王莊煤礦超大斷面洞室圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)技術(shù)研究

董宗斌

(山西潞安環(huán)能股份公司王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

近年來(lái)，隨著綜采設(shè)備制造技術(shù)的飛速發(fā)展，采掘設(shè)備及運(yùn)輸設(shè)備的高度機(jī)械化、大型化；同時(shí)大型煤礦厚煤層開采普遍采用一次采全高采煤工藝，井下6～7m液壓支架被逐漸采用，為便于上述大型設(shè)備的井下運(yùn)輸，目前許多礦井在井下設(shè)置了支架換裝硐室等超大型裝備硐室，以滿足上述大型煤礦企業(yè)井下生產(chǎn)的需求[1]。

上述設(shè)置的超大型硐室，其巷道斷面大、維護(hù)困難，傳統(tǒng)的巷道支護(hù)方法以不能滿足其要求，雖然國(guó)內(nèi)外取得了很多大斷面硐室支護(hù)技術(shù)的研究成果[2-6]。，但對(duì)上述超大斷面硐室的出現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)掘、支技術(shù)在圍巖控制上提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

本文以王莊煤礦支架換裝硐室為例，對(duì)超大斷面支架換裝硐室的圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，確定支護(hù)參數(shù)，通過(guò)后期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，新支護(hù)方案對(duì)于提高超大斷面硐室圍巖的穩(wěn)定性具有積極意義。

1 工程地質(zhì)概況

王莊煤礦+540m水平地處山西省東南部，長(zhǎng)治市西北10km處，西北距屯留縣城8km，是潞安集團(tuán)所屬的大型骨干礦井。原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.90Mt/a，經(jīng)過(guò)多次改擴(kuò)建，至2003年實(shí)際生產(chǎn)能力已達(dá)5Mt/a。為滿足后期一次采全高及大型設(shè)備的安裝需要，王莊礦特在+540m水平設(shè)置支架換裝硐室，主要用于起吊、組裝、維護(hù)大采高支架，服務(wù)于整個(gè)+540m水平延深工程。該硐室設(shè)計(jì)凈斷面寬×高為8500×9750mm，凈斷面積為74.93m2，荒斷面寬×高為9800×10810mm，荒斷面積96m2，屬于超大斷面硐室。該硐室毛斷面達(dá)到96m2左右，圍巖中泥巖、砂質(zhì)泥巖厚度大，巖體強(qiáng)度小，易于發(fā)生變形破壞，圍巖穩(wěn)定性差。硐室鄰近巷道(硐室)密集，采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布復(fù)雜，相互之間擾動(dòng)影響大。因此，在較小的擾動(dòng)下，就有片幫和冒頂現(xiàn)象的發(fā)生，造成支護(hù)極為困難，是超大斷面硐室中主要的技術(shù)難題。

2 超大斷面硐室圍巖破壞類型研究

王莊煤礦超大斷面換裝硐室在前期施工中，采用原支護(hù)方案，導(dǎo)致硐室在施工中就出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及圍巖鉆孔窺視，分析得出了超大斷面硐室圍巖破壞類型，將其破壞類型分為五類。

2.1 松動(dòng)破壞

由于王莊礦支架換裝硐室寬9800mm，高10810mm，硐室寬度、高度都很大，而且硐室區(qū)域巖層傾角為7～10°，直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為泥巖，幫部圍巖為泥巖和砂質(zhì)泥巖，且中間夾有多層煤線。在掘進(jìn)施工中圍巖受到反復(fù)放炮擾動(dòng)，圍巖就會(huì)在重力作用下，沿著巖體結(jié)構(gòu)面(傾斜的巖層之間的層面)或臨空面(硐室寬度高度都很大，臨空面積大)滑移，而且由于斷面大，爆破時(shí)容易形成不規(guī)則開挖面，巷道成形控制難度也很大，就容易形成松動(dòng)落石破壞。

2.2 拉斷破壞

圍巖由于受拉而出現(xiàn)的破壞稱為拉斷破壞，這種破壞在抗拉強(qiáng)度較低的巖體中更容易產(chǎn)生。由王莊煤礦礦支架硐室附近5個(gè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果可知，最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其次為垂直應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)0.87～1.66，4個(gè)點(diǎn)的側(cè)壓系數(shù)大于1。側(cè)壓大、硐室高度大導(dǎo)致兩幫拉破壞較顯著，而頂板由于硐室寬度大(9800mm)，懸露跨度大，容易出現(xiàn)拉裂破壞。

2.3 剪切破壞

剪切破壞是弱巖圍巖中最常見的破壞形式。在高應(yīng)力作用下，堅(jiān)硬完整的巖體也會(huì)出現(xiàn)這種破壞。對(duì)于脆性巖體，圍巖最終破壞往往表現(xiàn)為嚴(yán)重片幫、冒頂；而對(duì)于流變性巖體，圍巖破壞則主要表現(xiàn)為圍巖從四周向洞內(nèi)蠕動(dòng)。前者稱為冒落型破壞，后者為擠壓型破壞(或壓縮型破壞)。。

2.4 巖爆破壞

巖爆是圍巖的一種特殊破壞形態(tài)，表現(xiàn)為開挖圍巖巖體被突然拋落。產(chǎn)生巖爆的原因是巖體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性能被突然釋放。因此產(chǎn)生巖爆的條件必須是巖體中應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度且受力后大部分能積聚成應(yīng)變能。王莊礦支架換裝硐室埋深450m左右，由于其附近巷硐布置密集，且其距材料換裝硐室最近處僅有24m，遠(yuǎn)小于50m的合理間距。硐室與大巷交叉口以及硐室漸斷面部分由于應(yīng)力復(fù)雜疊加，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，集聚大量的彈性能，形成巖爆破壞。

2.5 膨脹變形

膨脹破壞是由于圍巖遇水而引起的破壞，表現(xiàn)為巖體軟化崩解或強(qiáng)烈膨脹。潮解膨脹巖層的主要巖石類型由泥巖、粘土巖、頁(yè)巖、凝灰?guī)r、泥灰?guī)r和硬石膏等。膨脹性巖層含有大量的活動(dòng)型礦物蒙脫石，吸水后可擴(kuò)大體積幾倍到幾十倍，因而具有強(qiáng)烈的膨脹性。潮解膨脹巖層具有流變性，易風(fēng)化潮解、遇水泥化、軟化而喪失圍強(qiáng)度。王莊礦支架換裝硐室局部地區(qū)頂板有多層軟弱泥巖夾層，通過(guò)窺視儀觀測(cè)其有泥化現(xiàn)象。

3 超大斷面硐室支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 支護(hù)方案的選擇

針對(duì)支架換裝硐室生產(chǎn)地質(zhì)條件，依據(jù)前面提出的超大斷面硐室圍巖穩(wěn)定原理，提出了“錨網(wǎng)索噴+澆注鋼筋混凝土+全斷面注漿”方案。該方案的施工順序?yàn)椋?掘進(jìn)時(shí))錨網(wǎng)索噴→(圍巖變形穩(wěn)定后)澆注鋼筋混凝土(包括牛腿澆注)→底板深孔注漿+錨索群加固→鋪底→(依據(jù)圍巖變形破壞狀況)全斷面圍巖注漿加固。

3.2 支護(hù)參數(shù)的確定

3.2.1 支護(hù)參數(shù)的確定

通過(guò)工程類比、理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定的支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 支護(hù)參數(shù)表

3.2.2 支護(hù)布置

根據(jù)上述支護(hù)參數(shù)的確定，支護(hù)換裝硐室的支護(hù)布置如圖1所示。

4 超大斷面硐室支護(hù)效果分析

按照上述確定的超大斷面硐室支護(hù)技術(shù)，在王莊煤礦支護(hù)換裝硐室進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，并進(jìn)行了表面位移觀測(cè)，從支護(hù)換裝硐室前的交叉口開始，每隔15m布設(shè)一個(gè)測(cè)站，共八個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)一至測(cè)點(diǎn)三為采用原設(shè)計(jì)方案布設(shè)，測(cè)點(diǎn)四至測(cè)點(diǎn)八為采用新的支護(hù)方案布設(shè)。其觀測(cè)結(jié)果如圖2～9所示。

圖1 支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖

圖2 測(cè)點(diǎn)一圍巖變形量隨時(shí)間變化曲線

圖3 測(cè)點(diǎn)二圍巖變形量隨時(shí)間變化曲線

圖4 測(cè)點(diǎn)三圍巖變形量隨時(shí)間變化曲線

圖5 測(cè)點(diǎn)四圍巖變形量隨時(shí)間變化曲線

圖6 測(cè)點(diǎn)五圍巖變形量隨時(shí)間變化曲線

圖7 1測(cè)點(diǎn)六圍巖變形量隨時(shí)間變化曲線

圖8 測(cè)點(diǎn)七圍巖變形量隨時(shí)間變化曲線

圖9 測(cè)點(diǎn)八圍巖變形量隨時(shí)間變化曲線

由于測(cè)點(diǎn)一至測(cè)點(diǎn)三布設(shè)時(shí)，該段硐室已經(jīng)成巷2個(gè)月，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間，其實(shí)際變形量分別為240mm、230mm及245mm。通過(guò)與圖5～圖9所示的觀測(cè)對(duì)比可知，采用新支護(hù)方案后，其實(shí)際變形量基本保持在160mm以下，因此，換裝硐室兩幫的移近量小于原設(shè)計(jì)方案的兩幫移近量，加上后期砌碹以及壁后注漿加固等技術(shù)能夠滿足硐室長(zhǎng)期穩(wěn)定需要。所以，新的支護(hù)方案可以滿足硐室長(zhǎng)期的穩(wěn)定要求。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，支架換裝超大斷面硐室有松動(dòng)破壞、拉斷破壞、剪切破壞、巖爆破壞及膨脹變形等5種破壞類型。

2) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)換裝硐室兩幫移近量的觀測(cè)，采用“錨網(wǎng)索噴+澆注鋼筋混凝土+全斷面注漿”方案，可以很好地減小兩邊的移近量。

3) 隨著煤礦的大型化、高度機(jī)械化，支架換裝硐室已成為煤礦的主要大型硐室，因此本文提出的支護(hù)方案及其成功實(shí)施，對(duì)后期大型礦井建設(shè)具有很高的推廣意義。

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