深井高應力軟巖中央泵房穩定性控制技術研究＊

喬衛國 呂言新 林登閣 李 睿 張彥奇

(1.山東科技大學,山東省青島市,266510;2.山東省土木工程防災減災重點實驗室,山東省青島市,266510;3.煤炭工業濟南設計研究院有限公司,山東省濟南市,250031)

深井高應力軟巖中央泵房穩定性控制技術研究＊

喬衛國1,2呂言新1,2林登閣1,2李 睿1,2張彥奇3

(1.山東科技大學,山東省青島市,266510;2.山東省土木工程防災減災重點實驗室,山東省青島市,266510;3.煤炭工業濟南設計研究院有限公司,山東省濟南市,250031)

龍固煤礦中央泵房埋深855 m,所處地質構造極其復雜,圍巖松動范圍較大,支護結構極易失穩破壞。為保障中央泵房支護結構的穩定性,龍固煤礦通過優化高強讓壓錨桿、注漿錨索、錨注等綜合支護措施加固中央泵房,實現了對中央泵房的穩定性控制。

中央泵房 峒室支護 穩定性 深井 松軟巖層

深井高應力軟巖巷道應力條件復雜,圍巖松散破碎,松動范圍較大,支護結構極易失穩破壞,巷道穩定性差,支護難度大,因此,保障圍巖和支護結構的穩定性是深井支護的重點。深井高應力軟巖巷道治理必須結合深部礦井巷道支護經驗,以科學分析為基礎,對重點工程采用錨網索噴注綜合治理方案,以滿足高應力條件下巷道圍巖大變形穩定控制的要求。高強讓壓錨桿、注漿錨索、錨注等綜合支護技術,有效地改善了圍巖的受力狀態,提高了支護結構的承載能力,控制了圍巖的變形。

1 龍固煤礦概況

龍固煤礦隸屬于新礦集團新巨龍能源有限責任公司,位于山東省巨野縣境內,地面標高為+45 m,開采水平-810 m,主要巷道、硐室埋深在855 m以下,表土厚度達570 m,地應力高達46 MPa,屬于典型的深井厚表土高應力礦井。

礦井地質構造復雜,中央泵房巖層為泥巖、泥頁巖、粉砂巖、細砂巖交互層,普氏系數不超過3～4,而且層理、節理、裂隙發育,圍巖屬于不穩定或極不穩定的類型。

2 原巖應力測試分析

為了了解龍固煤礦井下原巖應力的實際狀態,結合井下施工條件,龍固煤礦布置了4個原巖應力測點,其中-709 m水平和-810 m水平各布置兩個測點。測量結果表明,最大主應力為水平應力,最大水平應力的方向為123～137°,水平應力大于垂直應力,最大水平應力(σhmax)、最小水平應力(σhmin)、垂直應力(σv)以及三者之間的關系見表1。

表1 原巖應力測試結果

從表1可以看出:龍固煤礦原巖應力高,應力狀態復雜,巷道不但受高垂直應力作用,還要受到水平應力的作用;水平應力大于垂直應力;這種以水平應力為主導的特點,對井下巖層的變形破壞方式及礦壓顯現規律有很大的影響。

3 中央泵房支護方案設計

3.1 支護方案

根據臨近深部礦井唐口、濟西、望峰崗等礦井的變形破壞的原因和規律,以及支護設計依據,結合深井支護先柔后剛,適度的讓、有力的抗的原則,對中央泵房采用了錨網索噴一次支護,錨網注噴二次支護方案。錨網索噴一次支護結構圖見圖1,錨注網噴二次支護結構見圖2,泵房基礎底板錨桿及注漿錨桿平面布置見圖3。

圖1 錨網索噴一次支護結構圖

3.2 支護參數設計

(1)錨桿:采用Q500NMG高強預應力讓壓錨桿,規格?22 mm×2500 mm,間排距800 mm×800 mm,Z2350樹脂錨固劑錨固,每根錨桿2卷,設計錨桿預緊力大于50 kN。

(2)金屬網:采用?6 mm的鋼筋焊接制作,網格100 mm×100 mm,網片1100 mm×2100 mm,用10#鐵絲連接。

(3)噴射混凝土:混凝土強度等級C20,噴厚150 mm,混凝土體積比為水泥∶砂∶石子=1∶2∶2,水灰比0.48,水泥標號為32.5R普通硅酸鹽水泥,沙子為純凈的中粗砂,石子粒徑3～5 mm。

(4)拱頂錨索:采用高強注漿鳥巢錨索,規格?17.8 mm×6300 mm,排距2400 mm,拱頂每排4根,每兩根間用16#槽鋼連成組合錨索結構,使用Z2350型樹脂錨固劑錨固,用量3卷,設計預緊力180 kN,錨索張拉后灌漿處理。

(5)錨索組合件:采用16#槽鋼做錨索組合件,槽鋼弧長2700 m,曲率半徑3100 m。

(6)平面錨索桁架:規格?17.8 mm,墻內傾斜錨索長度6300 mm,拉桿長度2500 mm,錨索桁架排距2400 mm。

(7)注漿錨桿:無縫鋼管制作,規格?25 mm×2500 mm,間排距1600 mm×1600 mm。

(8)注漿參數:采用P042.5普通硅酸鹽水泥,水灰比0.6,注漿壓力1.5～2 MPa。

(9)泵房底板采用抗讓結合支護體系,即要求泵基礎底的強度高于泵與泵之間底板強度,并能有效控制底板變形。泵基礎下采用錨梁、錨注、混凝土底板梁,基礎下底板厚200 mm,C30混凝土。兩泵之間底板打2根?25 mm、長1400 mm注漿錨桿,上鋪厚200 mm鋼筋混凝土,鋼筋選用?20 mm螺紋鋼,鋼筋間排距200 mm×200 mm。

3.3 施工工藝

掘進頭放炮初噴1層50 mm厚混凝土封閉圍巖→打錨桿孔、安裝錨桿、掛金屬網→打錨索孔、安裝組合錨索及平面錨索桁架→噴射50 mm厚混凝土→礦壓觀測收斂變形→打注漿錨桿孔、安裝注漿錨桿→注漿→掛網、噴射混凝土→進行底板加固處理。

4 注漿技術和參數

4.1 注漿材料及設備

注漿施工中所需材料主要有注漿錨桿、水泥、減水劑、快硬水泥藥卷等,注漿錨桿按規定尺寸加工,水泥采用425#普通硅酸鹽水泥,減水劑采用UNF型復合早強減水劑。

注漿泵采用SLDB-63/4、QZT-50/6型注漿泵,注漿管路采用?25 mm高壓膠管,其它配件按設計加工,應保證管路連接安全、快速、可靠。

4.2 注漿參數

(1)錨索注漿。采用單液水泥漿,水泥選用525#普通硅酸鹽水泥,水灰比0.4～0.45。為增加其密實性和可注性,可添加1.5%～2.5%左右的高效減水劑。

(2)圍巖注漿。采用單液水泥漿,水泥選用525#普通硅酸鹽水泥,水灰比0.5～0.6,添加水泥重量1.5%～2%的UNF復合早強減水劑,其減水率可達20%～30%,3 d可達設計強度的70%,28 d強度可提高15%～40%。

4.3 注漿工藝

(1)注漿壓力:錨索灌漿終壓大于1 MPa;圍巖注漿終孔壓力不小于4 MPa。

(2)注漿量:注漿達到終壓即可停止注漿,若注3袋水泥漿液壓力仍不上升時,應改用濃漿再注3袋,壓力仍不上升時,關閉球閥暫停注漿,另在相鄰鉆孔注漿,但需對該孔進行復注,也可在其附近補孔再注。

(3)注漿流程:注漿準備→清理注漿位置→標注注漿孔位→打注漿孔→清孔→安裝注漿錨桿(或注漿管)→速接止漿管路→清水試注→按照控壓或常量注漿標準注漿→停止注漿關閉注漿球閥→注漿下一孔→4 h后拆除球閥清洗→一個循環注漿結束。

5 泵房監測方案

5.1 監測指標

與泵房穩定有關的監控指標主要有泵房兩幫收斂、泵房底板收斂、錨桿受力和錨索受力。

(1)泵房位移收斂:反映泵房的表面位移的大小及泵房縮小程度,可以判斷圍巖運動是否超過其安全最大允許值,是否影響泵房的正常使用。

(2)錨桿(索)受力:其大小可以判斷錨桿(索)的工作狀態及參數是否合理,如錨桿(索)選擇、錨桿(索)布置是否合適等。

5.2 泵房監測分析

泵房監測數據見表2和表3。泵房兩幫收斂位移見圖4,泵房底板收斂位移見圖5,測力錨桿受力見圖6。

表2 泵房收斂監測數據mm

表3 中央泵房測力錨桿監測統計表kN

泵房收斂觀測:觀測時間6個月,兩幫收斂平均速率2.33 mm/月,累計位移14 mm,底板平均位移速率0.83 mm/月,累計位移5 mm,從曲線走勢上看,其斜率很小并逐漸趨近于零,以后泵房基本處于穩定狀態。

測力錨桿:觀測時間6個月,錨桿受力逐步增加并趨于穩定,從曲線走勢上看,其斜率很小并逐漸趨近于零,以后泵房圍巖將基本處于穩定狀態。

圖6 泵房測力錨桿受力圖

6 結論

(1)中央泵房施工后,進行收斂位移和錨桿受力測試,圍巖變形量較小,錨桿受力穩定,監測表明泵房圍巖穩定,滿足高應力條件下巷道圍巖大變形穩定控制要求。

(2)通過優化高強讓壓錨桿、注漿錨桿、注漿錨索、錨注等技術措施,有效地解決了中央泵房的穩定性控制,該技術具有廣闊的推廣應用前景。

[1] 何滿潮,京海河,孫曉明.軟巖工程力學[J].煤炭科學技術,2003(11)

[2] 李國峰,蔡健,郭志灘.深部軟巖巷道錨注支護技術研究與應用[J].煤炭科學技術,2007(4)

[3] 夏才初.工程節理巖體力學[M].上海:同濟大學出版社,2002

[4] 林登閣,韓立軍.巷道底鼓機理及防治研究[J].建井技術,1997(6)

Research on central pump room stability control technique of the high-stress soft rock in deep shaft

Qiao Weiguo1,2,Lv Yanxin1,2,Lin Dengge1,2,Li Rui1,2,Zhang Yanqi3

(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266510,China;.2.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao,Shandong 266510,China;3.Coal Industry Jinan Design&Research Co.,Ltd,Jinan,Shandong 250031,China)

The Longgu mine central pump room has a buried depth of 855m.The geological conditions are rather complex and the loose range of the surrounding rock is very large,therefore the supporting structure is likely to break and damage.In order to guarantee the structure stability of the central pump room,the Longgu mine adopts the comprehensive reinforcement technique of optimizing high-strength yielding anchor,grouting anchor and anchor-grouting to reinforce the central pump room,effectively solving the stability control of the central pump room.

central pump room,chamber support,stability,deep shaft,soft rock

TD354

A

教育部新世紀優秀人才支持計劃資助,編號:NCET-07-0519;教育部長江學者和創新團隊發展計劃資助,編號:IRT0843;山東科技大學研究生科技創新基金項目,編號:YCA100322

喬衛國(1963-),山東榮成人,教授,博導,主要從事巖體加固理論與應用技術的教學、科研工作。

(責任編輯 張毅玲)