新掘主運(yùn)大巷斜交穿越昌平運(yùn)料巷綜合掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)研究

楊伯達(dá)，李文亮，付文剛，趙維生，馮 偉

(1.中煤集團(tuán)山西金海洋能源有限公司，山西 朔州 036000；

巷道交岔點(diǎn)是指礦井中巷道交會(huì)或分岔處的一段巷道，該處因受兩條或多條相交巷道的影響，圍巖松軟破碎，巷道跨度和頂板懸露面積大，加上交岔點(diǎn)附近巷道圍巖應(yīng)力變化的疊加影響，使交岔點(diǎn)處圍巖應(yīng)力復(fù)雜[1-4]。同時(shí)交岔點(diǎn)的穩(wěn)定控制也受多種變形力學(xué)機(jī)制的影響，具有大變形、大地應(yīng)力、支護(hù)難等特點(diǎn)[5-8]。對(duì)于立體交岔工程，由于其斷面大、開挖擾動(dòng)大，使得現(xiàn)場(chǎng)施工過程中施工難度很大。本文以新掘主運(yùn)大巷斜交穿越昌平運(yùn)料巷工程為背景，對(duì)大斷面立體斜交岔點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

五家溝煤業(yè)在礦井?dāng)U建時(shí)，新掘主運(yùn)大巷將與原昌平運(yùn)料巷產(chǎn)生立體斜交叉(圖1)。昌平運(yùn)料巷，設(shè)計(jì)為矩形斷面，凈斷面寬×高約為5000mm×3800mm，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。新掘主運(yùn)大巷沿昌平運(yùn)料巷底板掘進(jìn)斜交穿越，設(shè)計(jì)為矩形斷面，凈斷面寬×高約為5200mm×3500mm，采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)。新掘主運(yùn)大巷沿5-1煤頂板布置，該段煤層厚度平均為9.09m，巷道埋深約為204m。

圖1 主運(yùn)大巷與原運(yùn)料巷位置關(guān)系

1 主運(yùn)大巷掘進(jìn)過程中圍巖塑性區(qū)形成過程的數(shù)值模擬研究

不同強(qiáng)度折減系數(shù)條件下，主運(yùn)大巷開挖后的圍巖塑性區(qū)云圖如下圖所示。對(duì)在不同強(qiáng)度折減系數(shù)條件下的主運(yùn)大巷開挖形成的圍巖塑性區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行素描匯總，如圖2所示，圍巖塑性區(qū)范圍具體數(shù)值，如表1所示。

圖2 開挖原主斜井與主運(yùn)大巷后的塑性區(qū)素描(單位：m)

利用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，實(shí)現(xiàn)了在主運(yùn)大巷開挖后未施加支護(hù)基礎(chǔ)上，利用分步開挖模擬得到了主運(yùn)大巷斜交穿越昌平運(yùn)料巷掘進(jìn)施工過程中的圍巖塑性區(qū)分布范圍，以及主運(yùn)大巷開挖對(duì)上層昌平運(yùn)料巷的擾動(dòng)范圍，為昌平運(yùn)料巷的預(yù)加固技術(shù)、主運(yùn)大巷斜交穿越昌平運(yùn)料巷掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)及支護(hù)參數(shù)的合理選取提供依據(jù)。

2 支護(hù)方案

2.1 交岔點(diǎn)附近錨網(wǎng)索噴支護(hù)方案

在交岔區(qū)域邊界沿兩條巷道軸向各側(cè)10m范圍內(nèi)為重點(diǎn)加固區(qū)域，采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)結(jié)構(gòu)。錨桿采用高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20mm×2500mm。預(yù)應(yīng)力錨索采用1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作，直徑為φ18.9mm，長(zhǎng)度為7000mm，孔徑為φ30mm；錨桿(索)間排距為800mm×800mm。當(dāng)完成全斷面錨桿和錨索的安裝后，進(jìn)行全斷面噴漿，以封閉巷道圍巖及形成對(duì)錨桿和錨索的保護(hù)。噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，厚度200mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

表1 主運(yùn)大巷開挖后的圍巖塑性區(qū)的變化范圍

圖3 交岔點(diǎn)附近錨網(wǎng)索噴支護(hù)結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2 交岔點(diǎn)區(qū)域支護(hù)方案

主運(yùn)大巷斜交穿越昌平運(yùn)料巷區(qū)段掘進(jìn)與支護(hù)難度較大，主要采用工字鋼支架和鋼筋混凝土進(jìn)行支護(hù)。工字鋼支架選用16#工字鋼，棚距750mm；每根棚腿采用4根錨桿與巷幫固定，在錨桿安裝位置預(yù)留φ22mm的錨桿穿孔；在架設(shè)工字型鋼支架時(shí)，架后鋪設(shè)由φ6.5mm鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)，并初噴50mm厚混凝土作支架背板；然后在此基礎(chǔ)上澆灌鋼筋混凝土，各部位配筋量根據(jù)受力和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行調(diào)整，澆灌混凝土中面層鋼筋均采用φ20mm螺紋鋼，按@200mm×200mm布置，然后整體澆灌C40混凝土，保證鋼筋保護(hù)層混凝土厚度不小于40mm，頂板工字鋼和鋼筋混凝土支護(hù)層總厚度為500mm，兩幫處支護(hù)總厚度為400mm，如圖4所示。

圖4 交岔點(diǎn)區(qū)域支護(hù)結(jié)構(gòu)(單位：mm)

先將昌平運(yùn)料巷原底板混凝土等進(jìn)行拆除，然后將底板清理干凈。底板要進(jìn)行擴(kuò)底處理，向巷道四周都擴(kuò)大500mm，開挖深度距底板標(biāo)高為340mm，如圖5所示。擴(kuò)底完成后在擴(kuò)底處開挖溝槽，在槽中安設(shè)16#工字鋼和現(xiàn)澆混凝土形成型鋼。在型鋼混凝土基礎(chǔ)完成后，在其上部安設(shè)中間層型鋼梁，在中間層型鋼梁上方安設(shè)頂層型鋼梁，在安設(shè)前在工字鋼梁翼緣上預(yù)先打孔，將中間層型鋼梁和頂層型鋼梁用螺栓連接，要保證兩層型鋼梁的平穩(wěn)搭接。

在頂層型鋼梁上方鋪設(shè)上層鋼板，鋼板采用花紋鋼板。鋪設(shè)上層鋼板要布滿整個(gè)巷道，并且上層鋼板鋪設(shè)后保證鋼板頂部與昌平運(yùn)料巷底板相平。型鋼與鋼板布置圖，如圖6所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與效果分析

表面位移變化情況時(shí)巷道穩(wěn)定的直接表現(xiàn)，巷道開挖后，圍巖不可避免的會(huì)產(chǎn)生形變，這些形變是多方位和動(dòng)態(tài)的。為保證主運(yùn)大巷掘進(jìn)期間昌平運(yùn)料巷的基本穩(wěn)定，掘進(jìn)期間對(duì)昌平運(yùn)料巷及主運(yùn)大巷進(jìn)行了表面位移監(jiān)測(cè)。

圖5 昌平運(yùn)料巷底板型鋼混凝土布置(單位：mm)

圖6 型鋼與鋼板布置

1)為保證主運(yùn)大巷掘進(jìn)期間昌平運(yùn)料巷的基本穩(wěn)定，掘進(jìn)期間對(duì)昌平運(yùn)料巷進(jìn)行了表面位移監(jiān)測(cè)。3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面圍巖表面收斂位移與時(shí)間關(guān)系如圖7所示。

圖7 圍巖表面收斂位移與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖7分析可知，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的圍巖表面收斂位移均呈現(xiàn)“頂?shù)装逡平看笥趦蓭褪諗恐怠钡姆植家?guī)律。底臌是造成巷道失穩(wěn)破壞的重要因素，由于巷道底板所處的部位特殊，工作面裝巖出矸和材料運(yùn)輸使得底板支護(hù)加固滯后于兩幫和頂拱數(shù)十米，而且?guī)晚敵Ｓ玫闹ёo(hù)加固方法難以在底板支護(hù)加固中實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致底板暴露時(shí)間長(zhǎng)，支護(hù)加固強(qiáng)度低，底板應(yīng)力由于高度集中而發(fā)生強(qiáng)烈的剪切滑移，宏觀上表現(xiàn)即出現(xiàn)劇烈的底臌變形。

巷道變形經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)整期之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)變速率在1.0mm/d以下，總體變形在控制范圍內(nèi)。其中A1斷面頂?shù)装逡平窟_(dá)到61.03mm，水平收斂位移最大達(dá)到52.25mm；A2斷面頂?shù)装逡平窟_(dá)到64.78mm，水平收斂位移最大達(dá)到50.23mm；A3區(qū)段斷面頂?shù)装逡平窟_(dá)到54.87mm，水平收斂位移最大達(dá)到47.68mm。

2)為保證5201綜放工作面回撤期間主運(yùn)大巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和運(yùn)輸安全，對(duì)主運(yùn)大巷的表面位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面圍巖表面收斂位移與時(shí)間關(guān)系如圖8所示。

圖8 圍巖表面收斂位移與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖8分析可知，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的圍巖表面收斂位移均呈現(xiàn)“頂?shù)装逡平看笥趦蓭褪諗恐怠钡姆植家?guī)律。巷道變形經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)整期之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)變速率在1.00mm/d以下，總體變形在控制范圍內(nèi)。其中B1斷面頂?shù)装逡平窟_(dá)到63.02mm，水平收斂位移最大達(dá)到55.48mm；B2斷面頂?shù)装逡平窟_(dá)到65.00mm，水平收斂位移最大達(dá)到51.48mm；B3斷面頂?shù)装逡平窟_(dá)到55.01mm，水平收斂位移最大達(dá)到45.43mm。

4 結(jié)論

1)考慮主運(yùn)大巷開挖對(duì)昌平運(yùn)料巷圍巖穩(wěn)定造成的相互迭加影響，數(shù)值模擬分析了主運(yùn)大巷和昌平運(yùn)料巷的變形與穩(wěn)定機(jī)制，為確定昌平運(yùn)料巷合理的超前預(yù)加固措施提供了依據(jù)。

2)立體斜交岔點(diǎn)受力條件復(fù)雜，在多重應(yīng)力疊加效應(yīng)下，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中情況。數(shù)值模擬結(jié)果表明：交岔點(diǎn)處圍巖塑性區(qū)范圍較大，圍巖穩(wěn)定性較差。

3)結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，并運(yùn)用動(dòng)態(tài)施工力學(xué)理論研究主運(yùn)大巷在開挖施工過程中的穩(wěn)定性，為確定合理的主運(yùn)大巷斜交穿越昌平運(yùn)料巷的掘進(jìn)施工工藝和合理的支護(hù)技術(shù)措施提供理論依據(jù)。提出了先對(duì)上部巷道進(jìn)行錨網(wǎng)索噴預(yù)加固，而后對(duì)交岔點(diǎn)處進(jìn)行型鋼梁和型鋼支架的聯(lián)合支護(hù)方案。

4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，此方案有效地控制了交叉點(diǎn)圍巖的變形與破壞，保證了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定及安全。

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