大斷面圍巖變形機理及其控制范文

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《煤礦開采雜志》2014年第三期

1大斷面換裝硐室圍巖變形破壞機理分析

1.1巷道斷面尺寸影響分析圖1所示為不同斷面尺寸巷道采用錨網支護后計算時步為5000步時，巷道幫部圍巖不同深度和距底板不同距離的圍巖變形量。隨著斷面尺寸的增大，幫部圍巖表面的變形量最大值急劇增大;當幫部距底板的距離越大時，巷道非線性、非均勻變形的幅度增加;巷道淺部圍巖與深部圍巖變形量的差值增大，說明巷道斷面越大，幫部圍巖的剪脹變形越強烈，巷道圍巖的穩定性越差。圖2所示為不同斷面尺寸巷道采用錨網支護后計算時步為5000步時，巷道拱部與水平方向夾角不同時拱部圍巖徑向位移量。隨著斷面尺寸的增加，拱部巷道圍巖表面的徑向變形量最大值逐漸增大;當拱部與水平方向夾角增大時，巷道圍巖非線性、非均勻變形幅度增加;淺部圍巖變形量與深部圍巖變形量的差值增大，說明巷道斷面越大，拱部圍巖的剪脹變形越強烈，巷道圍巖穩定性越差。圖3所示為不同斷面尺寸巷道采用錨網支護后計算時步為5000步時，巷道圍巖最大主應力分布狀況。由圖可見，隨巷道斷面尺寸增大，最大主應力環形低應力區的范圍逐漸增大，低應力區范圍越大，淺部圍巖支護承載結構內巖體的剪脹變形越強烈，支護承載結構的結構穩定性越弱。

1.2底鼓影響分析如圖4所示，底鼓強烈的巷道幫部圍巖的變形量較大，說明巷道強烈底鼓時幫部支護承載結構的穩定性較差;反之，采取有效的控底措施，提高底板圍巖承載結構的穩定性，不僅能控制巷道頂底板的移近量，同時還能增強幫部圍巖承載結構的穩定性，減小幫部圍巖的變形量。大斷面硐室施工過程中經常由于施工設備的限制和底板支護施工工序復雜，為了保證掘進進尺而忽視對底板的治理，而且成莊礦3號煤底板主要以軟弱的泥巖為主，大斷面硐室跨度大，底板結構穩定性差，勢必導致底板出現強烈底鼓，影響大斷面硐室正常使用。綜合上述分析可知，隨著巷道斷面尺寸的增大，錨桿與圍巖形成組合拱的承載能力減小，支護承載結構的結構穩定性降低，相同地質條件下，采用錨網支護的大斷面巷道更容易發生結構性失穩破壞。巷道底板變形、破壞也呈結構性失穩，且巷道底鼓對支護承載結構的整體穩定性有顯著影響。若巷道底鼓強烈，則幫部圍巖承載結構的穩定性降低，更容易產生結構性失穩，采用有效控制底板圍巖變形的方案不僅能提高底板圍巖抗變形的能力，同時能增強幫部承載結構的結構穩定性。圖4不同底鼓程度錨網支護巷道幫部圍巖變形量大斷面硐室圍巖變形破壞機理是由于大斷面掘進后巷道圍巖應力重新分布，相對于小斷面巷道掘進后圍巖內分布的應力水平更高，導致硐室圍巖受更高的應力作用，圍巖體內節理面的結構效應降低［1－2］。在更高的應力環境中圍巖受到擠壓，產生屈服、剪切滑移，產生塑性剪脹變形和張裂破碎，從而引起硐室全斷面出現大變形。大斷面硐室掘進完成，兩幫形成更高應力集中的峰值區，高應力傳遞到巷道底板，導致底板承受的應力超過圍巖屈服強度，底板開始剪脹變形釋放高應力，底板變形導致幫部圍巖承載結構穩定性進一步降低，從而引起巷道全斷面整體變形破壞［3－7］。

2圍巖控制方案及作用機理

根據成莊礦五盤區換裝硐室目前采用的支護方式和變形破壞情況，結合段河井底換裝硐室圍巖地質力學條件，從提高支護強度和增強支護承載結構的長期穩定性出發，井底換裝硐室加固原則為:在已有支護技術的基礎上，采用注漿原位加固的方法提高錨桿及其支護構件與圍巖形成的支護承載結構強度，然后采用注漿錨索進行結構補償增強其穩定性。大斷面高強穩定性加固支護的思路為:(1)采用水泥漿液與聚氨酯化學漿復合注漿，注入已變形破碎圍巖裂隙，凝固后形成與圍巖緊密粘接的結石體，充填、嵌入破碎圍巖內部裂隙，依靠水泥漿固化提高圍巖的強度，以及化學漿高度的粘結性能，與破碎圍巖形成一個近似完整性的高強度、高黏聚力的原巖結構條件，防止圍巖裂隙擴展破壞向深部發展。而且，高強度固結體充填嵌入破碎圍巖內部裂隙，保證錨桿、錨索施加圍巖表面的預應力能夠完整傳遞到錨固范圍的圍巖內，顯著提高支護承載結構的強度。(2)采用水泥漿液、化學材料提高錨網支護承載結構強度的基礎上，對采用預應力全長錨固的錨索進行結構補償，提高支護－圍巖承載結構的穩定性和圍巖抗剪脹變形的能力［9］。(3)換裝硐室為關鍵性的永久硐室，內部桁吊的立柱較多，控制底鼓很關鍵，而且控制底板穩定有利于對幫拱圍巖變形的控制。底板支護根據立柱的基礎布置進行，采用預應力全長錨固強力錨索配合鋼筋梯子梁支護，保證硐室底板長期穩定［10］。

3現場試驗

整體方案為先進行水泥漿液和化學材料復合注漿，再采用預應力全長錨固注漿錨索支護。整個工程的施工順序為先進行巷道底板的注漿施工，再進行巷道幫頂的注漿施工。巷道幫頂的施工順序為:高壓水泥注漿→化學注漿→注漿錨索支護→終噴。

3.1換裝硐室加固支護方案

3.1.1加固材料水泥漿使用42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比0.6∶1～1∶1，與添加劑XPM配制漿液，添加劑用量為水泥重量的8%～10%。大范圍漏漿時間歇壓注水泥－水玻璃雙液漿堵漏，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶0.4～1∶1。高分子加固材料“天地加固101”(GRT－101)，具有黏度低、滲透力強、固結強度高等特點?；瘜W注漿:中空鉆桿注漿，自行封孔。錨索為1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，公稱直徑22mm，極限強度1860MPa，極限破斷力550kN，延伸率大于7%。采用承載能力不低于500kN，規格300mm×300mm×16mm的高強度拱形錨索托板，托板拱部氧焊開20mm的注漿管孔。注漿錨索附件:注漿管(鋁塑管A1216)。鋼筋網:采用6.5mm鋼筋焊接而成，網孔規格為100mm×100mm，網片規格為1700mm×2500mm。鋼筋梯梁:采用4根20mm的A3鋼筋焊接而成，規格為20－2－1900－250。

3.1.1底板加固注漿鉆孔布置底板采用注漿錨索鉆孔進行注漿，矩形布置，間排距1600mm×1600mm，孔深8000mm，如圖5(c)所示。注漿方式先灌素水泥漿7.28l，錨固注漿錨索，錨固長度3500mm，插入(A1216)鋁塑注漿管預埋孔口，7d后，采用棉紗沾水泥漿封孔、鋪設鋼筋梯梁、托盤、索具，張拉錨索后注漿。錨索預緊力≥180kN，注漿壓力4～6MPa，根據現場情況進行調整。錨索角度靠近巷幫的兩根錨索向巷幫外扎15°，其他錨索全部垂直巷道底板布置。

3.1.2幫拱加固水泥注漿加固圍巖水泥注漿鉆孔孔深5000mm，鉆孔排距1600mm，如圖5(a)所示。先埋設長度800mm孔口管，孔內下長度4000mm射漿管，全長一次注漿。注漿壓力為4～6Mpa?；瘜W注漿加固化學注漿正常在硐室拱肩部位進行，底部鉆孔距底板高度為2500mm，呈矩形布置，排距3000mm，間距2200mm，孔深全部4000mm，如圖5(b)所示。終止壓力為6～8MPa。預計單孔注漿量200～300kg，最大單孔注漿量500kg。幫頂圍巖支護錨索呈矩形布置，排距1600mm，間距1600mm，如圖5(c)所示。采用1支K2335和2支Z2360的低黏度錨固劑端部錨固，錨固長度1970mm，剩余部分采用水泥漿錨固;幫底角錨索參照底板錨索的錨固方式施工。幫底角錨索預緊力≥180kN，其余錨索預緊力≥250kN，錨索孔終止壓力2～3MPa。

3.2支護效果為對硐室采用加固支護的效果進行評價，現場硐室加固施工完成后，在換裝硐室內安裝兩組表面位移測站，監測巷道表面位移的變化情況見圖6。由硐室圍巖表面位移監測結果可知，換裝硐室全斷面進行圍巖綜合加固后，圍巖表面兩幫移近量最大值均為8mm，底板變形最大值13mm。巷道圍巖加固后無明顯變形，區域圍巖穩定，圍巖變形得到有效控制，加固效果顯著。

4結論

(1)巷道斷面尺寸越大，巷道開挖后圍巖應力水平越高，采用錨網支護所形成的支護承載結構的穩定性越差。大斷面硐室相對于小斷面巷道掘進后圍巖內分布的應力水平更高，導致硐室圍巖受更高的應力作用，圍巖體內節理面的結構效應降低。在更高的應力環境中圍巖受到擠壓，產生屈服、剪切滑移，產生塑性剪脹變形和張裂破碎，從而引起硐室全斷面出現大變形;大斷面硐室掘進完成，兩幫形成更高應力集中的峰值區，高應力傳遞到巷道底板，導致底板承受的應力超過圍巖屈服強度，底板開始剪脹變形釋放高應力，底板變形導致幫部圍巖承載結構穩定性進一步降低，從而引起巷道全斷面整體變形破壞。(2)在總結圍巖變形失穩破壞的基礎上，從兩方面對硐室進行加固:一方面提高原有錨網支護承載結構的完整性和強度。通過復合注漿原位加固充填、膠結與破碎圍巖形成一個近似完整性的高強度、高黏聚力的原巖結構條件，增強錨桿錨索等支護體施加于圍巖表面的預應力傳遞能力。另一方面采用預應力全長錨固的強力錨索進行結構補償，提高支護－圍巖承載結構的結構穩定性和圍巖抗剪脹變形的能力。(3)對于關鍵性的大斷面永久硐室，圍巖變形控制要求高，底板布置有大量的設備和基礎，必須采用預應力全長錨固的強力錨索加固底板，有效控制底板穩定變形，保證硐室設備和基礎安全，而且試驗表明底板的穩固能提高幫拱支護承載結構的穩定性。(4)這種高強穩定型綜合加固支護技術，有效控制了大斷面關鍵性硐室圍巖大變形，取得了良好的加固效果和經濟效益。

作者：薛軍正都海龍單位：中國礦業大學晉城煤業集團