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试分析大断面硐室锚喷注联合支护技术

作者：边远

来源：《山东工业技术》2017年第11期

摘 要：大断面绞车硐室的支护有较大难度，且严重变形经常出现，为对这一问题进行解决，需进一步对绞车车房硐室联合支护现状进行分析，对围岩的稳定性进行明确，随后实施锚喷注联合支护技术实施现场的实验，再对研究结果进行分析，从而实现硐室围岩变形问题的预控。

关键词：大断面硐室；喷注联合支护技术；支护优化 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.225 1 前言

近些年，我国矿井的生产能力不断呈现出上升趋势，矿井中巷道的断面越来越大，在很大程度上增大了巷道中的变形量，需要多次进行维修与维护，从而使矿井生产效益受到影响。对于大断面巷道变形的原理、进行控制的技术，国内外学者已经从多个方面进行研究，为巷道支护提供了一些指导。但是，巷道的地质条件有差异性存在，且较为复杂，巷道变形发生的原因、进行控制所需的技术也有差异存在。本文以某矿业为例，该矿业中的三水平轨道绞车房硐室自从掘进以后围岩变形的问题就一直存在，多次实施了维护，但变形问题仍然没有得到改善，对矿井正常运输造成了严重的影响，已经成为矿井正常生产的主要因素之一。此矿井的三水平轨道绞车房是大断面的软岩巷道，进行支护时，原有的锚网、锚索联合支护已经难以对支护需求进行满足。因此，需进一步对原有支护方案中围岩出现变形的原因进行分析，对支护方案进行优化。对此，本文在不同支护条件下对三水平绞车房硐室围岩稳定性的相关数值进行模拟与分析，并采用工程类比法对支护参数进行计算，以期使巷道稳定性能够得到提升。 2 工程案例介绍

某矿业的三水平轨道绞车房硐室位置在三水平轨道下山和一川交叉点下部的4.5米左右处，465.8米的埋深。硐室的位置在二1煤层及其煤层顶板内，顶板处的围岩是灰色砂质泥岩，有少量中、细砂岩在局部发育，底板主要是深灰色的泥岩。该硐室处于较为软弱的岩层中，有比较低的强度，实施开挖后，围岩极易松动，顶板处的围岩比较松软，且容易破碎，裂隙发育，致使破坏的塑性区域形成，底板处常有底鼓、破碎出现。 3 影响硐室变形的因素

对绞车房进行开挖之后，以锚索喷与U钢棚进行联合支护，底板实施了反底拱措施，并在上部对混凝土进行了浇筑，当作基础结构。进行现场观测时，发现第一次支护的U型钢棚两帮、底板处有明显的变形出现，有空帮、空顶的现象出现。同时，U型钢板支架有较为严重

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的扭曲变形出现，顶板、两帮喷层表面开始有脱离出现，底板出现鼓起。经分析，该硐室变形的主要影响因素如下：（1）巷道断面的尺寸过大。三水平轨道绞车硐室规格应该控制为8.3米×7.9米×6米，呈半圆的拱形，属于大断面硐室的一种[1]。此类硐室有较大的跨度，施工以后，拱顶处会有大面积拉应力区形成，对周边进行开挖后，会引发松动，致使应力集中在一起，导致支承的压力峰值出现急剧快速的升高，围岩会有松动出现，致使围岩的强度降低，严重情况下，顶板、底板的围岩处会有裂缝发育，使破坏塑性区形成，从而导致底板处的浅层围岩有底鼓与破碎出现[2]。（2）较大的地应力。硐室有将近500米的埋深，在中深的矿井中进行开采，地应力会对围岩造成影响。另外，三水平轨道运输下山产生的应力也会对此硐室产生影响，增大两帮荷载，致使两帮整体移向巷道中。此时，若支护结构无法对荷载作用进行承受，则会产生变形，使硐室的支护结构受到破坏。现场测试表明该绞车房所处位置的最大主应力是21.3MPa，使巷道留下变形隐患[3]。（3）较差的围岩岩性。该硐室围岩主要是砂质的泥岩，抗压的强度不大，围岩稳定系数仅为0.2至0.7，属于不稳定围岩的一种。此种围岩强度较小，且易受温度、湿度、水的影响，开挖后，围岩的强度会急速下降，严重者甚至失去强度，致使变形、流变明显。（4）支护的方式不合理。此硐室采用的支护方式是锚杆、锚索联合支护，此种支护方法只能使用在变形量比较小、岩性比较好的硐室或者巷道中[4]。对于此种变形量较大的围岩，围岩破碎后，锚杆锚固力会下降，致使支护的阻力降低，直至全部丧失。

4 模拟分析大断面硐室围岩稳定系数

本文例举的大断面硐室形状是直墙半圆的拱形，断面净宽与净高的乘积为7.9米×6米，墙高有2.05米，计算模型宽与高的乘积为70米×55米。硐室埋深度即将到达500米，基于这一点的考虑，模型上边界与水平边界进行自由的加载，荷载大小=覆岩自重（14.7MPa），假设下边界是垂直移位的约束，对硐室注浆前与注浆后的围岩力学参数进行设置。此次数值模拟一共对2个模型进行了建立：（1）锚杆与锚索联合支护，锚杆的规格是Ф22毫米×2400毫米，间排距是700毫米×700毫米，钢绞线锚索是17.8毫米×7500毫米。（2）锚喷注联合支护，基于锚杆与锚索联合支护，以成束锚索实施注浆，规格是3×Ф17.8毫米×12000毫米，1.5米的间排距，注浆后考虑强度有0.5倍的提升。 5 锚喷注联合支护技术分析

基于以上分析，并对现场实际情况进行考虑，选用锚喷注联合支护技术对围岩实施加固，先用锚网与单根的锚索对围岩进行加固，随后再对U型的棚进行设置，实施全断面喷浆，再应用成束的锚索实施注浆。 5.1 锚喷支护的参数

对锚杆进行钻孔时，从顶部开始，随后过渡到肩部、两帮，锚杆间排距控制为700毫米×700毫米，实施中心对称的布置，每排26根左旋高强的无纵筋锚杆（Ф22毫米×2400毫米）进行布置，两帮棚子腿上部与下部分别以两根左旋高强的无纵筋锚杆（Ф22毫米×2400毫米）

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进行布置固定[5]。（1）架棚的支护。所用棚子为大拱形的棚子，型号是4.6米×3.2米，支架为U36型的大拱支架，梁、腿长度都是2.7米，500毫米的棚距。（2）混凝土的喷浆。所用水泥为PO42.5的硅酸盐水泥，石子是粒径在10毫米以下的碎石，沙子的粒径在0.35至0.5毫米之间，控制含水量为4%至6%，速凝剂用量为水泥质量的2.5%至4.0%。水泥体积：沙子体积：石子体积=1：2：2，C20的强度标好标准，初喷时，厚度控制在50毫米以下，A断面喷浆最终厚度控制为250毫米，B断面为225毫米[6]。 5.2 锚索注浆的参数

锚索注浆孔上部每一排有5根，所用钢绞线锚索为Ф17.8毫米×7500毫米，锚盘所用钢板为200毫米×180毫米×20毫米，锚盘长轴平行于巷道方向，每根锚索拉力是200KN。对锚索进行锁定后，外露长度控制是250毫米以下。下部每一排有8组成束的注浆锚索，型号是3×Ф17.8毫米×12000毫米，1.5米的间排距，完成注浆一周后，以上述要求为依据，以规格一致的锚盘对锚索进行锁定，所用锁定剂为树脂药卷，型号是Z2335，一根用6卷。 5.3 注浆加固的参数

实施注浆加固时，施工流程如下：第一，水泥、水；第二搅拌桶；第三，搅拌机；第四，注浆泵；第五，控制阀；第六，高压管；第七，注浆的接头；第八，注浆锚索；第九高压注浆渗透围岩[7]。

水泥浆水灰比例是1：1至0.8：1，添加CSA膨胀剂的量控制为水泥质量的7%左右。水泥浆体积：细水玻璃体积=1：1，以岩石裂隙出现情况、砌体抗压的能力对注浆的压力进行选择，一般为1.0至2.0MPa。 5.4 应用效果分析

本文采用十字交叉的方法对绞车房的变形量、变形速度实施观测，一共对三个观测点进行了设置，发现硐室的两帮大约有43毫米的移近量，底板、顶板共有21毫米的移近量，变形量呈现出逐步较小的趋势，顶板、底板、两帮每个月的变形量约为6毫米，硐室的变形基本趋于稳定趋势。可见，锚喷注联合支护的技术可对硐室变形进行有效控制。 6 结语

本文例举硐室原有支护可对两帮产生水平方向的影响，此种影响不具规律性，致使较大应力集中在底角处，这可能是U型钢板变形的主要影响因素之一。本文采用锚喷注联合支护的方法对原有支护进行优化，结果显示，围岩处应力的分布更具均匀性，两帮水平应力为9MPa，顶底板则为6MPa，两垂直应力达到了13MPa，顶底板则为6MP。与原来的支护方法对比，水平、垂直应力都得到了显著的改善，围岩自身承载力得到了提升，围岩变形得到了有效控制。