大松動圈軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性分析及支護技術

大松動圈軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性分析及支護技術

龐莊礦張小川水庫是一種泉水和輔助井的兩種類型?；A水平為1575m，下降深度為1606.27m。石門、巷道在掘進支護較短時間后,出現巷道頂板下沉、兩幫變形開裂、底鼓等圍巖壓力顯現問題。如不及時處理,將影響運輸設備的安裝使用,易導致輸送帶跑偏、機器損壞等事故。經設點觀測和技術分析,認為在高應力作用下,軟巖的性質已發(fā)生了很大變化,圍巖的能量釋放在大幅增加。通過對已施工并發(fā)生變形破壞的軟巖巷道,進行松動圈測試,其松動圈半徑達2m以上,最高達3.2m,屬大松動圈軟巖。本文介紹了龐莊礦張小樓井-1010m輸送機頭部硐室在軟巖內的支護技術和方法。1煤倉浚倉發(fā)揮混凝土作用張小樓井-1010m輸送機頭部硐室設計長54m,掘進斷面為31.55m2。主體硐室尾部設有煤倉,兩邊設有電機、張緊絞車和電氣控制硐室。該硐室及煤倉自1997年5月份開始施工,1999年6月份全部施工結束。該硐室穿過的地層位于山西組中部砂頁巖互層內,屬河床沖刷帶,巷道方向斜交砂頁巖互層面。砂頁巖互層膠結差,節(jié)理發(fā)育,滑面較多,內含直徑100mm礫石,巖石松散破碎,圍巖抗壓強度低,級別為V類。2二級維護原則和技術(1)形量大、自穩(wěn)時間長的特點在深部軟巖內開掘硐室,具有圍巖壓力大,變形量大、自穩(wěn)時間長的特點。通過采用二次支護技術,使先期支護的讓壓來緩沖圍巖的膨脹壓力,后提高支護工作阻力,控制圍巖變形。(2)錨巖組合支撐拱圍巖在錨桿主動支護的作用下,可鎖緊破碎巖體,提高巖體的自身強度,形成錨巖組合支撐拱。鋼筋網、金屬網和噴射混凝土支護,對圍巖進行封閉,防止圍巖的風化和剝落,有效地提高了錨桿支護能力,增強了圍巖支護結構體的承載能力。(3)圍巖自身強度由于軟巖層松散破碎,通過注漿注入水泥漿液,使松散的圍巖膠結成一整體,改變了圍巖的松散狀態(tài),提高了巖體的內摩擦角和內聚力,從而提高了巖體的強度和圍巖的整體穩(wěn)定性以及圍巖本身的承載能力。漿液擴散大于圍巖松動圈范圍,使錨桿的錨固作用得以發(fā)揮,錨固力增大,組合支護體系的支撐能力得到進一步提高。3錨網噴支護鑒于大斷面頭部硐室的特殊使用要求和穿過軟巖的地質特性,經過反復研究,最終確定采用“先柔后剛”二次支護技術方案。即拱墻一次掘出,初次使用錨網噴支護,待圍巖應力釋放、硐室卸壓變形穩(wěn)定后,再進行二次支護。二次支護采用鋼筋網和錨噴注漿聯合支護。底板采用混凝土反拱和錨網注漿的支護技術方案。因硐室斷面大,圍巖穩(wěn)定性差,為減少硐室全斷面掘進暴露時間,以便及時支護,確保施工安全,硐室施工分為上下兩部分,即上部分掘高為4.6m,由拱頂和墻上幫組成;下部分掘深2.21m,為拱底型式,由墻下幫和反拱組成。3.1錨網支護和復噴混凝土初次支護為硐室上部分,采用正臺階法施工。上臺階高為3m,下臺階高為1.6m,臺階長6m。上下臺階掘出后初噴50mm厚混凝土,封閉圍巖,減少風化,隨后進行錨網支護。錨桿采用?18mm螺紋鋼筋,長1.8m,間排距0.7m,快硬水泥藥卷,全長錨固。金屬網采用8號鐵絲網,網格80mm×80mm。復噴工作在下臺階的后方進行,噴混凝土厚50mm,噴混凝土強度為C20。硐室初次支護結構如圖1所示。3.2頂板和底鼓受力變形機頭部硐室經初次支護后,在全長54m范圍內設10組觀測基點、54個測點,對硐室拱頂、肩窩、幫、底板定期觀測達9個月。開始6個月,硐室變形量較大,底鼓明顯,頂板下沉290～570mm,兩幫及底板移近量達300～500mm,特別是垂直于巖層面的頂板和底幫受力變形較大(圖2)。后3個月,硐室變形量很小,為20mm左右,硐室趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當硐室變形趨于穩(wěn)定后,對硐室全長54m變形破壞段,采用刷大挖除變形破壞圍巖至初次支護的設計毛斷面,仍采用錨網噴初次支護形式進行處理,為全斷面二次支護創(chuàng)造條件。3.3錨固及鋼筋網布置在初次支護的基礎上,對硐室上部分采用鋼筋網和錨噴聯合加強支護。錨桿采用直徑22mm,長2.5m左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿,間排距0.85m,菱形布置。錨固劑為K2830型樹脂藥卷,錨固長度600mm。螺母扭矩為100N·m。鋼筋網采用直徑18mm螺紋鋼筋,間排距0.25m。噴混凝土厚度為100mm,噴混凝土強度C20。錨注錨桿采用直徑22mm、4mm鋼管制成,長2m,間排距1.7m×0.85m,注漿水泥為42.5號普通硅酸鹽水泥,單液注漿,水灰比為0.7～1.0,注漿壓力為1.5～2MPa。3.4錨桿支護、錨注支護方案n硐室墻下幫支護,與墻上幫和拱頂的二次加強支護相同,噴混凝土總厚為200mm。為防止硐室底鼓、底腳變形,硐室底部采用反拱形式。反拱結構采用鋼筋網、錨桿和混凝土封底及錨注聯合支護。反拱鋼筋網采用直徑18mm螺紋鋼筋,間排距0.3m;錨桿采用直徑18mm、長1.8m,間排距0.7m,快硬水泥藥卷錨固;反拱混凝土厚200mm,混凝土強度C30;錨注錨桿長1.5m,間排距2～3m(圖3)。4支助劑的生產4.1支持設備(1)氣動錨桿鉆機硐室拱頂錨桿孔采用MQT-85J2型氣動錨桿鉆機,鉆孔直徑32mm。硐室兩幫及反拱底錨桿孔采用YT-27型鑿巖機鉆眼,孔徑32mm。(2)孔徑分布圖1錨注錨桿孔用YT-27型鑿巖機鉆眼,孔徑42m。注漿用KBY-50-70型注漿泵,最大排量50L/min,最大工作壓力為7MPa。4.2施工工藝(1)安裝錨桿、板墻上下臺階爆破,出矸→對拱頂及兩幫初噴50mm厚混凝土→打拱頂、兩幫錨桿孔→安裝拱頂、兩幫錨桿和掛金屬網→全斷面復噴50mm混凝土成巷。(2)錨桿安裝錨桿、掛金屬網局部挖除變形圍巖到毛斷面→初噴50mm厚混凝土→打錨桿孔→安裝錨桿、掛金屬網→噴漿50mm到初次支護凈斷面→打拱頂、兩幫錨桿孔→安裝錨桿→扎鋼筋網→復噴100mm成巷→打拱頂錨注錨桿孔→安裝錨注錨桿→對頂、幫注漿。(3)安裝錨桿、注漿錨桿、錨桿挖底刷幫掘反拱→兩幫初噴100mm混凝土→打兩幫、底腳及反拱底錨桿孔和注漿錨桿孔→安裝錨桿和注漿錨桿→扎兩幫和反拱鋼筋網→澆灌混凝土反拱→兩幫復噴100mm厚混凝土→對反拱底和兩幫注漿→用碎石及砂漿充填反拱→打設備混凝土基礎,砌墻、充填、抹面→收尾結束。5主要施工技術經驗(1)地面爆破試驗在軟巖中掘進,因圍巖松軟破碎,為防止冒頂和破壞,鑿炮眼前,先在工作面的頂部打8根管縫式錨桿超前護頂。管縫式錨桿直徑43mm、長1.8m,初錨力40kN。為了減少爆破對頂板圍巖的沖擊震動破壞和擾動,增強頂板的整體穩(wěn)定性和完整性,周邊眼采用間隔孔裝藥,眼距200～250mm,炮眼直徑42mm,抵抗線500mm。二號硝銨炸藥,周邊眼集中度為0.07～0.1kg/m。經采用超前錨桿和光爆技術后,硐室頂板圍巖成型較好。(2)變形破壞情況頭部硐室兩邊的耳硐與硐室連接處和硐室兩底腳是應力集中區(qū)和支護薄弱區(qū),易出現變形破壞。為此,對兩邊耳硐連接處門口向里增加3排2.5m長等強錨桿,并采用錨注加固支護處理;對硐室兩底腳采用45°底腳錨桿,并采用錨注支護技術。經使用后,沒有出現變形現象。(3)錨桿孔口部打錨桿孔光爆后,為減小圍巖風化,采用噴混凝土及時封閉,解決在軟巖內打錨桿孔,易造成孔口震動破壞、塌孔和錨桿托板、金屬網不貼巖面及錨固效果差的問題。采用先噴后錨網支護和小鉆孔、小藥卷與錨桿三徑匹配技術,提高了錨桿支護質量和支護效果。(4)等強錨桿螺釘二次固定法等強錨桿安裝后,為加大錨桿的錨固力,在復噴前,對等強錨桿螺母進行二次緊固。確認緊固后,螺母扭矩由100N·m增大到150N·m,提高了等強錨桿的支護能力和大斷面硐室的承載能力。6解決圍巖釋放期變形問題在