井底變電所底板加固方案優化

姜 明

（陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦， 陜西 黃陵 727307）

1 概況

陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦位于陜西省黃陵縣城西北約25km處，距店頭鎮1.5km。井田走向長12～24km，傾斜寬11～16km，面積約197km2，礦井四號風井位于工業場地東北方向約11.5km處。礦井井田地層由老至新依次有上三迭統延長組、下侏羅統富縣組、下侏羅統延安組、中侏羅統直羅組、上侏羅統安定組、下白堊統六盤山群，第三系及第四系。2#煤層及3#煤層均位于延安組中下部，其中2#煤層平均厚度2.02m，全井田分布，為主要可采煤層，3#煤層部分分部，無開采價值。2#煤層底板為泥巖及泥質粉砂巖，局部遇水膨脹，易底鼓[1]。

四號風井井底變電所設計服務年限為25年，采用炮掘施工。主體巷道采用鋼筋網+錨桿+錨索+噴砼+鋼筋混凝土聯合支護，全斷面掛Φ6mm鋼筋網，網孔50×50mm，錨桿規格為Φ20×2500mm，間排距均為800×800mm，菱形布置，每孔3節MSK2335型樹脂；錨索鋼絞線規格為Φ17.8×8300mm，間排距1200×1200mm，一排五索，每孔3節MSK2370型樹脂；底板加固采用混凝土支護方式，砼強度C25。原變電所原底板加固斷面圖如圖1。

圖1 原變電所原底板加固方案斷面圖

2 變電所底板加固方案優化

2.1 底板加固方案

考慮到底板加固采用砼支護的方式為被動支護，為保證井底變電所使用安全及服務年限，優化井底變電所底板加固方案，確定采用錨桿+錨索+混凝土聯合加固方式的方案。錨桿規格為Φ20×2500mm，間排距為800×800mm，菱形布置，巷道兩底角錨桿角度為75°，錨固采用水泥砂漿全錨，水泥砂漿配合比為水∶水泥=2：1（體積比）；錨索梁長度3.6m，采用16#槽鋼加工，排距1.6m，一梁三索，錨索鋼絞線規格為Φ17.8×8300mm，錨固采用水泥砂漿全錨,水泥砂漿配合比為水∶水泥=2：1（體積比）；加固完成后巷道中部澆筑C25砼地坪，厚度300mm，主體巷道支護參數不變。變電所底板加固優化方案斷面圖如圖2。

圖2 變電所底板加固優化方案斷面圖

2.2 錨索梁加工

錨索梁采用16#槽鋼加工，排距1.6m，一梁三索，錨索梁在長寬面中部鉆矩形孔，鉆孔規格為100mm×20mm，鉆孔處用10mm×150mm×130mm鋼托板在槽鋼內焊接加固，錨索梁加工圖如圖3所示。錨索采用Φ17.8×8300mm，錨固采用水泥砂漿全錨,水泥砂漿配合比為水：水泥=2：1（體積比）。

圖3 錨索梁加工圖

2.3 錨索長度及錨固長度校核

懸吊作用理論認為錨索是將下部不穩定巖層懸掛在上部穩定巖層之下，限制不穩定巖層的位移。同時，因為錨索能施加較大的預緊力，可擠壓和密實巖層中層理、節理裂隙等不連續面，增加不連續面支架的摩擦力，從而提高圍巖的整體強度。底板加固采用錨索支護雖然與上述理論方向相反，但是原理相同，以下將據此校核。

錨索長度：L=La+Lb+Lc+Ld

式中：

L-錨索總長度，m；

La-錨固深入到穩定巖層的錨固長度，m；

式中：

K-安全系數，一般取2；

d1-錨索鋼絞線直徑，mm，取17.8mm；

fa-錨索抗拉強度，取1860N/mm2（根據17.8mm鋼絞線檢測報告取值）；

fc-錨索與錨固劑的粘合強度，一般取10N/mm2；

La≥1.7m

Lb-需被懸吊的不穩定巖層厚度，m，取2.2m（根據四號風井近井鉆孔圖所示）；

Lc-錨索鋼托板及錨具厚度，取0.05m；

Ld-錨索外露張拉長度，取0.25m；

L≥4.2m

通過上述計算得出錨索鋼絞線錨固長度取8000m可行，即錨索鋼絞線總長度取8300m可行。

2.4 錨索間排距校核

錨索間排距：

式中：

N-錨索間排距，m；

n-錨索排數，取1；

B-巷道最大底鼓寬度，取巷道凈寬度6.0m；

H-巷道最大底鼓高度，取2.2m（按不穩定巖層厚度考慮）；

γ-巖體容重，取24kN/m3（根據四號風井近井鉆孔圖所示）；

L1-錨桿間、排距，取0.8m；

F1-錨桿錨固力，取98kN（設計錨固力）；

F2-錨索極限承載力，取360kN（根據17.8mm鋼絞線檢測報告取值）；

θ-錨桿與巷道頂板夾角，90°。

考慮巷道寬度及計算結果得出錨索間排距為1600mm×1600m可行。

2.5 每排錨索根數校核

每排錨索根數：

式中：

n-每排錨索根數；

T-錨索承載范圍內底鼓巖石總重量，t；

T=KSHγ

式中：

K-安全系數，一般取2；

S-錨索梁承載總面積，m2；

式中：

B-巷道凈寬度，取6m；

b-錨索梁承載寬度，取4m；

S=12m2

H-巷道最大底鼓高度，取2.2m；

γ-巖體容重，取1.5t/m3（根據四號風井近井鉆孔圖所示）。

T=2×12×2.2×1.5=79.2t

W—錨索破斷載荷，取360kN；

n=T/W=79.2/360=0.22

通過計算結果得出每排錨索根數為3根是合理的。

經過上述校核計算，設計采用錨桿+錨索+混凝土聯合加固方式的方案可行。

3 底板加固工藝

根據四號風井井底變電所施工先后順序，待主體巷道掘進及支護完成后進行底板加固施工。底板加固采用先清理巷道底板，然后進行錨桿+錨索支護，最后進行混凝土澆筑的方式進行加固。

3.1 錨桿支護

（1）施工錨桿眼。施工前，嚴格按照設計要求采用自噴漆標識錨桿眼位，然后采用地錨機施工錨桿眼。錨桿眼深度及角度必須符合設計要求。錨桿眼施工完成后，必須清理眼內巖渣、積水。

（2）注漿。為錨固錨桿，并封閉錨桿眼位周圍巖體節理及裂隙，采用注漿泵向錨桿眼內注射水泥砂漿，水泥砂漿體積配合比為水∶水泥=2：1。

（3）安裝錨桿。將錨桿裝入錨桿眼內，使錨桿頂住眼底，錨桿外端套上拖盤及螺帽。等待眼內水泥砂漿初凝后，采用加力扳手緊固錨桿，并采用錨桿拉力計檢測錨桿錨固力是否達到設計值（錨桿錨固力設計值為15t）。

3.2 錨索支護

（1）施工錨索眼。施工前，嚴格按照設計要求采用自噴漆標識錨索眼位，然后采用地錨機施工錨索眼。錨索眼深度及角度必須符合設計要求。錨索眼施工完成后，必須清理眼內巖渣、積水。

（2）注漿。為錨固錨索，并封閉錨索眼位周圍巖體節理及裂隙，采用注漿泵向錨索眼內注射水泥砂漿。水泥砂漿體積配合比為水∶水泥=2∶1。

（3）安裝錨桿。將錨索裝入錨桿眼內，使錨索頂住眼底，錨索外端套上錨索梁及鎖具。等待眼內水泥砂漿初凝后，采用錨索張拉機具緊固錨桿，并采用錨索拉力計檢測錨索錨固力是否達到設計值（錨桿錨固力設計值為23t）。

4 加固效果對比

北二避難硐室與四號風井井底變電所斷面基本一致，采用的是原四號風井井底變電所底板加固方案，即采用混凝土加固方式。測量其底板收斂情況，并與四號風井井底變電所的相關情況進行對比，如表1所示。

表1 四號風井井底變電所與北二避難硐室底板收斂情況對比明細表

通過對比得出，工程竣工投入使用后，錨桿+錨索+混凝土聯合加固與單一混凝土加固方式相比，減少了巷道變形量及維護次數，使巷道由原被動支護優化為主動支護，巷道底板整體加固效果更加突出，使巷道圍巖保持良好的加固狀態，滿足使用安全及服務年限的要求。

5 結語

黃陵一號煤礦四號風井井底變電所采用錨桿+錨索+混凝土聯合加固替代單一混凝土加固的方案，減少了巷道變形量，巷道底板整體加固效果更加突出，改善了巷道長期服務過程中底板因單一混凝土加固而變形的現象，避免和消除了巷道底板失穩的不良影響，取得了良好的應用效果。該方案可以在服務年限較長的巷道、硐室底板加固及遇水膨脹、易底鼓、需及時維護的地質條件下推廣應用。