關鍵部位耦合組合支護在高應力狀態下的應用

關鍵部位合作保護理論是我國軟巖道路保護領域的代表理論之一。該理論認為，地下工程的破壞主要是由于保護體與圍巖在強度、剛度和結構上沒有結合。因此，道路保護的選擇是基于變形力學機制，其次是藥物治療，采用合適的保護和轉化技術，將混合轉化為單一型。具體到實際工作時就是將復雜巷道支護分為兩次:一次支護為柔性的面支護,二次支護為關鍵部位的點支護。該理論在六家煤礦HJS復合型軟巖巷道支護中付諸實施,很好地解決了軟巖支護的技術難題,取得了顯著的經濟效益。1當前技術條件和問題1.1支護參數設計六家煤礦位于平莊煤田古山礦區東北部,屬內蒙古自治區赤峰市所轄。該礦于1990年末開工建設,設計生產能力90萬t/a,服務年限72a,開拓方式為立井單水平開拓。當礦井施工到西二采區運輸石門時,巷道支護遇到了復雜的軟巖問題,原設計該巷道采用4次復合支護的方法進行支護,巷道凈深寬4.1m,如圖1所示。各項支護設計參數如下:(1)頂板錨網噴,作為臨時支護。使用A3管縫式錨桿:Φ43mm×1600mm,間排距為800mm×800mm,金屬絲網為10#,網眼50mm×50mm,初噴50mm。(2)砌料石碹,厚400mm,底拱200mm。(3)架11#工字鋼梁,每米一架,有底梁,鋼梁間用拉桿連接,拉桿個數10桿/架。(4)砌筑混凝土碹。頂拱和直墻250mm,底拱200mm。1.2巷道圍巖引起嚴重構造采用上述復合支護,成巷2～3月內就出現顯著變形破壞,主要表現在以下幾方面:(1)巷道頂板混凝土開裂并掉塊。(2)巷道直墻與半圓拱相接部位出現連續貫通的裂縫,并沿巷道軸線方向延伸,局部通向拱頂。(3)巷道發生嚴重底臌,運輸鐵軌被拱起,澆筑于反底梁內的鋼架被扭彎,運輸中斷。(4)由于巖體破碎,超前支護無法控制冒頂。2壓、未預留變形量(1)管縫式錨桿作臨時支護,垂直巖壁打入,由于抗拉拔力小,巖體破碎,往往無法控制冒頂。(2)在未充分放壓、未預留變形量即直接砌料石碹,巖體與料石碹剛度不耦合易使料石碹開裂、變形、塌落,數值模擬顯示圍巖的塑性區域較大,支護體上有較高的應力集中現象。(3)鋼架底拱沒有消力接口,底拱沒有拉桿,鋼架間沒有形成整體的穩固體系。(4)砌筑混凝土碹緊貼鋼架,沒有預留變形量,在來壓或變形量過大時將使料石碹、鋼架、混凝土碹被各個擊破,相繼破壞。3hj復合型軟巖巷道支護試驗鑒于上述情況,六家煤礦委托中國礦業大學北京研究生部巖土所針對存在的問題開展軟巖攻關,進行HJS復合型軟巖巷道支護試驗,以期盡快解決現場問題。通過HJS復合型軟巖變形力學機制研究,本工程段可確定為IAB、IIBD、IIIC型復合力學機制類型,對于這種具有復合型力學機制的軟巖巷道,必須采取“對癥下藥”的聯合支護方式。3.1新型鋼筋網錨桿系統新的設計方案充分考慮了軟巖的大變形、大地壓、難支護特點,遵循對策設計、過程優化設計和參數設計這一過程,實現了信息化施工和反饋設計以及軟巖巷道的耦合支護設計。新方案調整超前錨桿和布置方式,采用了適合軟巖巷道錨網噴工藝的材料,淘汰了A3管縫式錨桿,改用Φ22mm螺紋鋼樹脂錨桿,淘汰了以往的鐵絲網,改用新型鋼筋網,同時廢除了砌料石碹和混凝土碹的作法,改用架設鋼梁、復噴混凝土等方法。其設計方案如圖2。主要設計參數如下:(1)Φ22mm螺紋鋼樹脂錨桿,長度2.0m,設計工作強度8t/根,鐵托盤100mm×100mm×10mm,木托盤150mm×150mm×30mm。(2)錨桿間排距600mm×600mm,呈三花布置。(3)錨桿錨固端總長度700mm,分兩卷樹脂錨固劑,型號分別為快速K2335和中速Z2335,規格均為Φ23mm×350mm。(4)鋼筋網規格:網片900mm×900mm,網眼100mm×100mm,鋼筋為Φ6.5圓鋼。(5)初噴混凝土厚度50mm,復噴厚度150mm。(6)11#工字鋼,共分4段,其中頂拱1段,底拱1段,直墻2段,工字鋼梁與錨網噴層間預留150mm剛隙柔層,鋼架為1架/m。3.2鋼架混凝土巷道(1)采用螺紋鋼樹脂錨桿技術,提高了單根錨桿的錨固力,消除或減少了巖體結構變形效應,增強了圍巖整體穩定性。(2)復合托盤技術,增強了錨桿柔性,避免了螺紋鋼錨桿在尾部脆斷。(3)鋼筋網和初噴混凝土增強了初次支護的柔性,既能保證軟巖最大程度地發揮其自身支撐能力,又能允許圍巖有較大變形,釋放其變形能量,從而實現耦合設計。(4)預留剛隙柔層,鋼架技術和復噴,用以調整巷道圍巖的工程偏應力所造成的不均勻變形,以及確保有足夠的強度儲備,實現一次成巷避免返修。(5)計算機數值模擬顯示,新的設計方案塑性區域小且均勻,支護體不存在較大的應力集中現象,滿足耦合支護設計的要求。4錨桿、混凝土安裝(1)施工作業分大循環和小循環進行,大循環每循環進尺5m,小循環每循環0.9m,掘進分上、下兩層進行,即先掘出頂拱部分并完成小循環,后掘出幫部及拉底并完成小循環,最后完成大循環。其流程圖如下:小循環(0.9m):打超前錨桿→打眼放炮→掛網→安裝樹脂錨桿→初噴大循環(5m):錨網噴(小循環)→拉底出貨→架鋼架→澆筑底拱(2)由于圍巖多為破碎泥巖或砂礫巖等軟巖,必須打超前錨桿進行超前支護,超前錨桿采用Φ43mm×1600mm國產A3型管縫式錨桿,其方向與巷道軸線呈15°～20°角。一般情況下錨桿間距0.6m,特別破碎時間距0.3m,較完整時間距0.9m。(3)爆破時多打眼,少裝藥,放小炮。當圍巖為破碎泥巖時,應將炮眼布置在設計毛斷面以內一定距離,一般為200～300mm。(4)掛網時要先將網與上一循環鋼筋通過掛鉤聯結緊密,用A3管縫式錨桿穿過網片中心固定網片,然后再打樹脂錨桿。(5)當層理明顯時樹脂錨桿應與層理面呈最大角度鉆進,層理不明顯時,錨桿應垂直巷道輪廓線。(6)上托盤要待錨固劑固化后,木托盤緊貼網片,鐵托盤緊靠木托盤外。(7)初噴射網后一定要噴實,尤其應注意托盤后必須噴實。(8)在安裝鋼架前,按設計拉出底拱,在兩幫和靠近腳的底拱各打兩根錨桿并掛腳網,腳錨桿和底錨桿與直墻線呈45°角。(9)安裝鋼架時要根據中心腰線調整鋼架位置,保證整個鋼架在同一平面并垂直巷道軸線,消力接口必須保證嚴絲合縫緊緊固定在一起。(10)澆筑拱采用C20混凝土,即水泥∶砂子∶石子=2∶1.025∶3.306,水灰比1∶0.54,水泥采用425#普通硅鹽水泥,速凝劑摻入量不大于水泥量的4%,澆筑底拱時要注意將鋼架消力接口下填實。養護不少于24h。(11)復噴應在初步支護使圍巖趨于穩定后進行(通過監測得出15d后較合適)。混凝土配合比為水泥:砂子∶石子=1∶2.03∶3.31。復噴時必須將鋼架后噴實。5大力改進,不斷優化,實現一次成巷根據一系列的試驗監測。采取的支護對策和方案完全滿足要求,達到了預期目的。在施工過程中,始終遵循過程設計的原則,注重現場監測,注重信息反饋,不斷優化,不