深部开采软岩硐室联合加固技术研究

温 磊

(山西焦煤汾西矿业 正城煤业,山西 孝义 032300)

随着矿井机械化程度不断提高,井下巷道及硐室断面不断增大,深部开采时软岩硐室容易出现围岩变形量大、支护难度高等问题[1-2]。现阶段锚网索是最为常用的围岩支护技术手段,在软岩硐室围岩支护中应用时,受到锚杆索锚固力小于设计值、锚固端不稳定或者围岩蠕变等多因素影响,导致采用的支护手段无法达到预期效果[3-5]。众多的学者及现场技术人员对深部软岩硐室围岩支护技术进行了研究,其中,王炯等[6]对深部开采硐室群开挖顺序和围岩破坏影响进行分析,并提出前期采用锚网+注浆锚索+喷浆方式进行支护,后期通过钢筋混凝土砌碹强化护表强度,现场应用后硐室围岩变形得以控制;卫强强[7]对腾晖矿-900 m水泵房围岩变形原因进行分析,并提出协同锚固支护方案,通过底板、两帮以及顶板强化加固,后对硐室表面喷射混凝土加固,支护完成3个月后,水泵房围岩变形基本不再增加,围岩变形得到较好控制;黄鑫等[8]对张集矿水泵房围岩物理性质进行分析,提出采用U型钢支护围岩并在凹槽内间隔500 mm焊接补强板、填充混凝土提高支护强度。上述研究成果为深部开采软岩硐室围岩控制提供了经验借鉴,某矿水泵房由于埋深较深、硐室围岩为软岩,导致硐室围岩变形量偏大,为此结合现场情况提出采用喷、锚、注方式联合加固围岩,实现了对深部开采软岩硐室围岩变形的有效控制。

1 工程概况

山西某矿采用斜井+平硐开拓方式,现阶段矿井生产持续时间已超过50 a,生产主要集中在深部的11号、13号等煤层。矿井井田所在区域水文地质条件中等-复杂,主要涌水水源为11号、13号煤层顶板裂隙水含水层。井下+350 m水平水泵房位于13号煤层底板25 m位置,埋深超过680 m,水泵房内有8台PJ200B×9型排水泵,扬程为790.5 m、流量为420 m3/h,水泵用YB710S2-电机启动,水泵房铺设有1趟Φ325 mm×16 mm、3趟Φ426 mm×20 mm的排水管路。

+350 m水平水泵房围岩为泥岩、砂质泥岩,遇水容易出现膨胀变形,围岩原采用长短锚杆、锚索、钢带支护方式,由于硐室围岩为软岩且所在区域地质构造较为发育,随着使用时间增加,水泵房围岩变形量不断增加,出现底鼓、片帮等问题,给硐室正常使用带来影响。

2 深部软岩硐室联合加固技术

水泵房硐室埋深较大、围岩为软岩且所在区域地质构造发育,导致硐室围岩变形量随着使用时间而增大。提高围岩自身承载、充分发挥支护体系围岩控制效果是实现软岩硐室围岩变形控制的关键。为此,结合水泵房所在区域现场地质条件,提出采用喷、锚、注联合加固技术控制硐室围岩变形,具体支护方案为喷浆+锚固+壁后注浆。

2.1 喷浆及锚固支护

将水泵房硐室刷扩至设计断面后,进行初次喷浆,喷射厚度为50 mm,材料为P.O42.5普通硅酸盐水泥、砂子、石子(粒径20 mm以内)混合物,m(水泥)∶m(砂子)∶m(石子)=1∶2∶2;随后采用锚杆、锚索、金属网进行支护,具体采用的锚杆为规格Φ22 mm×2 400 mm螺纹钢锚杆,布置间排距为700 mm×700 mm,一排布置10根;锚索为规格Φ21.6 mm×8 000 mm的恒指让压锚索,布置间排距为1 400 mm×1 400 mm,一排布置5根,锚索与锚杆错开350 mm布置,具体刷扩后水泵房支护断面见图1.

图1 刷扩后水泵房支护断面图(单位:mm)

在支护完成后,对硐室表面进行复喷,喷射厚度为50 mm;在复喷完成5～7 d后进行再次喷浆,喷射厚度为50 mm.通过多次喷浆实现硐室表面覆盖,减少水、空气等对软岩弱化作用并给硐室足够的护表强度。

2.2 壁后注浆加固

在喷浆完成后,为提高软岩承载能力及强度,减少硐室表面位移量,采用壁后注浆方式加固围岩。具体壁后注浆加固钻孔布置见图2.在水泵房整个断面布置7根中空注浆锚杆,间排距为1 000 mm×1 000 mm,其中下部的两根中空注浆锚杆均有45°外插角,其余的中空注浆锚杆均垂直布置。

图2 壁后注浆加固钻孔布置示意(单位:mm)

采用的中空注浆锚杆外径为25 mm、长度为3 000 mm,在注浆锚杆端尾至端头500 mm范围内,按照200 mm间隔Φ8 mm的泄浆孔,具体中空注浆锚杆结构见图3.中空注浆锚杆施工顺序为:硐室表面喷浆—按照设计位置施工注浆钻孔—布置中空注浆锚杆及止浆塞—锚杆注浆—安装托盘。在硐室壁后注浆期间使用的主要设备包括有NBB250/6型泥浆泵、泥浆搅拌设备等,注浆材料选用普通水泥浆,水泥为P.O52.5普通硅酸盐水泥,浆液水灰比控制在0.6～1∶1.注浆压力依据硐室埋深、围岩岩性以及裂隙扩展情况以及邻近其他巷道注浆效果等确定,具体确定的注浆终压为3.5～5.0 MPa.注浆通过间歇式、连续注浆相结合方式,若注浆出现进浆量大、漏浆等情况时,采用间歇式注浆方式;否则采用连续注浆方式。注浆按照由下到上顺序进行。

图3 中空注浆锚杆结构(单位:mm)

2.3 联合加固效果

为验证水泵房采用的喷浆+锚固+壁后注浆联合加固技术应用效果,在加固后的硐室布置测点对围岩变形量进行持续跟踪,具体监测结果见图4.

图4 加固后硐室围岩变形监测结果

从图4(a)中看出,硐室加固完成40 d内顶底板变形量增加速度较快,加固完成40 d后顶底板变形量增加速度明显降低,加固完成180 d后顶底板变形基本趋于稳定,其中顶板、底板最大变形量分别为33.2 mm、22.6 mm;从图4(b)看出,加固后的硐室两帮变形量增加速度也呈现前期快速增加,后期逐渐趋稳趋势,加固完成180 d后巷帮变形量已基本稳定,其中左帮、右帮最大变形量分别为23. 5 mm、26. 4 mm.围岩变形监测结果表明,对水泵房采用联合加固技术后,顶底板、两帮最大变形量分别控制在55.8 mm、49.9 mm,围岩变形量均较小,实现了深部软岩硐室围岩变形有效控制。

3 结 语

1) 矿井水泵房原采用锚网索支护方式,硐室受埋深大、围岩松软以及附近地质构造发育等各因素影响在使用期间围岩变形量较大,无法满足使用需要。结合现场条件,提出采用喷浆+锚固+壁后注浆联合加固技术控制硐室围岩变形量。

2) 水泵房围岩通过布置密集锚杆、锚索可实现高强度支护;通过多次喷浆可覆盖硐室表面裂隙、及时封闭硐室围岩,减少空气、水等硐室围岩影响并给硐室围岩施加较大的护表强度;通过壁后注浆可改善浅部软岩性质,提高软岩自身承载能力及稳定,有助于减少后期硐室围岩变形量。

3) 水泵房进行联合加固后,围岩变形量大、持续变形等问题得以较好解决,支护完成180 d后顶底板、巷帮最大变形量分别控制在55.8 mm、49.9 mm以内。