車集煤礦軟岩硐室破壞機理及加固技術研究

程東全

0　引　言
　　永城煤電(集團)公司車集 煤礦是 設計生產能力為180萬t/a的現代化大型礦井．該礦井采用一對立井開拓，井筒深度超過600 m，其-550 m水平井底車場位於三煤組頂板岩層中，揭露的主要岩層為泥岩、沙質泥岩、細砂岩，尤其是12 m厚的泥岩波及車場很大範圍，此岩層強度低，層、節理發育，滑麵較多，易風化片落．車場巷道硐室範圍內的落差在2 m左右的次生小斷層較多，給巷道掘進支護增加了難度．該車場巷道均為半圓拱形斷麵， 設計以錨噴支護為主，局部及大硐室為混凝土或鋼筋混凝土砌镟．施工過程中，因地質構造等多種因素造成馬頭門、泵房、變電所等多處破壞，有的雖經多次翻修，仍不能保持穩定，須采取有效的 措施進行修複加固．經方案比較和試驗，最終采用了錨注法支護技術修複了井下硐室工程，取得了良好的效果．
1　井下硐室工程破壞現狀
　　車集 煤礦井底車場巷道自1995年11月施工至今，已有1 500 m左右的巷道發生變形破壞，占 設計工程量的56%，其中嚴重破壞段達1 000 m之多(包括井下咽喉工程的泵房、變電所及副井馬頭門等硐室)．其破壞形式主要為兩幫內擠、頂板下沉、底板上鼓，其造成的錨噴支護巷道大麵積開裂片落，使錨杆連同圍岩整體內移，失去錨固作用．而砌镟混凝土開裂離層，兩幫大量擠進，也嚴重影響了礦井的正常生產與施工．
1.1　副井馬頭門的破壞形式
　　副井馬頭門硐室 設計為錨噴加混凝土砌镟支護．硐室施工後不久即開始產生變形破壞，混凝土镟體開裂，搖台基礎上浮底鼓，無法使用，迫使對搖台基礎及馬頭門兩側5?m範圍內的牆拱進行了破幫返修．但修複後，該工程仍處於變形之中，5 m範圍外的混凝土镟體多處出現縱向裂縫，急需加固．
1.2　中央水泵房的破壞形式
　　中央水泵房設計臨時支護為管縫錨杆錨網噴支護，永久支護為600 mm棚距的礦用工字鋼外澆350 mm厚混凝土支護．支護不到一個月就出現了不同程度的破壞，不但混凝土镟體擠進開裂，而且設備吊梁也扭曲變形，大泵基礎嚴重鼓起，已無法安裝設備．
1.3　變電所的破壞形式
　　變電所與泵房為連體工程，設計支護方式為錨噴、砌镟．該硐室镟體已產生開裂，且兩幫嚴重內擠，最大達300 mm，電纜溝高壓櫃基礎及底板鼓起量達200 mm以上，且底鼓中伴有底板開裂現象．
　　車場主要巷道及硐室施工60 d後變形量統計數據見表1．
表1　主要巷道及硐室變形量統計 序號 名稱 岩性 支護形式 最大變形 底鼓 1
2
3
4 主井馬頭門
副井馬頭門
泵房
變電所 泥岩
砂質泥岩
砂質泥岩
砂質泥岩 混凝土镟
鋼筋混凝土
錨噴、混凝土
混凝土镟 280
370
240
240 430
240
300
300 2　破壞機理 03manbetx
　　車集礦-550 m水平車場硐室支護結構的失穩破壞屬於軟岩中巷道破壞，這類巷道的破壞情況比較複雜，其破壞機理可從以下幾個方麵 03manbetx ．
2.1　岩性軟弱
　　-550 m水平井下泵房等硐室位於泥岩、砂質泥岩中，岩性軟弱破碎、碎脹泥化、強度低、穩定性差，有明顯的擠壓碎脹現象．在強大的上覆岩層壓力作用下，巷道圍岩沿軟弱麵向巷道內擠壓，發生碎脹變形，產生碎脹壓力．當巷道支護結構不足以抵抗圍岩壓力時，巷道即發生變形破壞．
2.2　圍岩裂隙發育和地下水的作用
　　-550 m水平車場巷道、硐室在掘進過程中遇到了許多小斷層，圍岩裂隙極其發育，使錨杆錨固力低，難以形成有效的支護結構．另外圍岩裂隙發育，也加大了作用在支護結構上的鬆散壓力和變形壓力，加劇了巷道的變形破壞．
　　該車場上距K5砂岩含水層較近，一些巷道硐室長期處於淋水浸水狀態，嚴重削弱了圍岩及底板岩層的承載能力，引起巷道發生底鼓及兩幫收斂．圍岩在水的作用下，其力學性能發生很大變化，如三煤層頂板泥岩在水的作用下，其軟化係數達0.10～0.24，彈性模量由自然狀態下的8 400 MPa降到2 300 MPa，降低了72.6%，抗拉強度降至天然狀態的1/8．圍岩強度的降低，必然使得支護結構的承載能力顯著下降，並進一步導致圍岩塑性區範圍的擴大．
　　據中國 礦業大學1996年4月的測試研究表明：車集礦車場巷道圍岩的鬆動圈範圍達2 m以上，不穩定圍岩．
2.3　設計及施工不當
　　車集礦井底車場巷道布置過於集中，且許多臨時硐室也集中布置在車場內，出現巷道、硐室縱橫交錯、立體貫通的局麵．在此情況下，各硐室的先後施工造成硐室圍岩應力多次重新分布，以及後續工程施工的爆破振動，使先期施工的工程多次受到壓力擾動而破壞．而巷道成形不好、支護不及時、爆破振動控製不利及施工質量方麵存在的問題，也是造成圍岩鬆動失穩的原因之一．
2.4　底鼓機理 03manbetx
　　巷道的底鼓有兩方麵的原因，一是作用在支護結構上的各種荷載較大，通過頂傳遞到牆、再作用在巷道底板岩層上，從而造成底板荷載集中度較大，使其在底板承載能力不足的情況下必然產生塑性變形，導致底板破壞鼓起．底板發生底鼓，必然影響幫的穩定，出現內擠、傾斜、失穩，且兩幫內擠失穩也擴大了底板岩層梁的跨度，加速了底板岩層的底鼓．其二是由膨脹應力引起的．膨脹應力來自兩個方麵：一是長期被高壓壓實的岩石失去這個壓力後，在應力重新分布的過程中，一些岩石會出現彈塑性膨脹；二是一些含有蒙脫石等強膨脹性粘土礦物的岩層，風化吸水後劇烈膨脹，使得巷道的底板不穩定，從而出現底鼓現象．
3　井下硐室工程修複加固方案
　　修複加固方案是根據地質資料、圍岩鬆動圈大小、硐室破壞情況及破壞原因而製定的．通過對車集礦井底車場巷道硐室破壞情況的調查，以及對其破壞原因及機理 03manbetx 可知，巷道的破壞是由多種因素綜合使用的結果．因此，防止巷道破壞也應采取多方麵的 措施，使巷道的變形和破壞控製在允許的範圍內．
　　通過分析比較和多次討論，最後確定了-550 m水平井下硐室頂及兩幫采用長、短組合錨杆注漿加固方案，底板臥底後亦采用底板組合錨杆注漿加固方案．
4　錨注法支護機理
　　錨注法加固方案是在錨噴或混凝土砌镟支護基礎上，增加長短注漿錨杆、樹脂錨杆、底板錨杆等，並進行壁後注漿，以增加支護結構的整體性和承載能力．該方案既具有錨杆支護的柔性與讓壓作用，又具有砌镟的剛性支護作用，組成了多種支護體係以共同維持巷道硐室的穩定，但其關鍵技術仍在於錨注法支護技術．注漿錨杆集錨固與注漿為一體，利用注漿管兼做錨杆，通過向注漿錨杆注入漿液，封堵圍岩裂隙，隔絕空氣，防止圍岩風化及圍岩被水浸濕而降低強度．注漿錨杆注漿後將鬆散破碎的圍岩膠結成整體，從而提高岩體的粘聚力、內摩擦角及彈性模量．注漿後使镟體壁後充填密實，從而避免镟體出現應力集中點而首先破壞．注漿使端頭錨固錨杆變為全長錨固，形成可靠有效的組合拱．漿液充填圍岩裂隙，配合錨噴或錨杆砌镟支護，形成一個多層有效組合拱支護結構，即镟體組合拱、錨杆壓縮區組合拱、漿液擴散加固拱及镟體與壓縮區之間的漿液加固拱．多層組合拱既擴大了支護結構的有效承載範圍，又提高了支護結構的整體性能和承載能力(如圖1所示)．

　　由於注漿使得組合拱厚度加大，從而減小了作用在底板上的荷載集中度，減少了底板岩石中的應力，減弱了底板的塑性變形，減輕了底板的底鼓．底板的穩定有助於兩幫的穩定，在底板兩幫穩定的情況下，又能保持拱頂的穩定．頂板的穩定不僅僅取決於頂板荷載，在非破碎帶中，關鍵取決於底板與兩幫的穩定．因此，注漿支護的重點是保證底板與兩幫的穩定，從而保證整體支護結構的穩定．
　　如果錨杆長度增加到4.0～5.0 m，就可使錨杆伸入到較穩定的岩層中形成較大的組合拱，從而擴大錨杆的控製範圍．
5　加固支護設計及支護參數
5.1　支護結構設計
　　馬頭門設計采用長短組合，錨杆錨注加固．兩幫底角及拱基線部位則布置長注漿錨杆，其餘部位布置樹脂錨杆和普通注漿錨杆，二者隔排均布，錨杆間排距為1.0 m×1.0 m，錨杆間橫向全斷麵采用鋼筋帶連為一整體．
　　中央泵房也采用長短組合錨杆錨注加固，兩幫底角以及拱基線部位則布置兩根長注漿錨杆，其餘的部分采用全斷麵普遍注漿錨杆與樹脂錨杆支護，每兩排樹脂錨杆間加一排注漿錨杆，錨杆間排距為1.0 m×1.0 m，錨杆間橫向全斷麵采用鋼筋帶連接，底板臥底後采用組合注漿錨杆、樹脂錨杆同排布置，間排距為1.0 m×1.0 m．中央變電所兩幫先破幫涮大至設計斷麵尺寸，然後再采用注漿錨杆、樹脂錨杆聯合支護，兩類錨杆隔排布置，錨杆間排距為800 mm×800 mm．錨杆橫向采用鋼筋帶連為一體，底板采用注漿錨杆與樹脂錨杆同排布置注漿加固方法，間排距為800 mm×800 mm．泵房支護結構如圖2所示．

5.2　支護參數的確定［1］
　　長注漿錨杆采用Ø30 mm的無縫鋼管製作，長4 m，兩個樹脂藥包錨固．為便於注漿，在管體上交錯鑽有Ø8 mm出漿孔．普通注漿錨杆采用Ø20 mm焊接管製作，長2 m，一個樹脂藥卷錨固．鋼筋帶采用Ø14 mm螺紋鋼點焊而成．
　　注漿采用水泥—水玻璃單漿液，水泥為425號普通矽酸鹽水泥，水玻璃濃度為40～50°B′e，主要是作為速凝劑．水灰比為0.8～1.2，水玻璃摻量為水泥重量的3%～5%，而注漿壓力為0.8～1.0 MPa．
6　加固效果及結論
6.1　硐室變形量測試
　　為便於掌握圍岩的變形規律和變形量，了解圍岩的鬆動範圍，保證硐室的支護效果，在施工過程中對泵房、變電所硐室進行了圍岩表麵收斂變形測試．泵房設置了3個斷麵，變電所設置了2個斷麵，測試時間3個多月．
　　測試數據表明，泵房兩幫在測試期間總變形量為25 mm，頂底板移近量為20 mm；變電所兩幫總變形量為15 mm，頂底板移近量為10 mm．由測試結果看，泵房、變電所兩硐室的表麵收斂變形量均較小．
6.2　加固效果
　　泵房、變電所硐室采用注漿錨杆、樹脂錨杆聯合錨注支護後，使得已鬆動破碎的圍岩又成為一個整體，其承載能力大大加強，並保證了錨杆的錨固力，形成了更有效的組合拱．因此，泵房變電所加固施工後，至今已有8個多月，硐室變形量很小，圍岩已趨於穩定(馬頭門外側修複加固後，兩幫及底板保持穩定)．
6.3　結　論
　　(1)將長、短注漿錨杆及樹脂錨杆組合成群體支護體係，利用注漿錨杆注漿加固鬆散、破碎的圍岩，將它們膠結成為一個整體，提高了圍岩岩體強度、內摩擦角和圍岩的自承載能力，且能形成擴大的組合拱，降低了應力集中度，也提高了支護結構的承載能力和穩定性，減少了底鼓．因此，這是一種非常可靠、有效、經濟合理的支護技術．
　　(2)實踐表明底板注漿錨杆作為支護結構的一部分，能起到傳遞荷載、控製底鼓的作用，並能有效地控製底鼓．
　　盡管錨注加固技術已初步取得了較好的技術經濟效果，但還有許多方麵需要完善和改進，如注漿參數．特別是注漿量的確定有待於進一步優化，注漿材料的選擇也直接影響注漿量及注漿成本，施工質量有待於進一步提高等．
作者簡介：程東全，男，1965年生， 工程師．
作者單位：永城煤電(集團)公司車集 煤礦　永城476600
參考文獻
［1］易恭猷，韓立軍，林登閣．極不穩定巷道合理支護技術研究．中國煤炭，1996(6)：32～34