影響軟岩巷道穩定的主要因素
(1)岩性因素:岩體本身的強度、結構、膠結程度及膠結物的性能,膨脹性礦物的含量等影響軟岩巷道變形的內在因素。
(2)工程應力的影響:它是造成圍岩變形的外在因素,具體涉及垂自應力、構造應力、殘餘應力、工程環境和施工的擾動應力,及鄰近巷道施工、采動影響等,特別是在多種應力相互迭加的情況影響更大。
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(3)水的影響:包括地下水及工程用水,尤其是對膨脹岩,水對其變形的影響極大,水不僅造成粘土質岩的膨脹,同時還大大的降低了岩石的強度。
(4)時間因素:流變是軟岩的特性之一,巷道的變形與時間密切相關。
2.4深井軟岩巷道的階段性變形特征
(1)掘巷之初的劇烈變形和應力調整階段,隨巷道圍岩裂隙的發育,變形速度快速衰減,同時圍岩變形量增長很快。初期來壓快,變形量大,軟岩巷道自穩能力很差,如不加控製很快就會發生岩塊冒落、巷道破壞。但如果用不適應軟岩大變形特點的剛性架,也將很快被壓壞。
(2)二次應力場初步形成,破裂範圍趨向穩定的穩定變形階段,圍岩變形速度基本保持一致,位移量表現為緩慢增長。多為非對稱環向受壓,且巷道開挖後不僅頂板變形易冒落,底板也將產生強烈底臌,如巷道支護對底板不加控製,往往出現強烈底臌並引發兩幫破壞、頂坍落。
(3)應力擾動、圍岩長時強度降低、采動影響等導致圍岩穩定性降低,圍岩進一步加速變形階段。超過臨界深度,支護的難度就明顯增大,且軟岩巷道變形在不同的應力作用下,有明顯的方向性。軟岩的失水和吸水均可造成軟岩發生膨脹變形破壞或泥化破壞。
淮南礦區深部岩巷主動加固新技術
將高強預應力錨杆及時支護和圍岩開挖擾動區滯後注漿加固相結合是目前深部岩巷圍岩穩定控製的有效途徑,由四項關鍵技術構成:1)錨杆高預應力施加技術 2)超高錨杆強杆體材料與製作工藝 3)巷道底部錨杆眼成孔技術 4)圍岩開挖擾動區滯後注漿工藝。這四項技術是一個有機的整體,缺一不可,任何一個環節把握不當,都有可能造成深部巷道支護的失敗。
1)錨杆高預應力施加技術
給錨杆施加高預應力是恢複和改善圍岩應力狀態的有效途徑。錨杆高預應力施加技術中,預應力量值的控製是技術的關鍵,預應力施加機具是該技術實現的根本途徑。要使圍岩應力狀態得到有效的恢複和改善,錨杆預應力必須達到足夠的量值。
近五年來淮南礦區深部岩巷的支護研究與實踐表明,對埋深800~900米、水平應力20~25MPa、垂直應力15~20MPa、橫斷麵寬度為4~5米的直牆半園拱形巷道,設計最大錨固力一般都在200~250kN左右,預應力應達到100~120kN。如此高的預應力必然要求施工機具有足夠的扭矩,一般在扭緊螺母時相應的扭矩應達到500~800N.m。
MQS90J2型風扳機,可提供600Nm以上的扭矩,預應力100KN以上
2) 超高強錨杆杆體材料與製作技術
隨著錨杆預應力和最大設計錨固力的提高,錨杆杆體材料的強度也要相應提高,這就要求深部岩巷支護必須采用超高強錨杆。考慮到滿足圍岩支護要求的錨杆長度在2~2.5m的實際情況及現場鑿岩效率的需要,鑿岩機鑽頭直徑以28mm為宜,鑽頭直徑過大會降低鑿岩效率和鑽進速度,過小則會使錨杆直徑相應變小,無法確保錨杆對於維護圍岩穩定所必須的強度。同時,為了確保樹脂錨固劑的粘結強度,錨杆杆體、樹脂錨固劑和錨杆孔三者必須做到直徑匹配。
目前市場上的φ22Ⅳ和V級建築螺紋鋼杆體材料的屈服強度為540~650MPa,能夠承受的屈服荷載為205~240kN,比Ⅱ級螺紋鋼錨杆高80%,比Q235普通錨杆材料高3~4倍,而且價格低廉,每噸鋼材僅比Ⅱ級螺紋鋼高100~300元人民幣,這就為深部岩巷采用高強,甚至超高強錨杆提供了便利條件。
3)底錨杆眼成孔工藝技術
高強預應力錨杆仍是高效經濟的底板支護措施。但要在巷道底板進行錨杆支護,首先必須解決在巷道底板上打錨杆孔的技術難題。和在兩幫和頂拱上打眼相比,在底板上打眼岩粉難以排除,達到一定深度後由於岩粉積聚在孔內產生較大的阻力,鑽進難以繼續。因此,必須研製專用的底錨杆施工機具。到目前為止,雖然進行了多種嚐試,但還沒有研製出十分理想的機具。在這種情況下,為了進行巷道底板的支護,隻能借助於現有的施工機具進行工藝上的改進。通過加大風壓和水壓,並對施工人員進行專門的培訓後,利用現有的風錘或煤電鑽,也可在底板上打出1.5~2.0m深的鑽孔,而且效率也不低,完成每個底板孔施工僅需3~4分鍾。
4)滯後注漿技術
滯後注漿加固的作用機理體現在兩方麵:(1)對圍岩裂隙的固結增強作用。注漿後,圍岩裂隙得到粘結,提高了圍岩的完整性,使得裂隙的抗剪強度和剛度大大提高,表現為圍岩的整體抗拉剪強度(包括內聚力和內摩擦角)大大提高;漿液充填到裂隙中固結後形成新的網絡骨架結構,使得裂隙岩體的變形模量明顯提高;裂隙充填後,其端部應力集中大大削弱甚至消失,改變原來的裂隙擴展破壞機製,遏製了圍岩的流變變形。
(2)改善圍岩表麵應力狀態。注漿壓力消散後在噴層與圍岩表麵之間仍存在一定的殘餘應力,在錨噴支護的基礎上進一步增加了作用於圍岩表麵的分布麵力,能更加有效的改善圍岩的受力狀態,提高圍岩強度,維護圍岩的穩定。此外,通過對錨杆孔及周圍裂隙岩體的注漿加固,使端錨型或半長粘結型錨杆轉變為全長錨固型,大大強化了錨杆的錨固性能。
1)地質概況
該巷為新莊孜礦五二采區配風巷,南起Ⅶ線南100m,北至五二采區石門,標高-612m,總工程量約320m。
施工範圍內地質構造十分發育,處於斷層群內,主要斷裂構造為I序次的F11-9~F10-5斷層帶,Ⅱ序次的Fa、F10-5(12),、F10-5(11)、 F10-5(10)逆斷層,及其附生斷裂構造,均為斜切正斷層,地層斷距為3.5~450m,發育狀態不穩定,控製程度低,因而巷道岩層破碎,應力集中,地層產狀變化大,對井巷工程破壞作用顯著。
本次施工範圍內水文地質情況複雜,主要為砂岩水、構造裂隙水。湧水量預計為1.5~4.5m3/h,大致為靜儲量,並相對穩定。但存在補給水源,預計會長期出水
從上述地質條件描述可以看出,該巷道有如下幾方麵的困難條件:
1)岩性以碎裂的泥岩或泥質岩體為主,遇水膨脹,屬於典型的鬆軟破碎岩層;
2)巷道主體工程位於斷層群內,岩層結構極其複雜,層理紊亂,裂隙十分發育;
3)岩層受斷層影響,掘進迎頭賦存條件變化十分頻繁,施工管理難度很大;
4)斷層構造應力強烈,局部地段應力集中;
5)裂隙水豐富,誘導圍岩泥化膨脹,水害不容忽視。
考慮到該工程圍岩賦存條件變化頻繁,差異較大,所以應根據實際條件,分段治理、因地製宜。由此確定支護技術方案如下:以噴錨注分步動態加固為基礎支護,根據動態礦壓監測分析結果,采用關鍵部位加固綜合治理方案。
2)支護參數設計
(1)初噴薄層混凝土
爆破後及時噴射混凝土封閉圍岩,厚度20~30mm;
(2)頂部高強大預拉力錨網支護參數
采用Φ22×2400mm超強螺紋鋼等強預拉力錨杆加菱形金屬網聯合支護,頂部可采用風動錨杆鑽機配Φ27鑽頭成孔,幫部可采用氣動鑿岩機施工,孔深與錨杆等長;采用加長錨固方式,錨杆間距800mm,排距800mm。錨杆預緊力不小於80 kN。
(3)補打幫部錨杆及關鍵部位加強錨索支護參數
幫部同樣采用Φ22×2400mm超強螺紋鋼大預拉力錨杆加菱形金屬網聯合支護,幫頂采用高預應力錨索係統加強,鋼絞線規格為Φ15.24×5.3m;每斷麵布置5套
(4)底板錨杆加固參數:反拱半徑3000mm,采用Φ22×2400m超強螺紋鋼等強預拉力錨帶網聯合支護加強,每排5套錨杆,間距800mm,排距800mm。
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