深部礦井大硐室圍巖變形特性實測與分析

左 飛

1 工程概況

望峰崗煤礦是淮南市老礦區謝一礦、謝二礦、謝三礦、李一礦、李二礦五個煤礦的深部接替煤礦。該礦井開采自上述五個煤田礦井走向范圍內的深部煤炭資源,第一水平-960m,第二水平-1200m,井田走向長8.1 km,傾斜平均寬2.4m。巷道圍巖以泥巖、砂質泥巖為主,巖層傾角16°～18°,大部分屬于穩定性較差的巖層,局部屬于不穩定性巖層,主要巷道凈截面面積在20m2左右。據已有的測試數據,-960m附近的地應力達到了25MPa左右。因此巷道的施工具有深部開采、高地應力、巖石條件差等特點,巷道的穩定性面臨嚴峻的挑戰。

為了獲得深埋超大斷面硐室圍巖變形特性與支護結構工作荷載的變化規律,在望峰崗煤礦二副井-960m水平中央水泵房硐室(斷面為8 m×8m)建立了測站,進行圍巖深部和表面位移監測,以及錨索支護受力監測,從而反映水泵房硐室的圍巖變形特性和支護效果。-960m中央水泵房巷道開挖形式是直墻半圓拱,其支護方式主要是采用噴、錨、網和錨索聯合支護方式,其中錨桿的直徑為22,長度為2.5m,間排距為800mm×800mm,網片孔尺寸為100mm×100mm的菱形網格,噴層厚度為100mm,錨索直徑17.8mm,長度6.5m,間排距為2400mm×1600mm。

2 測試目的

1)監測-960m水平巷道圍巖作用在錨桿及錨索上壓力的大小、顯現速度,獲得支護結構受力狀態的變化特性;2)監測巷道圍巖表面及深部的變形規律,及時獲得-960m水平大斷面巷道表面及深部圍巖的位移特征。

3 測試內容

1)巷道表面位移監測;2)錨索受力監測;3)圍巖深部位移監測;4)頂板離層監測。

4 監測元件埋設方案

1)硐室表面位移監測。在硐室中設置 1號、2號、3號三個測點(面向工作面按順時針方向),觀測斷面按“Δ”法布置頂板及側幫(距底面2.7 m)的位移測點。監測元件為JSS30A型數顯收斂計,其結構圖如圖1所示。

2)支護結構應力監測。在拱肩位置設置錨索測力計,監測硐室拱肩處的錨索支護軸力。錨索測力計采用的是MCJ-16靈敏型。其量程為0 kN～160 kN,錨桿外露長度200mm左右,安裝時液壓囊前后各放配襯鐵板各一塊,將液壓囊放置中間,套在錨索上,再擰上螺母。

3)巖體深部位移及頂板離層監測。在幫部布置一個多點位移計(距底面5.5 m),每個孔內設6個基點,深度分別為6m,3 m,2.5 m,2 m,1.5 m,1 m,用以量測硐室的圍巖深部位移變化情況。監測元件采用自行設計加工的多點位移計,其結構如圖2所示。

5 測試結果分析

經過現場監測,得到望峰崗礦-960m中央水泵房圍巖表面收斂以及錨索拉力變化等曲線,見圖3,圖4。

6 結果分析

根據對望峰崗礦二副井-960m水平中央水泵房硐室的量測,可以得到以下結論:

1)硐室表面收斂。本次量測硐室為望峰崗礦二副井-960m水平中央水泵房,硐室除了具有地壓高,巖性弱等特點,斷面面積大也是造成硐室變形嚴重的主要原因。從硐室表面收斂曲線可以看出,30 d內的測試中,兩幫相對收斂量達到390mm,平均收斂速率為13mm/d。頂板變形也較大,這主要是由于巷道跨度大,頂板梁的彎矩大造成的。30 d以后的變形速率仍然沒有穩定下來,說明巷道變形沒有得到很好的控制。2)硐室深部圍巖變形。在硐室的深部位移時間曲線中,各基點位移隨觀測時間也呈現較快的增長,還沒有穩定下來的趨勢,說明初期硐室深部圍巖位移速率也較大,與硐室表面收斂相符。從曲線上看,1.5 m～2.0m圍巖位移差較大,為11mm,而2.0m向圍巖深部位移差都比較小,說明破裂區發展到1.5 m～2.0m。此外,在0m～1.0m內圍巖變形很大,達到25mm,說明表面張拉破碎帶圍巖破碎化較為嚴重。第一破裂區范圍為0m～2.0m,二次破裂區還未形成。但是,位移時間曲線表明,圍巖深部位移一直在呈較快速度的增長,位移速率大,說明圍巖破裂區在不斷擴展,在向圍巖深部發展,因此需采取相應措施對圍巖變形進行控制。3)硐室支護效果。錨索軸力曲線表明,自安裝初始,錨索軸力呈較大幅度的增長,在15 d以后增長速度變慢,最后一次測量錨索軸力最大為160 kN左右,說明錨索起到一定的錨固作用,但并沒有完全限制圍巖變形,建議增加錨索長度并采用剛性支架進行支護。

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