深部大斷面硐室圍巖變形及控制技術(shù)

蘇曉建

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固二礦,河南省輝縣市,453633)

深部大斷面硐室圍巖變形及控制技術(shù)

蘇曉建1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固二礦,河南省輝縣市,453633)

采用數(shù)值模擬方法分析了趙固二礦－800 m泵房圍巖變形原因及控制技術(shù)。認(rèn)為深部大斷面硐室圍巖應(yīng)力集中區(qū)距離硐室中心較遠(yuǎn),但底鼓較為明顯,支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。基于此提出了主動支護(hù)與被動支護(hù)聯(lián)合支護(hù)方案,首先錨網(wǎng)噴支護(hù),其次雙底拱剛性支架聯(lián)合支護(hù),第三圍巖注漿加固。工程應(yīng)用表明,錨注＋剛性支架支護(hù)能有效控制圍巖變形,滿足泵房保持長期穩(wěn)定的要求。

深部硐室 大斷面 圍巖控制 聯(lián)合支護(hù) 數(shù)值模擬

1 工程概況

趙固二礦Ⅰ盤區(qū)－800 m泵房布置在二1煤層下方20 m左右的砂質(zhì)泥巖中,埋深約900 m。沿掘進(jìn)方向巖層傾角2°～11°,平均5.5°,傾向289°～270°,局部會發(fā)生小幅變化,巖層賦存穩(wěn)定,泵房凈斷面尺寸為6.22 m×5.61 m(寬×高)。由于泵房埋深大、斷面大、服務(wù)期長,并且附近井巷工程多,巷道及硐室互相連接,使得泵房受力情況非常復(fù)雜,同時(shí)機(jī)電設(shè)備大部分都安裝在底板上,因此對支護(hù)質(zhì)量的要求較高,尤其是硐室底板變形更應(yīng)得到控制。基于此本文采用數(shù)值模擬的方法,首先對影響－800 m泵房穩(wěn)定的因素進(jìn)行分析,然后提出有針對性的支護(hù)方案。

2 硐室變形數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

趙固二礦Ⅰ盤區(qū)－800 m泵房所處地質(zhì)環(huán)境和巷道頂?shù)装鍘r層的力學(xué)參數(shù)見表1。采用ANSYS軟件建立模型,然后通過接口程序?qū)隖LAC3D進(jìn)行硐室開挖及支護(hù)的運(yùn)算。模型尺寸為70 m× 70 m×0.5 m,共劃分15541個(gè)單元和5183個(gè)節(jié)點(diǎn),－800 m泵房斷面形狀為直墻半圓拱形。在本次數(shù)值模擬過程中,選用莫爾－庫侖(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型,模型左右為應(yīng)力邊界,底部采取固定約束,模型頂部邊界自由,施加上覆巖層的自重等效載荷。硐室埋深900 m,側(cè)壓系數(shù)取1.5,上覆巖層容重取平均值25 k N/m3,則模型施加的垂直應(yīng)力為22.5 MPa,水平應(yīng)力33.75 MPa。數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。為獲得泵房頂?shù)装鍛?yīng)力和位移的變化規(guī)律,將FLAC3D計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入tecplot后處理軟件,并在硐室中心點(diǎn)沿水平和垂直方向各設(shè)置一條監(jiān)測線,對硐室周邊的應(yīng)力、位移進(jìn)行分析。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 圍巖應(yīng)力分布

在地下工程開挖后,原巖應(yīng)力遭到破壞,硐室圍巖應(yīng)力出現(xiàn)重新分布。硐室在兩幫和頂?shù)装宓乃綉?yīng)力和鉛直應(yīng)力變化曲線見圖2。

圖2 硐室圍巖應(yīng)力變化曲線

圖2顯示,水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力均近似呈軸對稱分布。硐室兩幫的水平應(yīng)力和頂?shù)装宓你U直應(yīng)力隨著到硐室中心距離的增加而逐漸增大,在距離硐室中心30 m處達(dá)到最大值,分別為21.91 MPa和24.22 MPa。硐室兩幫的鉛直應(yīng)力和頂?shù)装宸较虻乃綉?yīng)力隨著距硐室中心距離的增加呈現(xiàn)先逐漸增大后減小的趨勢,并且左幫的鉛直應(yīng)力距硐室中心15.9 m處達(dá)到最大值31.59 MPa,右?guī)豌U直應(yīng)力距硐室中心15.33 m處達(dá)到最大值31.92 MPa,頂板水平應(yīng)力距硐室中心20 m處達(dá)到最大值43.99 MPa,底板水平應(yīng)力距硐室中心19.2 m處達(dá)到最大值43.26 MPa,隨后逐漸降低趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

2.2.2 圍巖位移分析

硐室圍巖應(yīng)力的變化必然伴隨位移的變化,圖3為硐室圍巖位移分布云圖。由圖3可知,硐室開挖后,硐室頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r的位移分別呈拱形和蝶形分布,頂?shù)装逦灰茷?的等值線將整個(gè)位移模型分為上下兩個(gè)部分,兩幫位移為0的等值線將位移模型分為左右兩個(gè)部分,頂?shù)装搴蛢蓭偷谋砻嬉平糠謩e為850 mm和707 mm,其中底鼓量為458 mm,頂板下沉量為392 mm,并且左幫位移略大于右?guī)?。因?在進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí),底板需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 硐室圍巖位移分布

3 硐室圍巖變形控制技術(shù)

為控制－800 m泵房的圍巖變形,在錨網(wǎng)索噴一次支護(hù)的基礎(chǔ)上,采用雙底拱工字鋼棚進(jìn)行二次支護(hù),然后噴射混凝土和壁后注漿。噴射混凝土能夠封閉表面圍巖,防止水的浸入和圍巖的風(fēng)化,壁后注漿可以充填圍巖裂隙并膠結(jié)破碎圍巖,提高硐室圍巖的整體承載能力。雙底拱工字鋼棚并配合表面噴射混凝土可以阻止圍巖的持續(xù)變形,尤其是可以有效抑制底板變形。

圖4為錨注＋剛性支架支護(hù)硐室圍巖應(yīng)力分布云圖。從圖4中可以看出,采用錨注＋剛性支架聯(lián)合支護(hù)硐室后圍巖應(yīng)力集中區(qū)范圍大幅縮小,并且峰值應(yīng)力到硐室的距離明顯減小,其中頂板和底板應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.44和1.52,峰值應(yīng)力位置到硐室中心的距離分別為8.82 m和9.36 m,兩幫的應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.36,幫部應(yīng)力集中位置到距硐室中心的距離為6.82 m。

圖4 錨注＋剛性支架支護(hù)硐室圍巖應(yīng)力分布

數(shù)值模擬結(jié)果顯示錨注＋剛性支架聯(lián)合支護(hù)泵房硐室后,頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平糠謩e為187.6 mm和140 mm,其中底鼓量最大為98.8 mm。這表明聯(lián)合支護(hù)可以有效控制硐室圍巖變形。

4 工程應(yīng)用

4.1 支護(hù)方案

(1)一次支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴。頂板采用規(guī)格為?20 mm×2400 mm錨桿,間排距為800 mm× 800 mm,采用CK2350、Z2350型錨固劑各1支,錨桿錨固長度不小于1000 mm,采用W型鋼帶、δ10 mm×150 mm×150 mm鐵托盤配合使用加固錨桿。同時(shí)還采用規(guī)格為?21.6 mm×8250 mm錨索,間排距1600 mm×1600 mm,沿頂板中線呈五花布置(即先3根,再2根),托盤采用500 mm長的16＃槽鋼與規(guī)格為12 mm×120 mm×120 mm和12 mm×80 mm×80 mm鋼板配合使用,采用CK2350、Z2350型錨固劑各2支錨固,錨固長度不小于2000 mm。

幫部采用的錨桿與頂板錨桿相同,錨固長度也與頂板的相同,但底角錨桿與巷幫呈75°夾角,托盤為10 mm×150 mm×150 mm鐵托盤。兩幫分別在起拱線處布置1排錨索,錨索規(guī)格、錨固長度均與頂板相同,錨索托盤采用長度2100 mm的16＃槽鋼與12 mm×120mm×120 mm的鋼板配合使用。

所使用的網(wǎng)片規(guī)格為1700 mm×900 mm,網(wǎng)格為正方形,網(wǎng)格邊長100 mm,網(wǎng)片搭接長度不小于100 mm,起拱線以上鋪設(shè)雙層網(wǎng),網(wǎng)片對角錯(cuò)開,網(wǎng)幅內(nèi)以400 mm的間距將兩層網(wǎng)片聯(lián)接在一起,使兩層網(wǎng)為一個(gè)整體。全斷面噴射強(qiáng)度為C25的混凝土,其厚度為50 mm。

(2)二次支護(hù)采用12＃雙底拱工字鋼棚,然后復(fù)噴120 mm厚的混凝土,噴漿后30 d進(jìn)行壁后注漿加固。泵房支護(hù)斷面示意圖見圖5。

圖5 錨注＋剛性支架支護(hù)斷面圖

4.2 應(yīng)用效果

錨注＋剛性支架支護(hù)在趙固二礦Ⅰ盤區(qū)－800 m泵房進(jìn)行應(yīng)用后,采用十字交叉法對支護(hù)段進(jìn)行了為期125 d的礦壓觀測,在成巷初期圍巖變形速率較大,35 d后變形速率逐漸減小,60 d后變形趨于穩(wěn)定,在觀測期間泵房頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為122 mm和98 mm,并且沒有出現(xiàn)底鼓、噴漿體開裂等現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)大斷面硐室圍巖變形量大,應(yīng)力集中區(qū)到硐室中心的距離較遠(yuǎn),但底板變形控制需要重點(diǎn)關(guān)注。

(2)錨注＋剛性支架支護(hù)硐室后,圍巖變形量較小,應(yīng)力集中區(qū)范圍較小,峰值應(yīng)力位置到硐室中心的距離為6.8～9.4 m,表明該支護(hù)方式能夠有效控制硐室圍巖變形。

(3)支護(hù)方案工程應(yīng)用后,取得了較好的圍巖變形控制效果,頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為122 mm和98 mm。

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Deformation mechanism and control technology of surrounding rock of deep chamber with large section

Su Xiaojian1,2
(1.College of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Zhaogu No.2 Coal Mine,Jiaozuo Coal Industry Co.,Ltd.,Henan Energy &Chemical Industry Group Co.,Ltd.,Huixian,Henan 453633,China)

Deformation mechanism and control technology of surrounding rocks of－800 m water pump house in Zhaogu No.2 Coal Mine were analyzed by using numerical simulation.It was thought that the distance from stress concentration area to the center of chamber was relatively far,so the obvious floor heave should be the key point of supporting scheme.Based on the condition,combined supporting scheme of initiative and passive support was proposed which included bolt-mesh-spurting supporting,rigid support with double bottom arch and grouting reinforcement.The result showed bolting-grouting and rigid support could effectively control the surrounding rock deformation and meet the requirement of chamber＇s long-term stability.

deep chamber,large section,surrounding rock control,combined supporting, numerical simulation

TD353

A

蘇曉建(1982－),男,河南焦作人,工程師,2007年畢業(yè)于河南理工大學(xué)采礦工程專業(yè),現(xiàn)在河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固二礦工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

蘇曉建.深部大斷面硐室圍巖變形及控制技術(shù)[J].中國煤炭,2017,43(1):75－78. Su Xiaojian.Deformation mechanism and control technology of surrounding rock of deep chamber with large section[J].China Coal,2017,43(1):75－78.