煤礦大斷面吊裝硐室圍巖破壞機理及控制

劉 編，劉小虎，王 蒙

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業(yè)集團潘三煤礦，安徽 淮南 232000)

近年來，隨著煤礦井下設(shè)備的大型化，其檢修和吊裝工作需要在井下完成，出現(xiàn)了一種新類型的大斷面硐室—大斷面吊裝硐室，斷面達(dá)90 m2左右。由于煤層附近的巖層多為泥巖，其巖性比較弱，而布置這么大斷面類型的硐室，其穩(wěn)定性值得研究[1]。

針對大斷面硐室圍巖控制方面主要有以下成果：韋四江等認(rèn)為高應(yīng)力作用下的不穩(wěn)定強流變巖層，支架受力不均等因素是大斷面硐室圍巖失穩(wěn)的主因，提出了主動支護與被動支護聯(lián)合修復(fù)方案[2]；林惠立等研究表明深部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)內(nèi)大斷面泵房硐室群采用錨網(wǎng)索噴耦合支護技術(shù)，可以有效減小塑性破壞區(qū)范圍，實現(xiàn)支護體和載荷承載結(jié)構(gòu)的均勻化，防止圍巖大塊冒落，以及調(diào)動深部巖體的強度[3]；楊樹新等研究得出高地應(yīng)力環(huán)境下硐室開挖圍巖應(yīng)力釋放規(guī)律[4]；楊永康等對層狀碎裂圍巖特大斷面換裝硐室施工性態(tài)及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[5]；石廣斌等對高地應(yīng)力下大型地下硐室塊體變形特征及其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析[6]；康紅普等研究了松軟破碎硐室群圍巖應(yīng)力分布及綜合加固技術(shù)[7]。

本文在以往研究基礎(chǔ)上，主要研究煤礦井下90 m2大斷面硐室圍巖破壞機理并進(jìn)一步提出圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)。

1 地質(zhì)工程條件

1.1 地質(zhì)概況

根據(jù)硐室底層揭露情況和鉆孔資料，賦存巖層由下往上依次為：石灰?guī)r平均2.5 m，砂質(zhì)泥巖平均2.95 m，炭質(zhì)泥巖平均1.5 m，砂質(zhì)泥巖平均4.75 m，炭質(zhì)泥巖平均5.55 m，砂質(zhì)泥巖平均7 m，細(xì)砂巖平均3.65 m，砂質(zhì)泥巖平均3 m，煤層平均7 m。巖層近水平狀分布，節(jié)理裂隙發(fā)育，見圖1。

圖1 綜合柱狀圖 圖2 模型圖

該硐室主要用于起吊、組裝、維護大采高液壓支架。埋深400 m，設(shè)計斷面為直墻半圓拱，墻高5 m，半圓拱高5 m，斷面積89.29 m2，臨近無采區(qū)，不受工作面采動影響。

1.2 地應(yīng)力條件

采用水壓致裂法進(jìn)行了該區(qū)域地應(yīng)力測量，地應(yīng)力測量結(jié)果如表1：最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其次為垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的比值為1.06～1.08之間，水平最大主應(yīng)力和垂直應(yīng)力相接近，無明顯構(gòu)造應(yīng)力作用。

表1 地應(yīng)力測試結(jié)果

2 大斷面硐室數(shù)值模型

本文采用離散元UDCE4.0數(shù)值模擬軟件，根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型如圖2。

模型尺寸：寬×高=80 m×65 m，塊體劃分為0.5 m×0.5 m的塊體，模型底部邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。材料本構(gòu)模型：煤層和頂?shù)装宀捎脩?yīng)變軟化模型，其余為摩爾—庫倫模型，側(cè)壓系數(shù)1.0。各巖層及接觸面具體參數(shù)如表2、表3；相同的巖性參數(shù)只列出了一個。

2.1 半圓拱和平頂硐室破壞形式對比

大斷面硐室的顯著特征是斷面大，為此斷面大成為了該條件下圍巖穩(wěn)定的主控因素[8-10]，為了說明大斷面硐室在斷面增大條件下，圍巖破壞形式，根據(jù)前面建立的數(shù)值模型，設(shè)計如表4方案：

表2巖層力學(xué)參數(shù)

表3 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

表4 半圓拱和平頂硐室對比方案

圖3 半圓拱硐室破壞形式

如圖3所示，隨著直墻半圓拱斷面的不斷增大，其破壞類型有以下特點：①相同的是頂板和兩幫的塑性區(qū)分布形態(tài)類似，即其破壞類型類似；②不同的是塑性區(qū)的深度和面積逐漸增大，即只是破壞程度和范圍增大了；③兩幫的破壞形式呈“不穩(wěn)定三角塊”滑移類型，頂板的破壞類型呈小范圍的“拱形”。

如圖4所示，不同斷面矩形硐室圍巖的破壞類型，①斷面較小(5 m×5 m ，6 m×6 m)時，兩幫的破壞類型呈“不穩(wěn)定三角塊”滑移類型”；隨著斷面的增大(7 m×7 m～10 m×10 m)兩幫的破壞類型逐漸轉(zhuǎn)化為了，“X”型共軛破壞；②頂板始終呈“拱形”破壞，隨著斷面的增大明顯增大。

通過以上對比分析可知：①拱形斷面頂板破壞范圍和深度均小于矩形斷面，矩形斷面頂板表現(xiàn)明顯的成拱破壞，頂板控制難度：拱形>矩形，且該難度隨著斷面增大急劇增大。②矩形斷面增大至一定程度后，其兩幫的破壞形式逐漸由不穩(wěn)定三角塊的滑移轉(zhuǎn)化為“X”型共軛破壞，而拱形斷面硐室的兩幫始終呈“不穩(wěn)定三角塊”滑移破壞特征。可見，隨著斷面的增大矩形斷面的兩幫，表現(xiàn)出了明顯的復(fù)合結(jié)構(gòu)性破壞，兩幫的控制難度進(jìn)一步增大。綜上，拱形斷面硐室具有先天的圍巖穩(wěn)定性，破壞范圍小且破壞形式單一，比矩形斷面更容易穩(wěn)定。

3 半圓拱大斷面硐室變形特征

通過前面分析可知大斷面硐室半圓拱形比平頂?shù)木匦雾鲜揖哂邢忍旆€(wěn)定性。由于斷面硐室太大，且布置在泥巖(巖性軟弱)中，且隨著斷面的不斷增大后，圍巖變形特征也有待研究，為控制半圓拱形大斷面硐室指明方向。

圖4 矩形硐室破壞形式

為了進(jìn)一步研究半圓拱大斷面硐室變形特征，在硐室圍巖中四條測線：1#測線布置在頂板中，2#、3#測線布置在兩幫中，4#測線布置在底板中。

3.1 頂?shù)装遄冃翁卣?/h3>

隨著斷面增大，頂?shù)装遄冃吻€如圖5所示：

1、頂板下沉曲線和底臌曲線呈“指數(shù)”關(guān)系向圍巖深部逐漸降低，同一圍巖深度斷面越大，變形量越大；2、圍巖表面為最大變形量，隨著斷面增大，頂板最大下沉量和最大底臌量呈“線性”關(guān)系增加，斷面從寬5 m×墻2.5 m×拱2.5 m增加到寬10 m×墻5 m×拱5 m過程中，頂板最大下沉量從86 mm增加到了125 mm，底臌最大量從26 mm增加到了35 mm，頂板最大下沉量增加了39 mm，底臌量增加了9 mm。

a 頂板下沉曲線(1#測線) b 底臌曲線(4#測線)

3.2 兩幫水平和垂直下沉位移特征

幫部變形可分解為向開挖空間的水平位移和垂直方向的下沉位移，本節(jié)主要分析這兩種運動隨硐室斷面增大的變化特征。具體如圖6所示：

a 幫水平位曲線(2#、3#測線) b 幫下沉位移曲線(2#、3#測線)

(1)幫水平位移曲線隨著兩幫深度的增加也大致呈“指數(shù)”關(guān)系降低，幫下沉曲線在幫一定圍巖深度處有明顯拐點； (2)幫淺部圍巖垂直方向位移量隨著斷面尺寸增大出現(xiàn)明顯的劇增；(3)幫最大水平位移和最大下沉量，斷面從寬5 m×墻2.5 m×拱2.5 m增加到寬10 m×墻5 m×拱5 m過程中，分別由94 mm增加到262 mm、54 mm增加到122 mm，分別增加了168 mm、68 mm?？梢?，斷面增大后幫變形以水平擠入為主，而幫淺部下沉量增加程度明顯增大。

綜合以上對半圓拱形大斷面硐室變形特征分析可知：大斷面硐室變形主要以幫部的水平擠入和下沉為主，其變形量：幫水平變形>幫下沉量>頂板下沉量>底臌量。為此可知：隨著該類型大斷面的增大，其控制變形的重點是幫的水平變形和幫下沉。根據(jù)以往工程經(jīng)驗及“控頂先控幫原理”，可知：幫水平變形和下沉對頂板下沉也具有促進(jìn)作用，為此，當(dāng)把控幫當(dāng)成控頂?shù)南葲Q條件，幫的控制不僅是幫穩(wěn)定的問題，同時關(guān)系到頂板的穩(wěn)定。

4 圍巖控制方法

4.1 表層噴漿封閉圍巖

為了防止表層圍巖風(fēng)化，可采用表層噴漿的方法封閉圍巖。其具體作用如下[11]：①采用噴漿可以保持圍巖的完整性；②噴漿可以及時地封閉圍巖，充填頂幫的巖石中裂隙或凹穴，提高圍巖強度；③當(dāng)圍巖被節(jié)理裂隙所切割形成局部不穩(wěn)定危巖活石時，及時噴漿，可以加強噴層與巖石的粘結(jié)力及抗剪強度；④當(dāng)圍巖噴漿后，隔絕了與空氣等的接觸，噴層與巖石緊密結(jié)成一體形成致密堅實的混凝土防護層，起到防止圍巖風(fēng)化的作用。

4.2 兩幫及肩角注漿防止不穩(wěn)定三角塊滑落

通過前面分析可知，半圓拱形斷面硐室，其破壞形式是兩幫及肩角位置的塑性滑移，為此，該部位為該類型硐室支護的薄弱環(huán)節(jié)。要保持該類型硐室的穩(wěn)定應(yīng)首先提高幫部及肩角位置的穩(wěn)定性。采用注漿的手段，來提高幫部及肩角位置的穩(wěn)定性。注漿有以下機理[12-13]：①漿液固結(jié)體的網(wǎng)絡(luò)骨架作用：巷道圍巖的破壞條件由原裂隙弱面強度條件向接近巖體強度條件轉(zhuǎn)化；②提高圍巖裂隙面的變形剛度和抗剪強度；③提高錨固結(jié)構(gòu)錨固力；④轉(zhuǎn)變圍巖破壞機制：裂隙內(nèi)充滿固化材料或壓密后，由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，強度增大、脆性減弱、塑性增強，提高圍巖強度。

4.3 提高錨固承載結(jié)構(gòu)承載力

大幅提高圍巖自承能力是提高硐室圍巖穩(wěn)定性的最有效方法。常用的有兩種方法：①提高支護體的強度和剛度：選用錨桿時選擇性能優(yōu)越的錨桿，錨桿通過其軸向作用和橫向作用提高錨固體的峰值強度和峰后強度；②提高錨固體的厚度：錨固體厚度越后，主動支護改變圍巖由受載體變?yōu)槌休d體的厚度越大，圍巖共同抵抗圍巖變形的能力越強。③為了調(diào)動更多圍巖共同承載，在支護薄弱環(huán)節(jié)采用錨索補強支護強度和承載體厚度，形成錨桿支護內(nèi)承載圈和錨索支護外承載圈共同承載的承載結(jié)構(gòu)。

5 工程實踐

設(shè)計好硐室的方位后，可以根據(jù)該類型硐室具體的控制特點進(jìn)行支護設(shè)計，如圖7所示。該案例的具體控制參數(shù)如下。

圖7 硐室支護圖

表5 注漿參數(shù)

5.1 控制參數(shù)

(1)噴漿參數(shù)：噴射混凝土：換裝硐室噴射混凝土厚度為150 mm，強度等級為C20。

(2)兩幫注漿參數(shù)：為進(jìn)一步保障換裝硐室圍巖完整性，確保硐室工程質(zhì)量，對井下?lián)Q裝硐室進(jìn)行注漿加固。采用氣動單液注漿泵進(jìn)行注漿，注漿材料為：粘土水泥漿，具體參數(shù)如下表5所示。

在大斷面硐室圍巖中注漿的同時，還安裝有注漿錨索加固，注漿錨索：采用φ22 mm×8300 mm；強度為1 760 MPa，破斷力=420KN；中空注漿管內(nèi)徑φ7.5 mm，外徑φ10 mm；注漿壓力=5.0 MPa，最大7.0 MPa。

(3)內(nèi)、外承載圈支護參數(shù)：錨桿：全斷面采用φ22×3 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，間排距：800×800 mm；極限破斷力300 kN，屈服力225 kN，延伸率20%；托盤規(guī)格：150×150×12 mm；錨固劑：每根錨桿采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為K2335，一支規(guī)格為Z2360。錨索：采用高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，拱部φ22×12 500 mm，幫部φ22×8 300 mm，間排距1 600×1 600 mm；極限拉斷力為400 kN，預(yù)應(yīng)力200 kN，承載力不低于40 t；托盤規(guī)格：300×300×16 mm；錨固劑：每根錨索采用三支錨固劑，一支規(guī)格為K2335，兩支規(guī)格為Z2360。

5.2 控制效果觀測

同期進(jìn)行礦壓觀測，結(jié)果：1、掘進(jìn)影響期內(nèi)頂?shù)装逑鄬ψ畲笠平俣? mm/d，兩幫相對最大移近速度7 mm/d，10天左右實現(xiàn)自穩(wěn)，變形速度降低，掘進(jìn)穩(wěn)定期內(nèi)變形速度降低到0.5～1 mm/d。2、拱頂下沉量84 mm，底板鼓起約20 mm，頂?shù)装逑鄬σ平?04 mm，兩幫相對移近量137 mm。3、累計離層量3 mm?，F(xiàn)場未出現(xiàn)錨桿、錨索拉斷，錨空失效，錨固力喪失等現(xiàn)象，頂板錨桿受力190 KN，支護結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用完好。

6 結(jié)論

(1)硐室方位應(yīng)盡量與地應(yīng)力主水平應(yīng)力方位一致，可以減小地應(yīng)力對頂、底板和兩幫的破壞；

(2)矩形大斷面硐室隨著斷面的增大，兩幫的破壞逐漸由“三角塊”滑移變?yōu)椤癤”型共軛破壞，而拱形大斷面硐室兩幫始終表現(xiàn)為“三角塊”滑移破壞類型。

(3)采用巷幫注漿提高巷幫整體性，加大內(nèi)承載圈(錨桿支護)和外承載圈(錨索支護)的強度和剛度的方式控制圍巖，可有效的控制大斷面硐室圍巖變形和破壞。