深部大斷面硐室圍巖控制技術(shù)

董金勇

(河南永煤集團(tuán) 新橋煤礦，河南 永城 476600)

某礦Ⅱ61下采區(qū)作為礦井-800 m水平以下的首采區(qū)，巷道平均埋深接近900 m，其軌道下山掘進(jìn)后常規(guī)斷面巷道變形嚴(yán)重，相比于普通巷道，深部硐室圍巖控制難度更大，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1) 由于硐室內(nèi)機(jī)電設(shè)備布置的特殊性，致使硐室斷面形狀復(fù)雜多變，圍巖應(yīng)力環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，而且硐室高度、跨度普遍較大，施工工藝相對(duì)復(fù)雜，常用的臺(tái)階施工方法在施工過(guò)程中的施工擾動(dòng)更是加大了硐室的支護(hù)難度[1-2]。2) 對(duì)于某些特殊硐室，由于需要開(kāi)挖基礎(chǔ)并在底板布置機(jī)電設(shè)備，一旦硐室底板出現(xiàn)不均勻隆起，將導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至造成重大事故，此類硐室對(duì)底板底鼓量要求十分嚴(yán)格?；诖?，對(duì)深部大斷面軟巖硐室圍巖控制技術(shù)展開(kāi)研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

架空乘人裝置人車硐室為新掘硐室，埋深900 m，理論所處垂直應(yīng)力約為24 MPa，硐室受EF31正斷層影響構(gòu)造應(yīng)力較大，已有研究結(jié)果表明，構(gòu)造應(yīng)力往往數(shù)倍于原巖應(yīng)力，若應(yīng)力集中系數(shù)按2～3考慮，則斷層構(gòu)造帶處垂直應(yīng)力將達(dá)到48 MPa以上。硐室斷面凈寬×凈高=6 m×4.8 m，掘進(jìn)揭露圍巖主要為泥巖及泥沙巖，且在斷層帶影響圍巖內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育。另外，通過(guò)對(duì)離硐室10 m位置相同斷面巷道進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，此處巷道支護(hù)采取一次錨網(wǎng)支護(hù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1，大斷面硐室全斷面塑性區(qū)都比較發(fā)育，巷道圍巖穩(wěn)定性越差，硐室支護(hù)越困難。

圖1 硐室圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍示意圖

2 深部硐室圍巖控制技術(shù)

現(xiàn)有深部巷道支護(hù)理論與技術(shù)表明[3-5]，要有效控制巷道圍巖變形，需要進(jìn)行二次支護(hù)。深部大段面巷道圍巖松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果表明，僅采取一次支護(hù)，巷道圍巖松動(dòng)圈全斷面都較大，現(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示巷道圍巖變形嚴(yán)重，兩幫和頂?shù)装逡平吭?0天內(nèi)都超過(guò)了400 mm，變形量大且呈現(xiàn)持續(xù)流變，為此對(duì)架空乘人裝置人車硐室提出了二次高強(qiáng)全斷面錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)。

2.1 二次支護(hù)時(shí)機(jī)分析

建立FLAC2D模型分析采用一次支護(hù)后硐室圍巖變形特征，在巷道的幫腳、起拱線以及拱部與水平方向呈15°、30°、45°、60°、75°、90°處分別設(shè)置8 m深的監(jiān)測(cè)線，監(jiān)測(cè)線從巷道幫腳到拱頂分別命名為1#、2#、3#…9#，并且在監(jiān)測(cè)線上每隔1 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn) 圖2。

圖2 硐室監(jiān)測(cè)線布置示意圖

一次支護(hù)后巖圍變形量見(jiàn)圖3。

圖3 一次支護(hù)后圍巖變形量圖

硐室圍巖變形分為3個(gè)階段：1) 變形移動(dòng)劇烈階段見(jiàn)圖3中0～200步，硐室圍巖變形快且變形量大，達(dá)到了總變形量的65％以上。2) 變形平緩階段見(jiàn)圖3中200～2 500步，圍巖變形平緩，變形量為總變形量25％以上，前兩個(gè)階段變形量占據(jù)了95％。3) 相對(duì)穩(wěn)定階段見(jiàn)圖3中2 500～3 687步，硐室圍巖變形趨于穩(wěn)定。

從一次支護(hù)后的時(shí)步變化可以看出，圍巖持續(xù)變形時(shí)間約2 500時(shí)步，為分析二次錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)圍巖變形量的影響，分別在一次支護(hù)后不同時(shí)步進(jìn)行二次錨網(wǎng)支護(hù)，得到的圍巖位移變化曲線見(jiàn)圖4(僅列出0步及200步)。

a) 一次支護(hù)后直接二次支護(hù)

b) 一次支護(hù)200步后二次支護(hù)

由圖4可知，0步時(shí)，即一次支護(hù)過(guò)程中直接進(jìn)行二次錨網(wǎng)支護(hù)，圍巖變形速度與不進(jìn)行二次錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)圍巖變形速度基本相當(dāng)，圍巖總體變形量只小幅下降；200步時(shí)，圍巖變形分3階段，第一階段為一次支護(hù)后圍巖變形能的釋放，此時(shí)圍巖變形速度較快，在第200步，進(jìn)行二次錨網(wǎng)支護(hù)后圍巖變形速度明顯減緩，與其他3種支護(hù)時(shí)機(jī)相比，圍巖變形量最小，二次支護(hù)在變形劇烈階段到變形平緩階段的拐點(diǎn)進(jìn)行為宜。

2.2 錨桿(索)預(yù)緊力合理匹配

錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)，錨桿延伸率高，比如該礦d20 mm螺紋鋼錨桿的桿體延伸率≥15％，錨索的延伸率低<1.8％，若二者預(yù)緊力不匹配，二者的剩余變形量相差較大，在整個(gè)支護(hù)過(guò)程中不能同步承載，如錨桿預(yù)緊力低、錨索預(yù)緊力大，錨桿起不到主動(dòng)支護(hù)作用，錨索預(yù)緊力高導(dǎo)致初期載荷集中于錨索，延伸率低，增阻快，錨索拉力超過(guò)破斷載荷導(dǎo)致錨索被拉斷，錨索應(yīng)保持合適預(yù)緊力，留有較大的變形量，適用圍巖的離層與變形。錨桿索變形能力匹配公式如下[6]：

式中：

Psmax—錨索極限載承能力，kN；

Pgmax——錨桿極限載承能力，Pa；

Ps0—錨索初錨力，kN；

Pg0—錨桿初錨力，kN；

ds—錨索每絲直徑,mm；

dg—錨桿直徑，mm；

σbs—錨索材料極限強(qiáng)度，kN；

σbg—錨桿材料極限強(qiáng)度，kN；

ls—錨索長(zhǎng)度,m；

lg—錨桿長(zhǎng)度，m；

δs—錨索延伸率；

δg—錨桿延伸率；

n—錨索絲數(shù)，取7。

2.3 底板支護(hù)效果分析

架空乘人裝置人車硐室底板巖層主要為砂質(zhì)泥巖，不屬于膨脹性圍巖，因此其主要是擠壓流動(dòng)性底鼓。當(dāng)兩幫和頂板圍巖得到有效控制，而底板未采取控底措施時(shí)(圖5)，相當(dāng)于承載結(jié)構(gòu)的薄弱部位，底板容易成為變形突破口，采取控底措施后，底板與幫頂支護(hù)承載結(jié)構(gòu)形成“框式”承載結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5b)?？刂频坠牡耐瑫r(shí)在幫腳處提供了有利的著力“支撐點(diǎn)”，避免了幫部支護(hù)承載結(jié)構(gòu)在幫腳處的局部薄弱。

a) 底板未支護(hù) b) 底板支護(hù)

3 深部硐室支護(hù)方案

硐室設(shè)計(jì)巷寬6 m、高4.8 m，一次支護(hù)錨桿規(guī)格d20 mm×2 400 mm，錨桿間排距800 mm×800 mm，一次支護(hù)后，對(duì)巷道進(jìn)行初噴，保證巷道成型。采用高強(qiáng)度二次錨網(wǎng)支護(hù)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固，在一次錨網(wǎng)支護(hù)兩排錨桿間實(shí)施二次高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)，二次支護(hù)錨桿規(guī)格d20 mm×3 000 mm，錨索規(guī)格d17.8 mm×7 000 mm，采用斷面A和斷面B相間布置，排距1 600 mm，展開(kāi)圖見(jiàn)圖6。底板布置d20 mm×2 400 mm錨桿，間排距為800 mm×800 mm。

圖6 架空乘人裝置人車硐室支護(hù)展開(kāi)圖

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)施采取臺(tái)階施工法，硐室整體一次支護(hù)施工35天完畢，布置測(cè)定進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，硐室變形劇烈階段已過(guò)，因此，立即進(jìn)行二次支護(hù)。

二次支護(hù)錨桿規(guī)格d20 mm×3 000 mm，錨索規(guī)格d17.8 mm×7 000 mm，以錨索支護(hù)為主體，優(yōu)先考慮錨索預(yù)緊力。二次支護(hù)中以錨索預(yù)緊力為100 kN，代入各項(xiàng)錨桿、錨索特征數(shù)值，計(jì)算得出錨桿最優(yōu)匹配預(yù)緊力為39.5 kN，需要扭力扳手施工至300 N·m，能保證達(dá)到39.5 kN，因此，對(duì)二次支護(hù)的錨桿要提高錨桿扭矩，以達(dá)到變形匹配。

4 硐室支護(hù)效果分析

根據(jù)1、2、3測(cè)站觀測(cè)的二次支護(hù)完成后巷道表面位移的觀測(cè)結(jié)果得出，硐室兩幫和頂?shù)装逦灰圃谥ёo(hù)完成兩個(gè)月左右趨于穩(wěn)定，巷道頂?shù)装逡平枯^大，1、2、3測(cè)點(diǎn)頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為：65 mm、71 mm、54 mm；兩幫最大位移量分別為：32 mm、23 mm、36 mm，平均為30 mm；頂?shù)装迤骄平窟_(dá)到了63 mm，大于兩幫平均位移量，平均變形速率約0.7 mm/d，這是因?yàn)橄锏赖装逶诙沃ёo(hù)后沒(méi)有立即采取支護(hù)措施，幫頂支護(hù)完成后，底板成了圍巖變形釋放的突破口。巷道兩幫變形量較小，兩幫最大位移量平均為30 mm，平均變形速率約0.33 mm/d，但現(xiàn)在圍巖位移速度已趨于零，顯示了二次錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)在深部巷道中良好的支護(hù)效果。

5 結(jié) 論

由于硐室斷面形狀復(fù)雜多變，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，而且硐室高度、跨度普遍較大，施工工藝相對(duì)復(fù)雜，常用的臺(tái)階施工方法在施工過(guò)程中的施工擾動(dòng)更是加大了硐室的支護(hù)難度，且對(duì)于某些特殊硐室有嚴(yán)格的控底要求，大斷面硐室支護(hù)難度大。通過(guò)實(shí)施二次高強(qiáng)全斷面錨網(wǎng)支護(hù)，圍巖監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，硐室圍巖變形量小，圍巖變形得到了有效控制。

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