B060313-井底车场硐室围岩破坏机理及加固技术研究

地下洞室围岩破坏机理及加固技术研究王爱国1王明远2林登格2(1)山东德州滕州监狱鸡西煤矿253000；2.山东科技大学，山东泰安，271019)摘要：对鸡西矿地下硐室原有支护结构的破坏进行了分析，介绍了硐室围岩的破坏机理、加固方案的选择以及修复加固工程的设计与施工。箱式处理取得了良好的技术经济效果。关键词：井底锚注加固破碎软岩1地下洞室变形破坏概况鸡西省建煤矿隶属于山东省滕州监狱，位于济南市西部的吉河县。年设计生产能力45万吨，井口标高25.5米，开采标高-480米，采用立井开发。副井直径5.0m，深度529.5米，表土厚度458.0米。副井采用冻结法施工，冻结深度488米鸡西矿副井穿过的地层为第四系、第三系和二叠系上石盒子组。其中，第四系和第三系分别为111.0米和347.5米，由粘土、砂质粘土、砾石、砂和粘土砂等组成。二叠系岩性为紫色粉砂岩。副井马头室顶部距表土仅61.9米。副井马头门、地下洞室和隧道均位于约80m厚的紫色粉砂岩中，位于Fj2和Fj3断层交汇处。副井马头门和地下洞室的施工始于2004年初，到11月初，已开挖1000多米。马头门、副井中央泵房等洞室均有不同程度的破坏。一些洞穴和道路在修复和加固后仍然遭到破坏，严重影响了矿山安全和后续工程。副井马头门为直墙半圆拱，宽5.0m，高7.2m，采用锚喷临时支护，永久支护采用C40 600mm厚钢筋混凝土。施工结束后，副井马头门硐室发生底鼓(振动台基础已二次修复)，两侧井筒从内到外发生变形破坏。竖井附近有许多横向和斜向裂缝、混凝土剥落和钢筋外露。裂缝最大宽度达到20毫米，混凝土最大剥落面积约3平方米，最大剥落深度超过100毫米，竖井南侧井壁出现横向裂缝。中央主排水泵房为直墙半圆拱形断面，宽4.8m，高7.2m，采用锚喷临时支护，永久支护采用厚度400mm的C30钢筋混凝土。混凝土浇筑后墙明显内挤，位移150毫米.根据鸡西省建煤矿副井马头门等井底硐室的现状，迫切需要确定变形破坏的原因、变形破坏后可能产生的后果，并提出相应的安全可靠的加固方案。2地下洞室围岩失稳机理分析经井下调查和查阅地质及施工资料，分析副井马头门及其他硐室变形破坏的主要原因如下：(1)底部洞室位于非常薄的岩层中，其深度是不利的地下洞室和隧道均位于约80米厚的紫色粉砂岩中，距离表土约60米。除风化带外，副井和隧道所在基岩段的马头门等平硐的实际埋深约为50m，在国内属罕见。井底基岩段的厚度特别小，这是不利的，因为非常薄的基岩层不仅承受地下洞室开挖形成的集中荷载，而且直接承受上覆深层表土层荷载的直接影响，而缓冲岩石层没有分担地层压力和洞室开挖荷载的共同作用。(2)地下洞室位于地质构造上(3)地下洞室和巷道为低强度、易软化、风化、泥化岩层，岩性不利地下洞室和巷道位于岩性弱、强度低的紫色粉砂岩中。它的缺点在于：在地应力和开挖卸荷引起的集中荷载作用下，很容易从块体裂纹结构转变为碎裂结构。岩层破碎导致硐室围岩整体强度极度降低，导致硐室围岩体积膨胀，形成破碎膨胀压力，增加支护和衬砌压力；此外，不同部位的松动圈的厚度不一致，因此作用在支撑体上的挤压力和膨胀力也不均匀，这可能导致支撑结构被偏压。这是紫色粉砂岩不利岩性的一个重要方面。此外，紫色粉砂岩主要为泥质胶结，在岩层含水状态下其软化系数较高。暴露后易风化和泥化，风化和泥化速度极快。一方面，风化成泥岩层的强度基本为零，导致硐室围岩失去抵抗原地应力的能力；另一方面，岩石的风化和泥化使围岩体积膨胀，增加衬砌压力。同时，当岩体转化为裂隙结构后，锚杆锚固将失效并失去支撑能力，从而形成有效的锚固复合拱结构。(4)地下洞室断面大，结构应力不利。腔室之间的扰动应力相互影响。副井马头门及其他硐室的承载有两个不利因素：一是副井马头门硐室为直墙半圆拱形结构，净高7.2m，对于高直墙结构，在水平侧向荷载作用下容易发生弯曲失稳；二是副井马头门与井旁走道、梯子的空间关系复杂，最大间距仅为20m。考虑到围岩应力的扰动范围是洞室开挖半径的3 5倍，这些洞室的围岩应力与竖井形成叠加，相互影响，对洞室结构的稳定性影响很大。(5)地下洞室围岩具有流变特性，不利于洞室的长期稳定。副井马头门等硐室开挖后不断变形，造成底鼓、顶板下沉和两侧收敛，造成冒顶、衬砌破坏等严重现象，危及矿井安全。这表明硐室围岩变化强烈。3个洞室支护加固技术方案3.1支持设计原则井底硐室包括马头门、泵房、变电所、带式输送机硐室、蓄水池以及各种类型的交叉点和联络通道等。它们的横截面通常较大，并且相互影响，这增加了巷道和洞室围岩中的应力集中，增加了作用在支护结构上的外部载荷，并增加了支护的难度。特别是地下洞室围岩的力学特性(如前所述)也增加了支护难度。因此，在选择和确定腔室维修和加固的结构类型时，应注意以下几点：(1)鉴于地下洞室位于地质构造带，受高水平地应力的影响，为了大幅度降低洞室的支护荷载，可采用应力释放技术将开挖应力集中和原始地应力转移到围岩深部；(2)支护设计应首先着眼于提高支护结构的整体性，即以锚喷或锚喷的形式形成有效的锚复合拱，充分利用围岩的自承载能力，实现主动、主动支护，保证支护结构的整体稳定性；(3)充分考虑道路围岩特性马头门与连接部分宽度5.0m的部分，锚杆应为高强度左旋螺纹钢锚杆，直径28mm，长度4000 mm，螺栓间距700 900 mm，排距1600 mm，马头门与连接部分宽度大于4m，小于5m。 锚杆为高强度左旋螺纹钢锚杆，直径22毫米，长度3000毫米，螺栓间距700 900毫米，排距1600毫米马头门连接处宽度不小于5.0m，选用直径32mm、长度3000mm的冷轧无缝钢管内灌浆螺栓。螺栓间距为1800 mm，每两个高强度超长螺栓之间安装一个灌浆螺栓，呈梅花形，排距为1600 mm，马头门及其连接处宽度为5 4m，选用直径为25mm、长度为2000mm的冷轧无缝钢管内灌浆螺栓。螺栓间距为1400 1800毫米，每两个高强度超长螺栓之间安装一个灌浆螺栓，呈梅花状排列，排距为1600毫米灌浆选用水泥浆，水泥选用525#普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4 0.5。为了提高可注入性，在水泥浆中加入2.0 2.5%的UNF-4型高效早强减水剂。灌浆压力为2 4兆帕。底板上安装有直径22毫米、长度1600毫米的反底拱加强锚杆，每节均匀布置5个螺栓。采用16 #槽钢制作仰拱梁，并用仰拱锚杆固定。图1副井马头门加固结构平面布置图1-高强度超长锚杆2-内注浆锚杆3-高强度锚杆托盘4-注浆锚杆托盘5-反底拱钢筋锚6- C50反拱防水混凝土7- 16槽钢反拱梁图2锚注法加固副井马头门断面图3.3副井马头门施工巷道的大变形或严重破坏影响了使用，可以使用风镐或小枪在局部挖掘巷道。当面积较大时，用模板浇筑混凝土。如果面积较小，深度较浅，应采用细石混凝土找平。对于较大的裂缝，接缝内的杂物必须清理干净。如有必要，用风镐将接缝扩大，然后浇筑细石混凝土。细缝用高压水和压缩空气清洗后，应手动嵌入高级砂浆或水泥浆，灌浆时不得漏浆。安装高强度螺栓时，使用ZY24M型两级气腿钻或YSP45型冲击高频钻钻螺栓孔。为了加快施工进度，可同时进行多台钻机和多节钻机。螺栓可通过螺栓安装机安装。锚杆应采用树脂锚固剂卷锚固，锚固长度应大于1000毫米灌浆锚杆钻机与高强度锚杆钻机相同。用快凝水泥锚固剂对螺栓进行滚压，以停止灌浆。灌浆应从拱顶两侧进行，以便交叉灌浆。安装高强螺栓和灌浆螺栓平行作业，两个作业组应相互影响，一般相距6 8 m。4锚喷加固效果2005年2月底，副井马头门加固处理成功完成，洞室仍完好无损。洞室围岩稳定，两侧及底板变形均小于20毫