超大斷面硐室安全維控技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘 要：文章針對徐莊煤礦換裝硐室實際工程情況，研究分析了硐室尺寸、硐室形狀以及巖層層位對超大斷面硐室圍巖穩(wěn)定性的影響。對該巷道支護(hù)參數(shù)和支護(hù)形式進(jìn)行了設(shè)計確定采用錨網(wǎng)噴組合支護(hù)形式。為保障超大斷面硐室施工過程的安全性和硐室圍巖穩(wěn)定性，在巷道掘進(jìn)過程中設(shè)置相應(yīng)的測站，對圍巖表面位移、圍巖深部位移、錨桿、索受力進(jìn)行觀測。經(jīng)過理論分析研究，文章提出的方案切實可行，具有較強社會效益和經(jīng)濟效益，對今后超大斷面硐室安全維控有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：超大斷面硐室；圍巖變形；支護(hù)方式；技術(shù)研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.083

0 概述

徐莊煤礦位于江蘇省徐州市西北大約72 km處，井田位于江蘇省沛縣大屯鎮(zhèn)與山東省微山縣西平鄉(xiāng)境內(nèi)，核定礦井生產(chǎn)能力為180萬t/a。井田東西走向長約為10.0 km，南北平均寬約為3.84 km，總面積約為38.442km2，開采深度為-60 m至-1300 m。

根據(jù)徐莊礦井長期發(fā)展規(guī)劃，對礦井工作面技術(shù)裝備水平進(jìn)行升級，淘汰現(xiàn)有支架，采用大采高一次采全高液壓支架，現(xiàn)有井筒能力無法滿足液壓支架整體下井，經(jīng)過企業(yè)相關(guān)部門決定，在井下-750 m水平原有巷道基礎(chǔ)上擴建液壓支架翻架硐室，實現(xiàn)液壓支架由拆解入井，井下翻架硐室組裝調(diào)試，最后運往工作面投入生產(chǎn)。

依據(jù)液壓支架尺寸及支架組裝調(diào)試工藝確定換裝硐室尺寸。硐室最大掘進(jìn)高度9850mm，寬度8800mm，掘進(jìn)斷面面積83. 0865m2，凈斷面高9200mm，寬8500mm，凈斷面面積79.1325m2，硐室標(biāo)高-750m，屬于大埋深，大跨度，高幫，超大斷面硐室。

隨著埋藏深度的增大，巷道圍巖應(yīng)力升高，松動范圍擴大，巷道變形量加大，變形速度高，工程中往往需對巷道進(jìn)行多次擴幫處理，費時、費工、費料，巷道的維護(hù)費用高昂，硐室斷面的顯著增大致使硐室圍巖變形破壞嚴(yán)重，極易發(fā)生冒頂事故，從而給巷道圍巖控制帶來極大的困難，嚴(yán)重阻礙著礦井的高產(chǎn)高效和安全生產(chǎn)。本文針對徐莊礦-750 m水平超大斷面翻裝硐室進(jìn)行研究，提出對應(yīng)的安全維護(hù)與控制技術(shù)，保證工作面設(shè)備水平的升級，保障礦井安全高效生產(chǎn)。

1 礦井地質(zhì)條件

換裝硐室位于Ⅱ3采區(qū)西南部，采區(qū)內(nèi)煤層整體呈北西傾向的單斜構(gòu)造，采區(qū)中、西部次級小褶曲較發(fā)育。煤層平均傾角22.4°，采區(qū)淺部、中、東部煤層較陡，深部、西翼煤層傾角較緩，中、東部-750m～-950m范圍內(nèi)，煤層平均傾角達(dá)24.9°，最大傾角近30°。由煤層底板等高線圖可知，Ⅱ3采區(qū)西南角地層較緩，換裝硐室所處位置煤（巖）層傾角平均25°。

徐莊煤礦-750m水平換裝硐室位于Ⅱ3采區(qū)西南部，硐室位于井底車場西側(cè)，硐室長度約70m，硐室軸線與巖層走向一致，硐室東南側(cè)為-750西翼人行車庫，西南方向與-750西翼車場相連通。

據(jù)《大屯礦區(qū)頂?shù)装宸诸悺?、《緩傾斜煤層工作面頂板分類方案》標(biāo)準(zhǔn)，7煤直接頂板砂質(zhì)泥巖為Ⅱ級2類，直接頂砂巖為Ⅳ級4類。該采區(qū)7煤頂板中大部分為抗壓強度較大的中細(xì)砂巖，故7煤頂板為穩(wěn)定型頂板。本礦已施工的-750大巷以及深部巷道，由于埋藏較深，局部變形很明顯，底鼓、頂幫開裂現(xiàn)象已明顯顯現(xiàn)。

2 超大斷面硐室圍巖變形規(guī)律研究

2.1 硐室尺寸對硐室穩(wěn)定性影響

（1）隨著硐室斷面尺寸的增加，硐室圍巖變形量增大， 硐室寬度由4.8 m增大到8.8 m，硐室面積由24.7172 m2增大到83.0865 m2，硐室頂板下沉量增加370.15 mm，硐室底板鼓起量增加274.31 mm，硐室高幫移近量增加276.47 mm；硐室低幫移近量增加276.47 mm。

（2）隨著硐室斷面尺寸的增加，硐室圍巖塑性區(qū)范圍增加，硐室寬度由4.8 m增大到8.8 m，硐室面積由24.7172 m2增大到83.0865 m2，硐室頂板塑性區(qū)增加7.30 m，硐室底板塑性區(qū)增加6.46 m，硐室高幫塑性區(qū)增加8.72 m；硐室低幫塑性區(qū)增加9.45 m，塑性區(qū)范圍與硐室尺寸呈正比關(guān)系，與彈塑性力學(xué)推導(dǎo)結(jié)果相似。

2.2 硐室形狀對硐室圍巖穩(wěn)定性影響

（1）與矩形硐室相比，直墻半圓拱形硐室頂板下沉量減小約70 mm，高幫圍巖移近量減小了49.71 mm，低幫圍巖移近量減小了 51.05 mm。硐室頂板下沉量、高幫移近量和低幫移近量顯著減小，頂板形狀改變對于底鼓量影響不大。因此，采用直墻拱形硐室與采用矩形硐室相比，能夠減小硐室圍巖變形量，有利于硐室穩(wěn)定。

（2）硐室頂板采用拱形，能夠有效減小塑性區(qū)的范圍，對于硐室頂板，采用半圓拱，比矩形硐室塑性區(qū)減小了16.81%，其它位置圍巖塑性區(qū)均有不同程度的減小，有利于硐室圍巖的穩(wěn)定性。

2.3 巖層層位對硐室穩(wěn)定性影響

（1）對于硐室頂板，從全砂巖頂板到半砂巖半砂質(zhì)泥巖頂板，再到砂質(zhì)泥巖頂板，硐室頂板下沉量先增大，然后減??；對于硐室底板，從砂質(zhì)泥巖底板到砂巖底板，底鼓減?。粚τ陧鲜腋邘?，從全砂質(zhì)泥巖到半砂質(zhì)泥巖半砂巖，移近量減??；對于硐室低幫，從半砂質(zhì)泥巖半砂巖到全砂質(zhì)泥巖，移近量增大。因此，在硐室掘進(jìn)過程中，硐室圍巖變形量隨著掘進(jìn)揭露的巖層巖性不同而不同，在軟弱巖層位置掘進(jìn)，應(yīng)加強控制。

（2）對于硐室頂板，從全砂巖頂板到半砂巖半砂質(zhì)泥巖頂板，再到砂質(zhì)泥巖頂板，頂板塑性區(qū)增大；對于硐室底板，從砂質(zhì)泥巖底板到砂巖底板，塑性區(qū)減?。粚τ陧鲜腋邘?，從全砂質(zhì)泥巖到半砂質(zhì)泥巖半砂巖，塑性區(qū)有減小趨勢；對于硐室低幫，從半砂質(zhì)泥巖半砂巖到全砂質(zhì)泥巖，塑性區(qū)有增大趨勢。因此，塑性區(qū)范圍受巖層巖性影響顯著，松軟圍巖塑性區(qū)范圍大，硐室圍巖穩(wěn)定程度差。

3 支護(hù)參數(shù)形式與參數(shù)的確定

3.1 支護(hù)形式選取

為實現(xiàn)超大斷面硐室穩(wěn)定控制，參照現(xiàn)有支護(hù)控制案例，確定采用錨網(wǎng)噴組合支護(hù)形式。

采用錨桿（索）的主動支護(hù)形式，在巷道圍巖變形初期提供支護(hù)阻力，改善巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖的力學(xué)參數(shù)。金屬網(wǎng)能夠兜護(hù)硐室表面破碎圍巖體，防止硐室局部破碎垮塌導(dǎo)致的硐室成型不好。噴射混凝土起到封閉圍巖，壁面錨桿、錨索、金屬網(wǎng)銹蝕；同時能夠改善硐室表面成型不好引起的應(yīng)力集中等現(xiàn)象。

3.2 支護(hù)參數(shù)理論計算

3.2.1 錨桿（索）支護(hù)參數(shù)確定

（1）錨索長度。對于超大斷面硐室，硐室跨度對支護(hù)參數(shù)的選取影響比較大，長錨索的長度可采用與硐室跨度有關(guān)的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。硐室寬度為8.8 m，錨索的長度分別為6.84 m、5.35 m和5.04 m，綜合分析認(rèn)為，錨索長度為7.0 m時可以滿足要求。

為確保頂板穩(wěn)定，且考慮施工方便，頂板采用10000 mm錨索，兩幫采用7200 mm錨索。

（2）錨桿長度。按照懸吊理論計算錨桿長度，錨桿長度能夠滿足控制硐室冒落拱范圍內(nèi)的破碎巖體，經(jīng)過計算得到錨桿長度為2.9 m，為了提高超大斷面硐室圍巖的穩(wěn)定性，取錨桿長度為3.0 m。

（3）錨桿間排距。錨桿間排距計算時設(shè)計錨固力取150 KN；冒落拱高度，取1.1 m；懸吊破碎巖層的密度，近似取25.0 KN/m3；安全系數(shù)，取4。計算得到錨桿間排距為0.95 m。

（4）錨索間排距。根據(jù)徐莊煤礦已有地質(zhì)資料，7煤直接頂板砂質(zhì)泥巖為Ⅱ級2類，直接頂砂巖為Ⅳ級4類。該采區(qū)7煤頂板中大部分為抗壓強度較大的中細(xì)砂巖，綜合考慮7煤上部一定距離處的超大斷面硐室圍巖以砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，取圍巖的RMR值為60，計算得到錨索支護(hù)密度為0.4，錨索間排距為1600 mm ×1600 mm。

（5）錨桿直徑。按照錨桿桿體承載力與錨固力等強度原則，錨桿桿體直徑經(jīng)過計算確定選用直徑為22 mm的錨桿。

3.2.2 噴射混凝土參數(shù)

噴層厚度的確定一般需根據(jù)現(xiàn)場施工錨網(wǎng)情況和工程經(jīng)驗來確定。根據(jù)5.2.1確定的硐室圍巖錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)，確保噴層能夠?qū)㈠^桿和金屬網(wǎng)包裹，加固圍巖的同時防止錨桿、錨索和金屬網(wǎng)腐蝕，確定噴層厚度為100 mm。

3.3 支護(hù)形式與參數(shù)初步確定

根據(jù)以上超大斷面硐室圍巖穩(wěn)定性及變形規(guī)律研究，采用理論計算，初步確定硐室的支護(hù)參數(shù)如表1。

4 建議的支護(hù)形式與參數(shù)

錨桿采用Φ22×3000 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿間排距為800×800 mm；錨桿要均勻布置。錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150×δ10 mm沖壓球狀托盤。錨桿外露長度為30～50 mm。

鋼筋網(wǎng)網(wǎng)片由Φ6.5 mm圓鋼筋焊制，網(wǎng)格100×100 mm，網(wǎng)片規(guī)格2000×1000 mm，網(wǎng)片與網(wǎng)片間搭接長度不小于100 mm，用14#鐵絲雙股綁扎聯(lián)網(wǎng)，連接長度不大于200 mm。

幫部錨索規(guī)格為Φ21.6×7200 mm，錨索托梁為18#槽鋼制作，長度2000 mm，每個錨索托梁布置兩根錨索，錨索間排距1600×1600 mm。外露長度為150～250 mm。

頂部錨索規(guī)格為Φ21.6×10000 mm，錨索托梁為18#槽鋼制作，長度2000 mm，每個錨索托梁布置兩根錨索，錨索間排距1600×1600 mm。外露長度為150～250 mm。

噴漿、鋪底和水溝砌筑混凝土強度等級均為C20，支護(hù)后及時進(jìn)行初噴，初噴厚度50mm；巷道變形穩(wěn)定后進(jìn)行復(fù)噴，厚度50mm；噴漿總厚度為100 mm。

在施工過程中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件的變化及礦壓觀測結(jié)果，實時進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的調(diào)整，以保證硐室的穩(wěn)定。

5 硐室礦壓觀測

5.1 觀測內(nèi)容及觀測方法

為保障超大斷面硐室施工過程的安全性和硐室圍巖穩(wěn)定性，在巷道掘進(jìn)過程中需設(shè)置相應(yīng)的測站，對圍巖表面位移、圍巖深部位移、錨桿、索受力進(jìn)行觀測，確定硐室圍巖變形能夠滿足施工要求。錨桿支護(hù)時主要監(jiān)測內(nèi)容、目的及手段見表2所示。

5.2 測站設(shè)置

（1）巷道表面位移測站：硐室擴大開始設(shè)置測站，在超大斷面硐室中部斷面和左右兩個斷面中部設(shè)置3個測站，巖性或錨桿支護(hù)參數(shù)發(fā)生變化均應(yīng)設(shè)置測站觀測，在每個斷面的頂、底板和兩幫的中部各布置1個測點。觀測方法：用測槍或測桿進(jìn)行量測。

（2）深部圍巖位移測站：硐室擴大開始設(shè)置測站，在超大斷面硐室中部斷面和左右兩個斷面中部設(shè)置3個測站，每個測站1個測面，在每個測站頂板中部鉆一個直徑28 mm的孔及兩幫中部各安設(shè)一個深基點位移計。

（3）頂板離層監(jiān)測：在頂板為泥巖或淋水的大巷觀測，每隔20 m在頂板中部安設(shè)一個離層指示儀。觀測方法：直接讀取數(shù)據(jù)。

（4）錨桿桿體受力：硐室擴大開始設(shè)置測站，在超大斷面硐室中部斷面和左右兩個斷面中部設(shè)置3個測站，每個測站1個測面，采用測力錨桿觀測。

（5）錨桿、索端頭受力：硐室擴大開始設(shè)置測站，在超大斷面硐室中部斷面22和左右兩個斷面中部設(shè)置3個測站，每個測站1個測面，采用錨桿、索測力計觀測。

（6）錨桿錨固力：每300根錨桿為1組，每組測6根，頂板3根、兩幫共3根。

5.3 觀測要求

頂板離層指示儀要求每班觀測一次，其余內(nèi)容，在測站設(shè)置2個星期內(nèi)每天觀測一次，2～4個星期每周觀測2～3次，然后1周觀測1次，變形穩(wěn)定后，一個月觀測一次。

每次觀測除了記錄上述內(nèi)容外，還要記錄觀測時間、最新測站與掘進(jìn)面的距離。

6 技術(shù)結(jié)論

本研究針對徐莊煤礦-750 m水平超大斷面硐室，綜合分析了硐室斷面尺寸、形狀和巖層層位對硐室圍巖穩(wěn)定性的影響，理論計算硐室圍巖支護(hù)參數(shù)、數(shù)值模擬優(yōu)化支護(hù)方案，提出硐室圍巖控制的建議支護(hù)形式和參數(shù)，具體結(jié)論如下：

（1）硐室寬度由4.8 m增大到8.8 m，硐室面積由24.7172 m2增大到83.0865 m2，硐室頂板下沉量增加370.15 mm，硐室底板鼓起量增加274.31 mm，硐室高幫移近量增加276.47 mm；硐室低幫移近量增加276.47 mm硐室寬度由4.8 m增大到8.8 m，硐室面積由24.7172 m2增大到83.0865 m2，硐室頂板塑性區(qū)增加7.30 m，硐室底板塑性區(qū)增加6.46 m，硐室高幫塑性區(qū)增加8.72 m；硐室低幫塑性區(qū)增加9.45 m；硐室斷面尺寸對硐室圍巖穩(wěn)定性具有顯著影響，隨著硐室斷面尺寸的增加，硐室圍巖變形量增加，硐室圍巖變形量與硐室尺寸呈正比關(guān)系；硐室圍巖塑性區(qū)范圍增加，塑性區(qū)范圍與硐室尺寸呈正比關(guān)系。

（2）與矩形硐室相比，直墻半圓拱形硐室頂板下沉量減小約70 mm，高幫圍巖移近量減小了49.71 mm，低幫圍巖移近量減小了 51.05 mm，隨著硐室頂板有平頂向弧形頂板過渡的過程中，硐室頂板塑性破壞范圍減小，應(yīng)力分布向有利的方向發(fā)展，說明采用弧形硐室對于硐室圍巖穩(wěn)定性控制具有一定作用。

（3）頂板在砂質(zhì)泥巖中硐室圍巖變形量比在砂巖中增加41.66%，塑性區(qū)方位增加29.00%，超大斷面穿層硐室圍巖支護(hù)設(shè)計過程中，要考慮有硐室圍巖的非均質(zhì)性導(dǎo)致圍巖的非對稱變形，加強軟弱圍巖部位的支護(hù)強度，才能夠?qū)崿F(xiàn)硐室圍巖穩(wěn)定控制。

（4）建議采用錨網(wǎng)噴進(jìn)行超大斷面硐室圍巖控制，理論計算硐室支護(hù)參數(shù)，數(shù)值模擬進(jìn)行支護(hù)參數(shù)校核，確定錨桿Φ22 mm×3000 mm，間排距 800 mm ×800 mm；幫部錨索Φ21.6 mm×7200 mm，頂部錨索規(guī)格為Φ21.6×10000 mm，間排距1600 mm ×1600 mm；錨索托梁為18#槽鋼制作，長度2000 mm，每個錨索托梁布置兩根錨索；鋼筋網(wǎng)網(wǎng)片由Φ6.5 mm圓鋼筋焊制，網(wǎng)格100×100 mm，網(wǎng)片規(guī)格2000×1000 mm；噴漿護(hù)表，噴層厚度100 mm。

（5）超大段面硐室施工過程中，應(yīng)加強安全防護(hù)，保證工人施工的安全；施工時應(yīng)實時進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)控，保證施工質(zhì)量及安全。

7 效益分析

（1）經(jīng)濟效益。該項目實施后，預(yù)計每年可節(jié)省大型設(shè)備拆裝人工成本及運輸管理費用合計90萬元。

（2）社會效益。有效解放副井運輸能力保障礦井西翼開拓生產(chǎn)接續(xù)；提高工作面安裝拆除速度降低防滅火管理壓力；緩解集中運輸壓力提高運輸安全保障能力；減少拆分、組裝等工序，降低因拆分及組裝等工作帶來的安全風(fēng)險。

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作者簡介：杜洋（1988-），男，山西芮城人，本科，助理工程師，從事煤礦井工設(shè)計工作。