装载硐室大孔径预应力注浆锚索加固技术研究

2013-12-04周明

钻探工程 2013年8期

周明

(天地科技股份有限公司建井事业部，北京100013)

1 概况

麻家梁煤矿主井箕斗装载硐室为煤矿永久性硐室，服务年限同该矿井的开采年限。箕斗装载硐室设计段高为41 m，该段岩性主要由砂质泥岩、粉砂质泥岩、中粒砂岩、泥岩、煤等组成。其中564.80～568.20 m段岩性为细粒砂岩，裂隙未填充，岩性破碎，是主要出水层段之一，太原组涌水量为3.91 m3/h。由于硐室本身断面尺寸大，地质条件差、围岩受地下水软化等影响，现有结构强度难以抵抗围岩应力，对装载硐室造成破坏。根据硐室存在的问题，实施了补打锚索的加固措施。锚索直径为20 mm，锚固方式为树脂药卷端锚，锚固长度为2.2 m，钻孔直径28 mm，钻孔深度7 m，间排距1 m，设计预应力等级200 kN，由于岩层渗水原因，实际锚固力只有70 kN。托板为14号槽钢，水平布置。现场勘查，破坏依然严重。

大孔径预应力注浆锚索加固技术在地面工程上应用较早，在煤矿井下巷道支护中使用小孔径预应力锚索较多。与普通锚索相比，大孔径预应力注浆锚索整体强度高，可施加较大的预应力，使围岩具有较高的承载力。该技术在麻家梁煤矿主井箕斗装载硐室加固中得到成功的应用，取得了良好的加固效果。

2 硐室破坏原因

根据麻家梁矿箕斗装载硐室段地质条件及硐室分布情况，分析井筒变形破坏原因主要有以下几个方面。

(1)围岩岩性差。箕斗装载硐室段主要由砂质泥岩、粉砂质泥岩、中粒砂岩、泥岩、煤等组成。初次开挖时即发现岩性软弱、泥质胶结、易风化破碎。根据周围硐室相关的研究资料，该区域地应力主方向沿东西走向，围岩普氏系数4～6，软化系数0.6～0.69，膨胀系数30%左右，粘土矿质在20%以上，以高岭土为主，流变性较为明显。

(2)地下水对围岩的软化作用。围岩内存在大量的裂隙，在硐室开挖过程中，围岩的变形会导致裂隙扩展，裂隙发展，地下水沿裂隙渗入围岩中，使得岩石软化，该处泥岩软化系数在0.6～0.69之间，使得围岩承载能力降低。现场发现了硐室局部渗水现象。

(3)装载硐室断面尺寸大，硐室群结构复杂。装载硐室断面对角最大连线长度达21 m，为多个矩形的组合，呈反对称结构。从受力角度分析，这种断面的硐室易导致应力集中;装载硐室周围分布着煤仓等大断面硐室，易相互影响，导致变形受力复杂。

3 支护加固设计

支护加固方案:装载硐室原支护为锚杆支护，钢筋混凝土浇筑井壁，现采用人工凿除已开裂挤出的混凝土体，并挂钢筋网浇筑200 mm厚的C30混凝土封闭所有裂缝，在原支护基础上用大孔径全长注浆锚索加固围岩。

3.1 注浆锚索加固机理

其一，可以改善围岩塑性圈内岩体的力学性能，提高岩体的整体强度，增加岩体自身的承载能力;其二，注浆可以封堵岩体内的裂隙，隔绝空气防止风化，避免岩体强度因水和空气的影响而大幅降低;其三，强力锚索支护的目的是在破碎围岩经注浆恢复连续性后，对其施加强力边界条件，使围岩具有较强的承载能力，确保加固后的硐室围岩稳定［3，4］。

3.2 锚索结构

大孔径预应力锚索是由内锚固段、自由段和外锚固段组成，如图1所示。内锚固段是锚索锚固在岩体内提供预应力的根基，粘结锚固剂采用水泥浆。

图1 锚索结构示意图

3.3 锚索支护设计

锚索孔径为100 mm，孔深为15 m，锚索间排距2.5 m，钻孔倾角10°。锚索采用4股15.24 mm低松弛高强度预应力钢绞线编制而成。在锚索头部安装导向帽，内锚固段长度8 m，每隔1 m安装隔离架，锚索自由段钢绞线应涂抹黄油并外套波纹管或塑料管防腐，两头用铁丝扎紧，并用电工胶布缠封，外锚固段长1 m，包括锁具和槽钢。

4 施工技术要点

(1)锚索在地面编制而成，安装前加装排气管，采用人工安装，将锚索逐步送到位，不得强推、强拉。

(2)锚索孔注浆采用KUBJ－1.8型砂浆泵灌注水泥砂浆，水灰比0.4～0.45，灰砂比2∶1，水泥砂浆强度≮20 MPa。采用从孔口到孔底注浆，注浆压力≯0.25 MPa。排气管停止排气或溢出浆液，即可停止注浆。当水泥砂浆体强度达到设计强度80%后，方可进行张拉锁定。

(3)锚索张拉、锁定工作应在托盘安装完毕、水泥砂浆达到设计要求强度后方可进行。张拉时压力应达到27 MPa以上，以保证单根钢绞线预紧力达到100 kN。锚具采用QLM－7型，钢垫板为20号槽钢，每根槽钢长1.5 m，中间开直径为70～80 mm的孔。

5 数值模拟及分析

5.1 模型建立

模型模拟范围长×宽×深=110 m×70 m×50 m，采用摩尔－库仑模型。锚索采用cable单元模拟，混凝土采用shell单元模拟［5］。数值模拟分析模型如图2所示。

图2 加固数值模拟分析模型

5.2 支护前后对比

采用有线差分软件FLAC3D进行数值模拟计算。首先对模型施加初始地应力，然后模拟装载硐室的开挖和支护。

5.2.1 井壁最大主应力

由图3可见，支护前、后箕斗装载硐室侧壁最大主应力分别约为35 MPa和20 MPa。支护后的最大主应力明显减小，低于C35混凝土的抗压强度，符合承载要求。

图3 井壁最大主应力云图

5.2.2 围岩应力集中区

支护前和支护后围岩应力集中均出现在装载带式运输机巷下部靠近硐室东西侧墙墙壁的围岩中，原支护和加固后对比发现(图4)，加固后的围岩应力集中区距硐室侧墙为3.9 m，而加固前为5.3 m。可见，加固方案最终的应力集中区扩展范围远小于原支护的应力集中区扩展范围。因此可以推断加固方案能够有效遏制应力集中区的扩展，减小了表面变形的发展。