大埋深硐室支護技術研究與應用

文/張繼濤尹凱民

一、工程地質概況

山東能源淄礦集團唐口煤業公司是一座年產500萬噸的大型現代化礦井，地面標高+39m，北部采區絞車房位于-950m水平，埋深達989m，地壓顯現明顯。周圍巷道相繼發生變形破壞，其破壞特征主要表現為拱部剪切破壞、兩幫收斂變形及底臌破壞三個方面，頂部下沉錯動量達1m，兩幫收斂多達1.3m，巷道底臌更為嚴重，個別地段超過1.5m。

北部采區絞車房設計全長19m，斷面形狀為直墻半圓拱形，拱寬9m，拱高7.7m，掘進斷面為51.3m2。所處圍巖為3上煤底板的粉砂巖、泥巖及細砂巖內。其主要特征為：巖石強度低，抗干擾能力差，流變時間長，塑性變形大，變形速度快。

二、支護機理

根據地質條件，唐口煤業公司采用應力解除法進行了地應力測試，根據結果分析該地應力以垂直應力為主，屬于自重應力場型。

1.硐室變形破壞機理

（1）巖體自承能力差，自身強度低。經取樣試驗其數據為普氏系數f=2.2，抗壓強度為17Mpa，抗拉強度1.05～4.33Mpa。

（2）深部垂直應力作用。硐室處于-950m水平，而所處的圍巖自承能力低，超出了硐室穩定的要求，導致巖層發生流變。

（3）地質構造的水平殘余應力。北部絞車房位于向斜構造應力的中心區域，巖層起伏偏轉斷裂明顯，應力集中，巖石抗拉強度小，導致圍巖破碎，支護困難。

（4）硐室斷面大，掘出后，產生應力重新分布，支護難度大。

（5）施工用水及風化影響。

2.支護機理

復合型軟巖的治理必須從降低圍巖應力、增強圍巖強度和提高支護阻力三個方面入手。通過對深部軟巖地質資料及軟巖支護理論進行深入研究后，按“剛柔相濟、及時封閉、緩沖讓壓、強化圍巖”的基本原則，采用三次支護方案：一次支護為錨網噴索聯合支護，二次支護為雙層鋼筋混凝土作為永久支護，三次支護為錨注支護體系。

（1）按照松動圈理論，巷道圍巖失穩的根本原因在于圍巖中的集中應力超過了圍巖強度，導致圍巖破裂，從而形成圍巖松動圈。對于高應力引起的大松動圈，一次支護采用錨網（索）噴支護。由于錨網（索）噴為柔性支護，允許圍巖有一定程度的變形，初期圍巖變形速度大，采用錨網（索）噴作為一次支護，釋放圍巖應力，抑制圍巖變形速度，待圍巖位移速度趨于穩定時，進行二次支護或封底，達到一次支護卸壓、讓壓，二次支護現澆混凝土作為剛性支護，三次支護進行錨注加固的目的

（2）根據圍巖——支護共同作用原理及巖石強度理論，采用錨注技術加固圍巖，利用注漿管兼作錨桿，對圍巖進行注漿加固，充填裂隙，增強顆粒間的粘聚力，改變圍巖物理力學性質，使松散的巖體重新膠結形成再生巖體，同時發揮錨桿的錨固作用，形成一個厚層承壓拱，發揮巖體的自承能力，限制巖體變形與發展。

（3）防基礎底臌技術：采用混凝土反底拱配合曲梁加強底部處理。

三、技術實施

通過對支護機理分析，唐口煤業公司采用三次支護方案。支護體系如圖1所示。

圖1 絞車硐室支護圖

1.一次支護：采用錨網（索）噴

錨桿：采用φ18mm×2300mm左旋無縱筋高強螺紋樹脂錨桿，間排距800mm×1000mm。

預應力錨索：采用φ17.8mm×6500mm高強度、低松弛鋼絞線，間排距為1200×1000mm，自頂部向兩幫均勻布置。

鋼筋網：為Φ6mm鋼筋加工，網格為100mm×100mm。

噴射砼：噴射C20砼，厚度為100mm，作為臨時支護及時封閉巖面，隔絕水、濕氣、風化對巖體的不利影響，防止巖體強度降低，同時又作為永久支護的一部分，在圍巖釋放原巖應力過程中，與錨桿、錨索、鋼筋網，圍巖共同作用形成承壓拱。

2.二次支護：現澆鋼筋混凝土

混凝土：混凝土強度為C30，壁厚為500mm。

鋼筋：鋼筋均采用φ18mm螺紋鋼，間排距為250×250mm。

底板：采用高強反地拱碹體的支護方案，以提高絞車基礎下的強度，保證絞車基礎的穩定性。基礎下采用錨梁、混凝土反底拱，采用Φ16曲梁，間距800mm，每條曲梁用Φ18×2300mm螺紋鋼錨桿固定，反底拱為厚400mmC30鋼筋砼，鋼筋選用Φ20螺紋鋼。上部全部用C30素混凝土澆筑到地坪。

3.三次支護：錨注支護

采用圍巖注漿，拱及墻布置注漿錨桿12根，采用Φ22×3500mm無縫鋼管，壁厚4mm，間距 1600mm，排距2000mm，與錨索呈梅花型間隔布置。采用單液水泥漿，水灰比0.5∶0.7，為增加其密實性和可注性，添加1.5%～2.5%左右的UNF復合早強減水劑。注漿錨桿終壓≤4Mpa，壓力峰值≤8Mpa。

四、效果分析

1.效果

為了及時了解支護性能，在硐室內設置觀測點，進行相應的工程測試，檢測支護效果，測試內容包括兩幫及頂底板相對位移量及注漿錨桿、錨索受力狀況。相對位移變形觀測量測相對位移（如表1所示），發現采取措施后變形速度減少，說明支護效果比較明顯。

表1 絞車硐室相對位移觀測表

2.結語

（1）對于高應力軟巖，采用三次支護方案，一次支護為柔性支護，適當釋放圍巖應力，二次支護為剛性支護，以達到“讓抗結合、剛柔結合”，實現共同承壓的目的。

（2）要認真分析軟巖巖性，對于低強度、大變形的軟巖井巷工程采用錨注法注漿技術進行圍巖注漿加固，同時充填裂隙，注漿后變為支護材料全長錨固型，在限制圍巖變形方面效果明顯。

（3）處于軟巖中的工程應采用全封閉支護，在治理頂幫的同時，也要治理底板，否則應力傳遞到支護的薄弱點必將導致破壞。

（4）實施二次支護時，必須根據觀測數據合理確定二次支護的時間，根據圍巖變形速度進行認真分析，以防破壞支護效果。