深部大斷面硐室圍巖變形及控制技術

蘇曉建

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

深部大斷面硐室圍巖變形及控制技術

蘇曉建1,2

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

采用數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。認為深部大斷面硐室圍巖應力集中區距離硐室中心較遠,但底鼓較為明顯,支護方案設計時應重點關注。基于此提出了主動支護與被動支護聯合支護方案,首先錨網噴支護,其次雙底拱剛性支架聯合支護,第三圍巖注漿加固。工程應用表明,錨注＋剛性支架支護能有效控制圍巖變形,滿足泵房保持長期穩定的要求。

深部硐室 大斷面 圍巖控制 聯合支護 數值模擬

1 工程概況

趙固二礦Ⅰ盤區－800 m泵房布置在二1煤層下方20 m左右的砂質泥巖中,埋深約900 m。沿掘進方向巖層傾角2°～11°,平均5.5°,傾向289°～270°,局部會發生小幅變化,巖層賦存穩定,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雜,同時機電設備大部分都安裝在底板上,因此對支護質量的要求較高,尤其是硐室底板變形更應得到控制。基于此本文采用數值模擬的方法,首先對影響－800 m泵房穩定的因素進行分析,然后提出有針對性的支護方案。

2 硐室變形數值模擬分析

2.1 模型建立

趙固二礦Ⅰ盤區－800 m泵房所處地質環境和巷道頂底板巖層的力學參數見表1。采用ANSYS軟件建立模型,然后通過接口程序導入FLAC3D進行硐室開挖及支護的運算。模型尺寸為70 m× 70 m×0.5 m,共劃分15541個單元和5183個節點,－800 m泵房斷面形狀為直墻半圓拱形。在本次數值模擬過程中,選用莫爾－庫侖(Mohr-Coulomb)本構模型,模型左右為應力邊界,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,側壓系數取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力為22.5 MPa,水平應力33.75 MPa。數值計算模型如圖1所示。為獲得泵房頂底板應力和位移的變化規律,將FLAC3D計算結果導入tecplot后處理軟件,并在硐室中心點沿水平和垂直方向各設置一條監測線,對硐室周邊的應力、位移進行分析。

表1 巖層力學參數

圖1 數值計算模型

2.2 模擬結果

2.2.1 圍巖應力分布

在地下工程開挖后,原巖應力遭到破壞,硐室圍巖應力出現重新分布。硐室在兩幫和頂底板的水平應力和鉛直應力變化曲線見圖2。

圖2 硐室圍巖應力變化曲線

圖2顯示,水平應力和鉛直應力均近似呈軸對稱分布。硐室兩幫的水平應力和頂底板的鉛直應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處達到最大值,分別為21.91 MPa和24.22 MPa。硐室兩幫的鉛直應力和頂底板方向的水平應力隨著距硐室中心距離的增加呈現先逐漸增大后減小的趨勢,并且左幫的鉛直應力距硐室中心15.9 m處達到最大值31.59 MPa,右幫鉛直應力距硐室中心15.33 m處達到最大值31.92 MPa,頂板水平應力距硐室中心20 m處達到最大值43.99 MPa,底板水平應力距硐室中心19.2 m處達到最大值43.26 MPa,隨后逐漸降低趨于原巖應力狀態。

2.2.2 圍巖位移分析

硐室圍巖應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,硐室頂底板和兩幫圍巖的位移分別呈拱形和蝶形分布,頂底板位移為0的等值線將整個位移模型分為上下兩個部分,兩幫位移為0的等值線將位移模型分為左右兩個部分,頂底板和兩幫的表面移近量分別為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幫。因此,在進行支護方案設計時,底板需要重點關注。

圖3 硐室圍巖位移分布

3 硐室圍巖變形控制技術

為控制－800 m泵房的圍巖變形,在錨網索噴一次支護的基礎上,采用雙底拱工字鋼棚進行二次支護,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化,壁后注漿可以充填圍巖裂隙并膠結破碎圍巖,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＋剛性支架支護硐室圍巖應力分布云圖。從圖4中可以看出,采用錨注＋剛性支架聯合支護硐室后圍巖應力集中區范圍大幅縮小,并且峰值應力到硐室的距離明顯減小,其中頂板和底板應力集中系數分別為1.44和1.52,峰值應力位置到硐室中心的距離分別為8.82 m和9.36 m,兩幫的應力集中系數達到1.36,幫部應力集中位置到距硐室中心的距離為6.82 m。

圖4 錨注＋剛性支架支護硐室圍巖應力分布

數值模擬結果顯示錨注＋剛性支架聯合支護泵房硐室后,頂底板和兩幫的移近量分別為187.6 mm和140 mm,其中底鼓量最大為98.8 mm。這表明聯合支護可以有效控制硐室圍巖變形。

4 工程應用

4.1 支護方案

(1)一次支護采用錨網索噴。頂板采用規格為?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。同時還采用規格為?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。

所使用的網片規格為1700 mm×900 mm,網格為正方形,網格邊長100 mm,網片搭接長度不小于100 mm,起拱線以上鋪設雙層網,網片對角錯開,網幅內以400 mm的間距將兩層網片聯接在一起,使兩層網為一個整體。全斷面噴射強度為C25的混凝土,其厚度為50 mm。

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

圖5 錨注＋剛性支架支護斷面圖

4.2 應用效果

錨注＋剛性支架支護在趙固二礦Ⅰ盤區－800 m泵房進行應用后,采用十字交叉法對支護段進行了為期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后變形趨于穩定,在觀測期間泵房頂底板和兩幫最大移近量分別為122 mm和98 mm,并且沒有出現底鼓、噴漿體開裂等現象。

5 結論

(1)大斷面硐室圍巖變形量大,應力集中區到硐室中心的距離較遠,但底板變形控制需要重點關注。

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

(3)支護方案工程應用后,取得了較好的圍巖變形控制效果,頂底板和兩幫最大移近量分別為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年畢業于河南理工大學采礦工程專業,現在河南能源化工集團焦煤公司趙固二礦工作。

(責任編輯 張毅玲)

蘇曉建.深部大斷面硐室圍巖變形及控制技術[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.