中馬村礦39泵房圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)技術(shù)

中馬村礦39泵房圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)技術(shù)

礦山開(kāi)采道路需要很長(zhǎng)時(shí)間，變形很小。一般來(lái)說(shuō)，它應(yīng)該盡可能地配置在相對(duì)穩(wěn)定的巖石中。而巖石是一種具有彈性、塑性、時(shí)間效應(yīng)等復(fù)雜性質(zhì)的材料,布置在穩(wěn)定巖層中的開(kāi)拓巷道,隨著礦井服務(wù)時(shí)間的延長(zhǎng),或受其周?chē)С袎毫ψ饔?巷道圍巖體會(huì)具有明顯的時(shí)間效應(yīng),即處于穩(wěn)定狀態(tài)下巷道圍巖會(huì)發(fā)生損傷,支護(hù)物和圍巖間的平衡被打破,支護(hù)被破壞,從而造成巷道圍巖形成較大的松動(dòng)范圍。破碎區(qū)圍巖的性質(zhì)與破碎之前相比,有較大的差異。為了改善巷道維護(hù)狀況,可采取2種有效措施:改善圍巖結(jié)構(gòu)性能和采取合理的支護(hù)方式。在巷道圍巖加固方面,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外行業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行了大量的探索,并取得了一些成果,如采用圍巖注漿加固、錨桿支護(hù)技術(shù)、U型鋼封閉支架等。注漿作為一種支護(hù)手段,參與巷道變形與穩(wěn)定過(guò)程,能夠有效控制巷道圍巖變形,顯著改善支護(hù)效果,已顯示出是一種極具潛力的巷道圍巖控制技術(shù)。國(guó)內(nèi)外巷道圍巖注漿實(shí)踐表明,巷道圍巖注漿加固并不是總能達(dá)到預(yù)期目的,常常起不到作用或作用甚微,理論和相關(guān)研究的滯后嚴(yán)重影響了巷道圍巖注漿控制技術(shù)的推廣應(yīng)用。錨桿支護(hù)可以施加較大的預(yù)緊力,屬于主動(dòng)支護(hù),但在破碎圍巖中,錨桿的可錨性差是造成錨桿支護(hù)的錨固力較小、衰減快甚至錨固失效的根本原因。圍巖發(fā)生較大變形后,錨固力快速衰減,失去對(duì)圍巖的支撐作用,圍巖變形加劇。對(duì)于松動(dòng)范圍大的巷道圍巖,U型鋼封閉支架具有承載能力大、控制底鼓效果好等優(yōu)點(diǎn),在強(qiáng)流變、高應(yīng)力巷道圍巖控制中得到了應(yīng)用;多數(shù)情況下,該類(lèi)型支架和錨桿(索)注聯(lián)合使用,支護(hù)原理為剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)加固、高阻讓壓—高強(qiáng)度支護(hù)等,要點(diǎn)為抗壓、讓壓和移壓相結(jié)合。在軟巖硐室加固方面,何滿(mǎn)潮提出了軟巖巷道工程的三大類(lèi)變形力學(xué)機(jī)制,即物化膨脹型、應(yīng)力擴(kuò)容型和結(jié)構(gòu)變形型,提出了互為印證的軟巖巷道支護(hù)四原則。針對(duì)松軟大變形巷道,高延法在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,提出了井下灌注式鋼管混凝土支架,具有抗彎剛度大、無(wú)異向性、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)松軟大變形巷道及沖擊地壓(巖爆)環(huán)境中的巷道圍巖控制,何滿(mǎn)潮提出了恒阻大變形錨桿,該錨桿能夠有效吸收巷道圍巖在緩變過(guò)程或動(dòng)載荷過(guò)程中所釋放的能量,并且能夠保證錨桿的高工作阻力,實(shí)現(xiàn)恒阻特性。1井田內(nèi)大斷層發(fā)育中馬村礦井田面積16.90km2,總體呈單斜構(gòu)造,產(chǎn)狀走向N45°~60°E,傾向SE,傾角8°~15°。井田內(nèi)大斷層為高角度正斷層,多分布在井田邊緣;中小斷層發(fā)育褶皺較少,對(duì)生產(chǎn)影響不大。-390m水平39采區(qū)泵房(圖1)施工后出現(xiàn)多次破壞,多次返修加固。隨后再次出現(xiàn)變形破壞,兩幫及底板發(fā)生嚴(yán)重變形,尤其底板變形導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)發(fā)生破壞,影響設(shè)備的正常運(yùn)行,對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響,必須再次對(duì)其進(jìn)行返修加固。2圍巖破壞特征(1)工程地質(zhì)條件。39泵房位于-390m水平,埋深約540m,南部距九里山大斷層120m,位于二1煤層頂板中,下距二1煤層頂板15~25m,煤層頂板依次為泥巖均厚0.5m、砂巖均厚8m、粉砂巖均厚4m、砂巖均厚5m。39泵房所處圍巖為灰色中粒砂巖、粉砂巖,巖性較為破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育,砂巖富含云母碎片,層面富含植物化石,性脆,易風(fēng)化。泵房初始設(shè)計(jì)為直墻半圓拱,寬6.0m,巷高5.5m,長(zhǎng)80m。(2)初始支護(hù)及歷次維修情況。泵房初始支護(hù)為錨網(wǎng)索噴注+36U型鋼封閉支架支護(hù)。泵房于2007年1月開(kāi)始施工,4月底結(jié)束,當(dāng)年6月初巷道損壞、變形,巷幫收斂嚴(yán)重,已不能滿(mǎn)足機(jī)電設(shè)備安裝要求。2009年6—9月,對(duì)39泵房進(jìn)行返修,2010年10月,硐室再次變形破壞加劇,影響正常使用。(3)圍巖表面破壞特征?，F(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn),U型鋼棚兩幫及頂部多為空幫、空頂,且體積和面積較大,兩幫收斂劇烈(兩幫距地坪約1.2m拉桿位置U型鋼變形嚴(yán)重,收縮量最大),U型鋼支架?chē)?yán)重扭曲,噴體掉落,底鼓變形導(dǎo)致電氣、機(jī)械基礎(chǔ)發(fā)生破壞,嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行。(4)圍巖深部破壞特征。采用鉆孔窺視儀對(duì)泵房硐室圍巖深部破壞松動(dòng)情況進(jìn)行了鉆孔窺視分析。從窺視結(jié)果看:幫部破壞范圍和程度比頂部要嚴(yán)重,幫部0~7.5m范圍內(nèi)圍巖破壞非常嚴(yán)重;頂部0~2.0m范圍圍巖破壞嚴(yán)重,出現(xiàn)較多裂隙離層,深部圍巖整體狀況較好,破碎程度很小。3圍巖穩(wěn)定性分析綜合分析認(rèn)為,39泵房變形破壞是圍巖流變、地應(yīng)力、采動(dòng)影響、斷層作用、施工質(zhì)量等多種因素作用的結(jié)果。(1)硐室圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)。圖2為典型的反映巖石時(shí)效性的蠕變曲線。從曲線形態(tài)看,巖石蠕變有3個(gè)階段:Ⅰ—瞬態(tài)蠕變階段(AB);Ⅱ—穩(wěn)定蠕變階段(BC);Ⅲ—穩(wěn)態(tài)蠕變階段(CD)。39泵房圍巖經(jīng)過(guò)了2a的穩(wěn)定變形,其穩(wěn)定應(yīng)變速率很小,近似為零,處于穩(wěn)態(tài)蠕變階段。而最近幾個(gè)月硐室出現(xiàn)不穩(wěn)定變形,說(shuō)明圍巖進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)蠕變階段,變形速度加快,因此需對(duì)硐室圍巖進(jìn)行加固,改善圍巖的承載結(jié)構(gòu),從而保持圍巖穩(wěn)定或促使圍巖重回到穩(wěn)定蠕變變形階段。(2)埋深大,地應(yīng)力高。中馬村礦39泵房位于-390m水平,埋深約540m,自重應(yīng)力11~15MPa,水平應(yīng)力22~30MPa。在高應(yīng)力下,巖石呈現(xiàn)出流變性質(zhì),隨時(shí)間推移,硐室必然發(fā)生嚴(yán)重的底鼓和兩幫收縮,采用一般支護(hù)方法很難奏效。(3)圍巖本身性質(zhì)。從現(xiàn)場(chǎng)考察看,39泵房所處圍巖為灰色中粒砂巖、粉砂巖,巖性較為破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育,砂巖富含云母碎片,層面富含植物化石,性脆,易風(fēng)化。(4)斷層和采動(dòng)影響。39泵房南部距九里山大斷層110m,落差300~650m;西為九里山斷層伴生的中六斷層,落差0~25m。巷道掘進(jìn)時(shí)揭露有1條落差2.0m的斷層。受斷層和39采區(qū)采動(dòng)影響較大。(5)施工質(zhì)量影響。39泵房最初的支護(hù)方式為錨索噴+U型鋼棚支護(hù),底部有反底拱,并在反底拱上部澆筑混凝土機(jī)械基礎(chǔ),但考察發(fā)現(xiàn),架鋼棚時(shí),棚后并沒(méi)有背實(shí),導(dǎo)致支架受力不均,兩幫下部和底部充填密實(shí),受力較大,發(fā)生劇烈收縮和底鼓,而頂部和兩幫上部空頂、空幫,處于待壓狀態(tài),在下部受力情況下,支架上部向上拱起(圖3)。4錨桿錨索加固根據(jù)目前的研究成果并結(jié)合39泵房具體條件,考慮泵房圍巖呈現(xiàn)軟巖特征,并經(jīng)歷了多次返修,圍巖松動(dòng)范圍大,周?chē)删蛐蝿?shì)復(fù)雜。認(rèn)為單純的主動(dòng)支護(hù)已無(wú)法保證硐室圍巖的穩(wěn)定性,三修加固宜采用復(fù)合支護(hù),即:錨網(wǎng)索一次支護(hù)+二次U型鋼封閉支架剛性支護(hù)+三次噴射混凝土+注漿加固并澆筑混凝土反拱?？紤]圍巖裂隙松動(dòng)范圍集中在0~7.5m及施工機(jī)具和難度問(wèn)題,采用錨桿掛網(wǎng)錨固淺層圍巖,通過(guò)錨索將外圍松動(dòng)圍巖錨固到深部相對(duì)完整段。施工前搭好工作臺(tái),將U型鋼棚按照每5棚為1組拆下,施工順序?yàn)橄软敽髱?。U型鋼棚取下后,進(jìn)行擴(kuò)幫、臥底,對(duì)原有錨索進(jìn)行張拉。此次加固錨桿錨索支護(hù)設(shè)計(jì)斷面如圖4所示。錨桿規(guī)格ue07e20mm×2400mm,間排距700mm×800mm,用2支Z2350型樹(shù)脂錨固劑錨固。全斷面鋪設(shè)ue07e6.5mm焊接鋼筋網(wǎng),架設(shè)ue07e14mm圓鋼鋼筋梯。錨索間排距為1400mm×1500mm,幫錨索規(guī)格為ue07e17.8mm×8300mm,頂錨索規(guī)格為ue07e17.8mm×7300mm,用4支Z2360型樹(shù)脂錨固劑錨固。全斷面布置8排錨索,每2根錨索掛1根14#槽鋼梁,長(zhǎng)1800mm,槽鋼梁與泵房走向一致。錨桿、錨索施工完畢后,進(jìn)行全斷面噴漿一次,厚50mm。如巷道個(gè)別地段頂板破壞特別嚴(yán)重,需要高強(qiáng)支護(hù),在錨索梁間布置點(diǎn)錨索加強(qiáng)支護(hù),點(diǎn)錨索和錨索梁交錯(cuò)使用。點(diǎn)錨索規(guī)格為ue07e17.8mm×7300mm。錨索施工采用先頂部、后兩幫的施工順序。錨索施工完畢,重新架設(shè)U型鋼棚,并噴漿,厚150mm,打造注漿止?jié){層。考慮硐室的圍巖性質(zhì)和靜水壓力等因素,注漿壓力選擇4.52MPa。注漿孔間排距2.0m×3.0m,“三花”眼布置,孔徑32mm,深5m。加固材料采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥單液漿,注漿管直徑25.5mm,長(zhǎng)3.2m,注漿施工中可依據(jù)噴射混凝土的質(zhì)量及破壞情況適當(dāng)調(diào)整注漿孔的間排距,以達(dá)到較好的加固效果。5圍巖注漿效果泵房整修224d后,其兩幫累計(jì)最大變形量18mm,變形速率最大為0.5mm/d,后期為0;頂?shù)装謇塾?jì)最大變形量3mm,底鼓量最大2mm,頂沉1mm;兩幫變形大于頂?shù)装遄冃瘟?。返修加固后泵房直墻、拱肩、頂板處和吸水小井表面平?支架完好,底板平整,未出現(xiàn)有害的裂縫等情況(圖5)。采用鉆孔窺視儀對(duì)圍巖深部加固效果的窺視結(jié)果表明:注漿后,圍巖裂隙得到一定程度的填充,裂隙發(fā)育減少。但由于返修前硐室圍巖松動(dòng)范圍大,加上注漿工藝及深度方面的差異,造成局部地段圍巖仍然比較破碎,需要加大淺部注漿量,漿液濃度應(yīng)大些(后根據(jù)分析結(jié)果,對(duì)局部進(jìn)行了淺部補(bǔ)充注漿)。兩幫的裂隙發(fā)育程度比頂、拱肩處大;在巖體中出現(xiàn)了分區(qū)破裂現(xiàn)象,以拱肩2處鉆孔比較明顯,破裂、破碎區(qū)域交替出現(xiàn)(圖6)。6兩幫裂隙發(fā)育程度(1)分析認(rèn)為硐室圍巖破壞是圍巖流變、地應(yīng)力、采動(dòng)影響、斷層作用、支護(hù)方