工程科技 中国科技信息２０１ ３年第２４期・ｃＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｄｅｃ．２０１３ 预 应 力 １．中煤第五建设有限公司第四十九工程处，河北邯郸０５６００５ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｃａｂｌｅ Ａｎｃｈｏｒｓ ｉｎ Ｆｌｏｏｒ Ｈｅａｖｅ ｏｆ Ｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ ＤｅｅＰ Ｓｏｆｔ Ｒｏｃｋ Ｒｏａｄｗａｙ Ｔｏｎｇ Ｙｉｎｇｙｉｎｇ’，佟莹莹’王涛’于金伟 注 浆治 锚理 索中 在的 佟莹莹 深应 井用 软研 岩究 巷 道 底 臌 佟莹莹（１ ９８７－） 男．助理工程师 王涛（１ ９ ８ １一） 男．助理工程师 于金伟ｃ１ ９８３－） 男，技术员。 ２．济宁矿业集团霄云煤矿，山东济宁２７２２１ ５ Ｙｕ Ｊｉｎｗｅｉ ，Ｗａｎｇ Ｔａｏ’ １．Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｎｏ．５ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｔｈｅ ４９ｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎ，Ｈｅｂｅｉ Ｈａｎｄａｎ ０５６００３； ２．ｄｉｎｉｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ，Ｘｉａ０ｙｕｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ，Ｓｈａｎｄ０ｎｇ ｄｉｎｉｎｇ ２ ７２２ １ ５ 摘要 针对深井软岩巷道底臌严重的现象，结合某千米深井软岩巷道具体条件，分 析了巷道剧烈底臌的原因，提出采用预应力注浆锚索的方法控制巷道围岩， 现场试验结果显示取得了较好的控制效果，在此基础上分析了注浆锚索加固 底板作用机制。 关键词 巷道底臌；预应力锚索；底板注浆 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ ｒｏａｄｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｆｌｏｏｒ ｈｅａｖｅ， ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ ｓｏｍｅ Ｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ ｄｅｅｐ ｍｉｎｅ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆｖｉｏｌｅｎｔ ｆｌｏｏｒ ｌｉｔｆ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｂｌｅ ａｎｃｈｏｒｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｒｏａｄｗａｙ ｌｏｏｒ ｈｅａｖｅ；ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ａｎｃｈｏｒ；ｆｆｌｏｏｒ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１３．２４．０２２ 我国很多煤矿已经突破ｌＯ００ｍ的开采深度，巨野矿 区便为我国典型的深部开采矿区，深埋巷道底臌问题严 造，水平层理、斜层现发育，参差断口。 重，给行人、行车、安全带来极大影响，直接影响了煤炭 的安全高效开采ｎ ］。现场调查表明，在底板不支护的深部 开采中，巷道顶底板移近量的２／３～３／４是底臌引起的， 底臌造成的巷道维修量占维修总量的５０％ｂ ］。如何有效、 经济的控制底臌是深部开采急需解决的问题。本文在总结 现有研究成果的基础上，着重分析了深部软岩底臌特性， 提出利用底板注浆锚索进行底臌治理的技术，并进行现场 应用，取得较好的控制效果。 １工程概况及底臌机制分析 １．１工程概况 某矿水泵房断面形状为直墙半圆拱形，设计净断面宽 ４．５ｍ，高５．０５ｍ，处于一９４５水平，水泵房掘进过程中主揭 露３煤层及煤层底板细砂岩，底板泥岩，顶板细砂岩颜色 灰白，块状构造，中厚 厚层状结构，裂隙中等，局部充 填方解石脉；底板泥岩为灰黑色，厚层状结构，块状构 ７０一 图１水泵房断面及原支护设计图 中国科技信息２０１３年第２４期・ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ｌＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｄｅｃ．２０１３ 工程科技 水泵房具体断面尺寸及原支护设计见图ｉ。掘进支护 材料为螺纹钢树脂锚杆、金属网、锚索、Ｃ２０混凝土。 该 巷道采用 ２２×２４００ ｍｍ无纵肋螺纹钢式树脂锚杆配合、 不能有效解决问题，需要从改善围岩自身性质、提高围岩 自承能力方面入手解决问题。 根据上述原则，设计了预应力注浆锚索底板加固方 案，具体见图２。 （１）封闭底板：首先将水泵房底板进行卧底施工 并淤泥清理干净，清至硬底，排净水后对底板抹一层厚 ｌＯＯｍｍ的混凝土，做成混凝土地坪，以防止注浆时大面积 锚索、金属网进行组合梁式支护。帮部锚固锚杆采用１根 ２８１００树脂药卷，顶部锚固锚杆采用１根２５１００树脂药卷， 锚杆间排距为０．８ｍ×０．８ｍ，锚索间距２ｍ，排距２．４ｍ，每 排３根。锚素均为中１７．８ Ｘ６．２ｍ，每孔２支２５１００药卷锚固。 硐室施工完成后，初期变形量并不大。但是后期随着 水泵房蓄水和设备运行等原因，开始逐渐出现大变形和破 坏现象，底鼓现象凸显。造成设备基础变形开裂，设备移 位，管道变形甚至破断，直接影响的水泵房的正常使用。 １．２底臌原因分析 通过地质调研、现场观测、理论分析等手段，发现该 水泵房底臌原因主要有以下五点。 （１）膨胀性泥岩剧烈软化膨胀。水泵房围岩地质调 查结果显示，围岩所处层位为泥岩，巷道变形剧烈，严重 影响硐室正常使用。岩石单轴抗压强度低于１ ５ＭＰａ，流变 及蠕变性极强，长时间不能稳定。同时，该区域泥岩中含 有较高含量的黏土矿物和膨胀性矿物，岩石的裂隙发育， 接触地下水时会造成强烈膨胀，导致围岩进一步失稳破 坏，引发更为强烈的底臌。巷道的稳定与围岩的岩石物理 力学特性有密切关系。 从岩石矿物成分分析结果中看出，泥岩中高岭石含量 高达４０％～８５％，还有７％～１０％的伊利石、蒙脱石。强膨 胀性矿物蒙脱石和弱膨胀性矿物高岭石、伊利，在地下水 和空气中的水的影响下，对水极其敏感，膨胀变形剧烈， 特别是在大断面巷道且有涌水情况下，围岩失稳更加严 重。 跑浆，凝固后进行打眼、安装注浆锚索、注浆。 （２）预应力注浆锚索参数：经岩石力学状况分析和 工程类比，选取的注浆锚索支护的参数为：注浆锚索直径 ２２ｒａｍ、长５３００ｍｍ，间排距１．６ｍ，注浆锚索施加的预应 力为１５ｔ，为使底板受力更加均匀。 （３）注浆材料及参数：确定选用成本最低的复合水 泥浆材作为注浆材料。注浆压力３～４ＭＰａ，注浆液为单液 浆，水灰比为１：０．７５。 混凝土地坪 图２底板注浆锚索支护设计图 （４）施工顺序：卧底、清底一施工混凝土地坪，防 止跑浆一施工锚索孔一安装注浆锚素并封孔一注浆一水泥 浆液凝固后施加预紧力。 ２．２底板控制效果 （２）埋深大、地应力高。水泵房的埋深大，在 １Ｏ００ｍ左右，地应力测试结果显示该区域垂向地应力为 ２５．７ＭＰａ，水平方向最大主应力为３６．４ＭＰａ，构造地应力 影响显著。在高的地应力荷载作用下，围岩应力应变关系 呈现出不同于浅部的特点，变形速度快，变形量大，流变 时间长。导致巷道围岩长时间达不到稳定状态。 底臌治理方案现场实施顺利，工艺相对简单，未出现 不易施工的情况。为充分了解新型支护方案的围岩控制效 果，特在试验巷道中设置矿压观测点进行围岩变形量的连 续观测，结果如图３所示。新支护方案实施９０天后，巷道 已经基本趋于稳定，顶板下沉最大值为３４ｒａｍ，两帮移近 量最大值１２ｒａｍ，底臌最大值为２７ｒａｍ。巷道底臌量明显减 少，达到了预定的目标，基本符合设计要求，说明前文对 底鼓原因的分析和新型支护方式是合理的，能够满足对深 井软岩巷道底鼓的治理。 ４Ｏ （３）水理作用显著。水泵房的特殊功能决定了围岩 必须处于有水的环境中，底板围岩长期浸泡与水中，在水 理作用下，岩体强度弱化严重，同时由于吸水、失水而引 起水解，进一步加剧岩石破坏，使岩石出现裂纹、崩解， 导致围岩变形了进一步加大。 （４）温度作用影响。围岩在深埋下地温高，即使在 巷道空气中的温度也高达约３０￣Ｃ，围岩岩石温度将更高， 随着温度的升高，岩石强度将降低，随着季节的变化、温 度的变化，岩石将经历吸水、失水的过程而加剧岩石的风 化或水解，这也将影响巷道围岩稳定。 （５）设备震动影响。水泵房启用后，水泵长期处于 工作状态，震动剧烈，由于水泵直接安放在底板基础上， ＋顶板沉降 ＋底数 ＋两帮移近 －垂。。 耋２０ ｌ０ ０ Ｏ １５ ３０ ４５ ６０ ７５ ９０ 州 间／ｄ 导致底板围岩收到长时间的震动作用，使得围岩在高压下 更易破碎、开裂，进一步加速和加剧了底臌问题。 图３巷道变形监测结果 由此可见，在深井高地应力条件下，采用预应力注浆 ２底板注浆锚索加固方案及效果 ２．１加固方案设计 在充分了解现场地质条件和分析底臌原因的基础上， 提出了根治该水泵房底臌的支护原则：单纯的支护外荷载 ７１ 锚索进行底臌治理的新型的控制技术有明显的效果。 ３机制分析 通过底板注浆锚索加固作用，其围岩作用机理主要反 工程科技 中国科技信息２０１ ３年第２４期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｄｅｃ．２ｏ１３ 映在以下几个方面。 （１）加锚注浆改变了内岩体峰后承载和变形特性。 加锚注浆岩体可呈现理想弹塑性特点，峰后不出现应力软 化。 （２）通过注浆加固改善了围岩物理力学参数，提高 １９承能力。阻止围岩本身强度的降低，增强了破裂岩体的 承载能力，直接导致围岩峰值强度显著提高，且改善了围 岩变形性能。 （３）阻止了围岩深部塑性区的大范围发展。处于峰 后软化和残余变形段的破碎岩体是注浆加固的主要强化对 象，此类岩体应力状态较低，通过加固可转化为弹性体， 有效改善围岩承载结构。 （４）多层组合拱结构的可靠性与承载能力显著提 高。注浆加固扩大了锚注支护体系的有效承载范围，提高 ＿了支护体系的整体性和承载能力。使得支护体系能够对深 ｌ Ｉ 部破裂围岩提供更加有效的约束，充分发挥发挥破裂围岩 的自承结构效应。 ４结语 （１）结合某千米深井水泵房的底臌破坏情况，分析 认为地应力高、地层岩性软弱、水理作用强烈及支护荷载 中国国家地理自然百科系列：地球 弱是产生强烈底臌的原因。 作 者：迈克尔・阿勒比著赖凡译 （２）分析了控制底臌的原则，提出了预应力注浆锚 出版社：中国大百科全书出版社 索治理底臌的方案，现场实施效果证明该方案对于深井底 出版时间：２Ｏ 一１Ｏ一０１ 臌具有较好的控制效果。为深井底臌治理提供了一种新的 Ｉ Ｓ Ｂ Ｎ：９７８７５Ｏ０Ｏ９２６３６ 有效的控制方法，具有较好的借鉴和推广价值。 所属分类： （３）从４个方面分析了底板注浆锚索加固作用机理： 图书＞科普读物＞地球科学 加锚注浆改变了内岩体峰后承载和变形特性，改善了围岩 物理力学参数，提高自承能力，阻止了围岩深部塑性区的 大范围发展，多层组合拱结构的可靠性与承载能力得以显 著提高。 地球，这个已知太阳系中唯一存在生命体的蓝色星球，是 我们身边所有生物的家园。对于这个共同的家园．人们总是有 着无穷无尽的好奇：天的外面是什么．地的下面又是什么？为 什么会有风，云是怎么形成的，火山喷发真的是地震鲶在作怪 吗７人们不断遐想，不断提问．对美丽神奇的地球进行着不断 地探究。《中国国家地理自然百科系列：地球》便是这样一本 参考文献 集结众多科学研究领域的最新成果．全方位向你解读地球的百 ［１】姜耀东，赵毅鑫，刘文岗等．深部开采中巷道底臌问题的研究 科全书。它除了准确客观的科学定义外 还融入了大量手绘插 ＿Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００４，２３（１ ４）：２３９６－２４０１． 图和亲历照片，让枯燥的科学知识变得生动有趣，浅显易懂。 ［２］康红普．软岩巷道底臌的机理及防治［Ｍ］．北京：煤炭工业出 版社，１ ９９３． 《中国国家地理自然百科系列：地球》让你成为地球百事 ［３】王卫军，冯涛．加固两帮控制深井巷道底臌的机理研究［Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２００５，２４（５）：８０８－８１１． 通。真心希望．每位读者都可以开卷有益，在这本精美的图文 读本中 享受知识的盛宴。 ［４】李树清，冯涛，王从陆等．葛泉矿软岩大巷底臌机理及控制 研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（８）：１ ４５０－１ ４５５． 《中国国家地理自然百科系列：地球》是一本真正的地球 ［５】李为腾，李术才，王琦等．深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机 百科全书 全书内容科学精确、深入浅出，细致精美的地图、 制模型试验研究［Ｊ］．岩土力学，２０１ ３，３４（１ ０）：２８４７－２８５６． ［６】李为腾，李智，李术才等．基于巷道顶板三维围压计 插画和照片让地球知识更加直观清晰。从浩瀚海洋到辽阔陆 地．从炎炎赤道到冰雪极地，气候、环境 生物、资源……一 算的锚索梁布置方式作用机制研究［Ｊ］．采矿与安全工程学 书在手，定能将地球４６亿年的前世今生尽收眼底！ 报，２０１ ５，５０（４）：４７５－４８２． ［７】徐前卫，尤春安，朱合华．预应力锚索的三维数值模拟及其锚 迈克尔・阿勒比，地球科学与自然科学的专家，在自然与 固机理分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００５，１（２）：２１ ４－２１ ８． 环境科学领域有诸多著作．内容涉及天气与气候科学、地球科 ［８］王洪涛，尤春安，王绪勇．不同屈服条件对巷道围岩塑性区的 学、生态学等，．还曾为《牛津词典》承担动物学、生态学，以 影响研究［Ｊ］．水电能源科学，２Ｏ１ １，（０３）：１ ０７—１ ０９． 及地学方面的编辑工作。 ７２
