影响软岩巷道稳定的主要因素
(1)岩性因素:岩体本身的强度、结构、胶结程度及胶结物的性能,膨胀性矿物的含量等影响软岩巷道变形的内在因素。
(2)工程应力的影响:它是造成围岩变形的外在因素,具体涉及垂自应力、构造应力、残余应力、工程环境和施工的扰动应力,及邻近巷道施工、采动影响等,特别是在多种应力相互迭加的情况影响更大。
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(3)水的影响:包括地下水及工程用水,尤其是对膨胀岩,水对其变形的影响极大,水不仅造成粘土质岩的膨胀,同时还大大的降低了岩石的强度。
(4)时间因素:流变是软岩的特性之一,巷道的变形与时间密切相关。
2.4深井软岩巷道的阶段性变形特征
(1)掘巷之初的剧烈变形和应力调整阶段,随巷道围岩裂隙的发育,变形速度快速衰减,同时围岩变形量增长很快。初期来压快,变形量大,软岩巷道自稳能力很差,如不加控制很快就会发生岩块冒落、巷道破坏。但如果用不适应软岩大变形特点的刚性架,也将很快被压坏。
(2)二次应力场初步形成,破裂范围趋向稳定的稳定变形阶段,围岩变形速度基本保持一致,位移量表现为缓慢增长。多为非对称环向受压,且巷道开挖后不仅顶板变形易冒落,底板也将产生强烈底臌,如巷道支护对底板不加控制,往往出现强烈底臌并引发两帮破坏、顶坍落。
(3)应力扰动、围岩长时强度降低、采动影响等导致围岩稳定性降低,围岩进一步加速变形阶段。超过临界深度,支护的难度就明显增大,且软岩巷道变形在不同的应力作用下,有明显的方向性。软岩的失水和吸水均可造成软岩发生膨胀变形破坏或泥化破坏。
淮南矿区深部岩巷主动加固新技术
将高强预应力锚杆及时支护和围岩开挖扰动区滞后注浆加固相结合是目前深部岩巷围岩稳定控制的有效途径,由四项关键技术构成:1)锚杆高预应力施加技术 2)超高锚杆强杆体材料与制作工艺 3)巷道底部锚杆眼成孔技术 4)围岩开挖扰动区滞后注浆工艺。这四项技术是一个有机的整体,缺一不可,任何一个环节把握不当,都有可能造成深部巷道支护的失败。
1)锚杆高预应力施加技术
给锚杆施加高预应力是恢复和改善围岩应力状态的有效途径。锚杆高预应力施加技术中,预应力量值的控制是技术的关键,预应力施加机具是该技术实现的根本途径。要使围岩应力状态得到有效的恢复和改善,锚杆预应力必须达到足够的量值。
近五年来淮南矿区深部岩巷的支护研究与实践表明,对埋深800~900米、水平应力20~25MPa、垂直应力15~20MPa、横断面宽度为4~5米的直墙半园拱形巷道,设计最大锚固力一般都在200~250kN左右,预应力应达到100~120kN。如此高的预应力必然要求施工机具有足够的扭矩,一般在扭紧螺母时相应的扭矩应达到500~800N.m。
MQS90J2型风扳机,可提供600Nm以上的扭矩,预应力100KN以上
2) 超高强锚杆杆体材料与制作技术
随着锚杆预应力和最大设计锚固力的提高,锚杆杆体材料的强度也要相应提高,这就要求深部岩巷支护必须采用超高强锚杆。考虑到满足围岩支护要求的锚杆长度在2~2.5m的实际情况及现场凿岩效率的需要,凿岩机钻头直径以28mm为宜,钻头直径过大会降低凿岩效率和钻进速度,过小则会使锚杆直径相应变小,无法确保锚杆对于维护围岩稳定所必须的强度。同时,为了确保树脂锚固剂的粘结强度,锚杆杆体、树脂锚固剂和锚杆孔三者必须做到直径匹配。
目前市场上的φ22Ⅳ和V级建筑螺纹钢杆体材料的屈服强度为540~650MPa,能够承受的屈服荷载为205~240kN,比Ⅱ级螺纹钢锚杆高80%,比Q235普通锚杆材料高3~4倍,而且价格低廉,每吨钢材仅比Ⅱ级螺纹钢高100~300元人民币,这就为深部岩巷采用高强,甚至超高强锚杆提供了便利条件。
3)底锚杆眼成孔工艺技术
高强预应力锚杆仍是高效经济的底板支护措施。但要在巷道底板进行锚杆支护,首先必须解决在巷道底板上打锚杆孔的技术难题。和在两帮和顶拱上打眼相比,在底板上打眼岩粉难以排除,达到一定深度后由于岩粉积聚在孔内产生较大的阻力,钻进难以继续。因此,必须研制专用的底锚杆施工机具。到目前为止,虽然进行了多种尝试,但还没有研制出十分理想的机具。在这种情况下,为了进行巷道底板的支护,只能借助于现有的施工机具进行工艺上的改进。通过加大风压和水压,并对施工人员进行专门的培训后,利用现有的风锤或煤电钻,也可在底板上打出1.5~2.0m深的钻孔,而且效率也不低,完成每个底板孔施工仅需3~4分钟。
4)滞后注浆技术
滞后注浆加固的作用机理体现在两方面:(1)对围岩裂隙的固结增强作用。注浆后,围岩裂隙得到粘结,提高了围岩的完整性,使得裂隙的抗剪强度和刚度大大提高,表现为围岩的整体抗拉剪强度(包括内聚力和内摩擦角)大大提高;浆液充填到裂隙中固结后形成新的网络骨架结构,使得裂隙岩体的变形模量明显提高;裂隙充填后,其端部应力集中大大削弱甚至消失,改变原来的裂隙扩展破坏机制,遏制了围岩的流变变形。
(2)改善围岩表面应力状态。注浆压力消散后在喷层与围岩表面之间仍存在一定的残余应力,在锚喷支护的基础上进一步增加了作用于围岩表面的分布面力,能更加有效的改善围岩的受力状态,提高围岩强度,维护围岩的稳定。此外,通过对锚杆孔及周围裂隙岩体的注浆加固,使端锚型或半长粘结型锚杆转变为全长锚固型,大大强化了锚杆的锚固性能。
1)地质概况
该巷为新庄孜矿五二采区配风巷,南起Ⅶ线南100m,北至五二采区石门,标高-612m,总工程量约320m。
施工范围内地质构造十分发育,处于断层群内,主要断裂构造为I序次的F11-9~F10-5断层带,Ⅱ序次的Fa、F10-5(12),、F10-5(11)、 F10-5(10)逆断层,及其附生断裂构造,均为斜切正断层,地层断距为3.5~450m,发育状态不稳定,控制程度低,因而巷道岩层破碎,应力集中,地层产状变化大,对井巷工程破坏作用显著。
本次施工范围内水文地质情况复杂,主要为砂岩水、构造裂隙水。涌水量预计为1.5~4.5m3/h,大致为静储量,并相对稳定。但存在补给水源,预计会长期出水
从上述地质条件描述可以看出,该巷道有如下几方面的困难条件:
1)岩性以碎裂的泥岩或泥质岩体为主,遇水膨胀,属于典型的松软破碎岩层;
2)巷道主体工程位于断层群内,岩层结构极其复杂,层理紊乱,裂隙十分发育;
3)岩层受断层影响,掘进迎头赋存条件变化十分频繁,施工管理难度很大;
4)断层构造应力强烈,局部地段应力集中;
5)裂隙水丰富,诱导围岩泥化膨胀,水害不容忽视。
考虑到该工程围岩赋存条件变化频繁,差异较大,所以应根据实际条件,分段治理、因地制宜。由此确定支护技术方案如下:以喷锚注分步动态加固为基础支护,根据动态矿压监测分析结果,采用关键部位加固综合治理方案。
2)支护参数设计
(1)初喷薄层混凝土
爆破后及时喷射混凝土封闭围岩,厚度20~30mm;
(2)顶部高强大预拉力锚网支护参数
采用Φ22×2400mm超强螺纹钢等强预拉力锚杆加菱形金属网联合支护,顶部可采用风动锚杆钻机配Φ27钻头成孔,帮部可采用气动凿岩机施工,孔深与锚杆等长;采用加长锚固方式,锚杆间距800mm,排距800mm。锚杆预紧力不小于80 kN。
(3)补打帮部锚杆及关键部位加强锚索支护参数
帮部同样采用Φ22×2400mm超强螺纹钢大预拉力锚杆加菱形金属网联合支护,帮顶采用高预应力锚索系统加强,钢绞线规格为Φ15.24×5.3m;每断面布置5套
(4)底板锚杆加固参数:反拱半径3000mm,采用Φ22×2400m超强螺纹钢等强预拉力锚带网联合支护加强,每排5套锚杆,间距800mm,排距800mm。
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