梁 苗，王 輝，張 磊，褚海艷

(1.鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

礦井圍巖注漿加固實質(zhì)是改善巖體力學(xué)性能，提高巖體強度，形成自身承載結(jié)構(gòu)，提高支護結(jié)構(gòu)的整體性；礦井圍巖注漿加固的原理是改善支護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，改善圍巖巖性，提高巖體支護后的強度，提高圍巖支護體的承載能力和整體性。根據(jù)圍巖注漿加固的實質(zhì)和原理，先確定需要注漿加固的位置再進行定位注漿加固更能發(fā)揮漿液的滲透膠結(jié)作用，固結(jié)松軟破碎巖體成為一個整體結(jié)構(gòu)，漿液凝固后也可以提高圍巖的自身強度[1-7]。石草臺煤礦井下二水平大斷面硐室利用中空注漿錨索、錨桿結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)圍巖破碎位置的不同選用出漿位置與之相對應(yīng)的錨索、錨桿控制注漿時漿液的出漿位置，在探明巖體中松軟破碎位置前提下，實施定位注漿加固技術(shù)，更好地發(fā)揮了注漿支護加固松軟破碎圍巖的作用[8-15]。

1 大斷面硐室頂?shù)装甯艣r

石草臺煤礦二水平變電所硐室無法避開巖性較差巖層，從現(xiàn)場頂板鉆孔窺視結(jié)果可以看出頂?shù)装迤扑榱严侗容^發(fā)育?，F(xiàn)場頂板鉆孔深度0～1.5m窺視結(jié)果如圖1所示，從圖1可以看出，鉆孔深度0～1.5m之間巖層比較松碎，孔內(nèi)裂縫將孔壁分割成網(wǎng)狀破碎小塊。

圖1 鉆孔深度0～1.5m窺視結(jié)果

現(xiàn)場頂板鉆孔深度2～3m窺視結(jié)果如圖2所示，從圖2可以看出，鉆孔深度在2～3m之間巖層，孔壁裂隙沿鉆孔方向向深部發(fā)育延伸，可見該位置鉆孔中的巖石碎塊較多，巖層發(fā)育完整性差，在進行鉆孔窺視觀測時發(fā)生破碎巖塊卡住觀測探頭的情況，超過3.5m深度觀測探頭很難再伸進去。

圖2 鉆孔深度2～3m窺視結(jié)果

以上鉆孔觀測結(jié)果說明石草臺煤礦二水平變電所硐室頂?shù)装鍘r層顯現(xiàn)松軟破碎的特性，在支護過程中通過注漿可以將松軟破碎的頂?shù)装寮庸坛蔀檎w，增強頂?shù)装宓恼w性和連續(xù)性。因此，針對該礦井下變電所硐室頂?shù)装迤茐那闆r，提出在采用中空注漿錨索確定圍巖松軟破碎位置的前提下，進行定位注漿并輔以反懸拱控制底鼓，提高圍巖整體承載能力。

2 變電所硐室支護方案

鑒于石草臺煤礦二水平變電所屬于大斷面巷道，具有圍巖松軟破碎、地應(yīng)力高、埋深大等特點，設(shè)計方案的指導(dǎo)思想是釋放圍巖壓力，發(fā)揮圍巖自身承載能力，形成內(nèi)部支承環(huán)，主、被動支護結(jié)合，剛?cè)峤Y(jié)合，錨注結(jié)合；硐室前期施工經(jīng)過應(yīng)力重新分布，充分釋放圍巖壓力，礦壓觀測進入穩(wěn)定期后進行二次支護，實施定位注漿輔以反懸拱控制底鼓的加固方案。因此，本次支護方案分四個階段完成對該大斷面硐室的總體支護。

2.1 第一階段支護

第一階段采用小斷面掘進，最大限度地釋放圍巖應(yīng)力，這樣可以減少后期大斷面硐室的變形。巷道掘進斷面為半圓拱型，規(guī)格為4500mm×3400mm。計劃后期圍巖充分釋壓后刷大斷面，前期支護采用錨網(wǎng)支護方式。第一階段支護設(shè)計如圖3所示。

圖3 第一階段支護設(shè)計圖(mm)

2.2 第二階段支護

第二階段支護考慮后期硐室施工和設(shè)備布置確保硐室凈斷面尺寸5000mm4000mm，頂板和兩幫預(yù)留0.15m的變形量，預(yù)留澆筑混凝土的厚度。掘進斷面刷大后尺寸為6300mm4750mm，成形斷面形狀為直墻半圓拱形。設(shè)計采用剛?cè)峤Y(jié)合的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護方式，所施工錨索、錨桿為確定出漿位置的注漿錨索、注漿錨桿，為下一階段定位注漿做好準備。第二階段支護設(shè)計如圖4所示。

圖4 第二階段支護設(shè)計圖(mm)

2.3 第三階段支護

在第一階段充分釋放圍巖應(yīng)力后，圍巖進入穩(wěn)定變形期，進行第二階段的施工與支護。在第二階段支護施工完成之后，第三階段支護時間通過礦壓觀測結(jié)果確定。第三階段支護實施定位注漿，形成圍巖內(nèi)部支承環(huán)，提高圍巖強度。注漿原料用525#硅酸鹽水泥、ACZ-Ⅰ水泥添加劑，水灰比2∶1，添加劑用量是水泥量的8%；注漿泵壓根據(jù)實際注漿情況實時調(diào)整，原則上注漿泵壓低于5MPa。定位注漿工藝流程如圖5所示。

圖5 定位注漿工藝流程圖

2.4 第四階段支護

第四階段針對硐室底鼓采取定位注漿加固錨注結(jié)構(gòu)體、封閉大斷面巷道表面圍巖、向深部轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力相結(jié)合的方法。通過注漿錨桿對底板淺部注漿，在硐室底板形成向下的拱形承載結(jié)構(gòu)體；注漿加固碎裂底板并對其進行注漿封閉；通過注漿錨索將淺部錨注結(jié)構(gòu)體錨固到深部穩(wěn)定圍巖，深部錨固點可以限制淺部底板向上鼓起，使整體應(yīng)力向深部巖層轉(zhuǎn)移，大斷面硐室的底板形成向下懸吊的反懸拱結(jié)構(gòu)與淺部錨注結(jié)構(gòu)體形成共同承載體系起到加固和控制底鼓的作用。反懸拱結(jié)構(gòu)支護設(shè)計如圖6所示。

圖6 反懸拱結(jié)構(gòu)支護設(shè)計圖(mm)

3 數(shù)值模擬驗證

3.1 支護結(jié)構(gòu)受力模擬

根據(jù)石草臺煤礦二水平變電所等巷道的圍巖物理力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D軟件建立力學(xué)模型進行數(shù)值模擬驗證。按照支護設(shè)計參數(shù)構(gòu)建數(shù)值模擬模型，支護結(jié)構(gòu)受力模擬如圖7所示。由圖7可見，所施工的幫錨索和多數(shù)幫錨桿處于受拉力狀態(tài)，最大拉力值達到2t左右；硐室的正上方以及斷面兩肩位置所施工錨索和錨桿都處于受壓力狀態(tài)，錨索、錨桿所受的最大壓力值達到8t左右。錨索和錨桿的受力情況比較合理，大多數(shù)支護體都發(fā)揮了支護作用，達到了形成錨注結(jié)構(gòu)體共同承載的目的。在硐室斷面兩肩位置錨桿支護全長都在受力增大的區(qū)域內(nèi)，與該位置存在應(yīng)力集中和圍巖變形量較大的實際情況吻合。

圖7 支護結(jié)構(gòu)受力模擬

3.2 定位注漿后底板錨桿和錨索受力模擬

底板巖層定位注漿加固后穩(wěn)定性和整體性有了很大改善，其底板錨桿和錨索受力模擬如圖8所示，通過注漿錨索、注漿錨桿對底板進行定位注漿加固形成錨注結(jié)構(gòu)體，注漿錨桿封閉表層碎裂巖層加上錨固、注漿錨索深部錨固使圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。硐室底板注漿錨索、錨桿都處于受拉應(yīng)力的狀態(tài)下，反懸拱結(jié)構(gòu)起到了阻止底板圍巖向上鼓起的作用，整體承載結(jié)構(gòu)受力均勻，總體支護效果明顯，在控制硐室底鼓上起到明顯作用。

圖8 底板定位注漿后底板錨桿和錨索受力模擬圖

4 結(jié) 論

1)針對呈現(xiàn)松軟破碎特性的巷道圍巖，探明巖體中松軟破碎的位置，在設(shè)計注漿位置和巖體中松軟破碎位置一致的前提下，進行定位注漿加固提高注漿加固效率和效果。

2)針對松軟破碎圍巖采取錨注加固，淺部封閉錨固形成錨注承載結(jié)構(gòu)體，深部錨固轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力，通過提高圍巖整體承載能力來控制松軟破碎巖層大斷面巷道變形效果顯著。

3)通過分階段支護充分釋放圍巖應(yīng)力，避開松軟破碎巖層的應(yīng)力釋放期，使松軟破碎巖層內(nèi)部應(yīng)力充分釋放出來，可以充分保持和利用圍巖殘余強度，同時提高巷道支護控制效果。

4)反懸拱結(jié)構(gòu)有機結(jié)合了錨桿支護的組合拱和懸吊原理，在大斷面巷道底板形成向下承載的拱形結(jié)構(gòu)并將該結(jié)構(gòu)反向固定到深部穩(wěn)定巖層上，可以實現(xiàn)對大斷面巷道底鼓的有效治理。