yùn)行。

(2)減少了臥底修護(hù)重復(fù)工程量和二次支護(hù)成本，避免了底鼓造成的安全隱患，較大程度地減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提供了良好的作業(yè)和運(yùn)行環(huán)境。

(3)反拱形底板錨桿和澆灌技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，臥底、鋪底、底板錨桿和澆灌各工序間平行作業(yè)，有利于過(guò)程質(zhì)量控制，較大程度地提高了工效。

5 結(jié)論

反拱形的支護(hù)體具有較好的受力結(jié)構(gòu)，底板澆灌封閉了圍巖，使巷道底板圍巖保持了原有的強(qiáng)度，鋼筋網(wǎng)和鋼筋梯形梁等高強(qiáng)護(hù)表材料的使用，保證了底板支護(hù)的整體性。

反拱形的錨桿支護(hù)體在巷道底板形成受力均勻的承壓拱，改善了圍巖的性質(zhì)和巷道周邊的應(yīng)力場(chǎng)，提高了巷道底板圍巖強(qiáng)度，防止底板的塑性滑移，從而有效地控制了巷道的底鼓。因此，反拱形底板錨桿和澆灌混凝土是一種非常有效的深部硐室底鼓控制技術(shù)。

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