论文部分内容阅读
[摘 要]针对张集矿矿深部高应力作用下副井马头门维护困难的问题，对马头门破坏机理分析，并提出了防治对策。现场应用结果表明：利用注浆、锚索网等多种方式进行支护加强马头门、井筒以及巷道相接处的围岩强度，使马头门的变形破坏得到了明显遏制；后期的应力变形监测显示，各项治理措施取得了良好的效果。
[关键词]高应力；软岩；支护；注浆；马头门
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）18-0387-01
1 地质条件概况
张集矿中央区设计采用立井、集中大巷和主要石门方式布置，矿井采用分区开拓的方式。二副井车场标高为-825m。井底车场层位贯穿4煤底板，井底车场围岩以软岩为主，岩性主要为花斑泥岩、炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩。二副井马头门上半部位于花斑泥岩中，拱基以下为砂质泥岩。马头门主体设计净断面最大达宽×高=7.6m×9.5m，掘进断面最大达宽×高=9.24m×10.32m，设计为直墙半圆拱形。一次支护采用锚网索喷，永久支护为单层钢筋砼。
2 深井高应力马头门破坏机理分析
通过对深部开采软岩巷道的变形破坏机理的研究发现，巷道变形破坏主要是由于支护体力学特性与围岩力学特性在强度、刚度以及结构上出现不耦合所造成的；且变形首先从关键部位开始，进而导致整个支护系统的失稳。据此，研究人员提出了要保证深部软岩巷道围岩的稳定性，必须实现支护体与围岩的耦合，即锚网索耦合支护理论。从马头门硐室的变形和破坏特点可以看出，硐室发生严重变形和破坏的主要原因包括围岩裂隙发育、强度低、地应力大、支护结构与参数不合理等几个方面。
3 深井高应力马头门破坏治理技术措施
3.1 地面预注浆
在地面预注浆施工时，在施工组织设计中明确马头门顶板软岩高应力段为重点注浆加固段，采取增大注浆压力，多次轮注措施，增强了注浆加固效果，经井筒及马头门、等候室等掘进验证，裂隙充填浆液密实。
3.2 优化马头门支护结构
（1）优化锚索布置，控制硐室深部围岩松动离层
马头门支护设计为复合支护方式。硐室掘进时采用锚网索喷支护，由于硐室断面超大，松动圈范围大，实测达3.5m及以上，因此必须增加锚索的支护强度，防止顶帮深部岩层离层，锚索布置间排距1600×1600mm，规格Φ22×7300mm，主体工程巷道每排7根，硐室每排3根，托盘采用300×300×16mm钢板+300mm长16#槽钢+160×100×14mm钢板，锚索紧跟迎头。
在硐室掘进结束后，采取在硐室顶部施工Φ22×9300mm锚索，帮部Φ22×7300mm锚索，锚索间排距为1600mm×1600mm，每个断面拱部一排5根，两帮每帮3根，用14#槽钢（4500mm）加11#工字钢（4500mm）锁牢。两层锚索端头落点在不同的受力层位，同时有利于围岩应力向深部转移及应力分布均勻。
（2）选择合理滞后时间、及时注浆加固围岩
注浆时机的选择对注浆加固的效果极为关键，硐室开挖后立即注浆，围岩吃浆少，难以起到加固效果，马头门掘进完成后，搭设作业平台对硐室进行注浆，注浆采取浅、深孔两次轮注技术，先浅孔后深孔，注浆时先注两帮，再注肩窝，最后注顶部。
注浆参数设计为注浆孔间排距为2000mm×2000mm， 孔径Φ32mm。采用深、浅孔交替注浆，浅孔孔深2.5米，深孔孔深5米。浆液配比水灰比0.75：1，浅孔注浆压力2Mpa，深孔注浆压力5～7Mpa。
注浆的同时对锚索、锚杆进行了全长锚固，增强了锚索、锚杆的支护效果，硐室围岩的完整性、支护作用得到提高，确保了硐室的安全。实际发现，采取锚索注浆加固后，硐室围岩位移很小，拱顶、帮部的混凝土喷层基本上不开裂、炸皮、掉块。
（3）优化硐室钢筋混凝土支护结构、增强结构防底鼓、抗侧压能力
为防止操车基础底鼓及底板支护强度不足，硐室设计底拱，形成封闭性支护，提高了硐室抗压效果。增设底拱暗梁，加强反拱强度。暗梁间距5m，共增加9道钢筋混凝土梁。钢筋梁高700mm，宽450mm。增加反拱厚度，并进行连续浇筑。
提高钢筋等级，硐室由单层钢筋混凝土支护改为双层钢筋混凝土，纵筋由Φ16mm改为Φ18mm，环筋由Φ18mm改为Φ20mm。
3.3 马头门连接处补强支护
二副井马头门上下段井筒及东西侧各5m在井筒掘砌时施工的，支护方式为锚索网+双层钢筋混凝土支护，施工时除增加了暗柱、暗圈梁进行加强支护，并且在井筒壁后注浆时对马头门段进行了加强注浆；但因受应力集中及后期周围巷道开挖影响，仍出现马头门上段井筒、马头门拱部、墙体混凝土开裂、掉块现象。采取以下措施加固：
（1）锚索梁加固
采用锚索梁加强支护，锚索托梁采用14#槽钢（2600mm）加11#工字钢（2600mm），锚索间排距1100×1200mm，锚索规格Φ22×7300mm。在东马头门肩窝开走向裂纹处：采用环向U型钢+锚索，U型钢长5m，以裂纹为中，用四根锚索锁牢。
（2）深孔注浆加固
对马头门处井筒及马头门东西各5m段再次注水泥单液浆加固，注浆深度5～7m，压力6～8Mpa，注浆孔间排距2.5×2.5m。
管子道施工后，在底板浅孔注浆完毕后，用地锚机向下施工底板深孔，孔深5m，间排距1.5×2m，压力6MPa，目的是充填后期变形裂隙，对井筒与马头门连接处围岩进行加固。
4 应用技术后期效果检验
为了解永久支护的安全状况，对副井马头门关键部位钢筋混凝土结构进行应力及变形监测，实时监测钢筋混凝土结构的受力状况，通过在永久支护内埋设混凝土应变计监测混凝土的应变大小。共布置了4个断面，在每个断面上沿环向布置钢筋计7个，混凝土应变计7个，沿走向布置钢筋计2个，沿走向布置混凝土应变计2个。通过应力监测，来监测工程安全状况和采取针对性措施，确保工程安全和使用。
副井马头门在前期加固、后期补强的有力措施下，马头门变形得到明显遏制。通过位移及应力观测，马头门各项监测数据均为平稳状态，后期施工段碹体完好。通过对副井东、西马头门钢筋应力及混凝土应变观测，现已趋于稳定，表明此措施效果明显。
5 结论
（1）揭示了张集矿二副井马头门难支护以及发生破坏的原因：在高地应力和高构造应力的作用下，处于巷道与硐室、巷道与井筒相交位置的马头门，很容易发生应力集中并且支护体与围岩不能很好耦合造成了马头门碹体开裂、掉块以及大变形的发生。
（2）对于处于软岩高应力附近的马头门，使其结构稳定的方法为：先进行地面预注浆，然后优化马头门与井筒相交处的支护结构、马头门内部支护结构以及进行补强支护。
（3）通过对副井马头门关键部位钢筋混泥土结构进行应力与变形观测，马头门的变形破坏得到明显遏制，治理措施效果显著。
[关键词]高应力；软岩；支护；注浆；马头门
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）18-0387-01
1 地质条件概况
张集矿中央区设计采用立井、集中大巷和主要石门方式布置，矿井采用分区开拓的方式。二副井车场标高为-825m。井底车场层位贯穿4煤底板，井底车场围岩以软岩为主，岩性主要为花斑泥岩、炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩。二副井马头门上半部位于花斑泥岩中，拱基以下为砂质泥岩。马头门主体设计净断面最大达宽×高=7.6m×9.5m，掘进断面最大达宽×高=9.24m×10.32m，设计为直墙半圆拱形。一次支护采用锚网索喷，永久支护为单层钢筋砼。
2 深井高应力马头门破坏机理分析
通过对深部开采软岩巷道的变形破坏机理的研究发现，巷道变形破坏主要是由于支护体力学特性与围岩力学特性在强度、刚度以及结构上出现不耦合所造成的；且变形首先从关键部位开始，进而导致整个支护系统的失稳。据此，研究人员提出了要保证深部软岩巷道围岩的稳定性，必须实现支护体与围岩的耦合，即锚网索耦合支护理论。从马头门硐室的变形和破坏特点可以看出，硐室发生严重变形和破坏的主要原因包括围岩裂隙发育、强度低、地应力大、支护结构与参数不合理等几个方面。
3 深井高应力马头门破坏治理技术措施
3.1 地面预注浆
在地面预注浆施工时，在施工组织设计中明确马头门顶板软岩高应力段为重点注浆加固段，采取增大注浆压力，多次轮注措施，增强了注浆加固效果，经井筒及马头门、等候室等掘进验证，裂隙充填浆液密实。
3.2 优化马头门支护结构
（1）优化锚索布置，控制硐室深部围岩松动离层
马头门支护设计为复合支护方式。硐室掘进时采用锚网索喷支护，由于硐室断面超大，松动圈范围大，实测达3.5m及以上，因此必须增加锚索的支护强度，防止顶帮深部岩层离层，锚索布置间排距1600×1600mm，规格Φ22×7300mm，主体工程巷道每排7根，硐室每排3根，托盘采用300×300×16mm钢板+300mm长16#槽钢+160×100×14mm钢板，锚索紧跟迎头。
在硐室掘进结束后，采取在硐室顶部施工Φ22×9300mm锚索，帮部Φ22×7300mm锚索，锚索间排距为1600mm×1600mm，每个断面拱部一排5根，两帮每帮3根，用14#槽钢（4500mm）加11#工字钢（4500mm）锁牢。两层锚索端头落点在不同的受力层位，同时有利于围岩应力向深部转移及应力分布均勻。
（2）选择合理滞后时间、及时注浆加固围岩
注浆时机的选择对注浆加固的效果极为关键，硐室开挖后立即注浆，围岩吃浆少，难以起到加固效果，马头门掘进完成后，搭设作业平台对硐室进行注浆，注浆采取浅、深孔两次轮注技术，先浅孔后深孔，注浆时先注两帮，再注肩窝，最后注顶部。
注浆参数设计为注浆孔间排距为2000mm×2000mm， 孔径Φ32mm。采用深、浅孔交替注浆，浅孔孔深2.5米，深孔孔深5米。浆液配比水灰比0.75：1，浅孔注浆压力2Mpa，深孔注浆压力5～7Mpa。
注浆的同时对锚索、锚杆进行了全长锚固，增强了锚索、锚杆的支护效果，硐室围岩的完整性、支护作用得到提高，确保了硐室的安全。实际发现，采取锚索注浆加固后，硐室围岩位移很小，拱顶、帮部的混凝土喷层基本上不开裂、炸皮、掉块。
（3）优化硐室钢筋混凝土支护结构、增强结构防底鼓、抗侧压能力
为防止操车基础底鼓及底板支护强度不足，硐室设计底拱，形成封闭性支护，提高了硐室抗压效果。增设底拱暗梁，加强反拱强度。暗梁间距5m，共增加9道钢筋混凝土梁。钢筋梁高700mm，宽450mm。增加反拱厚度，并进行连续浇筑。
提高钢筋等级，硐室由单层钢筋混凝土支护改为双层钢筋混凝土，纵筋由Φ16mm改为Φ18mm，环筋由Φ18mm改为Φ20mm。
3.3 马头门连接处补强支护
二副井马头门上下段井筒及东西侧各5m在井筒掘砌时施工的，支护方式为锚索网+双层钢筋混凝土支护，施工时除增加了暗柱、暗圈梁进行加强支护，并且在井筒壁后注浆时对马头门段进行了加强注浆；但因受应力集中及后期周围巷道开挖影响，仍出现马头门上段井筒、马头门拱部、墙体混凝土开裂、掉块现象。采取以下措施加固：
（1）锚索梁加固
采用锚索梁加强支护，锚索托梁采用14#槽钢（2600mm）加11#工字钢（2600mm），锚索间排距1100×1200mm，锚索规格Φ22×7300mm。在东马头门肩窝开走向裂纹处：采用环向U型钢+锚索，U型钢长5m，以裂纹为中，用四根锚索锁牢。
（2）深孔注浆加固
对马头门处井筒及马头门东西各5m段再次注水泥单液浆加固，注浆深度5～7m，压力6～8Mpa，注浆孔间排距2.5×2.5m。
管子道施工后，在底板浅孔注浆完毕后，用地锚机向下施工底板深孔，孔深5m，间排距1.5×2m，压力6MPa，目的是充填后期变形裂隙，对井筒与马头门连接处围岩进行加固。
4 应用技术后期效果检验
为了解永久支护的安全状况，对副井马头门关键部位钢筋混凝土结构进行应力及变形监测，实时监测钢筋混凝土结构的受力状况，通过在永久支护内埋设混凝土应变计监测混凝土的应变大小。共布置了4个断面，在每个断面上沿环向布置钢筋计7个，混凝土应变计7个，沿走向布置钢筋计2个，沿走向布置混凝土应变计2个。通过应力监测，来监测工程安全状况和采取针对性措施，确保工程安全和使用。
副井马头门在前期加固、后期补强的有力措施下，马头门变形得到明显遏制。通过位移及应力观测，马头门各项监测数据均为平稳状态，后期施工段碹体完好。通过对副井东、西马头门钢筋应力及混凝土应变观测，现已趋于稳定，表明此措施效果明显。
5 结论
（1）揭示了张集矿二副井马头门难支护以及发生破坏的原因：在高地应力和高构造应力的作用下，处于巷道与硐室、巷道与井筒相交位置的马头门，很容易发生应力集中并且支护体与围岩不能很好耦合造成了马头门碹体开裂、掉块以及大变形的发生。
（2）对于处于软岩高应力附近的马头门，使其结构稳定的方法为：先进行地面预注浆，然后优化马头门与井筒相交处的支护结构、马头门内部支护结构以及进行补强支护。
（3）通过对副井马头门关键部位钢筋混泥土结构进行应力与变形观测，马头门的变形破坏得到明显遏制，治理措施效果显著。